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土壤是一个高度复杂的系统。 土壤矿物质和有机成分与土壤生物、植物根系、土壤水和土壤空气形成一个单元。 土壤中发生的物理、化学和生物过程受到环境条件的强烈改变，因此是动态的，即不断变化。 将土壤视为黑匣子可以推导有关土壤条件之间关系的统计模型，但不可能理解基本过程。 其中许多过程，例如土壤中污染物和养分的结合、土壤有机质(SOM) 的稳定、土壤与水的润湿性，或者由于土壤生物和植物根的活动而导致的化学变化 分泌物发生在分子尺度上。 过去几十年来，分析方法在土壤研究中取得了巨大进步。 如今，许多最新的物理、化学和生物研究方法都可以使用。 它们已适用于土壤研究，可以详细描述反应和过程。 例如，X 射线光电子能谱(XPS) 方法现在可用于在微观尺度上研究土壤表面（层厚约 10\nnm）中发现的元素。 原子力显微镜可以通过测量某些条件下的相互作用能来阐明吸附过程。 然而，即使今天的尖端分析方法也只能提供有关有机分子的可能构象及其在土壤中的稳定性的有限信息。 此外，高度专业化的分析仍然无法完全了解无机或有机物质与活性土壤表面的详细相互作用机制，尤其是它们的稳定性，因此尚未完全理解。 这就是分子建模 (MM)和模拟可以发挥作用的地方。由于计算机能力的巨大发展，MM 方法现在能够通过生成近似解来详细描述从非常小的原子尺度到范围的系统 到薛定谔方程（SE），到具有几千个原子的较大方程，其方法相对于系统的大小来说需要更少的计算机资源。 这里的巨大挑战是弥合空间和时间尺度的界限，并利用分子建模的结果来解释在土壤中微观和宏观观察到的现象。