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水是人类赖以生存和发展的重要资源之一，不可或缺、不可替代。然而世界上的水资源是有限的，当今世界随着人口的不断增长和经济的不断发展，再加上干旱频发、不合理地水资源利用，使得当下农业所面临的供水危机比以往都要严峻，因此发展节水农业、改善旱情，对中国农业发展和经济发展具有重要意义，已成为一个全球的目标。 而节水农业发展的一个现实而迫切的需求是要对该地区农业用地的本身含水状态信息进行有效而及时的监控，因此涉及到如何经济有效地获取土壤的含水状态和性质。目前具备区域性又带时效性的信息手段只有遥感技术。前人众多的研究表明在可见-短波红外的太阳光谱区能够反演土壤的含水信息。尽管国内外在土壤含水量与光谱的相关关系、土壤含水量的遥感反演等方面都取得了长足的进步，但目前的发展遇到了瓶颈，即获得的土壤水分的经验反演表达没有较好的地域普适性。 因此土壤含水特性光谱学研究需要新的研究思路。由于前人研究的对象-反射率是土表表现，而含水量、湿度是状态量，非土壤本征，与土壤含水属性没有必然联系。所以本文期望在土壤的光谱学研究中加入“活动”的、“变化”的效应，通过设计科学的实验方案，来研究土壤含水特性的变化与光谱变化的关系，从而有可能来研究土壤的容水性、保水性等本征特性，而不仅仅是其含水量本身。 基于此，本文在第二章首先介绍了土壤的基本物理属性，包括土壤质地、土壤水类型等，在此基础上提出了土壤容水特性的定义和对应的物理量，结合土壤在蒸发过程中的含水变化规律，推导了土壤容水特性的光谱反映，这一章是全文的理论基础。第三章定义了表征土壤光谱变化的物理量——土壤反射率时间序列或反射率时间曲线，给出了反射率时间曲线测量的方法及相应的数据预处理流程，详细介绍了涉及的10个主要实验的实验方案和数据。实验的结果与分析主要在第四章，这一章重点探讨了6种典型土壤（砂土(2种)、水稻土（2种）、棕壤和砖红壤）的光谱特征、反射率时间曲线特征及容水特性比较分析。在此基础上，第五章对光谱-时间曲线进行建模，成功模拟了反射时间曲线各阶段的变化规律。前五章主要是对土壤光谱-时间特性的基础研究，本文第六章对土壤光谱-时间的遥感应用模式进行了初步地探讨，主要涉及了土壤遥感、植被遥感和节水农业三方面，为今后的研究工作指明了方向。在最后一章，根据第二到六章的讨论，对目前土壤光谱中几个不确定的问题展开了讨论，并对全文进行了概括总结。 本文主要贡献和结论如下: 1)提出了室内条件下，反射率时间序列和图像序列的测量方法及相应的数据处理流程。测量方法主要包括单光谱仪和双光谱仪法。根据本文提出的测量方法，在不同大气、光谱测量条件下，对6种典型土壤测量了含水量从饱和（土表有一水层）到风干过程中完整的反射率时间序列和显微图像序列。对数据的分析结果表明，同种土壤不同波段的反射率时间曲线之间具有很强的相关性，不同土壤相同波段的反射率时间曲线也有一定的相似性; 2)改进了原有反射率时间曲线的分段模型，明确了分段依据，确定了反射率时间曲线分段的半自动算法。结合同步记录的显微图像分析了各阶段土壤水的变化规律，明确了土壤反射率时间曲线和蒸发曲线的对应关系。本文根据反射率变化和土表含水变化特点，将反射率时间曲线分成四个阶段:阶段Ⅰ（水层蒸发阶段），土表有一水层，土壤中所有孔隙充满水，各波段反射率变化较小;阶段Ⅱ（中间阶段）:土表水层消失，土壤水逐渐从饱和水转化为毛管支持水和毛管悬着水。在这一阶段反射率可能出现先增加后降低的现象;阶段Ⅲ（变干阶段）:土表出现干迹，直至形成干土层，反射率迅速上升;阶段Ⅳ（风干阶段）:干土层的厚度不断增加，直至所有土壤全部变干，反射率值维持在一较高水平，变化很小。其中阶段Ⅰ和Ⅱ、阶段Ⅲ和Ⅳ分别对应于蒸发曲线的第一、二和三阶段; 3)结合土壤学和土壤光谱-时间特性给出了土壤容水特性的定义及测量方法:土壤容水特性是指土壤保持水分的特性，是土壤的本征属性，主要包括:a）土壤保持的水量，称为土壤持水量（主要为饱和含水量和毛管断裂含水量);b）土壤保持水分的能力，称为土壤保水力。土壤反射率时间曲线上阶段Ⅰ和Ⅱ、Ⅱ和Ⅲ的分界点对应的土表含水量分别对应于土壤饱和含水量和毛管断裂含水量，而阶段Ⅲ的持续时间则体现了土壤对水分的保持能力。研究结果表明:砂土（质地较粗）的饱和含水量＜砂土（质地较细）＜棕壤＜水稻土（江苏）＜＜水稻土（浙江）＜砖红壤;砂土（较粗）的毛管断裂含水量＜水稻土（浙江）＜砂土（较细）＜水稻土（江苏）＜砖红壤＜棕壤:砂土（较粗）的保水力＜水稻土（浙江）＜砂土（较细）＜＜水稻土（江苏）＜棕壤＜砖红壤。 4)根据土表及土壤含水随时间的变化特点，分析了各阶段反射率变化的原因，提出了相应的反射率模型——多级分层模型，其中第1层表征大气-土壤界面的反射率变化，剩下的表征土壤体散射的变化。该模型能较好地模拟反射率随含水量（时间）的变化规律; 5)通过对阶段Ⅱ反射率的分析与建模，对该阶段反射率出现先上升后下降的现象给出了解释:在阶段Ⅱ初始阶段，随着水分的蒸发，土表颗粒开始露出水面，颗粒间的凹形水面上能够形成被传感器探测到的镜面反射区域。随着凹形水面下降，镜面反射区域面积会先上升后下降，从而导致反射率先升后降。而反射率值最大值出现的位置，即含水量拐点，与大气条件（大气蒸发力）、光谱测量条件（入射、观测角，光源尺寸、传感器口径）、土表结构分布有关，而与田间含水量没有直接的关系; 6)土壤的光谱-时间特征及容水特性可在土壤遥感、植被遥感及节水农业中发挥作用，其中建立标准土壤光谱-时间序列数据库是基础。