雨水资源利用是缓解黄土高原水土流失和干旱缺水的有效途径，土壤有效水是黄
土高原雨水资源化潜力的重要组成部分，也是该地区生态修复和农业生产的关键水资
源。土壤有效水受气象、土壤、地形、植被等因素影响呈现较强的时空变异性，其动
态变化规律和空间结构特征尚未深入了解。针对黄土丘陵区雨水资源高效利用的迫切
需求以及土壤有效水存在时空变异的客观事实，本论文以了解黄土丘陵区小流域土壤
有效水时空变异规律为主要研究目的，在水土流失严重的陕北清涧县园则沟流域进行
土壤水分定位观测（2009-2012 年）、土壤有效水参数测定、以及地形和植被现状调查
的基础上，借助经典统计学和地统计学等方法对园则沟小流域不同尺度（坡面、沟道
和小流域）土壤有效水时空变异规律、时间稳定性特征、空间结构及其季节性特征、
坡沟土壤有效水关系、土壤有效水计算模型等进行了研究，并与相应土壤水分时空变
异规律进行了对比分析，得到如下主要研究成果：
（1）小流域坡面和沟道土壤有效水及土壤水分均表现出明显的季节性特征和年
际特征。旱季土壤有效水和土壤水分以消耗为主，含水量较低；雨季以补充为主，含
水量较高。就年际特征而言，亚表层（20 cm 以下）土壤有效水与土壤水分从 2009
年到 2012 年呈递减趋势。土壤有效水与土壤水分空间变异性差异明显，二者标准差
虽然相似，但后者变异系数是前者的 1.5-2 倍。土壤有效水与土壤水分标准差随均值
增加呈现先增大而后降低的趋势，标准差极值对应的土壤含水量为 20%左右，对应的
土壤有效含水量为 10%左右。但二者均值与变异系数关系明显不同，其中土壤有效水
均值与变异系数呈指数负相关关系。值得注意的是沟道微地形（坡脊、沟坡地和汇水
道）显著影响土壤有效水与土壤水分空间分布，其中汇水道表层土壤含水量显著
（p<0.05） 高于沟坡地和坡脊。
（2）提出时间稳定性分析新指标 RMSE，结合其他指标分析了坡面和沟道土壤
有效水及土壤水分时间稳定性，结果表明土壤有效水与土壤水分均表现出较高时间稳
定性水平，但坡面和沟道时间稳定性特征存在差异。坡面土壤有效水与土壤水分时间稳定性相关性较高，土壤水分越稳定意味着土壤有效水也越稳定，但沟道不存在这种
特征。坡面土壤有效水时间稳定性还表现出明显的尺度性。在单一土地利用尺度上，
土壤有效水与土壤水分时间稳定性特征差异较小，而在流域坡面尺度上，土壤水分时
间稳定性显著高于土壤有效水。沟道微地形也影响土壤有效水与土壤水分时间稳定
性，坡脊土壤有效水与土壤水分时间稳定性水平显著（p<0.05）高于沟坡地和汇水道。
（3）提出扩展时间稳定性概念，即通过研究区外单个样点数据估算研究区土壤
有效水或土壤水分。然后采用此扩展时间稳定性分析，结合观测算子与随机组合等方
法，定量研究了小流域坡面和沟道土壤有效水关系。其中观测算子包括三种线性算子
（LRG、MRD 和 LRS）和一种非线性算子（CDF）。总体而言，扩展时间稳定性分析
和观测算子估算精度高于随机组合方法，但不同方法具有不同的应用前提。当有前期
土壤有效水数据时，扩展时间稳定性分析和观测算子法更适合该研究区；其中不同观
测算子表现差异较大，非线性观测算子估算精度最高，而线性算子时间传递性好。当
无前期土壤有效水数据时，随机组合方法能够获得一定精度的沟道土壤有效水，并且
发现从坡面随机选取 10 个样点的估算误差与所有 59 个样点估算误差仅有微弱差异。
（4）小流域土壤有效水半方差能够用地统计学球状模型较好拟合。半方差参数
呈现明显季节性特征：对于块金值，夏季>春季>秋季；对于变程：夏季>秋季>春季；
对于空间异质比，春季>秋季>夏季。表明夏季土壤有效水空间变异水平最低但其空
间依赖性最强。普通克里格插值方法能够较好地反映小流域土壤有效水空间结构。空
间分布特征总体表现为沟道土壤有效水高于坡面土壤有效水，阴坡高于阳坡，但这种
空间分布特征随季节发生变化。在春季和夏季，土壤有效水空间分布特征主要表现为
沟道高于坡面、阴坡高于阳坡；而在秋季，则主要表现为流域上下游高，而中游偏低
的分布特征，并且坡向对其影响减弱。
（5）基于数学方法与水量平衡原理分别构建了降雨-土壤有效水模型和土壤水量
平衡模型，并分别对小流域坡面和沟道土壤有效水及土壤水分进行了模拟。结果表明，
两类模型均能较好地模拟小流域坡面和沟道土壤有效水动态变化规律，并且估算精度
相当。鉴于降雨-土壤有效水模型形式简单，所需参数较少，因此更适合研究区土壤
有效水动态变化规律模拟。基于此模型，以 2010 年初始土壤有效储水量为初始值，
分别计算 25%、50%、75%和 95%降雨频率下的沟道、坡面和小流域土壤有效储水量
（空间平均值）。结果表明沟道各个降雨频率对应的有效储水量最低，为 102.4
mm-126.6 mm；坡面最高，为 113.9 mm-138.1 mm。
本论文基于长期观测数据，分析和探讨了黄土丘陵区小流域土壤有效水时空变异规律与动态模拟的一系列科学问题，深化了对该地区小流域尺度土壤有效水时空变异
规律、空间分布格局、坡沟土壤有效水关系、以及土壤有效水模型构建与模拟的科学
认识。本研究将为黄土丘陵区小流域雨水资源化潜力评价、雨水资源高效利用、以及
植被恢复提供科学理论依据。
关键词：土壤有效水；时空变异；时间稳定性；坡沟关系；计算模型