本研究以黄土丘陵沟壑区退耕显著的北洛河上游为对象,基于1987年、1995年、2007年、2014年遥感影像数据,利用动态变化、转移矩阵、景观生态等方法,分析流域下垫面的时空演变特征;提出土壤侵蚀空间评价单元的划分指标和方法,利用模型模拟其时空分布特征,并分析土壤侵蚀风险;利用水文统计法分析1963-2011年间水文气象要素的变化趋势,定量分析人类活动对流域水沙变化的贡献程度。本文提出的土壤侵蚀空间评价单元是土壤侵蚀评价的方法创新,水土过程景观格局指数是景观生态学的重要实践。研究结果如下:1)1987年—2014年研究区平均植被覆盖度从17.51%增加到40.16%,植被先轻微改善,而后快速改善,最后保持稳定。部分植被退化,主要零星分布在坡面上。≤45%和>45%植被覆盖度的面积比例由96:4转化为45:55。2)1987年—2014年土地利用变化表现为林地、草地等植被覆盖区面积比例显著增加,耕地先缓慢减少后加速减少。耕地面积减少36.55%,林地、草地、水域、居民用地面积增加18.54%、16.91%、0.06%、1.04%。景观格局指数的变化意味着景观斑块向高连通、高度聚集、异质性方向发展。3)参与土壤侵蚀空间评价单元划分的因子为土地利用、土壤类型、微流域和沟道线。采用层次控制模式,利用语义相似度模型构建方法,基于因子之间的空间相关性,实现单元的自动化划分。根据划分结果计算土壤侵蚀量,其结果表明土壤侵蚀模数呈显著减少趋势,侵蚀格局发生巨大的变化。4)基于景观格局与土壤侵蚀过程的响应机理,修正景观空间负荷对比指数（Landscape Space Load Comparison Index—RLL/）。各时期的RLLI值分别为 6.53、5.71、2.85、1.92,说明退耕还林还草实施后,地表覆被结构发生急剧的变化,低植被覆盖度的耕地源景观减少,高植被覆盖度的林草地汇景观显著增加。5)降水量和气温年际呈不显著的变化趋势,径流量和输沙量呈显著减少趋势,年均变率分别为-0.32mm·a-1和-193.64t.km^-2.a^-1,跃变分别发生于1979和2002年,生态工程使汛期和平水期径流量逐时段减少,而枯水期径流量反而持续增加。输沙量呈持续性大幅度减少态势,且其减少程度远大于径流量的变化程度。频域≤1%时径流分布临界指数呈现减小趋势,说明由极端降水事件引发的极端径流难于在生态恢复等方式下得到有效调控。6)利用水热平衡气候弹性分析方法评估人类活动和气候因子对径流变化的贡献。依据水沙关系曲线,基于分形理论,提出评价人类活动和气候因子对输沙变化贡献的方法。生态工程使得人类活动和气候变化对径流量变化的贡献比例由4:6转化为7:3,对输沙的贡献比例由5:5转化为8:2,说明人类活动是径流输沙减少的主要原因。