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　　内容简介

　　《水文土壤学导论》在广泛结合国内外*新研究进展和成果的基础上，较为系统地总结了水文土壤学的概念、形成背景与研究内容，展现了作为水文学和土壤学交叉学科的水文土壤学理论框架及核心知识体系，详细阐述了水文土壤学综合研究方法观测、制图和模型以及水文土壤学理论在生态环境研究中的应用。

　　精彩书评

　　本书详细阐述了水文土壤学综合研究方法观测、制图和模型以及水文土壤学理论在生态环境研究中的应用

　　目录

　　目录

　　第1章 水文土壤学概念特点与研究特色 1

　　1.1 水土耦合研究的必要性 1

　　1.2 水文土壤学概念与研究特色 5

　　1.2.1 水文土壤学的形成背景与概念 5

　　1.2.2 水文土壤学的学科与理论基础 7

　　1.2.3 水文土壤学的基础科学问题10第2章土壤形成演变及其定量化 14

　　2.1 土壤及其地理意义 14

　　2.2 土壤形成因素 14

　　2.2.1 成土因素学说 14

　　2.2.2 成土因素 16

　　2.3 成土过程定量化 19

　　2.3.1 土壤形成过程的一般模式 19

　　2.3.2 自然土壤形成过程 20

　　2.3.3 土壤变化的原理与时空特征 21

　　2.3.4 成土过程模型化 24第3章土壤构架的特征与形成 29

　　3.1 土壤构架的内涵 29

　　3.2 不同尺度的土壤构架特征 30

　　3.2.1 土壤结构单元 31

　　3.2.2 土壤景观单元 32

　　3.3 土壤构架的形成 32

　　3.3.1 土壤构架形成的热力学解释 33

　　3.3.2 团聚体和孔隙尺度土壤构架 33

　　3.3.3 土层和土体尺度土壤构架 37

　　3.3.4 景观和区域尺度土壤构架 38

　　第4章 土壤优势流的特征与研究方法 41

　　4.1 土壤优势流的内涵 41

　　4.1.1 大孔隙流 42

　　4.1.2 漏斗流 43

　　4.1.3 指状流 43

　　4.1.4 非饱和重力流 43

　　4.2 土壤优势流运移路径及其影响因素 43

　　4.2.1 土壤孔隙、水力特征对优势流的影响 43

　　4.2.2 成土作用对优势流的影响 47

　　4.3 土壤优势流观测方法及模型研究 50

　　4.3.1 土壤优势流观测方法 50

　　4.3.2 土壤优势流模型研究52

　　第5章 水文土壤学综合研究方法 56

　　5.1 水文土壤学观测 57

　　5.1.1 高密度电阻率成像法 57

　　5.1.2 探地雷达 69

　　5.1.3 电磁感应方法 79

　　5.1.4 稳定同位素技术 89

　　5.1.5 核磁共振技术 106

　　5.1.6 径流观测 112

　　5.2 水文土壤学制图 121

　　5.2.1 土壤测绘、土壤调查和土壤空间信息 121

　　5.2.2 数字土壤制图：理论基础与制图方法 125

　　5.2.3 结合水文土壤属性的数字土壤制图 138

　　5.3 水文土壤学模型 141

　　5.3.1 土壤质量平衡模型 143

　　5.3.2 土壤水力参数模型 145

　　5.3.3 土壤水分动态模型 146

　　第6章 水文土壤学在生态环境研究中的应用 171

　　6.1 水文土壤学在生物地球化学研究中的应用 171

　　6.1.1 碳和氮的生物地球化学循环特征及其在水文土壤学的应用 172

　　6.1.2 不同尺度的水文土壤过程对碳氮循环与功能的影响 174

　　6.1.3 水文土壤特征对生物地球化学过程尺度转换研究的影响 186

　　6.1.4 水文土壤学与生物地球化学的整合研究 190

　　6.2 水文土壤学在生态水文过程研究中的应用 192

　　6.2.1 微观尺度下土壤孔隙水与植物气孔蒸腾的联系 193

　　6.2.2 单株尺度下的冠层降水再分配和土壤优势流 195

　　6.2.3 斑块尺度下的植被格局及其对水分和土壤性质的影响 196

　　6.2.4 山坡和集水区的地表和地下径流 197

　　6.2.5 不同时间尺度下的植被演变与土壤发育 199

　　6.3 水文土壤学在土壤环境研究中的应用 200

　　6.3.1 土壤优势流在土壤污染研究中的应用 200

　　6.3.2 水文土壤学在土壤侵蚀研究中的应用202

