水文土壤學導論 李小雁 馬育軍 左烽林等著 9787030749239 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
《水文土壤學導論》在廣泛結合國內外*新研究進展和成果的基礎上，較為系統地總結了水文土壤學的概念、形成背景與研究內容，展現了作為水文學和土壤學交叉學科的水文土壤學理論框架及核心知識體系，詳細闡述了水文土壤學綜合研究方法觀測、製圖和模型以及水文土壤學理論在生態環境研究中的應用。

精彩書評
本書詳細闡述了水文土壤學綜合研究方法觀測、製圖和模型以及水文土壤學理論在生態環境研究中的應用

目錄

目錄
第1章 水文土壤學概念特點與研究特色 1
1 1 水土耦合研究的必要性 1
1 2 水文土壤學概念與研究特色 5
1 2 1 水文土壤學的形成背景與概念 5
1 2 2 水文土壤學的學科與理論基礎 7
1 2 3 水文土壤學的基礎科學問題10第2章土壤形成演變及其定量化 14
2 1 土壤及其地理意義 14
2 2 土壤形成因素 14
2 2 1 成土因素學說 14
2 2 2 成土因素 16
2 3 成土過程定量化 19
2 3 1 土壤形成過程的一般模式 19
2 3 2 自然土壤形成過程 20
2 3 3 土壤變化的原理與時空特徵 21
2 3 4 成土過程模型化 24第3章土壤構架的特徵與形成 29
3 1 土壤構架的內涵 29
3 2 不同尺度的土壤構架特徵 30
3 2 1 土壤結構單元 31
3 2 2 土壤景觀單元 32
3 3 土壤構架的形成 32
3 3 1 土壤構架形成的熱力學解釋 33
3 3 2 團聚體和孔隙尺度土壤構架 33
3 3 3 土層和土體尺度土壤構架 37
3 3 4 景觀和區域尺度土壤構架 38
第4章 土壤優勢流的特徵與研究方法 41
4 1 土壤優勢流的內涵 41
4 1 1 大孔隙流 42
4 1 2 漏斗流 43
4 1 3 指狀流 43
4 1 4 非飽和重力流 43
4 2 土壤優勢流運移路徑及其影響因素 43
4 2 1 土壤孔隙、水力特徵對優勢流的影響 43
4 2 2 成土作用對優勢流的影響 47
4 3 土壤優勢流觀測方法及模型研究 50
4 3 1 土壤優勢流觀測方法 50
4 3 2 土壤優勢流模型研究52
第5章 水文土壤學綜合研究方法 56
5 1 水文土壤學觀測 57
5 1 1 高密度電阻率成像法 57
5 1 2 探地雷達 69
5 1 3 電磁感應方法 79
5 1 4 穩定同位素技術 89
5 1 5 核磁共振技術 106
5 1 6 徑流觀測 112
5 2 水文土壤學製圖 121
5 2 1 土壤測繪、土壤調查和土壤空間信息 121
5 2 2 數字土壤製圖：理論基礎與製圖方法 125
5 2 3 結合水文土壤屬性的數字土壤製圖 138
5 3 水文土壤學模型 141
5 3 1 土壤質量平衡模型 143
5 3 2 土壤水力參數模型 145
5 3 3 土壤水分動態模型 146
第6章 水文土壤學在生態環境研究中的應用 171
6 1 水文土壤學在生物地球化學研究中的應用 171
6 1 1 碳和氮的生物地球化學循環特徵及其在水文土壤學的應用 172
6 1 2 不同尺度的水文土壤過程對碳氮循環與功能的影響 174
6 1 3 水文土壤特徵對生物地球化學過程尺度轉換研究的影響 186
6 1 4 水文土壤學與生物地球化學的整合研究 190
6 2 水文土壤學在生態水文過程研究中的應用 192
6 2 1 微觀尺度下土壤孔隙水與植物氣孔蒸騰的聯繫 193
6 2 2 單株尺度下的冠層降水再分配和土壤優勢流 195
6 2 3 斑塊尺度下的植被格局及其對水分和土壤性質的影響 196
6 2 4 山坡和集水區的地表和地下徑流 197
6 2 5 不同時間尺度下的植被演變與土壤發育 199
6 3 水文土壤學在土壤環境研究中的應用 200
6 3 1 土壤優勢流在土壤污染研究中的應用 200
6 3 2 水文土壤學在土壤侵蝕研究中的應用202
第7章 水文土壤學展望 206
7 1 水文土壤學的研究態勢 206
7 2 地球關鍵帶 207
