關(guān)鍵帶研究進(jìn)展與未來(lái)發(fā)展方向

1、關(guān)鍵帶研究進(jìn)展與未來(lái)發(fā)展方向地球關(guān)鍵帶(CriticalZone)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(lèi)生存的關(guān)犍區(qū)域，被認(rèn)為是21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的重點(diǎn)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(dòng)、化學(xué)循環(huán)，進(jìn)而調(diào)節(jié)能源和礦物資源的形成與發(fā)展，而這一切對(duì)地表上的生命而言，都非常重要，所以，人類(lèi)在地球上的可持續(xù)發(fā)展，必須在各種時(shí)間尺度和空間尺度上理解和認(rèn)識(shí)發(fā)生在關(guān)鍵帶的一系列過(guò)程。1關(guān)鍵帶概念的提出與發(fā)展美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)(NRC)2001年在出版地球科學(xué)基礎(chǔ)研究的

2、機(jī)遇(BasicResearchOpportunitiesinEarthScience)一書(shū)中首次正式提出了關(guān)鍵帶(criticalzone)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)2005年發(fā)布關(guān)鍵帶探索的前沿(Frontiers報(bào)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(gè)區(qū)域，是地球物質(zhì)和生物世界的界面，調(diào)節(jié)著營(yíng)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、生物圈、水圈和巖石圈進(jìn)行物質(zhì)遷移和能景交換的交匯

3、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(shí)空尺度上相互作用。美國(guó)特拉平大學(xué)的關(guān)鍵帶研究中心認(rèn)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(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換的地方。NSF®2009年解決氣候難題：研究全球的氣候變化影響(SolvingthePuzzle:ResearchingtheImpactsofClimateChangeamundtheWorld)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(lèi)生存和社會(huì)發(fā)展的快速需求促進(jìn)了人們對(duì)這一地表和近地表環(huán)境中各種過(guò)程的研究和

4、理解。地球關(guān)鍵帶是一個(gè)固體地球和流體之間的動(dòng)力界面，受復(fù)雜而廣泛的物理、化學(xué)和生物過(guò)程的共同控制。由地球內(nèi)部能量驅(qū)動(dòng)的各種地質(zhì)與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改變地表環(huán)境，由大氣和水圈驅(qū)動(dòng)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(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)確定了地表地形地貌和地表物質(zhì)的重新分配，由對(duì)養(yǎng)分的需求驅(qū)動(dòng)的生物活動(dòng)控制了土壤、巖石、大氣和水之間的化學(xué)循環(huán)。因此，對(duì)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(rèn)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(shí)間尺度上控制碳及其他物質(zhì)循環(huán)和通量的各種過(guò)程；生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)過(guò)程在人類(lèi)和地質(zhì)時(shí)間尺度上的變化規(guī)律；生物地球化學(xué)過(guò)程控制土壤和水

5、的長(zhǎng)期持續(xù)性的機(jī)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(jìn)展NRC2001年把關(guān)鍵帶列為地球科學(xué)恭礎(chǔ)研究6大機(jī)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(gè)相互影響的主要過(guò)程(生物活動(dòng)、風(fēng)化作用、流體輸運(yùn)和近地表構(gòu)造活動(dòng)).2002年，E.0Wilson在生命的未來(lái)一書(shū)中寫(xiě)道，我們己經(jīng)進(jìn)入了環(huán)境世紀(jì)的第2個(gè)10年，這是加快對(duì)地球關(guān)鍵帶認(rèn)識(shí)進(jìn)程的重要時(shí)刻。2005年，美國(guó)特拉華大學(xué)主持了一項(xiàng)由NSF資助的研討會(huì)“關(guān)鍵帶研究的前沿”，在此次研討會(huì)上，科學(xué)家呼吁發(fā)展地球關(guān)鍵帶研究計(jì)劃。NSF2005年啟動(dòng)項(xiàng)目群“關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)計(jì)劃(CriticalZo

