關(guān)鍵帶研究進展與未來發(fā)展方向

1、關(guān)鍵帶研究進展與未來發(fā)展方向地球關(guān)鍵帶（Critical Zone)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤圈及其與大氣圈、生物 圈、水圈和巖石圈物質(zhì)遷移和能量交換的交匯區(qū)域，也是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能 和人類生存的關(guān)徤區(qū)域，被認為是21世紀基礎(chǔ)科學(xué)研究的重點區(qū)域。關(guān)鍵帶研 究將在地球系統(tǒng)科學(xué)研究中扮演十分重要的角色。關(guān)鍵帶控制著土壤的發(fā)育、水 的質(zhì)量和流動、化學(xué)循環(huán)，進而調(diào)節(jié)能源和礦物資源的形成與發(fā)展，而這一切對 地表上的生命而言，都非常重要，所以，人類在地球上的可持續(xù)發(fā)展，必須在各 種時間尺度和空間尺度上理解和認識發(fā)生在關(guān)鍵帶的一系列過程。1關(guān)鍵帶概念的提出與發(fā)展美國國家研究理事會（NRC) 2001年在出版地

2、球科學(xué)基礎(chǔ)研究的機遇 (Basic Research Opportunities in Earth Science) 一書中首次正式提出了關(guān)鍵帶 (critical zone)的概念，指出關(guān)鍵帶是指異質(zhì)的近地表環(huán)境，包括巖石、水、空 氣和生物的復(fù)雜的相互作用，調(diào)節(jié)著自然生境，決定著維持生命資源的供應(yīng)。美國國家科學(xué)基金會（NSF) 2005年發(fā)布關(guān)鍵帶探索的前沿（Frontiers 報告，指出關(guān)鍵帶包括地球的最外部表面，從植被冠層到地下水的這個區(qū)域，是地球物質(zhì)和生物世界的界面，調(diào)節(jié)著營養(yǎng)物質(zhì)到 陸地生命形式的轉(zhuǎn)移。Lin等2005年提出，地球關(guān)鍵帶界面包括陸地生態(tài)系統(tǒng) 中土壤圈及其與大氣圈、生物

3、圈、水圈和巖石圈進行物質(zhì)遷移和能景交換的交匯 區(qū)域，水和土壤是地球關(guān)鍵帶的關(guān)鍵組成部分,而且在不同時空尺度上相互作用。 美國特拉平大學(xué)的關(guān)鍵帶研究中心認為關(guān)鍵帶是以界面為特征的，例如，空氣一 水界面是氣體和礦物質(zhì)交換的地方，根系一土壤界面是微生物促進營養(yǎng)物質(zhì)交換 的地方。NSF在2009年解決氣候難題：研究全球的氣候變化影響（Solving the Puzzle: Researching the Impacts of Climate Change amund the World) M 告中指出， 關(guān)鍵帶足指森林冠層頂部到未風(fēng)化巖石基部之間的區(qū)域。地球關(guān)鍵帶維持了幾乎所有陸地生物的生存。人類生存

4、和社會發(fā)展的快速需 求促進了人們對這一地表和近地表環(huán)境中各種過程的研究和理解。地球關(guān)鍵帶是 一個固體地球和流體之間的動力界面，受復(fù)雜而廣泛的物理、化學(xué)和生物過程的 共同控制。由地球內(nèi)部能量驅(qū)動的各種地質(zhì)與構(gòu)造運動改變地表環(huán)境，由大氣和 水圈驅(qū)動的風(fēng)化作用控制土壤形成和侵蝕以及地表巖石的化學(xué)風(fēng)化，由重力驅(qū)動 的流體運動確定了地表地形地貌和地表物質(zhì)的重新分配，由對養(yǎng)分的需求驅(qū)動的 生物活動控制了土壤、巖石、大氣和水之間的化學(xué)循環(huán)。因此，對地球關(guān)鍵帶的 綜合研究被地質(zhì)學(xué)家、生物學(xué)家、土壤學(xué)家和水文學(xué)家們認為是最為核心的研究領(lǐng)域之一。研究的核心內(nèi)容有：在不同時間尺度上控制碳及其他物質(zhì)循環(huán)和通量 的各種

