什么是地球關(guān)鍵帶

楊順華 張甘霖

2021年5月15日，在經(jīng)歷了296天的太空之旅后，中國(guó)人自己研制的“天問(wèn)”一號(hào)火星探測(cè)器所攜帶的“祝融號(hào)”火星車及其著陸組合體，成功抵達(dá)中國(guó)人問(wèn)天之路的關(guān)鍵一站——火星?！白Ｈ谔?hào)”的一個(gè)主要任務(wù)，就是回答“火星是否存在過(guò)生命或能支持生命的環(huán)境”這一科學(xué)問(wèn)題。為此，它將利用其所攜帶的相關(guān)儀器對(duì)火星表面及淺表層環(huán)境開展探測(cè)。與荒涼沉寂的火星表面不同，我們棲息的地球表面熱鬧非凡：這里溪水潺潺、草木枯榮、人頭攢動(dòng)。然而，人類世居于此，人類同樣也障目于此。對(duì)于腳下這片生機(jī)勃勃的大地，我們常常一葉障目、不見泰山。

我們生活的近地表層是五大圈層（大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈和巖石圈）交匯融通的區(qū)域：物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、生物信息傳遞等過(guò)程在這里相互耦合嵌套。無(wú)論是長(zhǎng)到以十萬(wàn)年、百萬(wàn)年甚至億年為單位計(jì)算的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，還是短到瞬息萬(wàn)變的化學(xué)反應(yīng)，都曾改變或者正在改變這里的一切。正是有了這些似乎永不停歇的反應(yīng)過(guò)程，滄海變成桑田、土壤孕育萬(wàn)物的故事才能一次次上演，人類綿延不息的生存繁衍才能成為可能。

近地表圈層是地球環(huán)境與人類社會(huì)相互作用最直接也最深刻的地球表層區(qū)域，既是人類生存和發(fā)展的立足之本，也是水、食物、能源等資源的供應(yīng)之源，對(duì)于維持人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有極端重要性。為了深入理解這一復(fù)雜而又開放的系統(tǒng)，地球科學(xué)家提出了“地球關(guān)鍵帶（Earths Critical Zone）”的概念。那么，到底什么是地球關(guān)鍵帶？為什么要研究地球關(guān)鍵帶？地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究已經(jīng)取得了哪些進(jìn)展？未來(lái)還有哪些問(wèn)題值得研究？

地球關(guān)鍵帶：定義與功能

地球關(guān)鍵帶是指從地下水底部或者土壤—巖石交界面一直向上延伸至植被冠層頂部的連續(xù)體域[1]，包括巖石圈、水圈、土壤圈、生物圈和大氣圈這五大圈層交匯的異質(zhì)性區(qū)域。在水平方向上，可以被森林、農(nóng)地、荒漠、河流、湖泊、海岸帶與淺海環(huán)境所覆蓋，但由于地域分異規(guī)律（指地理環(huán)境及其要素在空間上的相對(duì)同質(zhì)性或異質(zhì)性變化特征）的存在，它的組成表現(xiàn)出很強(qiáng)的地表差異性。例如我國(guó)的喀斯特關(guān)鍵帶多峰叢洼地、土層十分淺薄；南方紅壤關(guān)鍵帶丘陵起伏，土壤十分發(fā)育且多呈酸性反應(yīng)；黃土高原關(guān)鍵帶千溝萬(wàn)壑、厚度可達(dá)數(shù)百米。然而，無(wú)論是哪一種關(guān)鍵帶，土壤始終是連接其他要素的核心單元；物質(zhì)在水的驅(qū)動(dòng)下參與生物地球化學(xué)循環(huán)，進(jìn)而行使生態(tài)功能、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

從功能上來(lái)講，因?yàn)殛P(guān)鍵帶對(duì)于維持地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和人類生存發(fā)展至關(guān)重要，所以被稱作地球關(guān)鍵帶。具體而言，關(guān)鍵帶的功能可以分為供給、支持、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)4個(gè)方面。供給服務(wù)是指受益者從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取有益的產(chǎn)品，例如淡水、食物、纖維和燃料；支持服務(wù)是其他服務(wù)發(fā)揮作用的必要前提，包括植物的生長(zhǎng)、土壤的形成與演化、元素的生物地球化學(xué)循環(huán)等過(guò)程；調(diào)節(jié)服務(wù)是指對(duì)從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取的各種產(chǎn)品的調(diào)控，比如對(duì)淡水?dāng)?shù)量和質(zhì)量、大氣組成和氣候變化的調(diào)控與響應(yīng)；文化服務(wù)則是指人類從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取的感官體驗(yàn)，例如休閑娛樂(lè)、文化教育、旅游打卡等[2]。

