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推进土壤科学朝着前沿的地球科学发展 姓名：杜岩 学号：M110792课程名称：高级土壤学 考试形式：文献翻译与综述文献作者：Larry P.Wildinga,Henry Linb杂志：Geoderma，2006,257-274 摘要 土壤科学的发展远景、方向和土壤科学的形象正在发生变化。从历史上看，土壤科学的演变经历一个迂回曲折的道路，从当初作为地质学最基础的学科，到开始应用于农业和环境保护的准则，至现在发展成为用于地球关键带区域调查的生物地质科学。如此终止了土壤学发展道路上的循环般的曲折命运，而且一路走来，土壤科学变得更加完善、应用更广泛、综合性更强、分析能力和定量性更高。尽管本文中描述了土壤科学面临的挑战，但是现在对于土壤科学来说却是一个黄金时期去更加紧密地将其专业知识与其他生物和地理科学更加紧密的融合。这将不仅可以显著增加获取校外资金和公众的支持机会而且可以获得土壤科学进步。因此，土壤科学需要大力成为更具互动性的科学和拓展延伸它所扮演的角色，从而超越传统的农业。空间土壤多样性与景观动态变化的专业知识对于这项投资成功来说是根本性的关键。土壤学作为土壤科学的一个独特的分支学科，所作出的贡献可与地球科学相当，包括，例如：澄清地道域的可变性、表层风化过程、地球系统动力学和渗流区的流向与运输过程。伴随着生物地球科学盛况，水文土壤学是在这个多学科、跨学科时代及时增加的学科，系统方法用于发展科学的综合性优先级以及应用在地球科学上。相比于其他生物和地理科学，水文土壤学今年三月份在处理全球性地球科学的优先次序方面有一个利基。土壤科学家支持改变模式并且青睐于与生物和地理科学社会的更密切联系。在这方面，水文土壤学发挥独特的作用。关键词：关键带区域；地球科学；土壤圈；水文土壤学；土壤学；土壤结构；土壤功能1、 简介 土壤是位于地球陆地表层提供生命支持的宝贵的、多样和脆弱的自然资源。虽然它众所周知的的作用是提供养分和水分来维持农业生产和生态系统，土壤资源也同样有一些基本的功能，如废物处置、地下水补给、影响气候和作为工程建筑、制造业的原材料。通常来说，这种具有生物活性、结构多孔的介质就是所谓的土壤圈，具有调解土层中的大部分生物地球物理和化学的之间的相互作用，还有地表水和地下水的平衡问题，更甚参与大气层的调节。例如：有机碳可以通过土壤返还给大气层，大气中约25含量的二氧化碳来自土壤层中的生物氧化反应，其中包含了从大气中吸收的两倍多的碳和比所有植被高达三倍的的碳（NRC，2001；Drees等，2001；拉尔，2001年，2004年）。土壤同时对水文循环也有重大影响。大多数人使用的水来自地下水、溪流与湖泊，不管其来源途径，水的质量和数量在很大程度上是由它通过的土壤的性质来决定的。 在大多数国家，土壤科学领域主要作为农业产品研究开发的副产品。在美国，他得到机构的承认和支持，如国家科学院和国家科学基金会在此已经明显不限制，因为这一切过于频繁，土壤科学被认为是农业科学，直到最近，它的功能、作用与其对生物地理科学的基本贡献在地球科学界还没有得到充分的认可。在水文、有机/矿物胶体的组成特性与表面反应、外来物质的运输与输出、废弃物的生物修复以及土壤的排毒作用产生的新推动力下，土地利用生物多样性、自然灾害、温室气体通量、地球化学特征和行星探索带来的影响使土壤科学在地球科学议程中于资金方面获得了多机构和跨学科财团支持的机会。美国国家研究委员会最近有一份题为“在地球科学基础研究的机会（NRC，2001）”的报告，确定土壤科学家在与其他生物和地理科学家，开展现称为关键带的近地表环境综合性的基础研究中扮演的几个独特的角色。这项研究的范围将涉及的C周期（土壤碳封存）、水文、微生物的定量分析和矿物质的相互作用、陆地海洋界面动力学、对地球历史记录进行编码并在生物技术和纳米指标中作为新工具。该报告还进一步明确了土壤科学家会获得为地球生物学、地球和行星系统、自然地球科学实验室做贡献的机会，并通过各种合作伙伴关系进行教育（K12教育，现场培训，博士后/公休时期）且充分利用每次教育活动。 本文的目的是为了突出土壤学在地球科学中的重要性，其中简要介绍了土壤科学朝着生物和地球科学方向发展，并阐明水文土壤学在地质科学中所获得的机遇。2、 概念和定义关键带（图1）是地球表面的的一部分，它包括大气、生物圈、土壤圈和岩石圈接口（NRC，2001）。