土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的关键因子，对生态系统关键过程具有重要影响。土壤水分的分布特征是气候、土壤、植被和地形共同作用的结果和体现，研究多尺度下土壤水分的分布及其与环境因素的关系可以揭示土壤水分的时空演变规律与驱动机制，为土壤水资源科学管理和可持续利用提供依据。黄土高原草地是我国草地的重要组成部分，系统研究土壤水分对草地生态系统碳过程的影响可为回答生态系统水分—植被互动关系提供依据。本论文结合野外调查和室内分析，研究了典型黄土区区域、样带和坡面尺度土壤水分的时空分布特征，阐明了土壤水分分布与环境因素之间的关系，并分析了土壤水分对草地生态系统生产力、土壤呼吸、碳氮分布以及植物多样性的影响，所取得的主要结论如下：1.典型黄土区土壤剖面水分具有明显的空间分布规律，水平方向由东南向西北递减，垂直方向先减小后增加。土地利用对土壤水分的数量和剖面分布具有显著影响，3种土地利用土壤水分含量依次为农地>林地>草地。典型黄土区0~5m土壤储水量平均值为719mm。土壤水分随着土层深度的增加，其变程总体上呈减小趋势，表明土壤水分空间依赖性随土层深度的增加而增强。降水、土壤孔隙度和坡度是影响典型黄土区土壤水分分布的主要因素。黄土高原南北样带土壤水分从南向北递减，0~5m土壤储水量平均值为735mm。土壤水分随着土层深度的增加，其在空间上的变异性增强，而在时间上的变异性减弱。干燥度、粘粒含量、海拔和坡度是影响南北样带土壤水分分布的主要因素。2.典型黄土区土壤干层具有明显的空间分布规律，干层厚度在西部和西北部地区较厚，在东南部地区较薄，干层内平均含水量由东南至西北方向递减。土地利用对土壤干层有显著影响，土壤干化程度依次为草地>林地>农地。典型黄土区土壤干层的空间分布格局是区域大尺度因子与局部小尺度因子共同作用的结果。南北样带土壤干层具有良好的时间稳定性特征，干层内平均含水量愈低、起始形成深度愈浅的样点时间稳定性愈强；气候愈干旱、土壤持水性能愈差干层内平均含水量时间稳定性愈强，愈可能形成永久性土壤干层。3.小流域典型坡面土壤储水量随着土层深度的增加，其在时间上的变异性降低，而在空间上的变异性增强，表明土壤储水量时空变异性的强弱具有深度依赖性。坡面尺度土壤储水量具有良好的时间稳定性特征，时间稳定性样点的数量随着土层深度增加而增多，表明土壤储水量时间稳定性随着土层深度的增加而增强。代表稳定性样点可以较准确的估算坡面尺度平均土壤水分状况（R2≥95%）。土壤质地、有机碳、海拔和植被对土壤水分时间稳定性具有重要影响，但其影响程度因两个坡面不同而有所差异，表明土壤水分时间稳定性对土壤、植被和地形的依赖因坡面不同而异。4.降水是影响区域尺度黄土高原草地生态系统净初级生产力的主要因素。不同草地类型对降水变化的响应敏感性不同，响应敏感程度依次为草甸草原>典型草原>灌丛草原>荒漠草原。生长季降水的季节分布（5~9月）与草地净初级生产力显著负相关，表明生长季降水分布愈均匀，愈有利于草地生产力的提高，尤其是在340~440mm降水区域。土壤水分对草地净初级生产力也有显著影响，且随着土层深度的增加，影响程度逐渐减弱。5.小流域典型坡面表层土壤水分和草地净初级生产力具有较强的空间自相关结构，且与环境变量之间具有显著的空间交互相关结构。基于饱和导水率的单因素状态空间模型具有较好的模拟效果，可用于田间条件下表层土壤水分分布特征的预测。基于粘粒+速效磷含量或速效磷+硝态氮含量的双因素状态空间模型可以解释草地净初级生产力的全部变异，可用于坡面尺度草地生产力空间分布特征的预测。6.土壤水分变化对草地碳固定和碳排放过程具有显著影响。增水显著提高了长芒草、苜蓿、自然恢复和退化苜蓿群落地上部净初级生产力和细根生物量，表明在草地生长前期供水的重要性。增水显著促进了各草地群落土壤呼吸速率，但未改变其季节变化特征。除长芒草群落外，水分添加显著增加了其他3种草地群落土壤呼吸的温度敏感性。土壤中δ13C和δ15N在苜蓿群落演替阶段随年限的增加逐渐增加，而在长芒草群落演替阶段逐渐降低，表明δ13C和δ15N在植被不同演替阶段随年限变化趋势不同。土壤储水量与δ13C和δ15N显著负相关，表明旱区草地生态系统主要过程是由水分驱动的。7.不同群落植物物种多样性对环境因素的响应不同。土壤水分和饱和导水率是影响草地生态系统物种多样性分布的主要因素；灌木密度、坡度和海拔是影响灌木林地物种多样性分布的主要因素。在充分考虑土壤和地形因素的条件下，尤其是土壤水分状况，种植合适密度的灌木对维持黄土高原北部植物多样性具有重要作用。本研究表明，在典型黄土区，气候条件、土壤性质和地形因子是影响区域和样带尺度土壤水分分布的主要因素，土壤性质、地形和植被对坡面尺度土壤水分时空分布具有重要作用，通过分析多尺度下土壤水分的分布特征可以揭示土壤水分的演变规律和驱动机制，为土壤水分模拟与预测和水土环境质量演变提供依据。土壤水分对草地生态系统生产力形成、碳氮循环以及植物多样性分布具有重要影响，通过分析生态系统基本过程以及植物多样性对水分变化的响应可以揭示生态系统水分—植被互动关系，从而为脆弱生态系统植被恢复和生态建设提供依据。