土壤水分是影响植被生存的重要因素。研究土壤水分分布状况及其动态变化和运移特征,有助于揭示植被、坡度等环境因素对土壤水分的作用机制,可为提高土壤水分利用效率、恢复植被和防治水土流失提供理论支持,对于改善干旱区生态环境有重要意义。本文以位于甘肃省平凉市的纸坊沟流域为研究对象,通过对不同坡度、不同植被覆盖类型的7个径流场0~160cm深度土壤水分进行观测,结合降雨、蒸散发等实测资料,从坡面尺度分析了土壤水分空间分布特征、空间自相关性及其主要影响因素,并开展了基于HYDRUS-3D的土壤水分运移数值模拟研究。首先,分析了径流场种植作物玉米、马铃薯不同生长期土壤水分空间分布特征,并利用典范分析法(Canonical Correspondence Analysis,CCA)排序等方法研究土壤水分的主要影响因素。其次,通过计算坡面不同深度的土壤蓄水量,分析了土壤蓄水量的时空变异性。同时,基于HYDRUS-3D进行了土壤水分运移数值模拟,得出0~160cm深度各土层土壤水分模拟值与实测值变化趋势基本一致,各层RMSE值均较小,AVRE值基本接近于1,模拟效果良好。本文主要研究结论如下:1.植被生长前期,长势缓慢,需水量较小;随植株生长发育,对土壤水分的需求逐渐增大。拔节一抽穗—灌浆阶段,是玉米生长发育过程中对土壤水分最敏感的阶段;结薯期,是马铃薯生长发育阶段需水量最大的时期。在植被不同生长阶段,同一土层土壤水分差异较大;受不同生长时期作物根系吸水量及吸收水分深度等影响,0~60cm深度土壤水分动态变化最为显著。2.土壤水分沿深度分布具有一定相似性,各径流场随土层深度增加呈现出先增加后减少趋势。沿坡向低坡度(5°、10°、15°)土壤水分呈先减少后增加趋势,高坡度(25°)呈先增大后减少趋势。3.坡度及植被覆盖类型对不同深度土壤含水率均有较明显影响,其影响主要发生在土壤浅层。相对而言,植被覆盖类型对土壤含水率的影响深度较坡度大,土壤水分坡底聚集效应在0~160cm剖面不明显。4.多因素方差分析及土壤水分变化环境因子CCA排序分析结果得出:对土壤水分影响作用的相对大小顺序为:坡度(29)植被覆盖类型(29)坡位。5.各土层不同时期土壤蓄水量变异系数介于0.11~0.20,土壤蓄水量处于中等变异。40~100 cm、100~160 cm深度土壤蓄水量均显著(p<0.05)高于0~40cm深度土壤蓄水量,40~100 cm、100~160 cm深度土壤蓄水量无显著性差异。原因在于0~40cm深度土壤蓄水量受降水、蒸发和下渗等影响剧烈,使得该土层蓄水量远小于深层土壤蓄水量。不同时段、坡面不同深度范围土壤蓄水量均表现出明显空间自相关性,其结构方差大于75%,表明变量空间变异主要由结构性因素决定。土壤蓄水量自相关距离随土层深度先增加后减小。6.基于HYDRUS-3D的0~160cm深度土层土壤含水率模拟值与实测值变化趋势基本一致。根据误差计算结果分析,各层土壤含水率RMSE值均较小,AVRE值基本接近于1,模拟效果总体良好。由土壤含水率PRMSE值判断,0~40cm深度土层土壤含水率PRMSE值大于20%,40~160cm深度PRMSE值小于20%,表明深层土壤水分模拟效果优于浅层。