黄土高原严重的土壤侵蚀造成了土壤质量下降和生态安全等问题。植被恢复是遏制黄土高原地区土壤侵蚀和减少黄河输沙最重要的措施。大规模的退耕还林还草措施促进了区域生态恢复,土壤侵蚀总体得到遏制。不同的植被恢复方式效应不同。评估退化生态系统恢复的环境效应能够明确脆弱区生态恢复在提高物种多样性、改变群落结构、改善土壤性质、增加土壤入渗、提高土壤水库容量和增强生态系统固碳功能等方面的成效,以此为黄土高原地区的水土保持、林草植被建设、科学管理生态系统碳库提供重要依据和恢复模式参考。本研究针对黄土高原植被恢复和生态环境变化的新格局,以土地利用和生态水文过程发生明显变化的北洛河黄土丘陵地貌为研究区。通过野外样地调查、样品采集、室内实验和数据分析,旨在从水土保持和土壤生态水文效应等角度深入分析和理解人工恢复和自然演替恢复对植被群落结构特征及其水文功能、土壤水文物理性质、入渗性能的影响及区域差异,阐明不同植被恢复方式的生态系统固碳功能,从植被恢复对土壤生态水文过程影响的角度来揭示河川径流减少的原因。最后,在分析不同时期土地利用变化特征的基础上,实现样地尺度的植被——土壤效应转换到流域尺度,明晰植被恢复影响下土壤水文物理性质和入渗性能的时空变化特征。本研究取得的主要结论如下:（1）与坡耕地比较,黄土丘陵区人工和自然植被恢复增加了物种数量,提高了植物多样性,提升了群落垂直结构复杂程度草地、沙棘、柠条、刺槐和小叶杨5种典型人工恢复植被类型和坡耕地、撂荒10 a草地、撂荒20 a草地、白刺花、白桦、油松、辽东栎—油松混交林和辽东栎8个自然演替阶段中菊科、蔷薇科和禾本科数量最多。植被恢复不仅增加了物种数量,还提高了植物多样性。人工恢复植被Margalef指数、Shannon-Wiener指数、Pielou指数和Simpson指数分别较自然演替恢复植被偏小了30.08%、58.56%、40.12%和4.35%。自然演替过程中,物种多样性指数表现为先快速增加后波动减少直至趋向稳定的特征,符合中期物种丰富度假说。乔木林地垂直结构复杂,尤其是自然恢复林地复层结构特征明显。乔木层株高、冠幅、胸径和分枝数均较灌木层增加。（2）枯落物在调控水文过程中作用明显,自然恢复植被的枯落物盖度、厚度、蓄积量和持水能力较人工恢复植被大人工植被恢复和自然演替过程提高了地表盖度,调查林地枯落物盖度均大于90%。不同恢复方式下枯落物半分解层厚度和蓄积量均大于未分解层,24 h半分解层枯落物持水率（141.20%～246.26%）总体大于未分解层（127.14%～218.87%）。乔木林地枯落物厚度、蓄积量和持水能力大于灌木林地,自然恢复植被好于人工恢复植被。各恢复植被的未分解层和半分解层枯落物持水量与浸泡时间为对数函数关系（P＜0.01）,2 h以内枯落物持水量迅速增加,浸泡8 h时基本达到饱和状态。枯落物对拦蓄容易引起水土流失的短历时、高强度的降雨径流具有重要作用。（3）植被恢复影响了剖面土壤水文物理性质,长期自然恢复对土壤的改善效果更加明显人工灌木林地0～40 cm土层土壤自然含水量较草地和坡耕地显著减少（P＜0.05）。自然恢复过程中乔木阶段的0～40 cm土层土壤含水量大于其他演替阶段。2种植被恢复方式均改善了土壤性质,降低了土壤容重,增加了＞0.25 mm水稳性团聚体含量,增强了团聚体稳定性,提高了土壤孔隙度,改善了孔性状况,提高了有机质含量,但土壤颗粒组成变化不显著。自然恢复方式下的主要土壤指标在草地阶段发生跃变,乔木阶段达到稳定。土壤性质的改善程度以0～5 cm土层最大,垂直分异特征明显。