黄土台塬地区水资源短缺,地形破碎、植被退化、土壤侵蚀和水土流失严重,水文生态问题频发,气候变化及人类活动的日益加剧对原本脆弱的黄土塬区带来了更大的冲击。以典型小流域为对象揭示黄土台塬地区水文和生态过程在变化环境下的演变机理对支撑流域水资源综合利用、生态恢复建设的规划以及区域的可持续发展等方面具有重要意义。本文以黄土台塬地区典型小流域—油房沟流域为研究对象,对流域1985～2015年气候和土地利用变化规律以及未来变化趋势进行了分析,同时分析了对应时期的水文和生态过程的变化规律,以此为基础分别采用实际蒸散发模型和水量平衡结合法、变异系数法、水热耦合平衡方程以及实际植被净初级生产力（ANPP）和潜在植被净初级生产力（PNPP）求差法多种数学模型揭示了气候和土地利用变化条件下流域水文和生态过程的响应过程,定量评估了气候和土地利用变化对水文和生态过程变化的贡献,同时采用区域水文生态模型RHESSys对流域水文和生态过程进行耦合模拟,从植被生态用水的角度探讨了流域水资源与生态环境之间的相互作用关系,并对未来不同气候情景下流域的水文和生态过程的变化趋势进行了预测分析。取得了如下主要结论:（1）1985～2015年流域年降水量多年平均值为528.7mm,流域年降水量无显著变化趋势,且不存在突变。流域平均气温为12.8℃,呈显著上升趋势。流域多年平均潜在蒸散发量为887.6mm,研究期内无明显的变化趋势,且未发生明显突变。RCP2.6和RCP8.5情景下,未来不同时期流域降水均有所增加,气温同样存在升高趋势。（2）整个研究期内,农田为流域最主要的土地利用类型,所占比例均超过60%,其次为林地、草地和居工地。流域农田面积逐年减少,其他土地利用类型面积增加。流域土地利用的转移特征主要表现为农田和其他土地利用类型之间相互转入和转出,2000年之前土地利用变化单一,2000年之后土地利用变化趋于复杂。土地利用变化的驱动因素主要为政策引导下的退耕还林、流域治理等人类活动。CA-Markov模型预测结果表明,未来流域土地利用构成同当前相似,农田仍然为流域最主要的土地利用类型,其面积仍呈减少趋势,林地和居工地面积呈增加趋势,草地面积先增加后逐渐平稳。（3）流域多年平均径流深为35.8mm,呈极显著性下降趋势（P<0.01）,线性下降率达到0.98mm/a;流域植被NPP多年平均值为326.62 g C·m-2·a-1,呈极显著增长趋势（P<0.01）。年径流量同降水呈显著正相关;植被年NPP同气温呈显著正相关,而降水同滞后一年的植被NPP呈显著正相关。流域土地利用的变化使得流域年径流量明显减少,气候和下垫面变化对径流变化的贡献率分别为-98.1%和198.1%。2000年前后两个阶段土地利用变化对植被NPP的影响完全相反,前一阶段会造成植被NPP降低,后一阶段则会造成植被NPP的增加且影响程度高于前一阶段。气候和土地利用变化对植被NPP变化的贡献率分别为32.7%和67.3%,土地利用变化是流域径流和植被NPP变化的主要诱因。（4）RHESSys整体上对月径流的变化模拟较好,模型在率定期的平均相对误差和纳什效率系数分别为-10.01%和0.77,验证期相应为-17.36%和0.71,RHESSys模型能够较好地模拟油房沟流域的水循环过程。植被年NPP模拟值与MODIS NPP变化基本保持一致,纳什效率系数为0.60。模拟得到植被叶面积指数（LAI）空间分布与已有的研究成果也基本吻合,RHESSys模型可以较好地模拟油房沟流域的植被生态过程。流域多年平均植被生态用水量为456.0mm,呈显著上升趋势（P<0.05）;植被生态用水在降水中所占比例多年平均值为86.5%,呈极显著上升趋势（P<0.01）且在2003年发生突变;生态恢复措施带来了径流量的减少和植被用水量增加的双重效应,流域的生态环境逐渐改善。情景设置模拟分析得出气候和土地利用变化对径流减少的贡献率分别为-89.4%和189.4%,对植被NPP变化的贡献率分别为29.8%和70.2%,土地利用变化是流域径流和植被NPP变化的主要影响因素。（5）流域未来年径流量在不同情景下存在一定差异,除RCP8.5情景下2040s之外,其它各时期年径流量均有所减少。两种气候情景下未来流域植被年NPP无明显变化趋势,流域植被恢复也逐步达到一定的稳定状态。在两种气候情景下,流域植被雨水利用率（RUE）均呈现不显著下降的趋势,倾向率分别为-0.0049/a和-0.0040/a,其原因主要与流域当前植被恢复已经达到一定水平有关。RCP2.6和RCP8.5情景流域未来年均潜在蒸散发量分别为868.22mm和938.54mm,其中RCP8.5情景下线性倾向率高达9.48mm/a。两种气候情景下,流域干燥度指数（IA）在未来30年呈现波动上升的变化趋势,表明油房沟流域在未来干旱状况有一定的加剧趋势。