5、過程；生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)過程在人類和地質(zhì)時間尺度上的變化規(guī)律；生物地球化學(xué)過程控制土壤和水的長期持續(xù)性的機理;化學(xué)和物理風(fēng)化的變化影響地球 關(guān)鍵帶的形式和特征。2關(guān)鍵帶研究進展NRC 2001年把關(guān)鍵帶列為地球科學(xué)棊礎(chǔ)研究6大機遇之首,涉及風(fēng)化殼、 土壤、微生物、地表水和地下水環(huán)境，以及在關(guān)鍵帶發(fā)生的4個相互影響的 主要過程（生物活動、風(fēng)化作用、流體輸運和近地表構(gòu)造活動）.2002年，E.0 Wilson在生命的未來書中寫道，我們己經(jīng)進入了環(huán)境世紀的第2個10年，這是加快對地球關(guān)鍵帶認識進程的重要時刻。2005年，美國特拉華大學(xué)主持了一項由NSF資助的研討會“關(guān)鍵帶研究的前沿”，在此次研 討會上，

6、科學(xué)家呼吁發(fā)展地球關(guān)鍵帶研究計劃。NSF 2005年啟動項目群“關(guān)鍵 帶觀測計劃（Critical Zone Observatory Program,CZO)”,研究發(fā)生在巖石、土 壤、水、空氣以及生物之間的復(fù)雜的相互作用。2006年10月，美國特拉平大學(xué) 宣布成立個關(guān)鍵帶研究中心（Center for Critical Zone Research)，從而進行有關(guān)關(guān)鍵帶的環(huán)境，及維持地球生命的研究。2009年10月NSF的地球科學(xué)部發(fā)布了地球科學(xué)遠景：通過地球科學(xué)揭示地球的復(fù)雜性（GeoVision Report: Unraveling Earths Complexities through

7、the Geosciences) 報告，指出關(guān)鍵帶觀測站是用來記錄、模擬和預(yù)測地區(qū)氣候和土地 利用的變化對水及生物地球化學(xué)循環(huán)影響的地面觀測站，并新建3個觀測站點。 在每個觀測站，科學(xué)家們將調(diào)査地表過程的集成和耦合過程，以及淡水的存量與流量對這些過程的影響。在研究手段上，觀測站將使用野外實踐和理論分析相結(jié) 合的研究方法，并配合空間遙感技術(shù)和理論技能。到目前，美國已經(jīng)建立了 6 個關(guān)鍵帶觀測站(Critical Zone Observatory,CZO)和1個關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)(Critical Zone Exploration Network, CZEN)，推動關(guān)鍵帶的研究。關(guān)鍵帶觀測站的建立，

8、將使研究者從調(diào)査關(guān)鍵帶入手，將系統(tǒng)內(nèi)的各組分作為一個整體來開展研究，可 以使人們預(yù)測氣候和人類活動的變化對關(guān)鍵帶演化和功能的影響，特別是對可持續(xù)水資源的影響。關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)（CZEN)是一個社區(qū)，更是一個調(diào)査研究關(guān) 鍵帶過程的野外站點網(wǎng)絡(luò)。CZEN致力于探索形成和改變地球關(guān)鍵帶的物理、化學(xué)和生物過程。相關(guān)研究覆蓋非常廣的學(xué)科范圍，研究人員能夠以環(huán)境變量隔離， 對比不同梯度（時間、巖性、人為擾動、生物活動、地形等）環(huán)境作用的方式來 獲取和整合有關(guān)數(shù)據(jù)。日益意識到理解地表及芄形成過程的重要性，NSF 2010年向NRC屮請建立 地表過程委員會，以應(yīng)對面臨的挑戰(zhàn)和機遇。同時在邊緣景觀：地表研究的新視

9、野 (Landscapes on the Edge: New Horizons for Research on Earths Surface) 報告 中，NRC已確定了面臨的9大挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對9大挑戰(zhàn)的4項優(yōu)先研究活動，以增加我們對地表過程的理解。地表過程面臨的巨大挑戰(zhàn)：從地球的歷史預(yù)測未來的變化？地表格局如何出現(xiàn)及其過程如何？景觀如何影響和記錄氣候與構(gòu)造？生物地球化學(xué)反應(yīng)如何響應(yīng)地表景觀？地表演變規(guī)律是什么？如 何實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)和景觀的協(xié)同進化？如何恢復(fù)景觀變化？人類歷史長河中 地表是如何進化的？地表科學(xué)對可持續(xù)地表過程的貢獻如何？地表過程4個高 優(yōu)先研究計劃：景觀和氣候的交互作用；跨時間尺度