　　第7章 水文土壤学展望 206

　　7.1 水文土壤学的研究态势 206

　　7.2 地球关键带 207

　　7.2.1 地球关键带的基础科学问题 209

　　7.2.2 地球关键带的研究进展 211

　　7.2.3 地球关键带的未来研究趋势 212

　　7.3 水文土壤学面临的挑战 214

　　7.3.1 研究方法和理论创新 214

　　7.3.2 多尺度水文土壤学综合观测网络体系与模型 215

　　7.3.3 水文土壤学与其他学科的交叉研究 215

　　7.4 展望 216

　　参考文献 218

　　精彩书摘

　　第1章水文土壤学概念特点与研究特色

　　1.1水土耦合研究的必要性

　　土壤和水作为地球表层系统的重要组成部分，前者为生物的生存发展提供了必要的养分、水分及适宜的物理条件，是连接各圈层的重要纽带，是许多生物物理化学过程进行的主要场所，后者是圈层间进行物质与能量交换的主要驱动力之一，是物质与能量的主要载体。研究水圈、土壤圈以及它们之间的相互作用对理解整个地球表层系统的生物地球化学循环及演变有重要意义。

　　土壤是地球表面的疏松表层，常称为地球的“皮肤”。土壤是气候、母质、生物、地形和时间（time）等自然因素和人类活动综合作用的历史自然体。早期土壤一直被认为是地壳表层能生长植物的疏松堆积物，并被赋予“土壤的本质是肥力”。以往对土壤的研究主要是从土壤自身的理化性质、土壤与生物的关系、土壤与农业的关系、土壤与地质的关系以及土壤与环境污染的关系单方面进行的，缺乏从地球系统科学的角度进行整体性研究。1938年，瑞典科学家马特森根据物质循环特点提出土壤圈概念，认为土壤是岩石圈、大气圈、水圈及生物圈相互作用的产物，反过来土壤圈对这些圈层也产生影响（图1-1）（Mattson，1938）。土壤圈是五大圈层的交汇区和核心区，构成了耦合（coupling）有机界与无机界，以及生命和非生命联系的中心环节。

　　在地球的表层系统中，土壤圈内各种土壤类型、特征、性质都是过去和现在大气圈、生物圈、岩石圈与水圈相互作用的记录及反映。土壤的形成过程是复杂的物质与能量迁移（translocation）和转化（transformation）的综合过程，土壤圈对各圈层的能量、物质流动及信息传递起着维系和调节作用。土壤是一个开放系统，也是一个能量转换器（图1-2），即土壤圈是一个与其他圈层保持着复杂而密切的物质和能量交换，并不断处于运动中的开放系统。土壤圈的任何变化都会影响各圈层的演化和发展，乃至对全球变化产生重要作用（龚子同等，2015）。

　　土壤是人类赖以生存的最基本的自然资源，具有重要的功能和服务价值，包括生产功能、生态功能、环境功能和基因库功能等，具体为：①植物生长的介质；②水分储存和运移的载体；③污染物吸附、分散、降解和净化器；④生物基因库和种质资源库；⑤生物多样性的基础；⑥地质和文化遗迹的宝库；⑦工程和建设应用的原材料；⑧外星生物可能的栖息地（Lin et al.，2005）。

　　水是地球环境要素中最活跃的因子，水循环过程与大气圈、土壤圈、岩石圈及生物圈相互作用，使其水量和水质在不同时空尺度上发生变化。水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者，是大气圈的有机组成部分；水循环也积极参与岩石圈中化学元素的迁移过程，成为地质大循环的主要动力因素；同时水作为生命活动的源泉，生物有机体的组成部分，全面参与生物大循环，成为沟通无机界和有机界联系的纽带（黄锡荃，1993）。水循环也参与土壤圈的水分吸收、储存、释放和调蓄过程。土壤在水循环中占有重要地位，到达地表的降水一部分通过下渗进入土壤，另一部分在地表汇集形成地表径流；下渗进入土壤中的水分补充到土壤水和地下水中，其中一部分形成壤中流和地下径流，另外一水文土壤学概念特点与研究特色部分通过蒸发重新进入大气。因此，土壤不仅具有分割径流的功能，还对水循环起到调蓄作用。土壤和水在不同时空尺度都具有重要的耦合作用关系，在土壤孔隙尺度上，孔隙结构影响水分的运移和植物根系吸水与利用，同时水分在气候和植物影响下会影响土壤结构（soil structure）和肥力；在剖面上，土壤发生层结构影响土壤水分和壤中流的分布与变化，同时水分的变化会影响土壤的淋溶、淀积及营养物质迁移；在流域和区域尺度上，由于受气候、地形、植被、土地利用和人类活动等多因素影响，水土作用关系更加复杂多变（图1-3）。

