土壤和水是地球上整个生态系统和地球上生命起源和发展都不可分割的两个部分，过去单纯的水文学研究对田间实际情况的假设过于简单，其定量分析的结果往往不具有实践意义；而土壤学的研究虽然植根于土壤调查并且考虑了土壤与景观之间的相互关系及土壤结构等，但只能给出定性或半定量化的描述，很难进行定量研究^[1]。在全球环境问题日益复杂化的大背景下，单纯的土壤学、水文学等学科的纵向发展已不能满足地球系统科学综合研究的需要，土壤学与其他学科交叉性和综合性研究已成为一种发展趋势^[2]，因此急需一门综合的交叉学科来解决相关问题，水文土壤学就在这种大背景下应运而生。水文土壤学自2003年提出以来，受到国内外学者的高度关注，国际上已举办了四次相关会议；但是水文土壤学在我国的发展相对滞后，直到2010年才首次举办了相关学术会议^[3]。为积极推动水文土壤学的国际交流及其在中国的发展，由北京师范大学、国家自然科学基金委员会主办，中国农业大学、中国土壤学会协办，于2013年6月29日—30日在北京召开了水文土壤学与自然资源 可持续利用国际学术研讨会(International Workshop on Hydropedology and Sustainable Use of Natural Resources) ，来自美国、加拿大、德国、英国、德国、挪威、日本和中国等共30余所科研机构和高校的150余位专家学者和研究人员齐聚一堂，交流水文土壤学研究的最新进展，讨论学科科研方法和未来发展方向。

为期两天的研讨会主要以口头报告和提问的形式展开，涵盖了水文土壤学的众多前沿领域和热点问题。包括国际土壤学会水文土壤学专业委员会主席 Henry Lin、英国兰卡斯特大学 Keith Beven 教授等在内的国内外知名专家学者进行了 31 场精彩的大会报告。本文主要就此次研讨会中水文土壤学的相关研究进展进行介绍和评述，以期为推动我国水文土壤学的发展服务。

水文土壤学的基础学科问题主要包括：土壤结构的定量化及其对土壤水分和溶质运移的影响、土壤-景观系统土壤过程与水文过程功能模式的识别与预测、尺度转换问题以及人类活动对土壤与水文过程的影响^[4]。本届会议重点讨论了水文土壤学研究中的三类内容：(1)水文土壤学基本理论与地球关键带；(2)景观-土壤-水文过程的空间异质性与多尺度耦合；(3)田间监测、制图与模型。

尽管水文土壤学是近些年才提出的概念，但有关土壤中水流的研究很早就开始了。会上Henry Lin主席介绍了在研究结构土壤中水流过程中先后出现的三条定律和用于研究真实土壤中水流的镶嵌学说(Mosaic Theory)：第一条定律是形成于19世纪的稳定线性通量定律(Steady-State-Linear-flux law)，也就是广为人知的达西定律，后来该定律被E. Buckingham修订后用于描述土壤中的不饱和流，该定律从宏观角度表明稳流和水力梯度、水力传导度之间的关系成线性比例；第二条定律是在20世纪由L.A. Richards提出的水力传导定律(Dynamic Interfacial Law)，描述了水流通过土壤-空气交界所需的最小压力梯度，该定律能够进一步解释与界面及微观特征(如滞后现象、疏水性等)相关的土壤水文现象；第三条定律是出现在21世纪的网络阈值定律(Network-based Threshold Law)，结合宏观和微观的视角描绘非均质土壤中复杂的水流环境。镶嵌学说描述了嵌入于土壤中的功能水流网络以及跨尺度的土壤景观与流动模式的镶嵌模式。随着时间和空间范围的扩大，土壤湿度、降水特征、土壤结构和生物活动等的镶嵌模式在程度上和可观测性上不断变化。长期以来人们在实际研究中采用达西-贝克汉姆-理查德方程，该方程依赖于潜力和梯度的局部平衡，但这一点在在实践中很大程度上被忽略了。理查德的实验确保了局部平衡，但由于真实土壤中优先流和分流无处不在，该实验在土壤学中是不现实的。对此Keith Beven教授曾于2006年指出，许多模型预测结果与真实结果存在差异的根本原因，就在于几乎所有的水文、水质和沉积物运移模型都是运用在均一条件的小尺度上得到的理论，来代表更大尺度的坡面、流域的综合流量。针对以往研究出现的尺度问题，学者们进行了深入的研究。例如郑春苗教授主持开展的“黑河研究项目”就旨在大尺度上将生态、水文和社会经济朝着更加可持续的方向进行整合。