植被恢复提高了细根生物量,0～5 cm到5～20 cm土层根系生物量递减最为迅速。植被长期自然演替对土壤性质的改善作用较人工恢复方式更加明显。（4）植被恢复改善了土壤入渗性能,提高了饱和导水率,增加了土壤蓄水容量,容重、总孔隙度和大团聚体含量是影响土壤饱和导水率的关键土壤水文物理参数植被恢复影响下土壤初渗、稳渗和平均入渗速率以及2 h累积入渗量均较坡耕地明显提高。土壤入渗性能垂直差异明显,以0～5 cm到5～20 cm土层的减少最为显著（P＜0.05）。不同恢复植被类型的土壤入渗性能差异较大。人工和自然恢复植被类型中,分别以沙棘和辽东栎—油松混交林的土壤饱和导水能力最强,为0.27 mm·min-1和1.15mm·min-1。土壤入渗过程符合指数递减趋势,Horton公式对人工恢复植被的土壤入渗过程模拟结果最优,尤其对林地的模拟效果最好（R~2=0.92）。Kostiakov公式对自然恢复植被的模拟结果最佳（R~2=0.91）。植被恢复增强了土壤贮水能力,表现为灌木＞乔木＞草地＞坡耕地。枯落物蓄积量与细根生物量通过改善土壤性质,间接影响了饱和导水率。容重、总孔隙度和1～2 mm水稳性团聚体是影响饱和导水率的关键土壤水文物理参数。（5）人工植被恢复和自然演替过程提高了生态系统的固碳功能,长期植被恢复的碳汇效应更加明显,植物多样性的增加有助于提高生态系统碳密度人工和自然恢复方式下的地上部分、地下根系和枯落物碳密度总体表征为乔木＞灌木＞草地＞坡耕地。不同植被组分碳密度和不同土层土壤有机碳密度随恢复时间的延长总体上表现出增加的趋势。半干旱地区水分条件的阴阳坡差异是导致主要人工恢复植被类型碳密度在不同坡向间发生差异的主要原因。不同类型的人工生态系统碳密度差异明显,草地、沙棘、柠条、刺槐和小叶杨较坡耕地(2022.1 g·m-2)分别增加了48.7%、152.8%、125.1%、166.3%和530.7%。乔木、灌木和草地自然生态系统的固碳能力分别是坡耕地(4395.7 g·m-2)的4.09倍、1.70倍和1.48倍。植被恢复提升了生态系统的碳汇功能,土壤有机碳构成了恢复植被类型碳密度的主体。群落盖度、Margalef指数、Shannon-Wiener指数、地上生物量、根系生物量和枯落物蓄积量对生态系统碳密度的影响显著（P＜0.05）。（6）近50年来,以人工恢复为主的上游黄土丘陵区土地利用类型及其土壤生态特征发生了显著变化,以自然恢复方式为主的中游子午岭地区总体保持稳定1970～2019年,耕地面积骤减和林地面积大幅增加是上游黄土丘陵区土地利用类型变化最突出的特征。综合土地利用动态度指数表现出先增加后减少的特征。林地始终是中游子午岭地区最主要的土地利用类型,近50年内土地利用结构总体保持稳定。上游黄土丘陵区土壤容重、总孔隙度、＞0.25 mm水稳性团聚体、土壤有机质和饱和导水率在2010年以后开始出现比较明显的变化,主要位于中东部地区。植被恢复对土壤性质的改善存在一定的滞后性。子午岭地区在2000年天保工程实施以后,饱和导水率和土壤水文物理性质发生明显改善的区域仅分布在河流上游和下游部分地区以及沟道川地。林地0～40 cm土层土壤水文物理性质、饱和导水率和固碳功能均好于草地,坡耕地最差。自然恢复植被好于人工恢复植被。通过对黄土丘陵区不同植被恢复方式下土壤生态水文效应的系统分析,认为人工和自然恢复均增加了植物多样性,改善了土壤水文物理性质,提高了土壤入渗能力,增大了土壤水库容量,增强了生态系统的碳汇效应。长期自然恢复植被的土壤生态水文效应更加显著。土地利用变化是土壤生态特征发生转变的重要驱动因素。