10、的動態(tài)景觀重建定量研 究；景觀與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同進化；人炎進程中的未來景觀。2011年2月11日，科學(xué)（Science)雜志出版了一期特別專輯一數(shù)據(jù)處理（Dealing with Data)。此后，美國地質(zhì)調(diào)査局（USGS)立即成立了核心科學(xué)系統(tǒng)（Core Science Systems, CSS)科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃小組。2012年3月，CSS 的第一份情況通報（fact sheet)首次公布。CSS持續(xù)關(guān)注關(guān)鍵帶的復(fù)雜過程和相互作用，并對相關(guān)數(shù)據(jù)等進行收集、管理、集成、分析，并向USGS所有研究 單元及時提供有用的可靠信息。3關(guān)鍵帶未來發(fā)展方向地球上的生命依賴“關(guān)鍵帶服務(wù)”（Critical-Zon

11、e services)的連續(xù)供應(yīng)，這些服務(wù)從支持人類活動和生態(tài)系統(tǒng)的水供應(yīng)到為不斷增長的人口提供食品和纖維生產(chǎn)。關(guān)鍵帶服務(wù)的概念是從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)擴展而來的。關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)和功能不斷演化，從而對地球歷史中的氣候和構(gòu)造擾動做出響應(yīng)，尤其要應(yīng)對近期由人類活動加速驅(qū)動的變化。當(dāng)前的挑戰(zhàn)是需要發(fā)展一個健全的關(guān)于關(guān)鍵帶屬性、過程和輸出如何應(yīng)對預(yù)期氣候和土地利用變化的預(yù)測能力。這種預(yù)測能力必須建立在關(guān)于關(guān)鍵帶進程足夠廣泛的知識之上，來描述區(qū)分不同地區(qū)多變的氣候和地質(zhì)因素如何發(fā)生相互作用，這需要測量、理論和模擬的進步。未來10年，關(guān)鍵帶觀測站項目將產(chǎn)生一個重要的認識和4維數(shù)據(jù)集，這將激勵、鼓舞和考驗隨之產(chǎn) 生的

12、預(yù)測性模型。關(guān)鍵帶觀測站有潛力來促進地球表面的變革科學(xué)。3.1開發(fā)一個統(tǒng)一的關(guān)鍵帶演化理論框架地質(zhì)時期的景觀變化，是驅(qū)動地売的構(gòu)造過程與氣候驅(qū)動的地貌和地球化學(xué)過程之間的相互作用的結(jié)果。從短期來看，坡地與水-巖石相互作用有關(guān)的河流 系統(tǒng)的物質(zhì)流動是關(guān)鍵帶演化的重要步驟，其中水-巖石相互作用有助于向水文 通量中釋放溶質(zhì)。雖然這些過程與水文循環(huán)有關(guān)，但足它們進一步受到土壤和植被共同進化的調(diào)節(jié)。我們還不能將這些個別的過程架構(gòu)成個關(guān)于景觀進化的整體的、可預(yù)測的概念模型。這一局限的原因主要是，關(guān)于水文過程、地球化學(xué)過程、地貌過程和生物進程的耦合關(guān)系，及其包括的正反面反饋，以及它們在時間和空間上的分布尚缺

13、乏完整的相關(guān)知識。未來10年，一個具有良好聯(lián)系的關(guān)鍵帶觀測站網(wǎng)絡(luò)和艽多學(xué)科的研究人員將開發(fā)一個多過程相互作用，進而形成目前景觀中關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)理論框架。我們將采用在一個共同的儀器協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中收集的數(shù)據(jù)集,來對氣候和地質(zhì)環(huán)境的作用進行權(quán)衡。3.2開發(fā)耦合的系統(tǒng)模型來探究關(guān)鍵帶服務(wù)景觀和生態(tài)系統(tǒng)對與氣候變化和土地利用壓力相關(guān)干擾的響應(yīng)，取決于一個與水、能源和風(fēng)化周期相關(guān)復(fù)雜系列的耦合過程。對臨界生態(tài)響應(yīng)的更好預(yù)測需要對物理和化學(xué)景觀有一個更消晰的認識，這些景觀能緩沖氣候驅(qū)動力、塑造環(huán)境，環(huán)境中的生物也會做出響應(yīng)。類似地，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化將影響關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)的形成，并影響關(guān)鍵帶服務(wù)提供的能力。生態(tài)系