試想，如果沒有關(guān)鍵帶的存在，地球?qū)⑴c荒涼的地外星體無(wú)異，該是多么的了無(wú)生趣？！

地球關(guān)鍵帶科學(xué)：地球表層系統(tǒng)科學(xué)研究的新契機(jī)

地球表層系統(tǒng)中的水、土壤、大氣、生物、巖石等在地球內(nèi)外部能量驅(qū)動(dòng)下的相互作用和演變不但是維系自然資源供給的基礎(chǔ)，也發(fā)揮著不可替代的生態(tài)功能。然而，隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，資源耗竭、環(huán)境惡化和生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題日益成為制約社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。例如，東北地區(qū)的黑土地是我國(guó)最為肥沃的土壤，有著“北大倉(cāng)”的美譽(yù)，對(duì)于維系我國(guó)糧食安全具有重要的作用，但是由于長(zhǎng)期不合理的利用，導(dǎo)致土壤不斷退化，黑土“變瘦”“變薄”“變硬”“變污”等現(xiàn)象尤為突出，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厣踔寥珖?guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。又如我國(guó)南方廣袤的紅壤地區(qū)，占國(guó)土面積的23%，水熱資源豐富，供養(yǎng)著我國(guó) 40%的人口，但是由于管理利用不善，導(dǎo)致水土等自然資源退化和配置不協(xié)調(diào)等問(wèn)題凸顯[3]。而對(duì)于西北干旱地區(qū)來(lái)說(shuō)，水資源的短缺與時(shí)空分布不均限制經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是更需要化解的突出矛盾。

理解地球表層系統(tǒng)中各個(gè)要素的現(xiàn)狀、演變過(guò)程和相互作用是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵帶過(guò)程調(diào)控和資源可持續(xù)利用的必要前提。傳統(tǒng)上針對(duì)地表系統(tǒng)的研究，有專門研究各個(gè)單一要素的學(xué)科，例如水文學(xué)、土壤學(xué)、大氣科學(xué)、生命科學(xué)、巖石礦物學(xué)等。這些學(xué)科各自相對(duì)獨(dú)立地研究地表各要素，為充分理解它們的性質(zhì)、現(xiàn)狀和功能等奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。然而，這種以要素為核心的研究范式在一定程度上限制了對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的組成與功能以及各個(gè)要素之間相互作用的全面理解。2001年，美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)在《地球科學(xué)基礎(chǔ)研究機(jī)遇》中正式提出“地球關(guān)鍵帶”的理念與方法論，為研究上述問(wèn)題開辟了新的路徑，為地球表層系統(tǒng)科學(xué)研究提供了一個(gè)可以操作的實(shí)體框架，前述地球科學(xué)各分支學(xué)科之間從此多了一座便于溝通的橋梁，因此極大地促進(jìn)了地表圈層多學(xué)科綜合研究。地球關(guān)鍵帶科學(xué)被認(rèn)為是21世紀(jì)地球科學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，也是新時(shí)期我國(guó)環(huán)境地球?qū)W科的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。2020年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布題為《時(shí)域地球：美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)地球科學(xué)十年愿景》的報(bào)告，建議繼續(xù)將“地球關(guān)鍵帶如何影響氣候？”這一問(wèn)題作為優(yōu)先資助方向之一。

將地球關(guān)鍵帶作為一個(gè)整體來(lái)系統(tǒng)研究能夠突破傳統(tǒng)研究的局限。以土壤氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)為例，長(zhǎng)期以來(lái)，土壤學(xué)家和農(nóng)學(xué)家往往僅關(guān)注氮素在作物根區(qū)（地下0～1米）的循環(huán)過(guò)程，對(duì)于根區(qū)以下范圍的研究甚少。然而，長(zhǎng)期過(guò)量施肥和不合理的管理措施導(dǎo)致不少區(qū)域的土壤存在氮素盈余的問(wèn)題。在進(jìn)行氮素收支平衡研究時(shí)，由于對(duì)盈余氮素的去向和歸宿認(rèn)識(shí)不足，籠統(tǒng)地將其稱之為“消失的”氮素。實(shí)際上，這些氮素并沒有真正消失，在淋溶作用下，大部分的盈余氮素隨水流出土壤根區(qū)，積累在包氣帶深部，甚至有可能進(jìn)入地下水，威脅人類的飲用水安全[4]。因此，為了全面理解氮素的循環(huán)過(guò)程，需要從地球表層全要素的角度對(duì)其加以研究[5]。這樣才有可能更加全面地理解氮素在整個(gè)地球關(guān)鍵帶范圍內(nèi)的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。