关键带是包络着土壤、岩石、空气和水的薄弱地带，其中还有包括冠层植被、河流、湖泊与浅海的陆地表层。它穿过土壤圈，从不饱区和渗流区到地下水饱和区。这些介面的相互作用决定了几乎所有维持生命的资源的可用性。土壤圈本身的主要作用是回收利用碳、氮和其他化学物质到大气圈、水圈和岩石圈，以及储存水资源和处理固体和液体废物。地球表面处理学科、化学、生物学提供了综合性和系统性的方法来处理关键带的水文地貌上的相互作用的问题。长时间以后，土壤的生物功能和风化机制已经从非生物的无机过程被分割开来。土壤中的有机和无机成分是密切相关的，正因为如此需要地球科学的人士进一步关注。关键带的概念为跨学科基础性研究，如：为对土壤岩石、空气、水和地球表面的生物资源的研究提供的一个的自然框架。土壤圈是位于地球表面的一个很薄的半渗透膜，为固体和流体的交流（大气圈、水圈、生物圈和岩石圈）提供了一个界面，如图1所示。在地质术语表上土壤圈的定义是“土壤圈是土壤形成发生过程中形成的地球的外壳或者土层”（Jackson，1997年）解释了地球表面组成部分之间的质子通量的和能量传递（NRC，2001）。这就是俗称的全球土壤覆盖。它维持生物生产力，作为物质结构基础如有机物/矿产风化的反应堆；作为建筑材料，提供回收生活用水和废旧产品生物修复，富含有机物的介质让其具有决定生态系统的可持续性和环境质量的功能。它是一个高度动态的固/液的围护结构。例如，在小球体/大气的界面的反应速率往往比热交换、气体交换速度大很多，同样在岩石圈/水气的界面的生物反应速率，如深湖泊和海洋中的水循环。 土壤科学是地球科学的一个分支，为了更明确的知道近地表环境的功能、行为以及进程。它包括土壤质量、分布、范围、空间的多样性和利用，还有土壤景观结构从微观到宏观上的管理，但是也不仅仅限于这些（SUM - NER，2000年）。它还涉及到生态系统中的可再生自然资源或着人类改造后的土壤的缓慢恢复。土图1 关于地球关键带与土壤圈的示意图：土壤圈是地球表面一层很薄的土壤，如一个复合土工膜跨过水与溶质以及能源、气体、固体与生物体，主动与大气、生物圈、水圈和岩石圈进行交换，去创造一个维持生命的环境。土壤与水的相互作用为生物与非生物之间创造了一个基础界面，因此它决定了地球系统与它关键带的状态（图形未按比例绘制）（在Lin之后修饰，2005）。壤学认为那些近地表的过程决定了土壤圈与演化、环境地球化学和生物体的栖息地联系的质量与功能。它为地球系统的各个系统的组合提供了帮助工具，以便了解时间和空间多样性的成因与后果，和提供一个更加全面的方法来实现生态系统的有效的动态过程。这门科学的目前范围应该是多方面的，分别作为农艺学、环境学、生态学以及作为一个生物和地球科学。这后来的机遇对土壤科学来说，它不能很好被把握，而且地球科学的社会人士通常对它的了解不多。土壤科学是生物和地球科学的合作伙伴，为土壤圈和关键带新的增长潜力的调查提供主要途径。 水文土壤学是土壤科学和水文学的交叉学科，涵盖多学科与多尺度，用来研究地球关键带的土壤学和水文学互动的过程(Lin, 2003)。它也可以被视为土壤科学和地球科学的一个分支学科，用来调查景观设置中成土过程与空间多样性通过土壤圈的气体和液体流量。Lin等（2005）最近对一个水文土壤学在生物和地球科学的多尺度及其与对地球关键带的综合性研究方面的衔接中扮演的角色提供了全面的总结。他们认为水文土壤学有助于社会上重要的环境、生态、地质、农业和自然资源各种各样问题的理解。作为例子，包括水质和水量、土壤质量、景观形成、流域管理、养分循环、污染修复、废物处置、精准农业、气候变化、固碳和生态系统功能。3、 土壤科学的发展历史和不断变化的模式去追踪土壤科学在过去几个世纪的进化历史是非常有趣的，而且最近时间注意到在这门学科改变的范式（Landa，2004年）。土壤学与地质、化学和生物学联系密切，但过去100年来土壤学一直被认为是具有较强的农业基础知识的独立机构(Arnold，1983；Sumner，2000)。由于史无前例的成功，土壤学具有为世界带来食品、饲料、纤维与燃料的能力。基础土壤科学发展的主要原因是在农业方面产品的研究(Sposito and Reginato, 1992)。 