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，中國人自己研制的“天問”一號火星探測器所攜帶的“祝融號”火星車及其著陸組合體，成功抵達中國人問天之路的關(guān)鍵一站——火星?！白Ｈ谔枴钡囊粋€主要任務(wù)，就是回答“火星是否存在過生命或能支持生命的環(huán)境”這一科學問題。為此，它將利用其所攜帶的相關(guān)儀器對火星表面及淺表層環(huán)境開展探測。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。然而，人類世居于此，人類同樣也障目于此。對于腳下這片生機勃勃的大地，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、生物信息傳遞等過程在這里相互耦合嵌套。無論是長到以十萬年、百萬年甚至億年為單位計算的地質(zhì)運動，還是短到瞬息萬變的化學反應(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)過程，滄海變成桑田、土壤孕育萬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，對于維持人類社會的可持續(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)鍵帶科學研究已經(jīng)取得了哪些進展？未來還有哪些問題值得研究？

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)出很強的地表差異性。例如我國的喀斯特關(guān)鍵帶多峰叢洼地、土層十分淺??；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)鍵帶千溝萬壑、厚度可達數(shù)百米。然而，無論是哪一種關(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)動下參與生物地球化學循環(huán)，進而行使生態(tài)功能、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

從功能上來講，因為關(guān)鍵帶對于維持地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的運轉(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、土壤的形成與演化、元素的生物地球化學循環(huán)等過程；調(diào)節(jié)服務(wù)是指對從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取的各種產(chǎn)品的調(diào)控，比如對淡水數(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，例如休閑娛樂、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荒涼的地外星體無異，該是多么的了無生趣？！

地球關(guān)鍵帶科學：地球表層系統(tǒng)科學研究的新契機

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)退化等問題日益成為制約社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。例如，東北地區(qū)的黑土地是我國最為肥沃的土壤，有著“北大倉”的美譽，對于維系我國糧食安全具有重要的作用，但是由于長期不合理的利用，導致土壤不斷退化，黑土“變瘦”“變薄”“變硬”“變污”等現(xiàn)象尤為突出，嚴重威脅當?shù)厣踔寥珖r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。又如我國南方廣袤的紅壤地區(qū)，占國土面積的23%，水熱資源豐富，供養(yǎng)著我國 40%的人口，但是由于管理利用不善，導致水土等自然資源退化和配置不協(xié)調(diào)等問題凸顯[3]。而對于西北干旱地區(qū)來說，水資源的短缺與時空分布不均限制經(jīng)濟社會發(fā)展是更需要化解的突出矛盾。

理解地球表層系統(tǒng)中各個要素的現(xiàn)狀、演變過程和相互作用是實現(xiàn)關(guān)鍵帶過程調(diào)控和資源可持續(xù)利用的必要前提。傳統(tǒng)上針對地表系統(tǒng)的研究，有專門研究各個單一要素的學科，例如水文學、土壤學、大氣科學、生命科學、巖石礦物學等。這些學科各自相對獨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于整個系統(tǒng)的組成與功能以及各個要素之間相互作用的全面理解。2001年，美國國家研究理事會在《地球科學基礎(chǔ)研究機遇》中正式提出“地球關(guān)鍵帶”的理念與方法論，為研究上述問題開辟了新的路徑，為地球表層系統(tǒng)科學研究提供了一個可以操作的實體框架，前述地球科學各分支學科之間從此多了一座便于溝通的橋梁，因此極大地促進了地表圈層多學科綜合研究。地球關(guān)鍵帶科學被認為是21世紀地球科學研究的重點領(lǐng)域，也是新時期我國環(huán)境地球?qū)W科的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。2020年，美國國家科學院、工程院和醫(yī)學院發(fā)布題為《時域地球：美國國家科學基金會地球科學十年愿景》的報告，建議繼續(xù)將“地球關(guān)鍵帶如何影響氣候？”這一問題作為優(yōu)先資助方向之一。

