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土壤水分仅代表地球水圈中的很小一部分，但却是SPAC(土壤—植物—大气连续体)系统的重要组分，不仅是土壤系统养分循环和流动的载体，而且很大程度上影响着地表能水平衡过程，在陆地水循环过程中却扮演着极为重要的角色，是综合气候、土壤以及植被对水分平衡的响应和水分平衡对植被动态影响的关键变量。论文以土壤学、生态学、水文学等多学科理论和方法为基础，以祁连山区典型小流域排露沟为例，通过模型模拟与野外定位观测试验相结合的方法，分析了流域内典型植被土壤水文状况，讨论了土壤水分时空异质性，并对土壤水分时空动态进行了随机模拟。
1.流域植被土壤水文特征
利用排露沟流域近10多年来的降水-径流观测数据，对流域降水时空格局及其对径流的影响进行了分析，结果表明流域内降水季节性强且分配不均匀，存在明显的干季(11月至翌年4月)和雨季(5～10月)之分，雨季降水占全年降水量的88％，占全年降水频数的70％，干季降水仅占12％和30％。流域内降水事件以0～5mm降水为主，占全年降水事件的78.8％，占全年降水量的30％；0～10d的降水间隔期出现频率高达86.1％，占全年无降水期的55.5％。降水受海拔影响沿海拔梯度呈先增后减的趋势，降水的峰值出现在海拔3400m的区域。径流受降水影响主要集中在雨季，雨季径流占全年的95.6％，干季径流仅占4.4％。径流与日降水、旬降水及其雨季月降水显著相关，但复相关系数均<0.7。受降水量和前期降水的影响，对于前期无降水基础、雨量<20mm降水过程，径流变化迟缓，而对于前期有一定降水基础，雨量>25 mm的降水过程，径流变化大。
使用张力入渗仪测量和分析了坡面尺度上的土壤水力传导度，结果表明：斑块(Patch)水平上冠幅内(Canopy)土壤水力传导度Ksat、K-30、K-60以及K-150普遍大于冠幅外(Intercanopy)，但冠幅内外只在K-60与K-150上差异统计显著，草本植物根系在表层土壤中密集分布引起的中小孔隙是冠幅外表层土壤水力传导度值较高的主要原因。单元(Unit)水平上，农田对应的土壤水力传导度K值明显大于其它类型，裸地对应K值明显低于其它类型；草地、灌木和林地3种主要植被类型相比，对应的Ksat、K-30依次为：灌木林>草地>林地，差异统计不显著，K-60与K-150值依次为草地>灌木林>林地，除林地与草地外，草地与灌木林地、林地与灌木林地间.K-30、K-60和K-150差异均不显著，森林土壤水力传导度并不像通常认为的那样一定大于其它植被类型对应的土壤水力传导度。亚单元(Sub-unit)水平上，随草地覆盖度的增加K值大致呈增加趋势，但低盖度(50％)与高盖度(50％)草地间相比差异统计均不显著。在研究区域内坡面尺度上没有发现降水入渗与植被覆盖之间存在正反馈机制的有力证据。
从排露沟流域土壤水文特征、土壤水分时空特征两方面对排露沟流域典型植被土壤水文状况进行分析，结果表明流域土壤类型在空间上具有明显的垂向和坡向差异，不同土壤类型土壤水文特征参数间统计差异显著(P<0.05)。土壤水文特征参数受地形和土壤分布格局影响在空间上表现出一定的变化趋势，但相同植被土壤类型条件下空间位置对土壤水文参数的影响不显著。土壤水文参数在土壤剖面上也具有一定的变化规律，这种规律在很大程度上取决于土壤质地和有机质含量。流域内不同植被类型土壤水分状况在空间上表现出明显差异，相同土壤类型壤含水量具有随海拔升高递增的趋势，生长季不同土壤类型含水量总体上随深度增加呈下降趋势，在剖面上的变化规律在一定程度上受到海拔梯度的影响。土壤水分动态受降水时间格局影响，表现出与之变化规律相一致的特点：年际变化差异较大，按水分收支状况可将不同水文年份划分为积累型、消耗型和平衡型；年内动态则表现出前蓄墒、失墒、后蓄墒、稳定四个阶段。
2.土壤水分时空异质性