在过去的三十年，我们目睹了土壤科学在环境和生态上重点的主要转变， (例如Wild, 1989; Yaalon, 1993; Miller, 1993; Gardner, 1993;Bouma,1994; Warkentin, 1994; Wilding, 1994;Mermut and Eswaran,1997, 2001; Sparks, 2000)。土壤对一个民族的建立和成长是一个长期的“资本”。它是生态系统的基本组成部分。在重点的变化已造成对土壤、空气和水质人为的负面影响。为了更好地处理这些新的研究机会、争取资金并吸引学生的问题，行业一直存在着推动力为土壤科学去寻求更高的认同、知名度并向外推广。此外，在全球性科学和推广方案中，它受到地方土壤科学家（表中）与其他领先的生物和物理科学家的热情支持。 从历史上看，土壤科学的演变经历一个迂回曲折的道路，从当初作为地质学最基础的学科，到开始应用于农业和环境保护的准则，至现在发展成为用于地球关键带域的调查的生物地质科学。如此终止了土壤学发展道路上的循环般的曲折命运，而且一路走来，土壤科学变得更加完善、应用更广泛、综合性更强、分析能力和定量性更高。在美国，土壤科学迈向地球科学模式已经作为政府部门基础研究支持并且委托美国土壤科学协会（SSSA）、国家研究理事会（NRC）、国家科学基金会（NSF）开启活动与报道，这方面最重要的就是文件，例如：水文科学上的机遇（NRC，1991年）、在基础土壤科学研究上的机遇“（Sposito和Reginato，1992年）、一个农业议程土壤与水质（NRC，1993）、在美国流域上的新战略(NRC, 1999)和在地球科学基础研究的机遇（NRC，2001）。国家科学基金会委托进行的报告（NRC，2001）提供了动力去重组地球科学国家科学基金会分部，去更有效的融入土壤科学到地质科学的基础研究计划中去。以上多有，土壤科学家是这些报告的创始者或是国家研究理事会研究委员会的成员。它通过这种参与，如衍生产品对土壤科学的产生的影响方面的感受。虽然还有许多有待完成，但运动的过程已经成立，并且土壤科学正在成为地球科学议程的合作伙伴。 美国土壤科学协会在1993年加入美国地质协会（AGI），以进一步提高其在地质科学上的作用，尤其是在K- 12的教育活动中（Landa，2004年）。这积极的促进了土壤科学参与地球科学计划，本文的高级作者有幸担任美国地质协会的执行委员成员、战略规划委员会和美国地质协会基金的这方面的代表。美国地质协会包含了45个科学和专业协会，是代表超过10万名地球科学家的非营利性的联合会。因此，美国地质协会是美国最大的地球科学选区，不久之后土壤科学协会成为其中社会成员，地质时代的两个问题都致力于土壤科学（AGI，1996年，2002年），且美国地质协会公布了其第二次环保意识系列报告以维持我们的土壤与社会（Loynachan等，1999）。这些刊物突出显示了对其他地球科学学科来说土壤科学的重要性，作为一个网关为大家提供进一步的共同努力服务。美国地质协会积极开拓地质时代，以提高公众对地质科学的认识，并通过这样做增强了对土壤科学的服务。最后，美国地质协会的政府事务方案为州政府和联邦政府的政策制定者提供了重要的地球科学教育的材料与服务以启发他们做出更合理的决策。另一个改变土壤科学形象和知名度的基石是由NRC /国家科学院（NAS）于1999年主持形成的美国国家土壤科学委员会（USNC/ SS）。这是土壤科学进步的重要一步，因为通过与NRC/ NAS联结，增强了它在美国的知名度和纪律上的信誉。它增强了土壤科学家在科学方案方面相比于其他科学家更具有说服力，并促进土壤科学家与NRC/ NAS的联合。本文的资深作者，有好几次机会，在此作为代表提供服务。USNC/ SS的形成也很及时，通过这个委员会，NAS成为国际土壤科学联合会（IUSS）的美国土壤科学界的官方成员。通过这样的行动，国家科学院为土壤科学联合会提供财政支持，使得在美国所有的土壤科学个人成员凭借成为土壤联合会成员获得资金支持，并给出了土壤科学家获得参加国际科学联合理事会（ICSU）举办的的国际活动。国际科学理事会动员国际科学界的知识和资源：（1）确定并解决对科学和社会发展的重大作用。（2）促进了跨学科和各国之间科学家的相互作用。在这里，土壤科学家有机会为国际公约和方案贡献自己的专业知识，如如生物多样性、气候变化、粮食安全、人类健康、土地承载能力和土地退化和荒漠化。 