黄土高原位于干旱半干旱区，退耕前大量的毁林开荒导致该区域水土流失严重，生态环境脆弱，成为世界上具代表性的干旱半干旱生态系统和侵蚀景观。为改善这一状况，采取了建造梯田和淤地坝等多种措施，但该区水土流失仍然严重。因此，1999年我国推行了退耕还林（草）工程，即将坡耕地退耕为林地、灌木地或草地，以改善坡耕地水土流失问题。在水土流失的综合治理过程中，常遵循“土是基础，水是关键，植被是标志，产业是保障，水土保持是目标”的理念指导；因此，为更好的实施退耕还林（草）工程，需要充分了解其在时空尺度上对“土—水—植被”的影响。同时，探讨该影响与农业生产间的平衡也是必要的。“3S”技术集成了卫星定位、遥感技术、计算机技术、空间技术等对空间数据进行采集、管理、分析和表达，从而为评估黄土高原退耕还林（草）工程对水土流失的改善提供了机会。本论文在“3S”技术支持下，基于采样数据、文献数据、遥感数据、气象站监测数据、FLUX监测数据、统计年鉴数据等，选择黄土高原腹地典型小流域——纸坊沟流域和整个黄土高原土壤团聚体稳定性、黄土高原土壤水分、黄土高原植被总初级生产力及农业生产为研究对象，利用空间分析详细探究纸坊沟流域团聚体稳定性在景观尺度上的空间结构，并对其进行空间预测和空间贡献分析，利用趋势分析探究黄土高原退耕还林（草）工程前后土壤水分的时空变化及其驱动要素，以及监测黄土高原植被总初级生产力GPP对退耕还林（草）工程的时空响应，并逐像元探测其时空变化出现的拐点/断点，最后结合统计年鉴数据分析黄土高原农业活动的时空变异，以期为黄土高原退耕还林还草下的生态环境建设和社会经济的可持续发展提供理论依据。本研究取得主要结果如下：
（1）团聚体稳定性指数平均重量直径MWD、水稳性团聚体含量WSA_>0.25和可蚀性因子K值的最优半变异函数模型分别是球状模型、指数模型和高斯模型；三指数低的块金值和基台值表明了实验具有较小的采样误差、随机误差和总变异。变程信息证明在0–10cm土层，它们均具有较强空间自相关性；10–20cm的K值具有最大的空间异质性和最小的空间相关性。基底效应强调了MWD和WSA_>0.25具有强的空间相关性，二者主要受到本质因素的作用，对于K值，人为作用不可忽视，尤其在表层。局部空间自相关性分析进一步证明了强的农业活动和低的团聚体稳定性、高的土壤可侵蚀性具有紧密联系，其中特殊点分析发现短期内，耕园地转为灌木可显著改善土壤结构，尤其是对表层。进一步利用景观指数量化土地利用类型和结构，结合土壤性质、地形因子、温度、干旱度和植被覆盖数据，预测MWD、WSA_>0.25和K值的空间分布，发现团聚体稳定性指数的空间变异受土壤性质、景观结构、地形、植被活动和水热条件的综合影响，并且预测模型在很大程度上依赖于土地利用类型和结构的量化，这在以往的研究中常被忽略。土壤变量的排除虽会降低MWD和WSA_>0.25预测性能，但对K值的预测仍较理想，说明利用辅助数据预测团聚体稳定性指数的空间分布的可行性。在此基础上，量化了各个影响因素对团聚体稳定性的贡献（包括直接和间接贡献），结果表明土壤有机碳SOC、高程、坡度、耕园地斑块所占面积、草地斑块所占面积、pH、非晶质氧化铁、碳酸钙、季节性温差和地形湿度指数起着主要作用，越往表层，自然因素直接作用越强，土地利用类型和景观结构直接影响SOC、坡度等从而间接贡献团聚体稳定性；越往深层，土壤性质的直接和间接作用均加强；
（2）黄土高原尺度下，人为活动强度的差异性导致退耕前后土壤团聚体稳定性的控制因素不同，退耕前主要受土壤质地、气候因子、SOC、地形因子的控制，退耕后土地利用类型和景观结构的作用由不显著到较强，证明了人为干扰对土壤团聚体稳定性的显著作用，坡度由负效应转为正效应，说明坡耕地转为林灌草地有益于土壤结构的改善。另外，线性回归模型的性能反映出该尺度团聚体稳定性空间预测难度大，后期需更详细的规划，本论文是对该尺度相关研究的初探，为后期深入研究提供一定的依据；
（3）提出了一种基于卫星数据产品的综合方法，对土壤水时空动态中植被的驱动进行系统和定量评估。该方法也可应用到其他未布有土壤水监测网区域。首先证明了GLEAM土壤水数据集在评估黄土高原土壤水时空动态变异中的有效性，研究发现在34年的时间尺度上，植被恢复在植被区土壤水分动态变异中发挥主导作用，驱使较湿润区域（年降雨> 450 mm）变干燥，较干燥区域变湿润，这是植被结构差异、密度、树龄和物种综合促成的。降雨仅对裸地和稀疏植被区土壤水有显著正效应。而蒸散对裸地、稀疏植被区或茂密植被区的土壤水有重要影响。空间尺度上，蒸散和降雨作用更为显著，植被覆盖对土壤水动力学的驱动作用相对较弱，蒸散在还林区土壤水分动态中发挥主导作用，尤其是在退耕还林（草）工程早期阶段（2000–2010年）；降雨和植被恢复对还草地土壤水的贡献远大于蒸散的作用。因此，空间分析对明确土壤水和植被恢复间相互作用是必要的；建议在半湿润地区不应进一步退耕，但在干旱、半干旱地区稀疏以及过度稀疏的植被覆盖区可进一步恢复；
（4）利用通量观测站监测数据验证GLASS GPP数据集在黄土高原地区的适用性；并进一步利用趋势分析探测到1982–2015年来GPP整体的增加趋势，但分段函数分析发现所有像元的变化速率和趋势是有显著性差异的，且在不同阶段也不同，主要呈现出先快速增加后缓慢增加（拐点）、先增加后减少的趋势（断点）；平均拐点发生在2005年，平均断点在2003年，主要像元拐点/断点集中在2011–2015年，强调了在不同的地理位置，退耕还林（草）工程的方式需不同，其强度也应因地制宜，否则可造成不可逆转的负面生态效应，且主要像元的植被恢复已经达到阈值；
（5）退耕后黄土高原粮食产量并未因种植面积减少而减少，反而大范围县域呈现增加趋势，肥料施用量的增加是原因之一，从趋势分析可知部分县域的产量波动较大，这种情况不利于退耕还林（草）工程成果的维护，如果农民生计较为单一，则会为提高产量而增加耕地以抵御产量波动。为解决这一问题，应考虑拓宽农民生计降低其对耕作的依赖性。
综上所述，黄土高原退耕还林（草）工程虽致该区耕地面积减少，但并未导致其农业生产力下降；考虑到退耕对“土—水—植被”的影响，在工程的实施过程中需因地制宜。这对于揭示土壤侵蚀规律、更加有效地开展水土保持工作、减少入黄泥沙具有重要意义，为后期治理工作提供经验和建议，为黄土高原地区实现生态和经济的可持续发展提供理论支撑。