以南大洼小流域为研究区域，基于土壤剖面特征将径流划分为地表径流（SR）、浅层地下径流（SSR50，地下0~<50 cm）和深层地下径流（SSR100，地下50~100 cm）。通过系统采集和测试典型降雨事件下降水、土壤水、地下水和分层径流样品，解析流域水文过程中氢氧同位素与水化学特征的时空演变规律，并进一步探讨流域降水、土壤水、地下水与分层径流的转化关系。结果表明:研究区雨季降水受二次蒸发导致的同位素动力分馏效应显著，梅雨、对流雨相对台风雨经历更显著的蒸发分馏过程；土壤水氢氧同位素及水化学指标均沿深度方向发生富集，浅层（δ18O：-9.31‰）<中层（δ18O：-8.35‰）<深层（δ18O：-7.97‰）；地下水氢氧同位素相对稳定，受外界扰动较小；分层径流氢氧同位素随降水展现出显著的时程效应，且对降水的响应灵敏度SR>SSR50>SSR100，土层湿润条件下SR和SSR50的径流组成相似，SSR100主要受深层土壤水与地下水补给影响，且退水阶段尤为显著。研究成果丰富了流域分层径流氢氧同位素及水化学特征解析理论方法，可为小流域分层径流水源解析及水体转化关系相关研究提供理论支持。