2004年4月26日在费城对跨国际土壤科学联合会议做了介绍，国际科学联合理事会执行董事Thomas Rosswal先生提议，对于国际科学联合理事会新出现的问题，因此土壤科学家提出可能有助于：· 土壤系统中的转基因材料· 受盐影响的土壤· 土壤系统中存在的病虫害· 土壤生物多样性· 土壤资源调查与监测· 科学与社会间的通信· 生物修复技术· 水循环· 固碳· 在气候模型的土壤 他进一步建议，IUSS可以帮助识别其他新出现的问题，或与其他联盟合作，为正在进行国际科学理事会的方案贡献专业知识（例如：全球气候变化），制定土壤科学相关的政策。他指出，科学是必要的，但是不足够支持可持续发展。如果要帮助整合环境、社会和可持续发展的生态组成，科学必须发展成更多的政策有关。科学必须变得在利益相关者和人口众多土著居民中更具有代表性。 总之，有一些令人鼓舞的迹象，在地球科学的范围内，土壤科学家正与其他生物与地理科学更加有效地扩大他们的专业知识和贡献。这样做不是为了缩小学科的范围，是为了让学科更具有包容性。这个过程可能会提高其起在全球范围内的知名度、形象和起到宣传的作用。它应该导致土壤科学家更好的在高等院校的学术单位、政府机构中的生物和地球科学的学科范围内就业，如国家航空和航天局（NASA）、美国地质调查局（USGS）等机构以及非政府组织。联合地球科学社团之间的专业会议和通过交叉参与将进一步实现这些目标。4、 作为一个基本的地球学科的土壤科学 Brown (1996)阐述了土壤科学为什么是地球科学以及分享了以实地为基础的向导、注重过程、跨学科的性质、了解景观模型预测近地表环境的共同性和行为的重要性。他指出，地球科学中各学科之间的边界相对于跨学科合作更有历史性工作。这些边界纳入法律、制度和知识产权分离中。例如，当地质学家通常受聘于大学和美国内政部机构的人文和科学学院时，土壤科学家通常居住在农业大学、自然资源的学校或者机构和美国农业部机构。法律的界限包括不同的许可、认证委员会和放宽不同程度和类型上对各学科的认可。如果他们的跨学科的努力的致力影响得到实现，这些制约因素和机遇，在未来对于地球科学的学科来说是一种挑战。Landa (2004) 根据跟踪地质和土壤科学的发展史，强调了一些相同的观点。他进一步阐述这些学科跨学科界限的合作的链接、断开和机遇。 国家确定地球科学的要素包括发现、保护和自然资源的利用；自然资源的减灾和特性；岩石工程和材料工程；环境管理和全球的安全与国防（NRC，2001）。土壤科学和相关的生物和地理科学等学科专业知识对于成功解决这些需求是必要的，包括开发技术来提高和保护可再生资源土壤、空气、水和生物质量；定量分析气候变化和在复杂自然和管理生态系统中造成的影响；保护和恢复重要的野生动物和湿地生态；发展土壤退化的早期预警系统。多学科合作的时机已经成熟。在过去一个世纪的研究活动很大程度上方法单一。个别科学的努力已经引起知识和研究的拓宽，现在科技基础设施的能力开始使研究整体地球系统众多相互作用成为可能。例如，它的贡献在土壤科学文献中很突出，即在生物和地球科学的泛指土壤科学分支科学中的土壤学、生物学、化学、矿物学、物理学和计量土壤学的基础研究。具体来说，在以下几个方面的贡献与地质有直接密切的关系(Sposito and Reginato, 1992; Wilding, 1994)：· 阐明成土和风化过程的量化和模型以及使用国家科学工具重新构建现在及其过去的地球表面环境。· 通过土壤考古学的推论，重建地球表面环境条件、自然资源基地、自然性活动与古代文明的制约因素。· 建立土壤中的有机碳库和C / N的动力学如如全球碳循环的组成部分其对全球气候变化的影响。· 使用生物技术编码基因微生物材料，独特标记有机体的种类、功能和微生物降解产品。· 解开土壤系统的复杂的化学环境，以量化矿物质和有机物转化的动态，来确定新的天然和异生物质化合物，以验证表面电荷特性和吸附解吸动力学，用来模型土壤和地质系统中化学物质的运输过程。· 制定土壤中量化的物理测量和模型描述用来预测和验证溶质、液体、气体、大规模运动的基质、系统内的能量通量和环境中微生物的运动的流量和运输途径。 关于关键区域的综合研究已被提出，用来扩展地球科学的研究议程中土壤科学的知识库(NRC, 2001)。这种整合将会促进地球生物学、地球和行星的材料和行星科学等跨学科之间的进展，和延长我们的陆地环境的管辖范围。一些土壤科学家目前受雇于美国宇航局，已经为他们提供了近二十年的土壤专业知识用来外星人的太空探索以及行星学科科学。