將地球關(guān)鍵帶作為一個整體來系統(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循環(huán)為例，長期以來，土壤學家和農(nóng)學家往往僅關(guān)注氮素在作物根區(qū)（地下0～1米）的循環(huán)過程，對于根區(qū)以下范圍的研究甚少。然而，長期過量施肥和不合理的管理措施導致不少區(qū)域的土壤存在氮素盈余的問題。在進行氮素收支平衡研究時，由于對盈余氮素的去向和歸宿認識不足，籠統(tǒng)地將其稱之為“消失的”氮素。實際上，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)過程，需要從地球表層全要素的角度對其加以研究[5]。這樣才有可能更加全面地理解氮素在整個地球關(guān)鍵帶范圍內(nèi)的生物地球化學循環(huán)過程。

地球關(guān)鍵帶科學：科學問題與研究平臺

地球關(guān)鍵帶科學是多學科研究的系統(tǒng)集成，能夠解決單一學科所不能解決的科學問題。關(guān)鍵帶研究的總體目標是觀測地球表層系統(tǒng)中耦合的各種生物地球化學過程，試圖理解這個生命支撐系統(tǒng)的形成與演化、對氣候變化和人類干擾的響應(yīng)，并最終預(yù)測其未來變化。班沃特（S. Banwart）等人總結(jié)了關(guān)鍵帶科學研究的六大問題，將其分為短期和長期兩個方面[6]。

短期科學問題

（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、地球化學和生態(tài)功能），以及應(yīng)對氣候變化和人類干擾的能力？如何通過觀測來量化上述過程與功能，并用數(shù)學模型預(yù)測這些過程的相互作用和未來變化？

（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)施和模型等來模擬和預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本變量？

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

長期科學問題

（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)鍵帶過程是如何主宰關(guān)鍵帶在垂直空間上各個要素（包括地上植物、土壤、含水層和風化層）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)，來理解地表的演化過程并預(yù)測未來變化及其行星效應(yīng)？

地球關(guān)鍵帶觀測站是開展關(guān)鍵帶科學研究的重要平臺。通過在流域尺度建立野外實驗室，監(jiān)測流域中的水文、氣象、植被、巖石風化物和土壤等要素來獲取觀測資料，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過程[7]，并最終模擬和預(yù)測其未來動態(tài)[8]。近年來，國際關(guān)鍵帶觀測站的建設(shè)與研究取得了長足的進步。自第一個真正意義上的地球關(guān)鍵帶觀測站于2007年在美國正式建立以來，德國、法國等國紛紛開始建立自己的關(guān)鍵帶觀測站（網(wǎng)絡(luò)），總體數(shù)量預(yù)計達65個以上。

2014 年，在國家自然科學基金委員會與英國自然環(huán)境研究理事會重大國際合作研究計劃項目“地球關(guān)鍵帶中水和土壤的生態(tài)服務(wù)功能維持機理研究”的資助下，中國以國家生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，正式設(shè)立了5 個地球關(guān)鍵帶觀測站，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，一些其他區(qū)域的地球關(guān)鍵帶觀測站也逐漸建立起來，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)鍵帶觀測站，形成更加完整的、具有中國特色的地球關(guān)鍵帶觀測網(wǎng)絡(luò)，為進一步研究關(guān)鍵帶科學問題和培養(yǎng)相關(guān)人才提供重要平臺。

地球關(guān)鍵帶科學：研究進展與展望

當前，隨著氣候變化和人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)影響的加劇，地球關(guān)鍵帶的自然演變過程受到進一步干預(yù)，產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，地球科學家們對關(guān)鍵帶的研究也在進一步加強。