6、neObservatoryProgram,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(guó)特拉平大學(xué)宣布成立個(gè)關(guān)鍵帶研究中心(CenterforCriticalZoneResearch),從而進(jìn)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勺地球科學(xué)部發(fā)布了地球科學(xué)遠(yuǎn)景：通過(guò)地球科學(xué)揭示地球的復(fù)雜性(GeoVisionReport:UnravelingEarth'sComplexitiesthroughtheGeosciences)報(bào)告，指出關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站是用來(lái)記錄、模擬和預(yù)測(cè)地區(qū)氣候和土地利用的變化對(duì)水及生物地球化學(xué)循環(huán)影

7、響的地面觀(guān)測(cè)站，并新建3個(gè)觀(guān)測(cè)站點(diǎn)。在每個(gè)觀(guān)測(cè)站，科學(xué)家們將調(diào)查地表過(guò)程的集成和耦合過(guò)程，以及淡水的存量與流量對(duì)這些過(guò)程的影響。在研究手段上，觀(guān)測(cè)站將使用野外實(shí)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(guó)已經(jīng)建立了6個(gè)關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站(CriticalZoneObservatory,CZO)和1個(gè)關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)(CriticalZoneExplorationNetwork,CZEN)推動(dòng)關(guān)鍵帶的研究。關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站的建立，將使研究者從調(diào)查關(guān)鍵帶入手，將系統(tǒng)內(nèi)的各組分作為一個(gè)整體來(lái)開(kāi)展研究，可以使人們預(yù)測(cè)氣候和人類(lèi)活動(dòng)的變化對(duì)關(guān)鍵帶演化和功能的影響，特別是對(duì)可持續(xù)水資源的影

8、響。關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)(CZEN是一個(gè)社區(qū)，更是一個(gè)調(diào)查研究關(guān)鍵帶過(guò)程的野外站點(diǎn)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(guò)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(duì)比不同梯度(時(shí)間、巖性、人為擾動(dòng)、生物活動(dòng)、地形等)環(huán)境作用的方式來(lái)獲取和整合有關(guān)數(shù)據(jù)。日益意識(shí)到理解地表及花形成過(guò)程的重要性，NSF2010年向NRC中請(qǐng)建立地表過(guò)程委員會(huì)，以應(yīng)對(duì)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。同時(shí)在邊緣景觀(guān)：地表研究的新視野(LandscapesontheEdge:NewHorizonsforResearchonEarth'sSurface)報(bào)告中，NRC已確定了面臨的9大挑戰(zhàn)

9、，以及應(yīng)對(duì)9大挑戰(zhàn)的4項(xiàng)優(yōu)先研究活動(dòng)，以增加我們對(duì)地表過(guò)程的理解。地表過(guò)程面臨的巨大挑戰(zhàn)：從地球的歷史預(yù)測(cè)未來(lái)的變化？地表格局如何出現(xiàn)及其過(guò)程如何？景觀(guān)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(guān)？地表演變規(guī)律是什么？如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)和景觀(guān)的協(xié)同進(jìn)化？如何恢復(fù)景觀(guān)變化？人類(lèi)歷史長(zhǎng)河中地表是如何進(jìn)化的？地表科學(xué)對(duì)可持續(xù)地表過(guò)程的貢獻(xiàn)如何？地表過(guò)程4個(gè)高優(yōu)先研究計(jì)劃：景觀(guān)和氣候的交互作用；跨時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)景觀(guān)重建定量研究；景觀(guān)與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化；人炎進(jìn)程中的未來(lái)景觀(guān)。2011年2月11日，科學(xué)(Science)雜志出版了一期特別專(zhuān)輯一數(shù)據(jù)處理(DealingwithData)。此后