其他的土壤科学家在遥感技术方面提供教育、研究和地球科学等一体的这类工具的应用方面已经成为领导人。或许土壤科学家尤其是那些具有广泛的专业知识的，例如水文土壤学家，最能有助于获得在关键区域研究的机会。这里的生态位研究包括土壤质量、粮食安全、资源的可持续性和管理、全球气候变化、自然灾害、管理/保护/利用、提高土地资源以及公众对地球科学的素养（如K - 12教育议程）。例如，了解陆地碳循环与全球气候变化、空间土壤多样性、碳的来源和吸收的关系在很大程度上取决于土壤有机和无机碳库、水文的影响、气体通量、C / N的动态以及微生物降解动力学。微生物相互作用的定量分析影响矿物的风化、土壤的形成和营养元素的调集，以及环境中的化学物质与毒素的命运与陆地的碳循环和关键区域的水文土壤学紧密的联系在一起。虽然人们普遍认识到，成土过程是由于土壤中微生物的运动支配的，但是在过去对于这件事的给予的关注太少；大多数土壤的成因模型严重的集中在非生物过程，现在是一个公认为这是一个非常明显的疏忽。 对于关键区域的研究同等重要的是陆地海洋界面的动力学。在这里，沿岸海域的进程与河流流域、地面水流量和泥沙通量的相互作用在很大程度上控制地貌侵蚀过程和陆地表面的几何形状。这种作用反过来支配水土流失、土壤母质、成土、地面上地球化学进程以及土壤、水文和生物群的空间多样性。通过应用辐射测定日期、同位素稳定分析和土壤/古土壤重新发育等新型工具，土壤科学家、地层学家、沉积学家和地球化学家再通过相互交流能够开始重建关键区域的地球历史上的某些部分。例如，可以通过关键区域的的历史，确定它的物理、化学和生物学特征，来跟踪我们星球的演变。地形的起伏、一天的长短、太阳的直射和大气的成分是地球表面随着时间的推移具有显著变化的某些方面。关键区域的古记录的质量有能力使它得到准确的重组和变化，这些依赖于数据集、侵蚀、成岩作用和构造运动的平均时间程度。新的设施和仪器让我们有了一些令人兴奋的可能性，用来使关键区域的环境量化。例如，三维和四维的可视化效果让陆地生态系统的地层和流体属性要可视化，因为它们是在不同的垂直、倾斜和横向的几何方向进行研究。在石油工程勘探业，四维的可视化效果可以让人通过事前钻孔以及墨西哥沿岸地区的地震记录的电脑合成，具有高程度的确定性找到含石油的地层（Anderson等，1995）。同样类似的方法探讨美国农业部NRCS土壤信息系统的综合土壤调查数据库，用三维或者四维的几何结构来描述土壤地层学、土壤物理/化学/生物的属性和土壤的水文条件。基于同步加速器的X射线光谱允许在原子尺度研究土壤特性和矿物/有机成分，以了解胶体的表面反应、复杂的互动成分和化学品运输的去向。纳米生物地球化学处于初期阶段，但是在观察土壤性质中为区分有机和无机提供了一个非常有前途的未来。伴随着遥感观测平台和仪器的发展，主要的研究方向的机会已经被打开，很大程度上是由空间传播的，能够记录关键区域的表面特征、附近的状态和通量。随着改进的原位仪器和记录能力的发展，获取了基于地面网络的巨大数据，为通量及其状态的密集时间和空间采样提供了机会。数字高程模型（DEM）、探地雷达（GPR）、高分辨率电磁和声学成像、声纳和综合地理信息系统（GIS）是现在和未来的工具。例如，用在规模一千米的地区，雷达估计降水通量相比于地面测量，像素可以为发展分布式水文模型提供前所未有的机遇。结合未来精细的雷达测量在一百米范围或者以上规模上测量地表能量通量，将为建模和描述坡面水文以及关键区域的生物地球化学相互作用在其规模上需要的能量通量打开一条路。 精制数字地形数据已经应用于土壤分布耦合模型，一起为坡面大规模虚损和鉴别滑坡灾害区提供新的见解（Drees等，2003）。能取得的重大进展主要体现在流体力学和非均质多孔介质中的流动路径和提留时间，包括部分饱和和饱和区域，微孔和宏观孔隙尺度是了解运输过程和生物地球化学相互作用的关键。 同位素地球化学和分子生物学增加了关于关键区域的研究的新的层面。例如，稳定的C和O同位素为水文、植被和气候古环境提供了重建的机会（Driese和Mora，2002年）。他们还允许成岩与成土风化产品相比的差异化，如在土壤系统中的成壤碳酸盐岩(West et al, 1988)。开发和利用宇宙成因同位素（放射性核素的10Be，26Al和36Cl和稳定的3He，21Ne）可以彻底改变在高纬度和干旱景观对地貌过程和气候时序的理解认识。