针对陕北黄土高原当前生态环境建设及生态需水合理配置等问题,选取在水蚀风蚀交错带典型小流域进行野外试验,通过径流小区和固定样点水分观测,研究了不同土地利用方式下土壤水分动态变化特征及典型植被的耗水特点与规律,并分析了小流域土壤水分的时空分布特征,通过水量平衡观测,对小流域生态需水量进行了估算和讨论,并对陕北黄土高原地区现状生态需水量进行了初步分析。取得以下主要结论: (1)土壤入渗性能在坡面上的变异程度属于中等变异;而地质统计学分析也表明土壤入渗特性在坡面上具有中等空间相关性;分形方法表明研究的土壤并非具有理想分形特征的介质,稳定入渗率、平均入渗率与前30min累积入渗量的自相关范围分别为20～120m、20～140m与40～100m。土壤容重在流域内呈现弱变异性,毛管持水量和饱和持水量的变异程度为中等;应用地统计学时,土壤容重和饱和持水量的半方差函数均发生了漂移,应该采用新的理论和手段来计算。 (2)各径流小区土壤剖面水分的垂直变化具有明显的层次。基于标准差和变异系数两个指标,采用聚类分析,将荒草小区水分垂直变化划分为四个层次:速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层;将谷子、大豆、柠条和退耕小区划分为三个层次:活跃层、次活跃层和相对稳定层。 (3)不同土地利用方式下土壤水分动态变化趋势与降雨量的变化趋势基本一致,土壤水分循环过程均为“补偿—消耗—补偿”,5个小区蒸散耗水量大小依次为柠条>荒草>退耕>黑豆>谷子,径流量大小依次为黑豆>谷子>退耕>荒草>柠条,柠条、荒草蒸散耗水量较大,而地表径流量相对最少。 (4)不同的立地条件对土壤水分状况有着较明显的影响。对不同坡位,下坡比上坡的土壤水分高,由于植被状况、土壤物理性质等不同,土壤水分在不同坡位的变化幅度存在差异。对不同坡向,阴坡水分一般高于阳坡,而在植被类型、土壤质地、坡度及土壤物理蒸发等因素差异较大时,阴坡水分不一定比阳坡高;对不同地貌部位,土壤水分变化均未表现出明显的规律性,但从水分平均值看,不同地貌部位的水分高低顺序为坝地>浅沟>峁顶>切沟。 (5)汛期降雨量占观测期内降雨量的比值均在67%以上,流域内降水分布呈现出一定的时间不稳定性;流域产流主要发生在汛期7、8月份,1、2号集水区和全流域产流平均径流深分别为30.5、33.9和21.4mm,它们的储水量变化均为负增长,其蒸散量与观测期内降水量的比值分别为1.01、0.95和1.05,蒸散发是流域水分输出最重要的一项。 (6)小流域现状水平生态需水量约为53536.4 m~3,将维持良好生态环境生态需水量界定为:流域内所有作物地退耕还林还草后的各种林草植被类型所需水量,计算得出小流域维持良好生态环境生态需水量约为54814.5m~3。陕北黄土高原现状生态需水量约为37.83亿m~3。