论文检验了典型植被与土壤水分时间异质性、空间异质性之间的关系。通过连续监测林线附近草地、灌丛及林地对应的土壤水分动态，比较不同植被类型降水截留以及植物根系提水作用对土壤水分的影响，发现在生长季内典型月时间尺度上草地、灌丛及林地之间土壤水分时间异质性(变异系数Cv具有显著差异(5cm深度，F2,27=11.25，P<0.01；20cm深度，F2.27=5.51，P<0.01)，草地与灌丛5cm深度土壤水分时间异质性(Cv=0.65、0.61)明显高于林地(0.52)，灌丛与林地20cm深度土壤水分时间异质性(Cv=0.84、0.84)明显高于草地(0.72)。灌丛5cm深度土壤水分具有较高的时间异质性是因为其较高的冠层截留率，而草地表层5cm深度具有相对较高的时间异质性是因为强烈的土壤蒸发；20cm深度土壤水分时间异质性差异则主要由植被截留差异所致。不同植被类型5cm深度土壤水分时间异质性均明显低于20cm深度(P<0.01)，土壤湿度变异系数最大值并不一定发生在表层。
以青海云杉人工林为例，通过地统计方法对其林龄梯度上的土壤水分空间异质性变化规律进行尝试性的探讨。结果表明不同林龄的研究样地中的土壤水分含量变异系数G，值介于0.15～0.20之间，在空间上均表现出相对较高的变异性。土壤水分均值在林龄梯度上呈轻微的减小趋势，土壤水分含量Gv值没有明显的变化趋势，林龄梯度上的各样地表层5cm和20cm深度土壤水分数据具有明显的空间结构特征，半方差分析结果表明在林龄梯度上的各研究样地土壤水分具有较强烈或非常强烈的空间相关性；不同深度土壤水分变异函数基台值C+C0与结构比SH均无明显变化趋势，但变程A0和块金值C0大致呈轻微的增加趋势，林龄梯度上的土壤水分空间异质性并不存在明显的增加或减小趋势。
以牧坡草地为例，从采样尺度、采样分辨率对空间信息表达影响的角度，对土壤水分在不同采样尺度和分辨率上的统计结构、变异性、空间自相关进行分析，结果表明：地面条件相对均匀的牧坡草地，其表层5cm土壤水分的空间异质性与研究尺度关系不大，随机因素对其异质性的影响在不同尺度/分辨率上都非常显著；亚表层20cm土壤水分空间异质性与研究尺度关系相对较大，随尺度的放大和采样分辨率的减小，变异函数变程明显增加。小尺度/高分辨率土壤水分数据表现比大尺度/低分辨率数据相对更为复杂的空间信息，高分辨率的土壤水分测量对地面条件相对均一、覆盖面积相对较大的祁连山区牧坡草地平均土壤水分状况的估算并不是特别重要。
3.土壤水分动态随机模拟
从典型随机模型、土壤湿度概率密度函数等角度评述了土壤水分动态随机模拟方面的研究成果，并基于排露沟小流域草地生态系统多年土壤水分和降水监测数据，利用Laio土壤水分动态随机模型及蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，分析了草地生态系统生长季点尺度土壤水分动态。结果表明祁连山草地生态系统点尺度土壤湿度在生长季初期出现小时段峰值，之后逐渐衰减，生长季末期又呈上升趋势。土壤表层(0～20cm)受降水与蒸散发影响最大，土壤水分波动显著，20～80cm深度土壤湿度生长季内变化趋势接近平均状态，但随着土壤深度的增加，土壤水分波动幅度明显减弱：80cm以下土壤水分受降水影响很弱，年内变化极小。2002～2005各层平均土壤湿度年际之间存在显著差异，但无论是丰水年还是枯水年，表层土壤湿度变异系数均保持在0.23左右，土壤湿度变异系数最大值不一定发生在表层。生长季植物根际层(0～40cm)土壤湿度概率分布集中在中低水平，点尺度土壤湿度概率分布直方图呈单峰分布，峰值出现在0.28的位置，范围约为0.2～0.6。40～80cm深度土壤湿度概率分布接近植物根际层状况；80cm以下土壤湿度集中分布在0.12～0.28之间，峰值出现在0.18的位置。点尺度根际层土壤湿度统计结果与Laio模型模拟结果一致，将长序列降水信息输入模型，使用蒙特卡罗方法数值求解得到降水随机波动条件下的土壤水分概率分布，并与不考虑随机波动因素条件下对比，发现年际降水随机波动并没有使土壤水分概率分布出现双峰现象，但峰的位置却发生了显著偏移，峰的阔度明显减小，相应的峰值显著增加。此外，论文还通过概率的方法评估了土壤水分含量的空间分布问题，并基于地统计条件概率模拟技术生成了一系列具有相同空间分布概率的图像，用随机评价的方法对土壤水分空间插值中的随机性和不确定性进行了评估。分析结果表明，鉴于土壤水分含量对植物生长重要的重要性，土壤水分评价或植物水分管理决策时仅使用克里格估算无法对这种不确定性做出准确估计，利用地统计随机模拟方法可以对这种不确定性给出一种相对较为客观的描述。