7 2 1 地球關鍵帶的基礎科學問題 209
7 2 2 地球關鍵帶的研究進展 211
7 2 3 地球關鍵帶的未來研究趨勢 212
7 3 水文土壤學面臨的挑戰 214
7 3 1 研究方法和理論創新 214
7 3 2 多尺度水文土壤學綜合觀測網路體系與模型 215
7 3 3 水文土壤學與其他學科的交叉研究 215
7 4 展望 216
參考文獻 218

精彩書摘
第1章水文土壤學概念特點與研究特色
1 1水土耦合研究的必要性
土壤和水作為地球表層系統的重要組成部分，前者為生物的生存發展提供了必要的養分、水分及適宜的物理條件，是連接各圈層的重要紐帶，是許多生物物理化學過程進行的主要場所，後者是圈層間進行物質與能量交換的主要驅動力之一，是物質與能量的主要載體。研究水圈、土壤圈以及它們之間的相互作用對理解整個地球表層系統的生物地球化學循環及演變有重要意義。
土壤是地球表面的疏鬆表層，常稱為地球的「皮膚」。土壤是氣候、母質、生物、地形和時間（time）等自然因素和人類活動綜合作用的歷史自然體。早期土壤一直被認為是地殼表層能生長植物的疏鬆堆積物，並被賦予「土壤的本質是肥力」。以往對土壤的研究主要是從土壤自身的理化性質、土壤與生物的關係、土壤與農業的關係、土壤與地質的關係以及土壤與環境污染的關係單方面進行的，缺乏從地球系統科學的角度進行整體性研究。1938年，瑞典科學家馬特森根據物質循環特點提出土壤圈概念，認為土壤是岩石圈、大氣圈、水圈及生物圈相互作用的產物，反過來土壤圈對這些圈層也產生影響（圖1-1）（Mattson，1938）。土壤圈是五大圈層的交匯區和核心區，構成了耦合（coupling）有機界與無機界，以及生命和非生命聯繫的中心環節。
在地球的表層系統中，土壤圈內各種土壤類型、特徵、性質都是過去和現在大氣圈、生物圈、岩石圈與水圈相互作用的記錄及反映。土壤的形成過程是複雜的物質與能量遷移（translocation）和轉化（transformation）的綜合過程，土壤圈對各圈層的能量、物質流動及信息傳遞起著維繫和調節作用。土壤是一個開放系統，也是一個能量轉換器（圖1-2），即土壤圈是一個與其他圈層保持著複雜而密切的物質和能量交換，並不斷處於運動中的開放系統。土壤圈的任何變化都會影響各圈層的演化和發展，乃至對全球變化產生重要作用（龔子同等，2015）。
土壤是人類賴以生存的最基本的自然資源，具有重要的功能和服務價值，包括生產功能、生態功能、環境功能和基因庫功能等，具體為：?植物生長的介質；?水分儲存和運移的載體；?污染物吸附、分散、降解和凈化器；?生物基因庫和種質資源庫；?生物多樣性的基礎；?地質和文化遺?的寶庫；?工程和建設應用的原材料；?外星生物可能的棲息地（Lin et al ，2005）。
水是地球環境要素中最活躍的因子，水循環過程與大氣圈、土壤圈、岩石圈及生物圈相互作用，使其水量和水質在不同時空尺度上發生變化。水循環是大氣系統能量的主要傳輸、儲存和轉化者，是大氣圈的有機組成部分；水循環也積极參与岩石圈中化學元素的遷移過程，成為地質大循環的主要動力因素；同時水作為生命活動的源泉，生物有機體的組成部分，全面參与生物大循環，成為溝通無機界和有機界聯繫的紐帶（黃錫荃，1993）。水循環也參与土壤圈的水分吸收、儲存、釋放和調蓄過程。土壤在水循環中佔有重要地位，到達地表的降水一部分通過下滲進入土壤，另一部分在地表彙集形成地表徑流；下滲進入土壤中的水分補充到土壤水和地下水中，其中一部分形成壤中流和地下徑流，另外一水文土壤學概念特點與研究特色部分通過蒸發重新進入大氣。因此，土壤不僅具有分割徑流的功能，還對水循環起到調蓄作用。土壤和水在不同時空尺度都具有重要的耦合作用關係，在土壤孔隙尺度上，孔隙結構影響水分的運移和植物根系吸水與利用，同時水分在氣候和植物影響下會影響土壤結構（soil structure）和肥力；在剖面上，土壤發生層結構影響土壤水分和壤中流的分佈與變化，同時水分的變化會影響土壤的淋溶、淀積及營養物質遷移；在流域和區域尺度上，由於受氣候、地形、植被、土地利用和人類活動等多因素影響，水土作用關係更加複雜多變（圖1-3）。