已知序列的核酸可以通过已知的计算机芯片通常称为微阵列从而获的安排。微阵列是基因的缩影、有序和高密度分布，基因片段或者其他的核酸序列可以被测定用来表明与化学品接触或者其他环境压力造成的整个细胞的生理反应。完整的来说，整个有机体对化学品接触或环境压力的反应在理论上是可行的，作为土地退化预警信号，该芯片的潜力是一种新颖性新的分子生物学 (Staub et al., 2002; Zhou and Thompson, 2004)。然而， 在关键区域环境条件下芯片的广泛的多样性下的潜力尚未得到证实。5、 土壤学对地球科学独特的贡献 土壤学是土壤科学的一个分支，它集成和量化的土壤的形态、形成、分布y以及土壤的分类，如自然或者经过人类活动修饰的景观实体。它对地球科学具有许多独特的贡献，例如，土壤的测绘为我们对景观中土壤与地貌的关系和土壤的可变性的理解提供了经典基础。土壤剖面描述已经成为现场的土壤形态学信息和各种土壤水形态学特征的主要来源，是非饱和区的水文标志。土壤调查数据库提供了丰富的信息，生物和地理科学能够在各种应用中利用它；土壤分类为组织和建模提供了一个层次系统，以及传输我们有关经过地理气象区域的广泛的、不同的土壤知识，这些事在整个地球系统建模时所需要的；以及土壤起源提供了有关随着时间的推移风化过程和土壤地理形态的演变的一些见解。在这里，我们突出显示一些地球科学研究的需求，主要是在土壤学中可以做出重大贡献的专业知识：· 土壤的空间变异性和地貌：土壤学在理解土壤分布、机制和土壤跨越景观和地理区域的可变性程度上起着独特的作用。具有土壤学专业知识图和土壤空间多样性知识的土壤测量师，主要是对预测的土壤景观模型进行预测性量化，用土壤成因理论增强和用地面实况观测来证实（或否定）。根据地貌侵蚀/施工过程伴随的土壤性质相应的空间多样性，土壤学专业知识为如何把景观分割成地貌组成部分提供见解。通过分层随机抽样或断面分析，此分析是面向横断面在地貌/土壤梯度的最大差距，这为统计分析提供了一个强大的基础。如果我们要走向更可持续发展的土地利用和土壤生态系统的更好模型，改进对怎么规模化影响土壤多样性和土壤功能的理解是至关重要的(McSweeney and Norman,1996)。现代研究已越来越显示出的土壤、地形和地貌过程之间密切的依赖性。地貌的模式是匹配的，往往与土壤模式是一一对应的 (Gerrard, 1981; Hall,1983, Wysocki et al., 2000)。· 表层的风化过程和生物地球化学： Allen and Fanning (1983)全面概述了土壤成分、土壤风化和成土作用的关系。成土过程实质上是一系列的物理、化学和生物过程的一个集成的风化现象导致的。它就在关键区域中已经发生或正在发生的进程提供了一个全面的看法。最近建立的风化系统科学联盟内部的生物地球化学社区表明，有必要来回答一个根本的科学问题“地球的风化引擎怎么把原岩转化成为可以响应气候、构造和人为强制性的土壤和溶质？”(Anderson et al., 2004)。定量模型描述环境变量在岩石的分化和缺少土壤形成上的影响。· 全球变化与地球系统科学：其中一个原因，土壤学已受到生物和地理科学家、土地使用规划、土地所有者和监管机构多年来的持续关注，监管机构在土壤基础想普查资料和解释上取得成功。虽然潜在的土壤调查很大程度上是尚未开发的开发的，决策者和其他利益相关者相当重视目前正在致力于更好的营销策略，以实现更有效的利用率。在各种地域范围的数字土壤图和数据库由土壤调查所提供，与其他生物和地球科学数据库相合，对于模拟地球系统、关键区域和全球变化是重要的。此外，古生物学提供了宝贵的工具用来重建土壤记录中的过去地球环境(Retallack, 1996; Driese and Mora, 2002)。· 渗流区水文和水文地质：就像“不可以忽略地下水在执行地质工作中的作用”(Domenico and Schwartz, 1998),在土壤系统中非饱和地带的水在土壤的形成和动态变化中是不可以被忽略的（Lin等人，2005年）。当处理地下水质时，水文地质学家经常问的一个常见的问题，“何处、何时、多少以及水和污染物在覆盖渗流区的速度等”数量问题。由于许多污染物的释放到地表下面，发生在内部或者包气带以上地带 (图2)，包括异生材料的刻意应用（例如：农业化学品、垃圾填埋场渗滤液或有毒废料堆放场）和这些物料的意外释放（如化粪池、化学品泄漏和石油储罐渗漏），当务之急是我们彻底明白原位上水的运动和不同类型的化学品运输以及土壤厚度和近地表地质材料 (Brown, 1996; Wagenet, 1996）。