地球關(guān)鍵帶科學(xué)：科學(xué)問(wèn)題與研究平臺(tái)

地球關(guān)鍵帶科學(xué)是多學(xué)科研究的系統(tǒng)集成，能夠解決單一學(xué)科所不能解決的科學(xué)問(wèn)題。關(guān)鍵帶研究的總體目標(biāo)是觀測(cè)地球表層系統(tǒng)中耦合的各種生物地球化學(xué)過(guò)程，試圖理解這個(gè)生命支撐系統(tǒng)的形成與演化、對(duì)氣候變化和人類干擾的響應(yīng)，并最終預(yù)測(cè)其未來(lái)變化。班沃特（S. Banwart）等人總結(jié)了關(guān)鍵帶科學(xué)研究的六大問(wèn)題，將其分為短期和長(zhǎng)期兩個(gè)方面[6]。

短期科學(xué)問(wèn)題

（1）什么控制了關(guān)鍵帶的抗性、響應(yīng)和恢復(fù)力及其耦合功能（包括地球物理、地球化學(xué)和生態(tài)功能），以及應(yīng)對(duì)氣候變化和人類干擾的能力？如何通過(guò)觀測(cè)來(lái)量化上述過(guò)程與功能，并用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)這些過(guò)程的相互作用和未來(lái)變化？

（2）如何集成傳感器技術(shù)、電子網(wǎng)絡(luò)化信息基礎(chǔ)設(shè)施和模型等來(lái)模擬和預(yù)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本變量？

（3）如何集成自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、工程學(xué)和技術(shù)應(yīng)用等方面的理論、數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，以模擬、評(píng)估和管理對(duì)人類社會(huì)有益的關(guān)鍵帶產(chǎn)品和服務(wù)？

長(zhǎng)期科學(xué)問(wèn)題

（1）地質(zhì)演化和古生物如何構(gòu)建并維持關(guān)鍵帶中生態(tài)系統(tǒng)的功能和可持續(xù)性發(fā)展的基礎(chǔ)？

（2）分子尺度的關(guān)鍵帶過(guò)程是如何主宰關(guān)鍵帶在垂直空間上各個(gè)要素（包括地上植物、土壤、含水層和風(fēng)化層）間的物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的？又是如何影響流域和含水層演化的？

（3）如何集成從分子到全球尺度的理論和數(shù)據(jù)，來(lái)理解地表的演化過(guò)程并預(yù)測(cè)未來(lái)變化及其行星效應(yīng)？

地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站是開展關(guān)鍵帶科學(xué)研究的重要平臺(tái)。通過(guò)在流域尺度建立野外實(shí)驗(yàn)室，監(jiān)測(cè)流域中的水文、氣象、植被、巖石風(fēng)化物和土壤等要素來(lái)獲取觀測(cè)資料，可以研究地球表層系統(tǒng)中相互耦合的各種生物地球化學(xué)過(guò)程[7]，并最終模擬和預(yù)測(cè)其未來(lái)動(dòng)態(tài)[8]。近年來(lái)，國(guó)際關(guān)鍵帶觀測(cè)站的建設(shè)與研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。自第一個(gè)真正意義上的地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站于2007年在美國(guó)正式建立以來(lái)，德國(guó)、法國(guó)等國(guó)紛紛開始建立自己的關(guān)鍵帶觀測(cè)站（網(wǎng)絡(luò)），總體數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)65個(gè)以上。

2014 年，在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)重大國(guó)際合作研究計(jì)劃項(xiàng)目“地球關(guān)鍵帶中水和土壤的生態(tài)服務(wù)功能維持機(jī)理研究”的資助下，中國(guó)以國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，正式設(shè)立了5 個(gè)地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站，涉及黃土高原、西南喀斯特地區(qū)、寧波城郊區(qū)和南方紅壤區(qū)4種不同環(huán)境。近年來(lái)，一些其他區(qū)域的地球關(guān)鍵帶觀測(cè)站也逐漸建立起來(lái)，如青海湖、江漢平原、黑土、環(huán)渤海濱海、華北平原、燕山山地等。未來(lái)還需要繼續(xù)在荒漠—綠洲區(qū)、溫帶草原、熱帶島嶼和青藏高原等典型地區(qū)建立關(guān)鍵帶觀測(cè)站，形成更加完整的、具有中國(guó)特色的地球關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為進(jìn)一步研究關(guān)鍵帶科學(xué)問(wèn)題和培養(yǎng)相關(guān)人才提供重要平臺(tái)。