　　A、B、C分别代表腐殖质层、淋溶沉积层和母质层，P代表降水，RO代表地表径流，LF代表地下径流，ETa代表实际蒸散发，I代表入渗，GW代表地下水，UF代表毛管上升水，AE代表风蚀，WE代表水蚀，TI代表耕作，CR代表蠕移过程，CLD代表黏化过程，BT代表动物扰动，CC代表碳循环，CW代表化学风化，PW代表物理风化具体来说，在孔隙尺度，土壤孔隙水运动与团聚体发育过程之间存在着相互作用，土壤水分运动通过黏粒运输与迁移、“干湿、冻融循环”等影响土壤团聚体（soil aggregate）的形成、连通性与稳定性（van der Meij et al.，2018）。团聚体构建的孔隙网络通过影响土壤持水和导水性，控制着微观尺度水流的方向和速度（Alaoui et al.，2011）。剖面上，土壤水分运动通过参与土壤发育，在长时间尺度上（十年）影响着剖面土壤水力特征变化过程。受水控制的土壤形成过程主要包括脱碳作用、黏土迁移作用、灰化作用和潜育作用等（van der Meij et al.，2018）。反过来，剖面水力特征对土壤水分运动有着直接影响（Wang et al.，2020）。土壤剖面中的不同土层（发生层）常具有不同的质地与结构，因此显示出不同的水力特征。这些不同的水力特征可以促进或阻碍水的滞留及横向流动（Beven and Germann，2013）。例如，粗质土壤下渗时一般有更高的渗透系数，而有机质富集层可以像海绵一样储存更多水分（Lin，2006）；质地良好的土壤在经历干旱时，其表面经常会发育裂缝，表现出优先流特性；一个冻结的土层可以大幅地减少甚至阻止入渗，起到不透水层的作用（Hayashi et al.，2003）。在坡面尺度，土壤与水文过程间的耦合主要体现在坡面产流过程与坡面土壤侵蚀过程。土壤侵蚀（水蚀）是一个十分复杂的过程，它不仅受土壤内部因素如土壤均质程度、土壤质地、土壤含水量等的影响，还与外部条件如降水、植被、地形等精密相关。但一般情况下，地表径流量越大，土壤侵蚀（水蚀）效应越强（Gerwin et al.，2009）。坡面产流过程不仅仅包括地表径流，也包括地下的壤中流与基流。地下产流过程具有高度的非线性特征，降水特征、土壤质地、土壤前期含水量、土壤结构、地形、植被等都会对其产生影响，目前坡面壤中流产流机制还不完善。在流域和区域尺度，土壤空间分布特征对流域径流形成过程（包括径流路径、壤中流比例、传输时间等）、地表水与地下水之间的水力联系与相互转化等都有直接的影响（贺缠生等，2021）；而土壤水分状况也是土壤形成的重要驱动力，如一个地方在不同的历史气候期往往对应着不同的古土壤层（赵景波等，2015）。

　　土壤的水文特性（持水能力和输水能力）和水文状态（含水量及其分布）决定了地表径流和入渗的比值，又决定了土壤蓄水和地下水补给的比值，因此影响了地表水和地下水的情势，影响了水文循环和水热平衡。水文过程与土壤过程和地貌过程在时间尺度上存在很大差异，水文过程体现出快速和循环特征，如下渗、毛管水上升和蒸发的日变化，降水和地下水的季节性波动等。土壤过程和地貌过程则是个“慢”过程，一般在10万～100万年，气候、岩石风化和地形等影响侵蚀堆积过程与土壤结构，进而影响地表水热分配和植被分布格局（van der Meij et al.，2018）（图1-3）。尽管土壤和水在自然生态系统中密切联系且相互作用，但目前的学科体系都侧重于条块研究，主要从土壤学（soil science）和水文学（hydrology）各自领域对土壤或水文单要素进行纵深研究，缺乏交叉渗透研究，在研究方法、尺度和资料对接方面存在很大的鸿沟，严重限制了地球系统科学和当前重大生态环境问题的系统深入研究。水土耦合问题是土壤的生物地球化学循环（如碳、氮、磷营养物质和污染物循环）和目前许多环境问题如流域水管理、土壤侵蚀、土壤污染等的核心难点，需要加强多尺度水土耦合研究才能全面系统地理解地球表层结构、功能和演变，促进水土资源的可持续利用。

