什么是地球关键带？

杨顺华   张甘霖

本文已经发表于《科学》杂志，2021年第5期

地球表层是大气圈、生物圈、土壤圈、水圈交汇的异质性地带，是生命活动最为旺盛的热点区域，被称为“地球关键带”。它是21世纪地球科学研究的重点领域，也是新时期我国环境地球学科的优先发展领域。

2021年5月15日，在经历了296天的太空之旅后，中国人自己研制的“天问”一号火星探测器所携带的“祝融号”火星车及其着陆组合体，成功抵达中国人问天之路的关键一站——火星。“祝融号”的一个主要任务，就是回答“火星是否存在过生命或能支持生命的环境？”这一科学问题。为此，它将利用其所携带的相关仪器对火星表面及浅表层环境开展探测。与荒凉沉寂的火星表面不同，我们栖息的地球表面热闹非凡：这里溪水潺潺、草木枯荣、人头攒动。然而，人类世居于此，人类同样也障目于此。对于脚下这片生机勃勃的大地，我们常常一叶障目、不见泰山。

我们生活的近地表层是五大圈层（大气圈、生物圈、土壤圈、水圈和岩石圈）交汇融通的区域：物质循环、能量流动、生物信息传递等过程在这里相互耦合嵌套。无论是长到以十万年、百万年甚至亿年为单位计算的地质运动，还是短到瞬息万变的化学反应，都曾改变或者正在改变这里的一切。正是有了这些似乎永不停歇的反应过程，沧海变成桑田、土壤孕育万物的故事才能一次次上演，人类绵延不息的生存繁衍才能为可能。

近地表圈层是地球环境与人类社会相互作用最直接也最深刻的地球表层区域，既是人类生存和发展的立足之本，也是水、食物、能源等资源的供应之源，对于维持人类社会的可持续发展具有极端重要性。为了深入理解这一复杂而又开放的系统，地球科学家提出了“地球关键带（Earth’s Critical Zone）”的概念。那么，到底什么是地球关键带？为什么要研究地球关键带？地球关键带科学研究已经取得了哪些进展？未来还有哪些问题值得研究？

 地球关键带：定义与功能

地球关键带是指从地下水底部或者土壤—岩石交界面一直向上延伸至植被冠层顶部的连续体域 (National Research Council, 2001)，包括岩石圈、水圈、土壤圈、生物圈和大气圈等五大圈层交汇的异质性区域（图1）。在水平方向上，可以被森林、农地、荒漠、河流、湖泊、海岸带与浅海环境所覆盖，由于地域分异规律的存在，它的组成表现出很强的地表差异性。例如我国的喀斯特关键带多峰丛洼地、土层十分浅薄；南方红壤关键带丘陵起伏，土壤十分发育且多呈酸性反应；黄土高原关键带千沟万壑、黄土的厚度可达数百米。然而，无论是哪一种关键带，土壤始终是连接其他要素的核心单元；物质在水的驱动下参与生物地球化学循环，进而行使生态功能、提供生态系统服务。

图1 地球关键带结构示意图：地表圈层的交汇区域构成了关键带，水驱动物质在其中进行循环和流动。

 从功能上来讲，因为关键带对于维持地球陆地生态系统的运转和人类生存发展至关重要，所以被称作地球关键带。具体而言，关键带的功能可以分为供给、支持、调节和文化服务等四个方面。供给服务是指受益者从关键带系统中获取有益的产品，例如淡水、食物、纤维和燃料；支持服务是其他服务发挥作用的必要前提，包括植物的生长、土壤的形成与演化、元素的生物地球化学循环等过程；调节服务是指对从关键带系统中获取的各种产品的调控，比如关键带对淡水数量和质量、大气组成和气候变化的调控与响应；文化服务则是指人类从关键带系统中获取的感官体验，例如休闲娱乐、文化教育、旅游打卡等(Field et al., 2015)。试想，如果没有关键带的存在，地球将与荒凉的地外星体无异，该是多么的了无生趣？！

地球关键带科学：地球表层系统科学研究的新契机

地球表层系统中的水、土壤、大气、生物、岩石等在地球内外部能量驱动下的相互作用和演变不但是维系自然资源供给的基础，也发挥着不可替代的生态功能。然而，随着人类社会的不断发展，资源耗竭、环境恶化和生态系统退化等问题日益成为制约社会可持续发展的关键瓶颈。例如，东北地区的黑土地是我国最为肥沃的土壤，有着“北大仓”的美誉，对于维系我国粮食安全具有重要的作用，但是由于长期不合理的利用，导致土壤不断退化，黑土“变瘦”、“变薄”、“变硬”等现象尤为突出，严重威胁当地甚至全国的农业可持续发展。又如我国南方广袤的红壤地区，占国土面积的23%，水热资源丰富，供养着我国40%的人口，但是由于管理利用不善，导致水土等自然资源退化和配置不协调等问题凸显(张甘霖 et al., 2019)。而对于西北干旱地区来说，水资源的短缺与时空分布不均限制经济社会发展则是更需要化解的突出矛盾。

