水土流失严重和土地质量恶化是黄土高原丘陵沟壑区最为严峻的生态环境问题。这一方面是由黄土高原特殊的自然因素所引起的，另一方面人为活动导致了水土流失的加剧和土地质量的恶化。按照景观生态学的“尺度－格局－过程”理论和土地质量的“压力－状态－响应”（P－S－R）框架，多重尺度上土壤物理性质、土壤水分和土壤养分的时空变异分析和时空预测可以反映土地质量的状态，而多重尺度上土地利用格局、水土保持措施和水土流失的时空变异分析可以揭示土地质量的压力、人类响应及环境效应。
本文选择黄土丘陵沟壑区典型小流域为研究对象，从景观生态学的“尺度－格局－过程”的视角，以土地质量的“P－S－R”为框架，在陕西省安塞县大南沟流域对土地利用、土壤物理性质、土壤水分、土壤养分、水土流失、 气象和地形进行了为期3 年的实地观测，借助GIS 采用统计分析和物理模型相结合的方法，研究了立地和流域两个尺度上土地质量特征的时空变异及环境效应，初步结论如下：
1.对1975 年土地利用的航片解译图、1998 年实地调查图以及3 种退耕方案图（25 度、20 度和15 度）的统计分析表明，土地利用变化可以分成两个阶段。第一阶段从1975 年（LU75）、1998 年（LU98）到25 度退耕格局（FA25），林地/灌木地面积增加，荒草地、休闲地和农地的面积减少，果园/经济林面积变化不明显。第二阶段从25 度、20 度（FA20）到15 度（FA15）退耕，林地/灌木地和荒草地面积保持不变，农地和休闲地逐渐被果园/经济林地所替代。各种土地利用类型的地形分布格局也发生相应的变化。
2.土壤物理性质的空间变异与空间预测研究表明：（1）土壤粘粒含量、团稳性、粘结力和容重互为正相关，它们与砂粒含量、饱和含水量和稳定入渗率互为负相关。空间变异性以质地、容重和饱和含水量最小，稳定入渗率最大，团稳性与粘结力居中。（2）土壤物理性质空间分布受到土地利用和地形的综合影响，主要影响因子因土壤物理性质而异。相对来说，土地利用对土壤容重、团稳性和粘结力的影响比较强烈，而地形对土壤质地、饱和含水量和稳渗率的影响更为显著。（3）构建了物理性质空间预测的3 种多元线性回归模型，其中空间预测模型拟合性最好、预测精度最高，结构最为复杂；土地利用预测模型结构最简单，对土壤容重、团稳性和粘结力的预测精度较高；地形预测模型结构复杂性居中，对土壤质地、饱和含水量和稳渗率的预测精度较高。
3.研究了1998 年（丰水年）和1999 年（欠水年）土壤水分的空间分布与空间变异、时间分布与时间变异、剖面分布与剖面变异以及时空预测。（1）土壤水分的空间分布与空间变异分析表明：土壤水分的空间变异性以10－15cm 最小，年际差异随着土壤深度增加而增大。土壤含水量空间分布的主要影响因子为土地利用类型、相对海拔、土壤质地、团稳性和稳定入渗率，1998年还有坡向，1999 年还有水平坡形、坡度、容重、饱和含水量、粘结力。土壤水分空间变异性的时间变化趋势与平均土壤含水量正好相反，主控因子为前期降雨量，1999 年还有风速、相对湿度和土壤温度。（2）土壤水分的时间分布与时间变异研究发现：土壤水分的年内变异与年际差异都随着土壤深度增加而减小。土壤含水量的时间变化与前10 天降雨总量一致，1998 年还与地表温度显著负相关，1999 年与相对湿度存在显著正相关；气象因子的影响随着土层深度增加而减弱。土壤水分时间变异性的空间分布的主要影响因子为土地利用类型、坡向和土壤团稳性，1998 年还有垂直坡形，1999 年还有水平坡形、坡度、相对海拔、质地、饱和含水量、粘结力和稳定入渗率。
（3）土壤水分的剖面分布与剖面变异研究表明：土壤水分在0－75cm 的剖面分布可划分为降低型、波动型和增长型3 种类型；降低型的样地频率和测次频率都比较低，欠水年增长型样地频率与剖面变异比较大，丰水年波动型空间分布广泛但剖面变异较低。降低型和波动型的样地频率的时间变化趋势与平均土壤含水量一致，增长型与剖面变异系数的波动规律则正相反；随着前期降雨量和风速的增大，土壤水分剖面变异降低，剖面分布类型由增长型向波动型或者降低型转化；1998 年剖面变异系数还与前1 天相对湿度和前1 天5cm 土壤温度互为正相关。土壤水分剖面分布类型和剖面变异系数的空间分布的主要影响因子为土地利用类型、坡向和坡度，1998 年还有垂直坡形和相对海拔，1999 年还有土壤质地、团稳性、粘结力和稳定入渗率。（4）构建了土壤水分时空预测的3 种多元线性回归模型。相对来说，土地利用预测模型的结构最简单，空间预测模型的空间预测精度最高，时空预测模型的空间预测精度较高、时间预测能力较强、构模成本最低。

4.表层土壤养分的空间变异与空间预测研究表明：（1）土壤养分的时间变异不明显，空间变异则非常显著；各项养分指标值都很低，并且互为正相关；土壤养分的空间变异以全磷最小，有效磷最大，有机质、全氮和有效氮居中。（2）土壤养分的空间分布受到土地利用、地形和土壤物理性质的综合影响，但主控因子因养分元素而异。相对来说，土地利用对有机质、全氮和有效氮的影响比较显著，地形对全磷和有效磷的影响更为强烈。（3）构建了土壤养分空间预测的3 种多元线性回归模型。其中，空间预测模型的拟合性最好，预测精度最高，模型结构最复杂；土地利用预测模型的结构最简单，对有机质、全氮和有效氮预测精度较高；地形预测模型的结构复杂性居中，对全磷和
有效磷的空间预测精度比较高。
5.水土流失模拟与时空变异研究发现：（1）立地尺度上的平均土壤侵蚀强度与土地利用格局和水土保持措施密切相关，以1975 年>1998 年>25 度退耕>20 度退耕>15 度退耕，以不采取水土保持措施C0>低强度水土保持方案C1>机械保持措施C2b>生物保持措施C2a。（2）土壤侵蚀强度的空间变异性非常显著， 以1975 年<1998 年<25 度退耕<20 度退耕<15 度退耕，C0地利用类型和地形（水平坡形和相对海拔）。（4）流域出口水土流失在很大程度上决定于土地利用格局和水土保持措施。与1975 年土地利用格局LU75 相比，1998 年和3 种退耕方案减少水土流失分别约10%和40－50%；与不采取水土保持措施C0 相比，C1、C2b 和C2a 分别减少约5%、15%和30%。相对于土地利用方案LU75C0 来说，土地利用格局与水土保持措施的综合减流减沙作用更加明显，减少水土流失约10－60%。