坡地是黄土丘陵区主要的地貌类型之一,其中7~°以上的坡地占该区面积的75.7%,同时也是该区水土流失的主要源地,因此,坡地的合理开发利用对于黄土丘陵区生态建设和经济社会可持续发展具有重要意义。在水资源短缺的干旱半干旱黄土丘陵区,了解坡地的土壤水热状况是制定合理开发利用方式的重要前提,同时坡地利用方式又影响着土壤水热条件,因此,揭示黄土丘陵区典型坡地利用方式的土壤水热特征及其耦合效应,对于实现区域坡地资源的高效持续利用具有重要的理论和实践意义。为此,本文选择黄土丘陵区4种典型坡地利用方式(大豆坡耕地、玉米梯田、红枣林和撂荒草地)为研究对象,通过野外定位监测、室内试验、统计分析和数值模拟相结合的方法,对不同坡地利用方式土壤水热变化特征及其对主要环境因子的响应、土壤水热变化复杂性等进行了研究,建立了一维垂向土壤水热耦合运移数值模型,以红枣林为例,实现了对红枣林土壤水分和温度随时间动态变化和空间垂直分布的模拟预测,并进一步研究了温度梯度和根系吸水对红枣林土壤水热耦合运移的影响。得到以下主要结论:(1)阐明了不同坡地利用方式土壤水热变化特征。4种坡地利用方式0~60 cm土层为土壤水分季节性波动层,60~160 cm土层含水量变化相对平缓。2014平水年和2015干旱年生长季红枣林0~60 cm土层含水量显著低于其它3种坡地利用方式(p<0.05),且在平水年生长季红枣林0~160 cm土层储水量较大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地低5.9%、6.6%和17.7%。干旱年生长季玉米梯田表现出良好的保墒能力,土壤水分亏缺度较小,其0~160 cm土层含水量显著高于其它3种坡地利用方式(p<0.05)。典型次降雨后,随着干旱时间的延长,红枣林土壤水分损失率大幅增加,而玉米梯田土壤水分损失率增长缓慢。随土层加深,同一坡地利用方式土壤温度逐渐降低,季节变化幅度也减小。红枣林表现出明显的增温效应,且增大了土壤温度日变幅,提高了生长季内土壤温度日较差。玉米梯田则减弱了土壤温度季节变化幅度和日变幅,并降低了生长季内土壤温度日较差。综上可知,红枣林土壤保水调温效果较差,亟需增加管理措施以有效改善土壤水热状况,实现红枣林可持续发展;玉米梯田具有良好的保墒调温效应,因此可考虑实施坡耕地改梯田工程,高效利用雨水资源的同时,达到“以水调温”的目的。(2)揭示了不同坡地利用方式土壤水热的复杂性。2014平水年和2015干旱年生长季,红枣林增加了0~160 cm各层土壤水分变化幅度、变异程度和活跃层深度,并提高了0~100 cm土层温度变化幅度和变异程度;玉米梯田相对减小了土壤水分变化幅度、变异程度和活跃层深度,并降低了土壤温度变化幅度和变异程度。不同降雨年型下,红枣林各层土壤水分、温度序列的分维数均高于其它3种坡地利用方式,玉米梯田土壤水分、温度序列分维数相对较低。2014平水年和2015干旱年生长季,4种坡地利用方式表层(0~20 cm)土壤含水量序列的近似熵排序为:红枣林>撂荒草地>大豆坡耕地>玉米梯田;平水年生长季,玉米梯田0~160 cm各层土壤含水量序列的近似熵均为最小;两个生长季内,红枣林0~100 cm各层土壤温度序列的近似熵最大,玉米梯田土壤温度序列的近似熵较小。综上,红枣林土壤水热变化过程较为复杂,而玉米梯田减小了土壤水热变化的复杂程度,有利于保持土壤水分稳定性,并调节土壤温度。基于小波分维估计法和近似熵理论评价黄土丘陵区典型坡地利用方式土壤水热的复杂性是可行的。(3)明确了影响4种坡地利用方式土壤水热的主控性环境因子。2014平水年和2015干旱年生长季,气温和空气湿度是影响大豆坡耕地和撂荒草地0~60 cm土层水分变化的主控因子;空气湿度和风速则是影响玉米梯田土壤水分变化的主要气象因子;气温对红枣林土壤水分的影响极显著(p<0.01),且为负效应;各坡地利用方式土壤水分与土壤温度均呈负相关关系(p<0.01)。平水年生长季,空气湿度对大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地土壤水分的直接作用和综合影响最大;土壤温度对红枣林土壤水分的影响相对较大。干旱年生长季,土壤温度对各坡地利用方式土壤水分的直接作用和综合影响均为最大,且为负效应。气温与4种坡地利用方式0~60 cm土层温度的关联度较高,且随着土壤深度增加,灰色关联度降低;在同等气象条件下,不同坡地利用方式同一土层温度与同一气象因子的灰色关联度存在差异;玉米梯田表层(0~20 cm)土壤温度与气温的决定系数相对较小,表明其对气温的响应较弱。(4)构建了一维垂向土壤水热耦合运移数值模型。重点考虑了温差作用下土壤中热量传递对土壤水分运移的影响、水分运移对土壤中热量传递的影响以及根系吸水对土壤水分运移和热量传递的影响,建立了一维垂向土壤水热耦合模型。采用有限差分法对所建模型进行求解。利用干旱年生长季红枣林0~100 cm土层含水量和温度数据对所建模型进行验证,结果表明:模拟期间土壤含水量模拟值与实测值的决定系数R~2为0.8581~0.9901,均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE的平均值分别为0.7719%和0.6856%;红枣林0~100 cm土层温度模拟值和实测值的R~2、RMSE和MAE在4个生育阶段的平均值分别为0.8694、1.2884℃、1.1894℃。表明该模型对于模拟红枣林土壤含水量和温度随时间和深度的变化具有较高的精度,能够较为准确地反映红枣林不同生育阶段土壤中水分运移和热量传输的变化特征。通过建立的一维垂向土壤水热耦合运移数学模型研究了温度梯度对土壤水分运移的影响和根系吸水过程对土壤中热量传输的影响,结果表明:同时考虑温度梯度对土壤水分运移的影响和根系吸水过程对土壤中热量传输的影响时,模型的模拟结果明显优于仅考虑其中一个因素的模拟结果。本研究基于两年连续监测数据,分析和探讨了平水年和干旱年黄土丘陵区4种典型坡地利用方式土壤水热特征及其耦合效应,深化了对该区不同坡地利用方式土壤水热动态变化过程、土壤水热复杂性、影响土壤水热的主控性环境因子以及土壤水热耦合模型构建与模拟的科学认识。本研究所得结论可为黄土丘陵区坡地利用结构优化和坡地资源高效持续利用提供科学依据。