14、統(tǒng)功能與水、能源與風(fēng)化循環(huán)之間的耦合將在關(guān)鍵帶觀測站得到測量，并為耦合的系統(tǒng)模型的發(fā)展奠定棊礎(chǔ)，這樣有利于在關(guān)鍵帶開展生物和物理過程之間相互作用和反饋的研究。將在關(guān)鍵帶觀測站內(nèi)部或者跨觀測站之間的水文、氣象和生物地球化學(xué)測量，整合為一個耦合的系統(tǒng)模型對提供多尺度和多進程的認識足至關(guān)重要的，當(dāng)前雖然缺乏這種認識，但是這對推進關(guān)鍵帶的預(yù)測足有必要的。3.3開發(fā)一個集成的數(shù)據(jù)和測量框架并進行驗證與過程模型和假設(shè)有聯(lián)系的未來關(guān)鍵帶研究，將需要異常豐富的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集上時間連續(xù)，空間上分布密集，過程上綜合。多樣的數(shù)據(jù)類型（比如沉積物 運輸、地下水、基巖風(fēng)化）將揭示跨越好幾個數(shù)量級的特征。收集這些數(shù)據(jù)集需

15、要對現(xiàn)場環(huán)境傳感器、野外設(shè)備、遙感、地表和地下成像給予大力經(jīng)費支持，包括新技術(shù)的開發(fā)。如果我們能在關(guān)鍵帶內(nèi)部和之間解決能景、水和物質(zhì)流的通量， 這些投資的回報將是很大的，并能為生態(tài)系統(tǒng)和景觀進化與適應(yīng)提供基本的觀點。顯然，定量認識和模擬景觀能量和水循環(huán)的能力的提高，將依賴于新測量方法和儀器設(shè)備，這些設(shè)備能夠捕捉大氣輸入中的空間和時間變異等信息，這些大氣輸入疊加在復(fù)雜的植被類型、覆蓋的異質(zhì)性、各向異性的地下地質(zhì)媒介上。3.4建立多學(xué)科集成的關(guān)鍵帶觀測站將典型分離的地表科學(xué)學(xué)科（生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、土壤學(xué)、地球化學(xué)、地貌學(xué)） 在觀測和模擬上的有機整合是關(guān)鍵帶觀測站的戰(zhàn)略,從而能更好地理解過程的耦合，過

16、程耦合引起了長期的景觀進化和對短期環(huán)境變化的響應(yīng)。在明確流域間學(xué)科的交叉融合是關(guān)鍵帶觀測站框架的一個明顯特征，這些流域具有跨越地質(zhì)和地形的站點聯(lián)系。在過去的13年，關(guān)鍵帶觀測站一直在不斷建立完整的多學(xué)科科學(xué)團隊，從而解決這些問題。關(guān)鍵帶觀測站己經(jīng)開始為密集數(shù)據(jù)的收集工作投入棊礎(chǔ)設(shè)施，以滿足這些科學(xué)團隊和他們開發(fā)概念和數(shù)學(xué)模型的需求。關(guān)鍵帶觀測站己經(jīng)建立了一個國家和國際網(wǎng)絡(luò)，特別是通過與歐盟類似工作的合作，使得這些數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施能夠?qū)λ型饨绲暮献鏖_放。在所有的環(huán)境觀測站中，關(guān)鍵帶觀測站網(wǎng)絡(luò)是僅有的個將生物和地球科學(xué) 如此緊密地整合在一起的工具。所以，未來10年，關(guān)鍵帶觀測站提供了一個獨特的機會

17、來改變我們對耦合地表過程的認識，并開始定最地解決氣候和土地利用 變化的影響，以及關(guān)鍵帶服務(wù)的價值。參考資料：1J NSF. 2005. Frontiers in exploration of the critical zone.2J Critical Zone Exploration Network, /3J National Research Council. 2010.Landscapes on die Edge: New Horizons tor Research on Earth's Surface.4J National Research

18、Council.2001.Basic research opportunities in Earth science.5J USGS.2012.Core Science SystemsMission Overview.6J USGS.2012.Core Science Analytics and Synthesis.7J Committee on Challenges and Opportunities in Earth Surface Processes,National Research Council. 2010.Landscapes on the Edge: New Horizons for Research on Earth's Surface.8J The CZO Community,2010.Future Directions for Critical Zone Observatory (CZO) Science.9J NSF. 2009