2001年美国国家委员会提出了地球关键带的研究课题，指地表及其附属物如河流、湖泊及浅海区域，向上直到植被冠层，向下从植物根区开始，穿过渗流区以及地下水区域^[5]。从上述概念可以看出，地球关键带与人类生活息息相关，其重要要素就是土壤和水，目前水文土壤学的研究对象即为地球关键带的所在区域。会上学者们提出，植被覆盖和人类活动对水文和土壤都有着深刻影响。人为改变土壤水分将影响土壤过程和发展，例如人工湿地栽培、水稻种植区用水管理等已经引起了土壤环境的根本改变，导致在最初的几十年中磁化率下降、碳酸盐不断浸出等，而碳酸盐控制着许多其他进程，铁氧化物伴随其淋失开始变化，粘土开始移动。这些变化都将对土壤可持续利用产生重要影响。植被类型对土壤水同样有巨大影响，例如灌丛与草丛相比体积密度低、孔隙度高，在自然界大量的高强度降雨条件下，灌丛下土壤比草丛下土壤有更多、更深的水分入渗。干旱追踪实验(Dye Tracing Exp.)显示，灌木比草类有更好的持水能力，可以使灌丛斑块中的水分向更深层的土壤中运输和储存，灌丛对降雨的再分配和根系对土壤空隙的减少也使得优先流流向土壤深层。

近年来水文土壤学和地球关键带的研究取得了许多进展，但它毕竟是一门年轻的学科，存在诸多挑战和问题。首先，经典水文学来源于流体力学的应用发现，但是复杂的土壤-景观系统中的结构、界面、生物体和异质性使得地表和地下的土壤水运动并不符合连续场假设，并且固态的地球并不是一个连续的流体，在地表和地下都存在离散流水网的分层异构性问题。其次，目前仍然缺少足够的工具和技术对地下土壤结构和过程进行原位精密的、非破坏性的持续监测。此外，当前水文土壤学需要预测和阐明受气候变化和人类活动影响的生态学和水文学综合过程：流域中游地区向下游地区转移的水是否对下游的生态系统产生了有利影响，如果有，这种影响是可持续的吗；农业怎样合理配置水源以达到经济效益最大化；这些都是水文土壤学在未来发展中需要解决的问题。

通过1960年Hack和Goodlett所做的经典实验人们第一次意识到，流域地貌、森林生态水文和土壤发育过程是紧密耦合的。土壤-景观生态系统在时间和空间上有很大的复杂性和变异性，因此对其结构与功能在不同尺度上的表现形式进行预测和尺度转换成为土壤学和水文学目前面临的难题^{[1, 6]}。目前的研究主要是通过等级理论、 分形理论和地统计相结合的方法来解决尺度转换问题，缺乏用于土壤信息上推和下推的单纯理论^[7]。水流通过集水区的平均时间在数量级上远远超过水文响应的时间尺度，由此引出水文土壤学面临的另一些挑战，即解释集水区是如何储蓄和释放水的；怎样在测量、理解和预报地质、气候、土壤和植被变化时控制径流的时间分布等。

会上来自不同地区的学者还汇报并讨论了海岸地区、喀斯特地貌区等地土壤水的空间异质性和对降雨等影响因子的响应机制。在小区尺度上，沿海沼泽中的电导率是相对同质的，但在不同植被覆盖间有显著差异；而在农地小区中，土壤中的电导率在水平和垂直方向上都有很大变化。喀斯特地貌区由于土层薄、碳酸盐岩中裂缝和断层发育良好，使得该区林地土壤导水率远高于非喀斯特地区林地，土地利用变化和人类活动对喀斯特地貌区土壤性质、土壤导水率等都有很大影响。当土地利用类型由林地转为砍伐迹地或牧场时，土壤表层和石土面小生境的土壤导水率与岩沟小生境相比显著下降。这些结果为进一步研究喀斯特地貌坡面上生态系统演变对水流动力过程的响应提供了有用信息。现有的研究成果已经被运用于生产生活中，例如稻田土壤在大米生长季节内总是伴随着干湿交替的循环，这种循环造成了土壤结构的极大差异，进而影响土壤水分和养分的储存和迁移。研究表明稻田灌溉过程中，干湿交替的淹水与持续淹水相比提高了水分下渗率，减少横向流，节水效果明显。

以上研究结果为水管理的实际应用提供了科学依据，同时也提出了目前在实践中存在的问题：水管理、土壤裂缝和土壤入渗之间的关系究竟是什么；水管理如何影响水资源利用效率；如何将海岸小尺度研究得出的结论上推到更大尺度上等。如何解决上述问题同样是水文土壤学未来研究的重点。

此次会议展现出水文土壤学在监测、制图和模型方面的新发展，一是综合借鉴多学科相关理论；二是传感器等新技术的应用。其中监测的重点集中在小尺度的土壤热平衡、土壤蒸发量、土壤含水量和土水势等指标上，涉及水文学、土壤学、水力学及生态学等诸多学科。为满足交叉学科发展的需要，国家自然科学基金委员会于2010年启动了黑河流域生态水文过程综合研究计划，其重要目的之一就是搭建一个集监测、数据管理和建模于一体的科研平台，用于我国21世纪流域科学的研究。