A、B、C分別代表腐殖質層、淋溶沉積層和母質層，P代表降水，RO代表地表徑流，LF代表地下徑流，ETa代表實際蒸散發，I代表入滲，GW代表地下水，UF代表毛管上升水，AE代表風蝕，WE代表水蝕，TI代表耕作，CR代表蠕移過程，CLD代表黏化過程，BT代表動物擾動，CC代表碳循環，CW代表化學風化，PW代表物理風化具體來說，在孔隙尺度，土壤孔隙水運動與團聚體發育過程之間存在著相互作用，土壤水分運動通過黏粒運輸與遷移、「乾濕、凍融循環」等影響土壤團聚體（soil aggregate）的形成、連通性與穩定性（van der Meij et al ，2018）。團聚體構建的孔隙網路通過影響土壤持水和導水性，控制著微觀尺度水流的方向和速度（Alaoui et al ，2011）。剖面上，土壤水分運動通過參与土壤發育，在長時間尺度上（十年）影響著剖面土壤水力特徵變化過程。受水控制的土壤形成過程主要包括脫碳作用、黏土遷移作用、灰化作用和潛育作用等（van der Meij et al ，2018）。反過來，剖面水力特徵對土壤水分運動有著直接影響（Wang et al ，2020）。土壤剖面中的不同土層（發生層）常具有不同的質地與結構，因此顯示出不同的水力特徵。這些不同的水力特徵可以促進或阻礙水的滯留及橫向流動（Beven and Germann，2013）。例如，粗質土壤下滲時一般有更高的滲透係數，而有機質富集層可以像海綿一樣儲存更多水分（Lin，2006）；質地良好的土壤在經歷乾旱時，其表面經常會發育裂縫，表現出優先流特性；一個凍結的土層可以大幅地減少甚至阻止入滲，起到不透水層的作用（Hayashi et al ，2003）。在坡面尺度，土壤與水文過程間的耦合主要體現在坡面產流過程與坡面土壤侵蝕過程。土壤侵蝕（水蝕）是一個十分複雜的過程，它不僅受土壤內部因素如土壤均質程度、土壤質地、土壤含水量等的影響，還與外部條件如降水、植被、地形等精密相關。但一般情況下，地表徑流量越大，土壤侵蝕（水蝕）效應越強（Gerwin et al ，2009）。坡面產流過程不僅僅包括地表徑流，也包括地下的壤中流與基流。地下產流過程具有高度的非線性特徵，降水特徵、土壤質地、土壤前期含水量、土壤結構、地形、植被等都會對其產生影響，目前坡面壤中流產流機制還不完善。在流域和區域尺度，土壤空間分佈特徵對流域徑流形成過程（包括徑流路徑、壤中流比例、傳輸時間等）、地表水與地下水之間的水力聯繫與相互轉化等都有直接的影響（賀纏生等，2021）；而土壤水分狀況也是土壤形成的重要驅動力，如一個地方在不同的歷史氣候期往往對應著不同的古土壤層（趙景波等，2015）。
土壤的水文特性（持水能力和輸水能力）和水文狀態（含水量及其分佈）決定了地表徑流和入滲的比值，又決定了土壤蓄水和地下水補給的比值，因此影響了地表水和地下水的情勢，影響了水文循環和水熱平衡。水文過程與土壤過程和地貌過程在時間尺度上存在很大差異，水文過程體現出快速和循環特徵，如下滲、毛管水上升和蒸發的日變化，降水和地下水的季節性波動等。土壤過程和地貌過程則是個「慢」過程，一般在10萬∼100萬年，氣候、岩石風化和地形等影響侵蝕堆積過程與土壤結構，進而影響地表水熱分配和植被分佈格局（van der Meij et al ，2018）（圖1-3）。儘管土壤和水在自然生態系統中密切聯繫且相互作用，但目前的學科體系都側重於條塊研究，主要從土壤學（soil science）和水文學（hydrology）各自領域對土壤或水文單要素進行縱深研究，缺乏交叉滲透研究，在研究方法、尺度和資料對接方面存在很大的鴻溝，嚴重限制了地球系統科學和當前重大生態環境問題的系統深入研究。水土耦合問題是土壤的生物地球化學循環（如碳、氮、磷營養物質和污染物循環）和目前許多環境問題如流域水管理、土壤侵蝕、土壤污染等的核心難點，需要加強多尺度水土耦合研究才能全面系統地理解地球表層結構、功能和演變，促進水土資源的可持續利用。
1 2水文土壤學概念與研究特色
1 2 1 水文土壤學的形成背景與概念
水文土壤學（hydropedology）術語是由水文學（hydrology）和土壤發生學（pedology）兩個英語詞條組合而成。土壤發生學是研究土壤的形成演變過程及其與環境因子之間關係的科學，是理解土壤現狀、歷史