10、，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)立即成立了核心科學(xué)系統(tǒng)(CoreScienceSystems,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(bào)(factsheet)首次公布。CSS寺續(xù)關(guān)注關(guān)鍵帶的復(fù)雜過(guò)程和相互作用，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)等進(jìn)行收集、管理、集成、分析，并向USGSf有研究單元及時(shí)提供有用的可靠信息。3關(guān)鍵帶未來(lái)發(fā)展方向地球上的生命依賴(lài)“關(guān)鍵帶服務(wù)”(Critical-Zoneservices)的連續(xù)供應(yīng)，這些服務(wù)從支持人類(lèi)活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)的水供應(yīng)到為不斷增長(zhǎng)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(kuò)展而來(lái)的。關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)和功能不斷演化，從而對(duì)地球歷史中的氣候和

11、構(gòu)造擾動(dòng)做出響應(yīng)，尤其要應(yīng)對(duì)近期由人類(lèi)活動(dòng)加速驅(qū)動(dòng)的變化。當(dāng)前的挑戰(zhàn)是需要發(fā)展一個(gè)健全的關(guān)于關(guān)鍵帶屬性、過(guò)程和輸出如何應(yīng)對(duì)預(yù)期氣候和土地利用變化的預(yù)測(cè)能力。這種預(yù)測(cè)能力必須建立在關(guān)于關(guān)鍵帶進(jìn)程足夠廣泛的知識(shí)之上，來(lái)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(cè)量、理論和模擬的進(jìn)步。未來(lái)10年，關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站項(xiàng)目將產(chǎn)生一個(gè)重要的認(rèn)識(shí)和4維數(shù)據(jù)集，這將激勵(lì)、鼓舞和考驗(yàn)隨之產(chǎn)生的預(yù)測(cè)性模型。關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站有潛力來(lái)促進(jìn)地球表面的變革科學(xué)。3.1 開(kāi)發(fā)一個(gè)統(tǒng)一的關(guān)鍵帶演化理論框架地質(zhì)時(shí)期的景觀(guān)變化，是驅(qū)動(dòng)地殼的構(gòu)造過(guò)程與氣候驅(qū)動(dòng)的地貌和地球化學(xué)過(guò)程之間的相互作用的結(jié)果。從短期來(lái)看，坡地與水-

12、巖石相互作用有關(guān)的河流系統(tǒng)的物質(zhì)流動(dòng)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(guò)程與水文循環(huán)有關(guān)，但足它們進(jìn)一步受到土壤和植被共同進(jìn)化的調(diào)節(jié)。我們還不能將這些個(gè)別的過(guò)程架構(gòu)成？個(gè)關(guān)于景觀(guān)進(jìn)化的整體的、可預(yù)測(cè)的概念模型。這一局限的原因主要是，關(guān)于水文過(guò)程、地球化學(xué)過(guò)程、地貌過(guò)程和生物進(jìn)程的耦合關(guān)系，及其包括的正反面反饋，以及它們?cè)跁r(shí)間和空間上的分布尚缺乏完整的相關(guān)知識(shí)。未來(lái)10年，一個(gè)具有良好聯(lián)系的關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)和蕪多學(xué)科的研究人員將開(kāi)發(fā)一個(gè)多過(guò)程相互作用，進(jìn)而形成目前景觀(guān)中關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)理論框架。我們將采用在一個(gè)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(lái)對(duì)

13、氣候和地質(zhì)環(huán)境的作用進(jìn)行權(quán)衡。3.2 開(kāi)發(fā)耦合的系統(tǒng)模型來(lái)探究關(guān)鍵帶服務(wù)景觀(guān)和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)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(gè)與水、能源和風(fēng)化周期相關(guān)復(fù)雜系列的耦合過(guò)程。對(duì)臨界生態(tài)響應(yīng)的更好預(yù)測(cè)需要對(duì)物理和化學(xué)景觀(guān)有一個(gè)更消晰的認(rèn)識(shí)，這些景觀(guān)能緩沖氣候驅(qū)動(dòng)力、塑造環(huán)境，環(huán)境中的生物也會(huì)做出響應(yīng)。類(lèi)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(guān)測(cè)站得到測(cè)量，并為耦合的系統(tǒng)模型的發(fā)展奠定恭礎(chǔ)，這樣有利于在關(guān)鍵帶開(kāi)展生物和物理過(guò)程之間相互作用和反饋的研究。將在關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站內(nèi)部或者跨觀(guān)測(cè)站之間的水文、氣象和