　　1.2水文土壤学概念与研究特色

　　1.2.1 水文土壤学的形成背景与概念

　　水文土壤学（hydropedology）术语是由水文学（hydrology）和土壤发生学（pedology）两个英语词条组合而成。土壤发生学是研究土壤的形成演变过程及其与环境因子之间关系的科学，是理解土壤现状、历史演变和未来发展方向的基础。20世纪 60年代，捷克斯洛伐克学者 Kutilek（1966）认识到需要把土壤物理学理论和土壤发生学理论结合起来研究不同时空尺度的土壤–水分作用关系，并首次提出 hydropedology术语，描述土壤水分及其运移过程的土壤发生学特性。水文土壤学与传统的土壤水文学（soil hydrology）在概念和内涵上有所不同。土壤水文学是对土壤或地表水文现象的物理解释（the physical interpretation of phenomena which govern hydrological events related to soil or the uppermost mantle of the earth’s crust）（Miyazaki，1993；Kutilek and Nielsen，1994）。然而，水文土壤学被非常明确地定义为土壤学和水文学的交叉学科，是通过系统和集成的方法，研究不同时空尺度非饱和带的土壤与水文相互作用过程及特性的基础和应用研究（Lin et al.，2005）。

　　在全球环境变化问题日益突出的背景下，地球圈层和环境变化研究需要注重土壤与环境之间的多尺度联系以及不同时间尺度内土壤演变的定量描述，特别是人类活动对土壤变化的影响。土壤学科本身的纵向发展已经不能满足地球系统科学综合研究的需要，土壤学科与其他学科的联系越来越紧密，学科的交叉性与综合性成为一种发展趋势。土壤和水作为地球表层系统的重要组成部分，相互作用、相互联系。由于土壤演化驱动力与水分运移和循环密切相关，水土的整合研究成为当前地球表层系统研究的迫切需求，国际地球关键带研究促进了水文土壤学的产生和发展。

　　2003年林杭生（Henry Lin）提出 hydropedology为土壤学（soil science）和水文学（hydrology）的一门新兴交叉学科（Lin，2003），并定义为以景观–土壤–水系统为研究对象，以土壤结构的自然属性和水的驱动特性为基础，综合研究不同时间和空间尺度上的土壤与水相互作用的物理、化学和生物过程及其反馈机制，包括水分和化学物质运移，能量转化，以及土壤分布与水文过程和地貌过程的相互作用关系等，揭示水分在土壤中的运动规律及其对土壤发育和功能的内在影响机理（Lin et al.，2005；李小雁和马育军，2008）。

　　水文土壤学的研究区域在垂直方向上为地下水面以上的包气带，包括土壤层（根系层）和深层包气带；在水平方向上包括三个空间尺度，即微观尺度（土壤孔隙和团聚体）、中尺度［土体或土链（catena）］和宏观尺度（流域、区域或全球）；在时间尺度上，水文土壤学研究可以为秒（瞬时）、小时、月、年甚至地质时代（图1-4）。

　　水文土壤学强调不同系统间的相互联系及其界面（interface）间的通量和动态变化，可实现不同学科、空间尺度和数据资料间的融合与应用，解决土壤孔隙–土体–流域–区域甚至全球尺度的空间转换问题，有助于深入认识与解决当前生态、环境、农业、地质和自然资源领域的重要科学问题，可广泛应用于流域水文循环与水管理、土地退化与生态修复、全球变化及其响应、养分循环、土壤污染和精准农业等领域。

　　水文土壤学自2003年提出以来，在理论和方法研究方面取得了较快的发展，2006～2018年分别在Geoderma、Geophysical Research Letters、Catena、Hydrology and Earth System Science、Journal of Hydrology和 Vadose Zone Journal国际期刊出版了有关水文土壤学的特刊论文7期。2016年8月16～19日第三届水文土壤学国际会议在北京师范大学召开，会议吸引了来自美国、德国、澳大利亚、加拿大、新西兰等18个国家超