什么是地球关键带？

关键带位于地球表层，是一个可以透水透气的区域，其空间范围自树冠开始一直延伸至地下水的底部。因其是陆地生物活动的关键地带，对于维持地球生命至关重要，故而称作地球关键带。

这是一个充满活力、不断演化的边界层。岩石、土壤、水和有机生命通过复杂的相互作用来调控自然栖息地和提供生命支撑资源，比如提供食物和淡水。

红壤关键带景观（杨顺华 摄）

关键带是地球的外层皮肤

l  这是一个岩石与生命相遇的区域

l  它从树冠一直延伸至地下水底部

l  岩石、土壤、水、空气和有机生命通过相互作用塑造了地表环境

关键带示意图（Chorover et al., 2007） 

水和大气透过多孔的关键带，地上地下的生物繁衍生息，这些发生在生物群落、地质年代和气候变化尺度上的活动共同塑造了关键带。

这些活动的最终结果，便是把岩石和生物转化成了关键带的核心部分——土壤；而这也使得关键带成为了地球上异质性最强和最复杂的区域。

关键带过程发生的时间跨度极大，从分秒之间到万古长流

锻造关键带的重要事件跨越多个时间尺度，包括秒、时、年、千年甚至漫长的地质年代。因而，当前的结构和功能反映了关键带：

l  对诸如降雨和土地利用变化这样的人类活动的短期响应

l  对地质年代尺度上的气候和地壳变化得长期响应

关键带观测对象及观测设备和手段

（图片来自美国Sierra，Shale Hills，Boulder和Luquillo关键带观测站）

关键带过程供养了地球生命

正是得益于关键带中各个过程的持续运转，陆地生命才能万古长青，因为发生在关键带内的各种复杂的反应调控着自然栖息地并提供了生命支撑资源，包括：

l  提供食物

l  供给淡水

地球（图片来自NASA）

这还只是关键带的两项基本功能而已。诸如此类的“关键带服务”还有很多，既包括生态系统提供的服务，也涵盖为巩固这些生态系统而耦合在一起的一系列水文、地球化学和地貌过程。

人类对关键带的影响是巨大的，反之亦然

关键带与人类社会存在着错综复杂、千丝万缕的联系，两者相互影响、难以分割。这其中涉及两个尤为重要的问题：

l  气候变化

l  土地利用

当然，还有很多其他重要的问题，诸如：

l  土壤质量

l  河流和径流

l  污染物运移

l  碳循环

人类深刻地影响了关键带，例如：

l  人类利用了全球30-50%的土地和50%的淡水

l  耕地和牧场在面积上已经能够与林地面积分庭抗礼

l  当前，美国耕地和牧场的土壤流水速度已经超过1厘米/年

l  全美80%的主要河流都检测到了污染物

关键带考察活动（图片来自美国Southern Sierra关键带观测站）

人们对于关键带的了解还远远不够

尽管关键带对陆地生命至关重要，人们对它的了解还远远不够。对于一些基本的问题，人们还不能很好地回答，譬如：

l  关键带是如何形成的？

l  它是如何运转的？

l  它在未来又将如何变化？

具体来讲，人们对于关键带中的物理、化学和生物过程是如何在不同时空尺度上耦合的各个关键信息仍然知之甚少。许多过程是高度非线性的，所发生的尺度也极其复杂，在空间上从原子到全球，在时间上从秒到漫长的地质时期。

关键带考察（图片来自美国Luquillo关键带观测站）

要充分理解这张由物理、化学和生物过程编织的复杂网络需要开发一套综合多个学科知识的方法，而这需要来自水文学、地质学、土壤学、生物学、生态学、地球化学、地貌学以及更多领域专家的通力合作。

（编译自http://criticalzone.org）

参考文献

Chorover J, Kretzschmar R, Garcia-Pichel F, et al. Soil biogeochemical processes within the critical zone [J]. Elements, 2007, 3(5): 321-326.

Song S D, Wu H Y, Liu F, et al., Three-dimensional mapping of organic carbon using piecewise depth functions in the red soil critical zone observatory [J]. Soil Science Society of America Journal, 2019.

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

Zhao X R, Wu H Y, Song X D, et al. Intra-horizon differentiation of the bacterial community and its co-occurrence network in a typical Plinthic horizon [J]. Science of the Total Environment, 2019.

美国关键带项目官方网站. http://criticalzone.org

中英关键带项目官方网站. http://www.czo.ac.cn

红壤关键带景观图