与水文地质相结合的水文土壤学提出了一个更加综合全面的的方法来研究水土岩的相互作用（图1和图2）。土壤学重点是从分类和库存转移到理解和空间上的定量分析上面，时间变数进程依赖于水循环和生态系统。本文的下一节突出显示，水文土壤学有必要去建议从地质层次的经典土壤学转变为一个水文驱动方式，反应了水在许多环境、生态和地质过程和功能中有着至关重要的作用。图2 污染物在水文地质和渗流区中的作用：在环境中的污染物去向就水如何通过土壤和景观迅速移动问题还需要大量的工作要做 (Modified after Fetter, 1993 and Lin, 2003)。6、水文土壤学和生物地球科学盛况 生物地球科学领域已经成为一个令人信服的科学，它本身与包含环境、生态、地质、农业和社会重要的自然资源的一个广泛的领域相衔接。这个领域有大幅增长的潜力(Lin et al., 2005)。生物地球科学遇到一个新的学术范式，强调水圈和其他地球系统组件之间的链接 (图 1)。虽然水文气候学、水文地质和生态水文学在目前是获得广泛认可的，但是对于难题有一部分的重要缺失是水文土壤学着重与水圈和土壤圈之间的界面。水文土壤学关闭这个缺口，并强调作为景观机构的现场土壤系统中的流动和运输过程（即土壤在成壤特征、结构、层次感和土壤景观关系方面具有鲜明的特点）。水文土壤学是在跨学科鼎盛的时代以及科学发展全面优先级划分与地球科学应用的系统方法上面及时增加的一门学科。抓住这个机遇，需要我们对水文土壤学更进一步的视野和探讨它对整个地球科学独特的贡献。我们相信水文土壤学可以在土壤圈、水循环、地球的关键区域以及作为一个整体的地球系统方面作出明显的贡献。读者被称为林等对水文土壤学的进步进行了全面检讨（2005年）。除土壤学、土壤物理和水文学之外（水文土壤学的“基础”），水文土壤学经常与其他的生物和地理科学相联系，如地貌学、地质学、地理学、水文学、水文气候学、生态水文学、生物学和土壤科学其他的分支(Lin, 2003)。水文土壤学建议用一个新的视角和更综合的方法来研究跨越空间和时间尺度上的土壤和水的相互作用。从景观方向出发的一个全面看法，根据土壤学的根源和作为动力的水上面的一个重点，水文土壤学强调系统之间的联系、组成部分的状态和模式、界面通量和动态变化，包括由人类活动引起的方面 (Lin et al., 2005)。水文土壤学试图描述所有尺度上的集成物理、化学和生物过程，包括水流的质量和能源运输以及土壤分布/功能和水文与地貌过程之间的相互关系。土壤水文是承让作用、土壤形态和土壤分布格局和范围之后的重要推动力。它控制各种土壤物理、化学和生物过程，导致不同土壤的形成和土地的不同用途。土壤水分制度在土壤分类 中发挥了关键作用，水的时空分布就土壤变形和测绘方面提供线索。此外，随着大家越来越重视对人类的影响和土地的管理实践，在动态土壤性质方面产生的利益需要更多的关注土壤的物理和水力特性以及他们与土壤分类结构和绘制地图单位方面的相互关系。因此，许多知识的空白通过水文土壤的研究从经典土壤学与水文的整合方面得到更好的解决。一些例子包括：· 土壤结构的量化和建模· 优先流预测和建立流动的机制和模式的决心· 土壤中水文形态学的量化和建模· 土壤景观属性控制的充电，放电和交流的水的流动· 土壤空间和时间变异及其根源；模式识别和对各种土壤和水文特性、过程的预测· 从实验室到现场，景观，区域和全球衔接的规模· 数据通过桥接，如传递函数的办法，包括基本机制和切实加强，以改善土壤调查数据库中的值7、土壤结构和土壤功能 一个多世纪以来，土壤学家使用土壤结构（土壤发生层分化和结构）来区分土壤的不同的性质、潜力和土地管理的约束指数。土壤结构是由固体颗粒和空隙组合成的二次多面体(Brewer, 1964)。PEDS是弱小的被分隔的自然表面组合的聚合体（例如：涂层应力的半倍氧化物、粘土、有机粘土组合、碳酸盐和重排在原位粘土上的离子等）（图3和图4）。各种微半形的功能和结构已被用于在美国土壤系统分类中用来区别以及分类所有类别的的土壤 (Douglas and Thompson, 1985; Wilding and Flach, 1985; Soil Survey Staff, 1998) 。