通过多学科综合研究将遥感数据与水文地球物理学相结合，可为鉴别、绘制和描述地下结构特征提供支持。同时，水文地球物理学方法，例如ERT和GPR等，对于研究根系吸水过程这一集水区尺度研究中的关键过程极具应用价值。基于小尺度的土壤热平衡测量还可实现对动态土壤水分蒸发进行时间和深度上的定量监测。

会上学者们展示了许多新设备在监测、制图和建模中的应用。例如用于测量土壤蒸发量、土壤含水量和土壤热性质的多针头加热脉冲探针，与原有的探针相比极大改进了土壤蒸发量的测量，并且可以动态测定深度大于9毫米处的土壤湿度，为进一步研究土壤中水、热和溶质的耦合机理提供了可能。有学者综合应用HYPROP与KSAT测定土壤水力学特性，并用于研究土壤水的动态过程和滞后现象，可以方便的确定土壤保水曲线和饱和、非饱和导水率方程。LICA公司展示的LGR激光同位素分析仪利用激光光谱学原理，不仅可以进行一般监测，还可以用于最新研究中。比起之前的人工方法，使用仪器设备可以更方便的进行间接测量，还可以处理被扰动的样品并分析土壤差异性。这些同时也表明了多学科知识交叉运用已经成为水文土壤学新的发展趋势。

随着技术的进步，各种新设备层出不穷，但仍然存在许多未解的难题。例如水势对土壤中水的运动是非常重要的，但在目前土水势测量中，怎样对水势传感器进行维护、校准并保证其稳定性和精度，扩大传感器适用范围并且使其更方便使用仍有待解决；又如，土壤水过程尺度上推是包气带研究和土壤科学最重要的组成部分之一，但目前并没有切实可用的足够数据信息对现有的尺度上推方法进行广泛验证^[8]。

本次会议紧紧围绕水文土壤学基本理论与地球关键带科学，景观-土壤-水文过程空间异质性和多尺度耦合，田间监测、绘图和模型三个主题展开；重点讨论了地球关键带研究的发展、新思想新仪器的使用以及现有研究中出现的问题，展望了水文土壤学的发展方向，对于我国水文土壤学的发展具有积极的借鉴意义。当今，水文土壤学发展依旧面临四个方面的挑战：(1)概念方面：如何利用水文土壤学的概念解释小尺度物理学和大尺度的不均一性或模式；(2)尺度转换方面：如何实现从孔隙到单个土体，再到坡面、集水区，最后到区域的尺度上推；(3)技术方面：缺少相应技术在原位进行高分辨率的持续或实时的非破坏性监测；(4)教育方面：亟需培养具备多学科综合专业背景的新一代科学家和从业人员。本届会议对我国未来水文土壤学发展主要有以下启示：

(1)重视跨学科综合性人才的培养。水文土壤学不仅涉及土壤学和水文学，其水的运动机理和土壤属性等还涉及到生态水文学、土壤物理学、地球化学、地球物理学、生物学和生态学相关理论。对于水文土壤学发展面临的问题，单纯的土壤学或是水文学已经无法解决，需要学者们综合各个学科的理论知识以寻找新的解决问题的思路，且随着未来水文土壤学研究的不断深入，必然会涉及更多、更广的学科和知识，因此亟需同时具备水文学、土壤学、地学以及生态学专业相关背景的综合性知识人才^[3]。

(2)推进水文土壤学理论的进一步发展和完善。Henry Lin提出了3M模式(Mapping-Monitoring-Modeling)，即在全球建立水文土壤学长期定位监测网络体系，获取可靠连续的土壤-水文时间序列数据，以此为建立不同尺度模型提供大量的数据资源^[9]。今后需要在这一模式的基础上，增加对管理的重视程度，使基础理论研究与测量、制图、建模和管理紧密结合，实现对区域尺度土壤水文功能的相关研究。同时针对尺度上推中存在的问题，积极寻求现实可行的方法对小尺度研究结果进行扩展或修订，使根据尺度上推得到的大尺度数据更接近真实值。此外，需要思考针对真实土壤中复杂的状况，如何权衡实验可行性与模拟相似性之间的关系，以求在现有理论、技术及经济水平下获得更为准确的实验结果。

(3)加强国际交流，尽快缩短与国外的研究差距。我国水文土壤学研究起步较晚，近年来虽取得了一定发展，但与国际前沿仍有一定距离，此次会议的召开使更多的人了解、关注水文土壤学，积极推动了水文土壤学在我国的发展。水文土壤学与人类生活息息相关，今后尚需举办更多的相关学术活动，交流学习国际先进理论的同时，使更多相关专业的学者意识到水文土壤学的重要性，共同为水文土壤学的发展提供新思路，促进我国水文土壤学研究尽快赶上国际步伐。