晋西北黄土丘陵区气候以干旱、半干旱为主,水资源极度紧缺,是我国水土流失防治和生态环境建设的重点区域。近年来,该地区开展了大量的水土保持和退耕还林(草)工程,迫使黄土高原局部土地利用方式和生态环境默化潜移,主要表现为人造林草地土壤普遍干燥化,不仅导致植被成片衰退甚至死亡,而且急速恶化土壤水热环境,严重影响当地农林经济和社会民生的连续稳定成长。目前,如何科学地研究晋西北黄土丘陵区典型农林草地的土壤水热特征,揭示该地区土壤-植物-大气系统中的水热传运过程及其影响因素,探讨土地利用方式与土壤水热动态的互动关系等问题已经成为黄土高原生态修复中面临的严峻课题。本研究选取山西省五寨县农地(玉米)、林地(柠条)、草地(苜蓿)3种典型土地利用方式为研究对象,基于野外自动化观测与室内测验数据,定量剖析农林草地土壤水热的时空变化规律和平衡特点,揭示各土地利用方式下的土壤水热环境差异及其影响因素;并建立土壤属性、植物生长特征和气象条件3大数据库,运行CoupModel模拟农林草地在土壤-植物-大气系统中的水热传运过程,结合实际观测数据探讨模型的本地适用性,为更准确地判断黄土丘陵区土壤水热过程动态变化规律提供技术参考。本研究的主要研究结论具体如下:(1)黄土丘陵区农林草地土壤水分按时间变化均划分为冬季稳墒期(1-2月)、春季增墒期(3-5月)、夏季缺墒期(6-8月)、秋季增墒期(9-11月)、初冬失墒期(12月)5个阶段,但按2016-2017年土壤平均含水量排序依次为草地(15.12%)>林地(12.70%)>农地(11.33%),发现在植被恢复的初期草地水分最高且相对稳定、林地次之,并且这种差异在降水充足的月份更加凸显。农林草地土壤水分的垂直分布也不尽相同,农地土壤水分随深度增加呈减小的趋势,林草地土壤水分随深度增加呈现高低起伏的变化,但三者浅层变异程度均大于深层,农地100 cm内土层由上至下存在速变层和活跃层,林草地除此以外还存在次活跃层。农林草地土壤均出现轻微、中等、严重和极严重4级不同程度的干燥化,但干燥化在时间和空间上的分布范围各有差异,农地和林地的干燥化在土壤浅层较为严重,而草地的深层土壤干旱较严重,并且林草地的干燥化随年限增长日益加重,表现为同一深度土层的干燥化程度较之前有所加剧、干燥化持续时间延长以及同一时段的干层范围逐步向深部扩展。2016-2017年农林草地100 cm内土层平均储水量分别为草地(151.04 mm)>林地(126.84 mm)>农地(113.20 mm),其变化主要受降雨和蒸散发过程的影响,因此农林草地2016-2017年平均耗水量(ET)大小依次为林地(540.0 mm/a)>草地(536.0 0mm/a)>农地(522.9 mm/a);与同期平均降水量(P)527.4 mm 相比,农地ET/P为99.15%,降水略有0.85%的盈余储存于土壤中;林地和草地的耗水量均超过了降水量,ET/P分别为102.39%、101.63%,水分支出均高于收入呈现负平衡现象,长期耗水过大很可能造成土壤干旱,林地发生干旱的危险性最大,草地次之。(2)黄土丘陵区农林草地土壤温度时间变化同步均呈现为单峰曲线,分为升温(2-7月)和降温(8-1月)阶段,土壤温度的时间变化同气温但变化幅度较缓和且个别年份略滞后约1个月;2016-2017年土壤温度平均值依次为林地(9.5℃)>草地(8.9℃)>农地(8.5℃),平均温度年较差为草地(30.0℃)>林地(29.3℃)>农地(28.6℃),但农林草地的土壤温度不存在显著差异,虽然农地土壤温度的年较差最小,但是林地土壤温度变化趋势最为缓和,草地次之。由于土壤热导率较小、传热较慢,农林草地土壤温度随深度的变化呈现明显的垂直梯度,3-8月份随深度增加渐渐降低,9月份在垂直剖面保持恒定,10-2月份随深度增加又渐渐升高,且不同土层的温度变异程度随深度增进而渐渐减小;林地各土层的温度最高,草地各土层的平均温度比农地高,但草地冬季的表土层温度很低,影响根系吸水,草地可能会因此部分呈现脱水或缺水现象。农林草地冻融过程无明显差异,11月底开始冻结,3月底完全消融,冻融期多年平均时长为101天,多年平均最低土壤温度为-11.0℃,基本出现于1月;由于土壤热容量的季节差异,土壤冰冻过程较缓慢,而土壤消融过程较快,土壤水分与温度具有强烈的耦合关系,冻结过程中呈负相关,消融过程中呈正相关,气温对各土层温度的作用随深度而减弱;土壤的冻结过程是沿土壤剖面由上向下的单向冻结,而土壤的消融过程是双向进行的;农林草地的最大冻结深度可能在100 cm附近或偏下位置。(3)黄土丘陵区农林草地应用CoupModel模型对土壤水热传运过程的模拟结果表明,土壤热量过程的模拟成效优越于土壤水分。在土壤水分模拟方面,CoupModel模型对于水分的模拟能力较弱,农林草地剖面水分模拟的线性回归确定系数(R2)在 0.01-0.26、平均误差(ME)在-3.60-2.67%、均方根误差(RMSE)在 1.62-6.8%,虽然精度不高,但CoupModel模型仍能较好地呈现水分的季节波动;在土壤温度模拟方面,农林草地温度模拟值与观测值拟合程度较高,其R2在0.93-0.97、ME在-2.90--0.36℃、RMSE在1.96-3.25℃,但土壤温度的输出结果与实际观测相比较小,对于深层温度的模拟能力不如浅层。总体来说,CoupModel模型在晋西北黄土丘陵区土壤温度模拟具有较好的适用性,对土壤水分的模拟存在较大的不稳定性,精度还需提高。综合本研究所有结果可知,在晋西北黄土丘陵区土壤热量一般足够当地植被成长基础供给,其影响处于次要地位,而水分才是直接影响植被恢复与再建的最关键要素。尽管该地区林草地的土壤水分状况在植被恢复与再建的初期阶段比农地较好,但是林草地每年的水分消耗大于降水补给,长期以往过多的发展人造林草将耗损大量土壤水分。因此在植被建设中应尽量遵循自然恢复的方式,要尽可能因水定植,选择低耗水的适生乡土树种和草种,采取天然恢复为主、人为栽植为辅的措施。本研究结论可以为该区域植被恢复与再建中土地利用方式规划、植物类型选择提供重要依据。