深层土壤水是土壤-植物-地下水体系水循环过程的核心和纽带，也是水循环研究最薄弱的环节。 本研究以全球面积最大、土层最深厚的黄土分布区-黄土高原为研究对象，通过深剖面长期多点观测 、水同位素示踪、数值模拟、重力卫星等多种技术手段，系统研究了黄土高原深层土壤水文过程及生 态效应：（1）揭示了黄土高原地区深根植被的耗水规律：提出了深根系植被对深层土壤水的“一次 性消耗”概念模型，并发现深根系对黄土高原林地蒸腾具有两面性。通过氚示踪技术发现林地使用数 十年以前降水入渗的“老水”；（2）深层过度耗水使黄土高原林地根系以1.00±0.06 m yr-1的速 率向下生长，但因为深层土壤各土层储水量有限，消耗后又不能得到补给，不存在长期的根系周转， 进而导致造林后深层土壤“水-碳交易”量小，土壤有机碳含量变化不显著，深层土壤碳输入主要以 根系生物量形式体现；（3）厘清了黄土高原地下水补给的主要机制：同位素和Cl-信息表明降水通过 活塞流和优势流两种方式补给地下水；提供了乡村池塘集中补给黄土高原地下水的新证据；（4）探 明了不同土地利用下影响地下水补给的主要因素：极端降水是浅根植被地下水补给的主导因素，而根 系深度则是影响深根植物地下水补给的主要因子；（5）提出了在点尺度使用水化学信息和土壤水分 以及在区域尺度使用重力卫星定量研究地下水补给的新方法；基于长期的大气氯输入和包气带孔隙水 中的氯分布，在半湿润地区重建了千年尺度高分辨率的地下水补给历史；(6)在使用同位素研究林地 深层耗水的过程中厘清了真空抽提土壤同位素偏差机理及矫正方法；发展了使用深剖面土壤水同位素 信息计算长时间序列土壤蒸发的新方法，发现蒸发的土壤水主要来自大孔隙。上述研究成果可为黄土 高原生态文明建设、农业种植结构调整、有限水资源合理利用提供科学依据，并可为全球地下水补给 和深根系植被水分利用的研究提供借鉴。