以小流域为单元进行综合治理是黄土高原有效开展水土保持的重要途径。认识和调控土壤、生态、水文过程等是治理小流域的科学基础。土壤水分是黄土高原小流域植被恢复与建设的关键因子，它对土壤侵蚀、溶质迁移和土壤形成过程有较大影响，土壤饱和导水率与土壤入渗能力紧密相关，它是模拟土壤水分运动的重要参数。小流域土壤含水量与饱和导水率具有时空变异性，充分认识黄土高原小流域土壤含水量与饱和导水率的时空变异对流域土壤水分管理具有重要的科学意义和实际应用价值。　　 基于黄土高原小流域土壤含水量与饱和导水率存在时空变异的科学事实，针对小流域治理对土壤过程的认识需求，从国内外时空变异研究的热点和难点出发，本论文在进行大量野外测定的基础上，结合GIS技术、经典统计、地统计学工具、状态空间方程与径流模拟等手段对黄土高原小流域土壤含水量与饱和导水率的时空变异问题进行了研究，并探讨了土壤水分的时间稳定性、沟道以及尺度对空间变异分析的影响、状态空间模型在黄土高原小流域的应用、土壤表层水分变异与水分状况关系、自然景观下土壤饱和导水率的时间变化以及径流模拟对时空变异的响应等问题。获得了以下主要研究成果：　　 (1)在小流域内通过多点测定，揭示了小流域0-80cm土层土壤含水量与表层土壤饱和导水率的空间变异及其影响因子。结果表明，剖面平均含水量为中等变异和中等空间依赖性，且随着土层深度的加深，土壤含水量与变异强度呈增加趋势。流域饱和导水率呈对数正态分布，变异强度为强变异，空间依赖性为中等。土壤颗粒组成是影响流域土壤含水量与饱和导水率分布的主要因素，其中，物理性粘粒(<0.01mm)是黄土高原小流域中起到水分保持作用的最重要因素，小于0.2mm的土壤颗粒含量是决定土壤饱和导水率分布的主要粒径范围。高斯条件模拟能较好地得到土壤含水量与饱和导水率的空间分布图。　　 (2)沟道的形成显著影响了小流域内土壤含水量与饱和导水率及其空间变异。当忽略沟道时，土壤含水量均值及其空间变异强度减小，而饱和导水率均值及其空间变异强度增大；当不考虑沟道时，无论是土壤含水量还是饱和导水率，空间依赖性都增强，相关距离都增大。显然，沟道的形成明显打破了流域土壤水分和饱和导水率的空间连续性，因此，在研究小流域土壤水分和饱和导水率的空间变异时不可忽略沟道的影响。　　 (3)小流域尺度内，土壤饱和导水率的空间变异具有尺度性。研究表明块金值(随机误差或最小采样间距内的变异)、结构变异、空间依赖性都随研究幅度的减小而减小，以至于在10m尺度上，土壤饱和导水率表现为纯随机变异。当最小采样间距从15m变为2m时，块金值明显减小，结构方差增大和总变异(基台值)都增大，空间依赖性增强，相关距离基本不变。当最小采样间距从2m变为0.2m时，饱和导水率的空间结构基本不变。因此，为了准确揭示小流域尺度土壤饱和导水率的空间结构，最小采样间距应设置为2m。　　 (4)小流域土壤含水量具有时间稳定性。秩相关系数的显著性(P<0.01)表明流域坡面各层土壤含水量在不同时间下具有相似的空间结构。从土壤水分均值估计角度出发，基于传统的秩稳定性概念，提出了代表稳定性这一新概念。土壤水分的秩稳定性和代表稳定性都与土壤颗粒组成密切相关，然而土壤质地越粗，代表稳定性越弱，秩稳定性越强。在考虑稳定性点的土壤水分与平均水分的相对差分后进行间接均值预测时，就稳定性点的确定而言，代表稳定性概念优于传统的秩稳定性概念。代表稳定性概念的敏感性分析表明，土壤水分均值预测误差对相对差分变化的敏感性随土壤含水量的降低而增大，因此在利用间接法进行均值水分估计或预测时，应倾向于选择土壤较湿的样点。　　 (5)状态空间模型能较好地模拟黄土高原小流域不规则样带的生物量分布。结果表明单因素下有机质含量可以很好地模拟生物量的分布，它能解释样带生物量变异的99.85％，但当模拟方程中同时考虑有机质、表层含水量(中等，7.8％左右)与坡向时，对生物量的模拟最优(R2=1.000)。相比传统的线性回归和自回归模型而言，状态空间方程能更好地揭示生物量的空间变异过程。随着状态空间模型中变量的增多，模拟效果并不必然得到改善。当生物量数据减半后，状态空间模拟效果明显降低，但仍好于传统统计方法。　　 (6)小流域不同立地条件(沙地、杏树、柠条、长芒草样带)土壤表层水分的空间变异与水分状况有关。研究表明随土壤含水量增加，土壤水分的标准差增大，而变异系数减小。分别利用对数函数与指数函数拟合标准差与平均含水量的关系以及变异系数与平均含水量的关系确定了各条样带土壤表层水分变异系数与标准差的最大值。地统计分析表明，随土壤含水量增加，四条样带的随机变异和结构性变异都增加；对于长芒草和柠条样带而言，水分越高，空间依赖性越强。随土壤含水量增高，长芒草样带的相关距离呈减小趋势。土壤颗粒是影响样带尺度表层水分的主要因子，且对于沙地和柠条样带而言，土壤颗粒对土壤水分的影响程度随水分含量的增高而增大。　　 (7)小流域不同立地条件(沙地、杏树、柠条、长芒草样带)表层土壤容重与饱和导水率随时间发生变化。研究表明经历冬天的冻融交替后(2007年10月到2008年3月)，除了沙地样带容重显著(P<0.05)增加外，其它样带的容重显著(P<0.05)降低，饱和导水率都有显著(P<0.05)增加。雨季前冻融交替后(2008年3月至6月)，土壤在自然力作用下逐渐沉降，容重都显著增大(P<0.05)，除了柠条外，其它样带饱和导水率都显著下降(P<0.05)。雨季期间(2008年6月至10月)，土壤容重也有减小趋势，但只在沙地中达显著(P<0.05)水平，就饱和导水率而言，除长芒草样带有不显著降低外，其它都有增加，但只在杏树样带达到显著水平(P<0.05)。地统计学分析表明，各样带土壤容重和饱和导水率的空间结构发生变化，但无明显规律。　　 (8)采用LISEM(the Limburg Soil Erosion Model)的径流模块进行径流模拟试验，探究了径流模拟结果对土壤初始含水量与饱和导水率时空变异的响应。结果表明不考虑空间变异或不充分考虑空间变异(按不同利用方式划分)都会导致总径流和最大流速被低估。其中饱和导水率空间变异对径流模拟的影响比土壤含水量空间变异的影响更显著。相对总径流和最大流速而言，峰现时间受空间变异的影响较小。空间变异对径流模拟的影响与降雨和土壤初始含水量有关，降雨量与最大瞬时雨强越大，空间变异的影响越小；土壤含水量空间变异的影响在高初始含水量条件下影响较大，而饱和导水率空间变异的影响在低初始含水量下影响较大。径流模拟同时还受土壤饱和导水率时间变异的影响。　　 土壤含水量与饱和导水率是土壤学、水文学、农学等多学科重要的变量或参数，它们的时空变异特征严重影响了与土壤水分运动有关过程的描述。本论文在小流域尺度上探索了一系列土壤含水量与饱和导水率时空变异的科学问题。相信本论文将深化对干旱半干旱环境下小流域尺度土壤水分与饱和导水率的时空变异的科学认识，对小流域生态环境建设中的水土资源管理与调控提供指导意义，并将为推动土壤物理学进一步向定量方向发展提供思路。实现多尺度时空变异研究和尺度转化，并将时空变异研究成果运用于生态环境建设、水文过程模拟等是今后努力的方向之一。