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我国北方半干旱地区,有极为强烈的季节变换和温度变化。土壤中水分运动和热量传输是一个相互牵制、相互促进、相互影响的耦合过程,水热的有益耦合可以增强土壤肥力,并起到促进作物生长的作用。而田间土壤水分和温度的变化使得土壤水热耦合迁移过程极为复杂,面对这样一个复杂多变量系统,仅仅采用试验研究很难处理其相互作用的机制。本文采用以数值模拟为主,并与理论分析、室内试验、田间试验相结合的方法,研究并建立了非等温条件下一、二、三维土壤水热耦合迁移的数学模型。主要研究成果如下:1)在忽略气体影响,着重考虑温度梯度存在下土壤中热量传输对土壤水分运动的影响、土壤水分运动对土壤热量传输的影响、以及作物根系吸水过程对土壤水分运动和热量传输的影响等因素下,建立了非等温条件下一维垂向土壤水热耦合迁移的数学模型。采用隐式差分格式对所建的数学模型进行离散,对模型进行编译计算机程序,用交叉式大循环法对离散的方程组进行求解。采用土柱栽培法对冬小麦进行种植,并对地面灌溉条件下冬小麦整个生育期根区土壤体积含水率和土壤温度随时空的变化进行测定,利用所测得的数据对所建数学模型进行验证,结果表明:在模拟期间的土柱小麦土壤含水率模拟值的平均相对误差为1.84%、平均绝对误差为0.0039cm3/cm3;土壤温度模拟值的平均相对误差为2.48%、平均绝对误差为0.1941℃。这表明该模型对于预测土柱小麦根区土壤体积含水率和土壤温度随时间和空间的变化有较高的精度,能够比较准确的反映冬小麦不同生育期土壤中水分和热量传输变化特征。2)通过所建非等温条件下一维垂向土壤水热耦合迁移数学模型研究热流对水分运动的影响和根系吸水作用对热量传输的影响,结果表明:同时考虑热流对水分运动的影响和根系吸水对热量传输的影响时,其模型的模拟结果明显好于仅考虑其中一个因素的模拟结果。3)在忽略土壤中生物或化学作用和土壤溶质势对水流和热流影响,着重考虑温度梯度存在下土壤中热量传输对土壤水分运动的影响、土壤水分运动对土壤热量传输的影响下,建立了非等温条件下二维土壤水热耦合迁移的数学模型。采用交替方向隐式差分法（ADI法）对其进行求解,然后对模型进行编译计算机程序,用交叉式大循环法对离散的方程组进行求解。鉴于蓄水坑灌法是适合于北方半干旱山丘地区果林的新型灌溉方式,与传统地面灌水方法相比,其最大的特点是可将水直接深入作物根区的中深层立体灌溉,并且,根据蓄水坑灌水分入渗特点,可将蓄水单坑灌溉简化为二维水分入渗问题。因此,本文采用蓄水单坑灌溉下土壤水热迁移室内试验,对土壤温度和灌溉水温不同条件下土壤体积含水率和土壤温度进行试验测定,并利用试验所得数据对所建二维数学模型进行验证。根据蓄水单坑的特点,确定所建数学模型的边界条件,并根据质量守恒原理,建立蓄水单坑坑内水位随时间变化的数学模型。结果表明:坑内水位模拟值和实测值之间的平均相对误差（MRE）为2.817%、均方根误差（RMSE）为3.789%;灌后1h和1d湿润锋的模拟值和实测值之间的平均相对误差（MRE）均小于8.496%,均方根误差（RMSE）均小于10.340%;在不同的剖面上,土壤含水率的模拟值与实测值之间的平均相对误差（MRE）最大为9.441%,均方根误差（RMSE）最大为13.810%;在不同的剖面上,土壤温度的模拟值与实测值之间的平均相对误差（MRE）最大为1.667%,均方根误差（RMSE）最大为1.824%。这说明本章所建的数学模型对于模拟蓄水坑内水位变化和非等温条件下土壤水分运动和热量传输变化有较高的精度。4)利用所建二维土壤水热耦合迁移数学模型对非等温条件下蓄水单坑灌溉下土壤水热分布特性进行研究,结果表明:在灌溉初期,土壤含水率的高值区随着灌水时间的推移呈现出逐渐扩大的趋势,而在灌溉水分入渗结束之后,土壤水分进行再分布的过程中,虽然湿润体仍在扩大,但其最高含水率在下降;土壤温度的低值区在灌溉初期亦呈现出逐渐扩大的趋势,其分布形状与土壤含水率的高值区分布形状相似,但随着灌溉水分的减少,在土壤水分再分布的过程中,土壤温度低值区逐渐减小,土体温度整体升高。5)在忽略气体影响,着重考虑土壤中水分运动与热量传输的相互作用,相互影响的关系,以及实际田间作物根系吸水作用对水分运动的影响下,建立了非等温下三维土壤水热耦合迁移数学模型。采用有限单元法对模型进行求解,然后对模型进行编译计算机程序。鉴于蓄水坑灌法是三维立体灌溉,本文通过蓄水坑灌果园（坑深为40cm）的田间试验,对苹果树根区土壤体积含水率和土壤温度进行测定,并利用所测得的数据对所建三维数学模型进行验证。根据质量守恒和能量守恒对模型的边界条件进行确定,边界条件的确定考虑了地表蒸发、坑壁蒸发,以及实际田间太阳辐射、天气变化等因素。蓄水坑内水位的变化根据质量守恒原理进行模拟计算。结果表明:在模拟期间土壤含水率模拟值与实测值之间的平均相对误差（MRE）为9.651%、最大相对误差(MREmax)为16.032%、均方根误差（RMSE）为10.867%;土壤温度模拟值与实测值之间的平均相对误差（MRE）为3.902%、最大相对误差(MREmax)为9.653%、均方根误差（RMSE）为5.031%。三维土壤水分图形和温度图形能有效反映土壤水分再分布和热量传输随时空变化的过程,这表明该模型对于模拟蓄水坑灌土壤体积含水率和土壤温度随时间和空间的变化有较高的精度,能够比较准确的反映蓄水坑灌下三维土壤中水分和热量传输变化特征。6)对非等温条件下三维土壤水热耦合迁移数学模型进行应用,研究蓄水坑灌不同坑深下（坑深为20、40、60cm）三维土壤水热分布特性,结果表明:蓄水坑灌下最适于3a年生矮砧苹果树的坑深要素为40cm;蓄水坑灌下土壤水分运动与土壤热量传输之间是相互影响,相互耦合的关系,在实践中,我们可以结合作物的根系生长、养分需求等状况,采用所建三维数学模型对蓄水坑灌的技术要素进行选择。本文所建非等温条件下一、二、三维土壤水热耦合迁移数学模型丰富和完善了土壤水热耦合迁移的研究,并可为通过“以水调温,以温控水”的方式,制定适合于作物生长的土壤水分管理机制提供理论依据。