地球關(guān)鍵帶科學一般遵循“結(jié)構(gòu)—過程—功能—服務(wù)”的研究范式，因此當前的研究主要圍繞上述4個方面展開。在結(jié)構(gòu)方面，主要開展關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)變異和多學科表征方法的研究。例如，筆者所在團隊通過結(jié)合經(jīng)典剖面調(diào)查、動力鉆井和探地雷達等地球物理觀測技術(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)紋紅土層和半風化砂巖層組成[4]。結(jié)構(gòu)是認識關(guān)鍵帶的基礎(chǔ)，能夠深刻影響物質(zhì)的運移過程，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，這對關(guān)鍵帶分類研究也帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，如何結(jié)合傳統(tǒng)的鉆井調(diào)查和新興的探測技術(shù)更加精細和準確地表征關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)是目前關(guān)鍵帶研究的熱點領(lǐng)域之一。在過程方面，重點關(guān)注關(guān)鍵帶的形成與演化及其對氣候變化和人類活動的響應(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循環(huán)過程等。這方面的研究主要通過對溶質(zhì)、水、氣體、土壤和沉積物等關(guān)鍵帶物質(zhì)進行監(jiān)測和模擬[9]。在理解了關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和物質(zhì)循環(huán)過程的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)新的預(yù)測模型來定量表征關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)并預(yù)測關(guān)鍵帶過程的未來變化，可以為評估關(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“碳達峰”和“碳中和”的背景下，如何評估關(guān)鍵帶固定大氣二氧化碳的潛力并對其加以調(diào)控值得進一步研究。最后，關(guān)鍵帶服務(wù)提供了一套測度關(guān)鍵帶過程供給產(chǎn)品和惠益的指標，正在發(fā)展成為評價關(guān)鍵帶過程的環(huán)境評價標準[10]。雖然地球關(guān)鍵帶研究多以流域為基本單元，但在水平維度上并沒有給出明確的邊界。為了解決這一問題，筆者所在團隊綜合考慮氣候、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)鍵帶的三級分類方案，將中國劃分為44個一級單元、100個二級單元和1448個三級單元。這一方案的提出，為未來關(guān)鍵帶研究由小流域或者站點研究向更大尺度拓展奠定了基礎(chǔ)[11]。

我國人口眾多，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)鍵問題。地球關(guān)鍵帶科學為解決這一問題開辟了新的路徑，但是不同類型關(guān)鍵帶的形成、演化、結(jié)構(gòu)、耦合過程與功能等方面的研究，特別是在人類活動和氣候變化影響下的變化特征，仍需要進一步探索。遙望恒河沙數(shù)的星空，“祝融”號此刻正在火星這顆紅色星球的表面踱步，替我們打量著這個可能的未來家園。隨著科技的進步，人類在不遠的將來登陸火星似乎已經(jīng)不再是一個難以企及的夢想。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成為重要的研究方向。

[本文受國家自然科學基金項目（42107334，415 71130051）和中國博士后科學基金項目（2021TQ0337）的資助。]

[1]National Research Council. Basic research opportunities in Earth Science. Washington DC： National Academy Press， 2001.

[2]Field J P， Breshears D D， Law D J， et al. Critical Zone services： Expanding context， constraints， and currency beyond ecosystem services. Vadose Zone Journal， 2015， 14： 1-7.

[3]張甘霖， 朱永官， 邵明安. 地球關(guān)鍵帶過程與水土資源可持續(xù)利用的機理. 中國科學： 地球科學， 2019， 49： 1674-1724.

[4]Wu H， Song X， Zhao X， et al. Accumulation of nitrate and dissolved organic nitrogen at depth in a red soil Critical Zone. Geoderma， 2019， 337： 1175-1185.

[5]Yang S， Wu H， Dong Y， et al. Deep nitrate accumulation in a highly weathered subtropical Critical Zone depends on the regolith structure and planting year. Environmental Science & Technology， 2020b， 54： 13739-13747.

[6]Banwart S， Chorover J， Sparks D， et al. Sustaining Earths Critical Zone. Report of the International Critical Zone Observatory Workshop， Delaware， USA， 2012.

[7]Giardino J R， Houser C. Principles and dynamics of the critical zone. Elsevier， 2015.

[8]Goddéris Y， Brantley S L. Earthcasting the future critical zone. Elementa Science of the Anthropocene， 2013， 1： 19.

[9]Li L， Maher K， Navarre-Sitchler A， et al. Expanding the role of reactive transport models in critical zone processes. Earth Science Reviews， 2017， 165： 280-301.

[10]Richardson M， Kumar P. Critical Zone services as environmental assessment criteria in intensively managed landscapes. Earths Future， 2017， 5： 617-632.

[11]張甘霖， 宋效東， 吳克寧. 地球關(guān)鍵帶分類方法與中國案例研究. 中國科學： 地球科學. DOI： 10.1360/SSTe-2020-0249.

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