14、生物地球化學(xué)測(cè)量，整合為一個(gè)耦合的系統(tǒng)模型對(duì)提供多尺度和多進(jìn)程的認(rèn)識(shí)足至關(guān)重要的，當(dāng)前雖然缺乏這種認(rèn)識(shí)，但是這對(duì)推進(jìn)關(guān)鍵帶的預(yù)測(cè)足有必要的。3.3 開(kāi)發(fā)一個(gè)集成的數(shù)據(jù)和測(cè)量框架并進(jìn)行驗(yàn)證與過(guò)程模型和假設(shè)有聯(lián)系的未來(lái)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(shí)間連續(xù)，空間上分布密集，過(guò)程上綜合。多樣的數(shù)據(jù)類(lèi)型（比如沉積物運(yùn)輸、地下水、基巖風(fēng)化）將揭示跨越好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的特征。收集這些數(shù)據(jù)集需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(fèi)支持，包括新技術(shù)的開(kāi)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(bào)將是很大的，并能為生態(tài)系統(tǒng)和景觀(guān)進(jìn)化與適應(yīng)提供基本的

15、觀(guān)點(diǎn)。顯然，定量認(rèn)識(shí)和模擬景觀(guān)能量和水循環(huán)的能力的提高，將依賴(lài)于新測(cè)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(shí)間變異等信息，這些大氣輸入疊加在復(fù)雜的植被類(lèi)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(guān)測(cè)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(guān)測(cè)和模擬上的有機(jī)整合是關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站的戰(zhàn)略，從而能更好地理解過(guò)程的耦合，過(guò)程耦合引起了長(zhǎng)期的景觀(guān)進(jìn)化和對(duì)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(guān)測(cè)站框架的一個(gè)明顯特征，這些流域具有跨越地質(zhì)和地形的站點(diǎn)聯(lián)系。在過(guò)去的1?3年，關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站一直在不斷建立完整的多學(xué)科科學(xué)團(tuán)

16、隊(duì)，從而解決這些問(wèn)題。關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站己經(jīng)開(kāi)始為密集數(shù)據(jù)的收集工作投入茶礎(chǔ)設(shè)施，以滿(mǎn)足這些科學(xué)團(tuán)隊(duì)和他們開(kāi)發(fā)概念和數(shù)學(xué)模型的需求。關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站己經(jīng)建立了一個(gè)國(guó)家和國(guó)際網(wǎng)絡(luò)，特別是通過(guò)與歐盟類(lèi)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_(kāi)放。在所有的環(huán)境觀(guān)測(cè)站中，關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)是僅有的？個(gè)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(lái)10年，關(guān)鍵帶觀(guān)測(cè)站提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來(lái)改變我們對(duì)耦合地表過(guò)程的認(rèn)識(shí)，并開(kāi)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(jià)值。參考資料：1JNSF.2005.Frontiersinexplorationofthecriticalzone.

17、2JCriticalZoneExplorationNetwork,/3JNationalResearchCouncil.2010.LandscapesondieEdge:NewHorizonstorResearchonEarth'sSurface.4JNationalResearchCouncil.2001.BasicresearchopportunitiesinEarthscience.5JUSGS.2012.CoreScienceSystems-MissionOverview.6JUSGS.2012.CoreScienceAnalyticsandSynthesis.7JCommitteeonChallengesandOpportunitiesinEarthSurfaceProcesses,NationalResearchCouncil.2010.LandscapesontheEdge:NewHorizonsforResearchonEarth'sSurface.8JTheCZOCommunity,2010.FutureDirectionsforCriticalZoneObservatory(CZO)S