黄土高原位于干旱半干旱地区,生态脆弱,毁林开荒导致严重的土地退化及土壤碳损失。植被恢复是黄土高原地区解决土地退化的重要手段之一,同时具有巨大土壤碳汇潜力,然而目前还缺乏对该区域不同植被下剖面土壤碳和水分动态变化特征的系统研究。本研究针对植被恢复后土壤剖面有机碳,无机碳和水分动态变化特征的问题,以黄土高原纸坊沟小流域内耕地、林地,灌木地和草地为研对象,采用稳定碳同位素、原子吸收、选择性提取等技术,结合土壤有机碳、无机碳和土壤水分含量及其他土壤理化性质,阐明了不同类型植被恢复后土壤剖面碳和水分动态变化时空特征。黄土高原地质历史时期气候环境变化特征可以为当前植被恢复提供依据,以洛川黄土-古土壤序列为研究对象,研究土壤有机碳和无机碳稳定碳同位素重建古环境矛盾的成因,从而为黄土高原选择适宜的植被恢复方式提供科学依据。本研究取得的主要结果如下:（1）植物恢复显著影响土壤剖面有机碳动态变化林地和灌木地0-200厘米土层土壤有机碳含量显著增加。土壤表层20厘米,林地和灌木地分别用30和20年实现新碳比例赶超老碳比例,低于同土层黄土高原平均水平（30年）,而20厘米以下土层新碳比例均不超过老碳比例。深根植被恢复增加土壤表层和深层新碳含量,林地和灌木地剖面0-20厘米和20-200厘米新碳积累量占剖面比例分别超过50%和40%,说明深根植物恢复后土壤表层和深层均为重要碳汇。固氮植被恢复显著降低表层20厘米老碳含量,而对20-200厘米土层老碳影响不显著,说明固氮植物可能在土壤表层产生激发效应进而加速土壤表层老碳分解,而在土壤深层抑制激发效应进而降低老碳分解。（2）不同植被恢复方式下土壤剖面无机碳动态变化差异显著草地0-50厘米土层土壤无机碳含量显著高于耕地,而林地0-200厘米土层土壤无机碳含量与耕地差异不显著。归因于来源于大气降尘的Ca²⁺以土壤无机碳形式保存于pH较高的草地内,而还林降低pH,吸收Ca²⁺,导致一部分土壤无机碳转化为气态CO₂。耕地次生碳酸盐比例随着土层深度增加而增加,林地和灌木地次生碳酸盐比例随着土层先增加后降低,归因于大气降尘和次生碳酸盐形成的综合作用。植被恢复在上层（0-100厘米）和下层土壤（100厘米以下）显著降低原生碳酸盐含量,同时显著增加相同土层次生碳酸盐含量,说明上层和下层土壤均有原生碳酸盐向次生碳酸盐转化。下降模型可以用于解释上层土壤次生碳酸盐形成和剖面再分布,根系对土壤下层土壤次生碳酸盐形成和剖面再分布起重要作用。（3）土壤剖面碳和水分随植被恢复年限变化显著植被恢复10年后,土壤有机碳含量在林地、灌木地和草地表层显著增加,土壤无机碳含量在灌木地和草地底层显著增加归因于生物CO₂和外来的Ca²⁺所形成的次生碳酸盐。有机碳和无机碳线性回归系数绝对值排序如下:草地>林地和灌木地,这说明草地消耗单位有机碳产生最多的无机碳。植被恢复30年后,林地和灌木地土壤水分分别降至4.38%-6.74%和3.80%-5.21%,这接近砂壤土凋萎系数（5%）,阻碍土地可持续利用。耕地转化为自然草地保持较高的土壤水分含量。综合考虑固碳能力和土壤水分消耗程度,草地可能是较好的可持续碳累积的植被恢复方式。（4）植被覆盖下有相当比例大气源次生碳酸盐形成PC_{respired CO2}（%）是生物CO₂源次生碳酸盐比例,PC_total（%）是指来源于大气CO₂和生物CO₂次生碳酸盐比例之和。PC_{respired CO2}（%）和PC _total（%）差值可以获得大气源次生碳酸盐比例(PC_{atmospheric CO2}（%）)。耕地、林地和草地0-200厘米土层,大气源次生碳酸盐比例均值分别为12.59%,25.59%和22.48%,说明土壤无机碳中含有相当数量大气源次生碳酸盐。植被覆盖下次生碳酸盐形成归因于冬季低温下更多大气CO₂扩散进入土壤CO₂。（5）原生碳酸盐和大气源次生碳酸盐导致土壤有机碳和无机碳稳定碳同位素重建古环境的矛盾洛川黄土-古土壤层（S₀-S₁）原生碳酸盐变化范围为3%-25%。大气源次生碳酸盐最低比例在黄土层L₁LL₁、L₁SS₁和L₁LL₂中分别为6%、1%和6%。大气源次生碳酸盐比例在古土壤层S₀和S₁中均为0%。此外,在古土壤层S₀和S₁中Δ值等于该土层土壤有机碳同位素分馏值。土壤有机碳和无机碳稳定碳同位素重建古生态和古环境矛盾的原因在古土壤层S₀,S₁是归因于原生碳酸盐对土壤无机碳的影响,在黄土层L₁归因于原生碳酸盐和大气源次生碳酸盐对土壤无机碳的作用。