土壤水分是黄土高原地区农业生产和植被建设的关键因子，对土壤侵蚀、溶质迁移和成土过程具有重要的影响。土壤水分的分布特征是土壤、植被、地形和气候等多种因素共同作用的结果，控制着植被的空间分布格局，影响着生态系统的结构和功能。加强土壤水分的时空分异规律研究对黄土高原地区土壤水分管理和生态建设具有重要的意义。　　本论文结合野外调查和室内分析，利用经典统计、地统计学、灰色关联度、小波相干和多元经验模态分解等分析方法，在时间维度上详细研究了典型样带土壤水分的时间稳定性特征及其剖面分布，测定频率对土壤水分及其时间稳定性特征的影响，在空间维度上系统分析了典型样带土壤水分的空间变异、土壤水分空间格局在垂直剖面上的相似性以及不同影响因素对土壤水分影响的尺度效应，获得了以下主要研究结果:　　(1)与1.0-3.0 m土层相比，0-1.0 m土层空间上土壤平均储水量在时间上相对易变，而2.0-3.0 m土层土壤平均储水量更易在空间上变化。对于1.0-3.0土层来说，不同测定时间下土壤储水量之间平均的斯皮尔曼秩相关系数随着土层深度的增加而增加，随着时间间隔的增加而减小。时间稳定性点的数量和估计土壤平均储水量的预测精度随着土层增加而增加。土壤储水量空间格局的时间稳定性受到土壤质地、有机碳含量、容重和饱和导水率的控制。而地上生物量和海拔（除了2.0-3.0 m土层）对土壤储水量空间格局的时间持续性影响较弱。　　(2)测定频率对0-0.2、0-0.6、0-1.0、1.0-2.0和2.0-3.0 m土层土壤储水量的平均值、标准差和变异系数影响不显著（P＜0.05）。在相同测定频率下土壤储水量标准差随着土层厚度和深度的增加而增加，而变异系数随着土层厚度增加而减小，随着土层深度增加而增加。测定频率0-0.2、0-0.6、0-1.0、1.0-2.0和2.0-3.0m土层土壤储水量平均的斯皮尔曼秩相关系数差异都不显著(P＜0.05)，表明测定频率对土壤储水量空间格局稳定性影响不大。相同测定频率下土壤储水量斯皮尔曼秩相关系数随着土层厚度增加而升高;随着土层深度增加先减小后升高。0-0.2、0-0.6、0-1.0、1.0-2.0和2.0-3.0 m土层MRD极差，MRD介于±5％样点个数和SDRD值随着测定频率改变变化不大。相同测定频率下，SDRD值随着土层深度增加而减小，随着土层厚度的减小而增加。SDRD极差随着土层深度增加而增加，随着土层厚度增加而减小。SDRD值小于5％样点数量随着土层深度的增加而增加，随着土层厚度的减小而减少。这些结果可以用来优化土壤水分监测方案。　　(3)土壤含水量在空间上的变异系数(CVS)在土壤剖面上先降低后升高，土壤含水量在时间上的变异系数沿着土壤剖面逐渐降低。土壤含水量空间格局在垂直方向和时间上具有较强的持续性。平均的斯皮尔曼秩相关系数从10 cm到20 cm减小，在20-180 cm之间波动，然后在200 cm深度以下升高。基于平均相对差分的标准差(SDRD)和平均绝对偏差(MABE)，时间稳定性沿着土壤剖面而升高。SDRD和MABE＜5％的样点数量沿着土壤剖面而增加，平均相对差分介于±5％和代表性样点的数量随着土层深度易变。基于平均绝对相对误差和均方根误差值，直接和间接两种方法都能够精确的估计各层土壤平均含水量。与平均水分相比，最干点和最湿点更容易在多个土层保持代表性。最干点更有可能为时间上最稳定的点。　　(4)坡面和坝地土壤储水量随着0-0.4、0.8-1.2和1.6-2.0m土层逐渐减少，而沟道土壤储水量则与之相反，其土壤储水量在空间上的标准差和变异系数随着土层增加而增大。坡面和沟道土壤储水量在时间上的变异系数随着土层增加而减小，而坝地土壤储水量在时间上的变异系数随着土层增加变化极小。坡面、坝地和沟道的土壤储水量空间模式的持续性都随着土层增加而增强。坡地在0-0.4、0.8-1.2和1.6-2.0m土层土壤储水量时间稳定性差别不明显，坝地土壤储水量时间稳定性随着土层增加而降低，沟道土壤储水量时间稳定性随着土层增加而增强。导致坡面、坝地和沟道土壤储水量时间稳定性特征差别的主导性因素随着土层变化而不同。在0-0.4 m土层为储水量和粘粒，在0.8-1.2m土层为粉粒和有机碳，在1.6-2.0m土层为有机碳和地上生物量。　　(5)时空分析表明生长季和非生长季剖面土壤储水量的时间演变是不同的，空间位置和土壤质地决定了每个样点土壤储水量的数量。不同季节任意两个土层之间具有显著的斯皮尔曼秩相关系数，且秩相关系数随着土层间距的增加而减小。粘粒含量在大尺度下控制了不同土层之间土壤储水量的空间格局。与生长季相比，土壤储水量空间格局在非生长季具有更高的深度持续性，土层比季节对土壤储水量空间格局相似性具有更大的作用。　　(6)通过小波相干分析发现，生长季和非生长季土壤储水量及其影响因素在中小尺度下没有显著的相干性，在大尺度下，土壤储水量和海拔以及地上生物量相关不明显，土壤储水量与饱和导水率在样带0-1000 m，与有机碳在0-550 m处显著相关，土壤储水量与粘粒和砂粒在样带几乎所有的位置都显著相关，表明砂粒、粘粒、有机碳和饱和导水率对土壤储水量影响主要在大尺度。在生长季和非生长季，土壤储水量和影响因素之间总的显著相关面积从大到小依次都为砂粒＞粘粒＞饱和导水率＞土壤有机碳＞海拔＞地上生物量，这说明在任何季节土壤质地是土壤储水量的主导性控制因素。土壤储水量与海拔、砂粒含量和饱和导水率为负相关，与粘粒和土壤有机碳含量为正相关，与地上生物量之间的关系不明显。　　(7)通过多元经验模态分解分析，土壤储水量及其影响因素可以被分解成一系列代表不同尺度的固有模态函数和残差，主要的尺度可以通过其变异在总变异中的百分比来确定。与小尺度相比，大尺度下土壤储水量和影响因素之间具有较高的相关系数，这与小波相干分析的结果一致。各因素对土壤储水量预测的相对重要性随着尺度而改变，MEMD方法来预测土壤储水量要优于多元逐步回归方法。在高、中和低三种水分条件下IMF4(147 m)、IMF5(219 m)和IMF7(915 m)对样带土壤储水量的预测做了主要贡献，而对土壤储水量预测的主要贡献因素为土壤性质。　　本论文在景观和景观位置尺度深入研究了土壤水分时空变异性。本研究有助于深化对半干旱区土壤水分的时空变异特征及其尺度性的认识、优化土壤水分监测方案、拓展土壤水分研究内容，从而为黄土高原地区土壤水分空间变异研究的多尺度转化，水土资源管理与调控以及生态建设提供重要的科学依据。