此外，土壤结构还被用作土壤年龄的标志、土壤稳定的预测、长期的氧化还原状态的一个指标、多因素历史档案和决定水渗透和化学物质运输路径的因素（图3和图4）。土壤学家对土壤结构调查意见多强调面体单位的大小、形状和级别（耐用性）（图3）。从水文和生物物理的角度来看，对PEDS的位置、孔隙度、大小、形状、连续性、方向和导电空洞的起源相关研究的重要性不低于水的运动在发展土壤传输函数功能中对建模的重要性(Lin et al., 1999a,b)。例如，在强烈的结构变性和淋溶中，Lin等（1996年）确定了主要的宏观和中孔的有效孔隙的水通量超过0.06毫米直径。他们发现几乎所有的接近饱和的水流量（99）通过大约5的总孔隙度（即中观孔隙）。流动途径中滑面裂隙占30，根渠道占28，垂直裂隙占25。Nobles等最近的工作（2003年，2004年）强调根和滑面在水转移到地下区域的重要性。据推测，随着土壤深度的增加，结构/孔隙度/水通量关系将显示以下的一般趋势：增加PED的大小，减少PED级，降低等形体的PED的形状，减少有效孔隙度，增加由通流增加的空间通量浓度，并增加异质性。这些不确定因素对土壤结构中的水流和化学品运输建模的经典方法是一个挑战(Schwartz et al., 1999; Lin, 2003)。迄今为止，很少有模型充分考虑到上述关系(Brown, 1996; Wagenet, 1996; Lin et al., 2005)。 宏观空洞的水和溶质运输的相关结构、化学风化显而易见的重要性可以从众多宏观半自形和土壤结构的微观半自形研究在多个层次规模分辨率得到（土体、土层、补偿、孔隙度、有机和无机成分微岩组区划）（图3和图4）。压碎的土壤或粉碎样品与自然形成的土壤的碎片像一个拆除的建筑物(Kubiena, 1938)。破碎的结构不能够判断出土壤样品就像一大堆砖头不能判断建筑的结构，这是使用地面或粉碎土壤样品进行物理和化学测量时的一些应用程序中的一个严重错误。早期的PED表面进行的微岩组研究，涉及到成土的成分、厚度和连续性(e.g., Frei and Cline, 1949; Cady, 1950; Buol and Hole, 1959, 1961; Flach, 1960; Heil and Buntley,1965;Grossman et al.,1964;Khalifa and Buol,1968;Miller et al., 1971;Gerber et al., 1974)。这些研究有助于验证这些特征的起源和功能。例子是矩阵偏析或分带（粘土、碳酸盐、硅，盐、有机物）、铁氧化物耗尽区、微型结壳（或密封）、土地利用和管理的宏观孔隙度的变化（图4）。许多的这些微态连续统理功能，可以直接追溯到对水的运动、优先流、悬浮、扩散、溶解和氧化反应/还原过程产生的影响。其他的倾向标志如土壤降解后的集约化管理、人口压力和风/水的侵蚀、造成土壤表面板结。虽然涂料包括PED的总量的比例很小，但通过流动的途径，土壤生物物理属性可以对PED/ 大孔隙界面化学动力学产生影响。例子中包括生物活性（根和其他PTFE分布模式）、吸附/解吸动力学、扩散速度、质量流量、气体运输和生物生产力(e.g., Miller et al., 1971; Soileau et al., 1964; Khalifa and Buol, 1969; Gerber et al., 1974; Sexstone et al., 1985; Asady and Smucker, 1989)。土壤质量的测定有利于土壤生态系统功能的评估能力，维持植物和动物的生产力以保持或提高空气和水的质量，并支持人类健康和居住环境(Karlen et al., 1997)。土壤架构（结构）通过其对入渗率、水的运动、溶质的运动、曝气能力、生物多样性和根际的扩散的影响来严重影响土壤的质量。结构退化导致宏观孔隙度减少、PTFE损失、土壤板结、平面空洞的水平转岗，所以要增强地表径流和减少浸润侵蚀（图4）(e.g., Puentes and Wilding, 1990; Coulombe et al.，1996)。上述说明，理解土壤的成土过程、形态、空间的多样性和土壤的水文功能起着多尺度作用。这个专业的生物地理科学家以专业知识将联系在一起的具有土壤水文功能的景观以定性和定量的方法转化为专业知识。使用土壤学的庞大的数据库（