黄土高原属于典型的干旱和半干旱气候,水资源相对匮乏,加之退耕还林还草工程等生态建设工程进一步加剧区域水资源危机,亟需深入认识黄土高原的水循环过程以实现水资源的可持续利用与管理。黄土高原水循环过程具有独特的空间分布格局,对水循环过程的研究多关注降水、径流、土壤水分等环节或变量;然而,对土壤蒸发、地下水补给和植物蒸腾等环节的研究相对不足,特别是缺乏区域尺度宏观规律的认识。因此,本文以黄土高原水循环过程为切入点,采用区域和点位尺度相结合的研究思路,对降水、深剖面土壤水和浅层地下水进行系统、高空间分辨率的取样,借助氢氧稳定同位素示踪技术的优势,重点探究了土壤蒸发和地下水补给两个水文过程。在区域尺度上,分析了黄土高原降水、深层（2～10m）土壤水和浅层地下水氢氧稳定同位素的空间分布特征及其影响因素;揭示了土壤蒸发的空间分布格局,并提出lc-excess方法对土壤蒸发损失率进行了定量评估;探究了浅层地下水的补给来源,并提出lc-excess平衡方程对活塞流和优势流的相对贡献比例进行了划分。在点位尺度上（长武塬区）,利用多种示踪技术(δ18O、δ2H、3H、Cl-和NO3-)结合水量平衡、端元分析、贝叶斯模型、配对实验等方法定量探究了水循环过程以及农地转换为苹果园后土壤蒸发和地下水补给的响应规律。主要取得了如下结论:1.黄土高原降水δ18O值变化范围较小（-9.8‰～-5.8‰）,东南部和西北部同位素值相对富集而中部偏贫化,但此空间分布格局与空间和气象等环境变量相关性较差。在现有的降水同位素数据产品中,仅降水同位素在线计算器（OIPC）能够模拟该区域降水δ18O值的空间分布,且模拟精度有待提高。黄土高原深层土壤水δ18O值变化较小（-10.1‰～-6.7‰）,南部相对贫化而北部和西北部偏富集,此空间分布格局主要受年均降水量的影响。黄土高原浅层地下水δ18O值（-11.4‰～-5.9‰）无一致性的空间分布格局,与空间和气象等环境变量相关性较差,但不同流域之间浅层地下水δ18O值变化明显,受年均降水量的影响。2.黄土高原33个采样点深层土壤水lc-excess值均偏负（土壤深度和空间位置）,表明深层土壤水同位素保留有因地表蒸发引起的同位素分馏信号。深层土壤水lc-excess值表明土壤蒸发从南到北、东南到西北均呈增大趋势,与纬度、年均降水量、年均潜在蒸散量和干旱指数相关关系明显,其中干旱指数能够解释64%的变异。以瑞利分馏模型为基础推导了计算土壤蒸发损失率的新方法—lc-excess方法,计算出所有样点的土壤蒸发损失率为11.3～23.9%,与全球其它相似气候区的结果相近,但其代表的时间尺度更长,反映了过去数十年地表蒸发的平均状况。3.黄土高原绝大部分地区浅层地下水δ18O值较降水量加权平均值贫化,且贫化程度在不同流域存在明显差异,并与年均降水量呈显著相关,表明浅层地下水补给的季节性效应及其空间分布格局受年均降水量影响。浅层地下水与降水的同位素关系表明浅层地下水接受当地降水补给但在补给过程中经历了不同程度的蒸发作用。浅层地下水与深层土壤水的lc-excess关系表明活塞流不是浅层地下水补给的唯一形式,可能存在降水以优势流方式的快速补给。以同位素质量平衡为基础推导了lc-excess平衡方程,成功对黄土高原区域尺度地下水补给中活塞流和优势流的相对贡献比例进行了划分。结果显示黄土高原大部分地区浅层地下水以活塞流补给为主,优势流补给仅在渭河和汾河流域部分地区较为明显。影响活塞流和优势流相对贡献比例的空间分布因素需要进一步分析。4.长武黄土塬区日尺度大气降水同位素值变化较大,同位素值贫化的降水通常发生在雨季（7～9月）,且多为大降水事件（≥30 mm/day）。2～6 m土层土壤水示踪剂可以用于研究农地转化为苹果园后对土壤水分平衡组分的影响,深层（≥6 m）土壤水示踪剂反映了历史时期农地条件下的降水和蒸散发平衡关系,可以用于分析地下水补给机制。降水、深层土壤水和浅层地下水中的稳定和放射性同位素、氯离子和硝酸根共同表明地下水补给中活塞流和优势流方式并存,且活塞流和优势流补给量分别占总补给量的45～62%和38～55%。农地转变为苹果园后,土壤蒸发变化不显著,但深层土壤储水量明显降低、植被蒸腾增加、活塞流补给量明显减少,且当树龄超过15 yr时活塞流补给量基本为零。本文为后续利用水同位素技术解决黄土高原区域尺度水循环问题提供基础数据,有助于将来刻画水量平衡方程在区域尺度上的定量分布模式,可服务于黄土高原地下水资源数量和水质的评估与可持续管理,并为眀析黄土高原植被变化背景下水循环过程的演变规律提供借鉴。