地球關(guān)鍵帶科學(xué)：研究進(jìn)展與展望

當(dāng)前，隨著氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)影響的加劇，地球關(guān)鍵帶的自然演變過(guò)程受到進(jìn)一步干預(yù)，產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，地球科學(xué)家們對(duì)關(guān)鍵帶的研究也在進(jìn)一步加強(qiáng)。

地球關(guān)鍵帶科學(xué)一般遵循“結(jié)構(gòu)—過(guò)程—功能—服務(wù)”的研究范式，因此當(dāng)前的研究主要圍繞上述4個(gè)方面展開。在結(jié)構(gòu)方面，主要開展關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)變異和多學(xué)科表征方法的研究。例如，筆者所在團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合經(jīng)典剖面調(diào)查、動(dòng)力鉆井和探地雷達(dá)等地球物理觀測(cè)技術(shù)，揭示了典型紅壤關(guān)鍵帶的地下結(jié)構(gòu)由均質(zhì)紅土層、網(wǎng)紋紅土層和半風(fēng)化砂巖層組成[4]。結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)關(guān)鍵帶的基礎(chǔ)，能夠深刻影響物質(zhì)的運(yùn)移過(guò)程，但由于地表環(huán)境的復(fù)雜性，不同地方的關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)存在很大的差別，這對(duì)關(guān)鍵帶分類研究也帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，如何結(jié)合傳統(tǒng)的鉆井調(diào)查和新興的探測(cè)技術(shù)更加精細(xì)和準(zhǔn)確地表征關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)是目前關(guān)鍵帶研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。在過(guò)程方面，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵帶的形成與演化及其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)與反饋、重要物質(zhì)（如碳、氮、磷、硫）在關(guān)鍵帶中的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程等。這方面的研究主要通過(guò)對(duì)溶質(zhì)、水、氣體、土壤和沉積物等關(guān)鍵帶物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和模擬[9]。在理解了關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的基礎(chǔ)上，通過(guò)開發(fā)新的預(yù)測(cè)模型來(lái)定量表征關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)關(guān)鍵帶過(guò)程的未來(lái)變化，可以為評(píng)估關(guān)鍵帶的功能服務(wù)。在功能方面，主要關(guān)注關(guān)鍵帶功能的提升與權(quán)衡。例如，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的背景下，如何評(píng)估關(guān)鍵帶固定大氣二氧化碳的潛力并對(duì)其加以調(diào)控值得進(jìn)一步研究。最后，關(guān)鍵帶服務(wù)提供了一套測(cè)度關(guān)鍵帶過(guò)程供給產(chǎn)品和惠益的指標(biāo)，正在發(fā)展成為評(píng)價(jià)關(guān)鍵帶過(guò)程的環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]。雖然地球關(guān)鍵帶研究多以流域?yàn)榛締卧?，但在水平維度上并沒有給出明確的邊界。為了解決這一問(wèn)題，筆者所在團(tuán)隊(duì)綜合考慮氣候、成土母質(zhì)、土壤類型、地下水深度、地貌類型與土地利用等要素，構(gòu)建了地球關(guān)鍵帶的三級(jí)分類方案，將中國(guó)劃分為44個(gè)一級(jí)單元、100個(gè)二級(jí)單元和1448個(gè)三級(jí)單元。這一方案的提出，為未來(lái)關(guān)鍵帶研究由小流域或者站點(diǎn)研究向更大尺度拓展奠定了基礎(chǔ)[11]。

我國(guó)人口眾多，自然資源稟賦有限且區(qū)域分布極不均衡，如何實(shí)現(xiàn)自然資源的協(xié)調(diào)配置和可持續(xù)利用是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。地球關(guān)鍵帶科學(xué)為解決這一問(wèn)題開辟了新的路徑，但是不同類型關(guān)鍵帶的形成、演化、結(jié)構(gòu)、耦合過(guò)程與功能等方面的研究，特別是在人類活動(dòng)和氣候變化影響下的變化特征，仍需要進(jìn)一步探索。遙望恒河沙數(shù)的星空，“祝融”號(hào)此刻正在火星這顆紅色星球的表面踱步，替我們打量著這個(gè)可能的未來(lái)家園。隨著科技的進(jìn)步，人類在不遠(yuǎn)的將來(lái)登陸火星似乎已經(jīng)不再是一個(gè)難以企及的夢(mèng)想。類似地，為了支持人類在火星等地外星球表面的生存和發(fā)展，“行星關(guān)鍵帶”的形成與演化可能也會(huì)成為重要的研究方向。

[本文受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42107334，415 71130051）和中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2021TQ0337）的資助。]

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關(guān)鍵詞：地球關(guān)鍵帶 結(jié)構(gòu) 過(guò)程 功能 服務(wù) ■