理解地球表层系统中各个要素的现状、演变过程和相互作用是实现关键带过程调控和资源可持续利用的必要前提。传统针对地表系统的研究，有专门研究各个单一要素的学科，例如水文学、土壤学、大气科学、生命科学、岩石矿物学等。这些学科各自相对独立研究地表各要素，为充分理解它们的性质、现状和功能等奠定了扎实的基础。然而，这种以要素为核心的研究范式在一定程度上限制了对于整个系统的组成与功能以及各个要素之间相互作用的全面理解。2001年，美国国家研究理事会在《地球科学基础研究机遇》中正式提出“地球关键带”的理念与方法论，为研究上述问题开辟了新的道路，为地球表层系统科学研究提供了一个可以操作的实体框架，前述地球科学各分支学科之间从此多了一座便于沟通的桥梁，因此极大地促进了地表圈层多学科综合研究。地球关键带科学被认为是21世纪地球科学研究的重点领域，也是新时期我国环境地球学科的优先发展领域。2020年，美国国家科学院、工程院和医学院发布题为《时域地球：美国国家科学基金会地球科学十年愿景》的报告，建议继续将“地球关键带如何影响气候？”这一问题作为优先资助方向之一。

将地球关键带作为一个整体来系统研究能够突破传统研究的局限。以土壤氮素的生物地球化学循环为例，长期以来，土壤学家和农学家往往仅关注氮素在作物根区（地下0~1米）的循环过程，对于根区以下范围的研究甚少。地质水文学家的目光则主要聚焦在地下水方面。因此，处于根区和地下水之间的深厚包气带成了一个名副其实的“都不管”地带。然而，长期过量施肥和不合理的管理措施导致不少区域的土壤存在氮素盈余的问题。在进行氮素收支平衡研究时，由于对盈余氮素的去向和归宿认识不足，将其称之为“消失的”氮素。实际上，这些氮素并没有真正消失，在淋溶作用下，大部分的盈余氮素随水流出土壤根区，积累在包气带深部，甚至有可能进入地下水，威胁人类的饮用水安全(Wu et al., 2019)。因此，为了全面理解氮素的循环过程，需要从地球表层全要素的角度对其加以研究(Yang et al., 2020)，这样才有可能更加全面地理解氮素在整个地球关键带范围内的生物地球化学循环过程。

 地球关键带科学：科学问题与研究平台

地球关键带科学是多学科研究的系统集成，能够解决单一学科所不能解决的科学问题。关键带研究的总体目标是观测表层系统中耦合的各种生物地球化学过程，试图理解这个生命支撑系统的形成与演化、对气候变化和人类干扰的响应，并最终预测其未来变化。Banwart et al. (2012)总结了关键带科学研究的六大问题，将其分为短期和长期两个方面：

短期科学问题：（1）什么控制了关键带的抗性、响应和恢复力及其耦合功能（包括地球物理、地球化学和生态功能），以及应对气候变化和人类干扰的能力？如何通过观测来量化上述过程与功能，并用数学模型预测这些过程的相互作用和未来变化？（2）如何集成传感器技术、电子网络化信息基础设施和模型等来模拟和预测陆地生态系统的基本变量？（3）如何集成自然科学、社会科学、工程学和技术应用等方面的理论、数据和数学模型，以模拟、评估和管理对人类社会有益的关键带产品和服务？长期科学问题：（1）地质演化和古生物如何构建并维持关键带中生态系统的功能和可持续性发展的基础？（2）分子尺度的关键带过程是如何主宰关键带在垂直空间上各个要素（包括地上植物、土壤、含水层和风化层）间的物质循环和能量传递的？又是如何影响流域和含水层演化的？（3）如何集成从分子到全球尺度的理论和数据，来理解地表的演化过程并预测未来变化以及其行星效应？

图2 关键带观测站研究示意图：通过天-地一体化的观测技术和模型模拟等方法，研究地球关键带的结构、物质循环和生态环境功能。

地球关键带观测站是开展关键带科学研究的重要平台，通常以流域为基本研究单元。通过在流域尺度建立野外实验室，监测流域中的水文、气象、植被、岩石风化物和土壤等要素来获取观测资料，可以研究表层地球系统中相互耦合的各种生物地球化学过程(Giardino 和Houser, 2015)，并最终模拟和预测其未来动态(Goddéris和Brantley, 2013)。近年来，国际上地球关键带观测站的建设与研究取得了长足的进步。自第一个真正意义上的地球关键带观测站于2007年在美国正式建立以来，欧盟、德国、法国、澳大利亚等国纷纷开始建立自己的关键带观测站（网络），总体数量预计达65个以上。

2014 年，在国家自然科学基金委员会与英国自然环境研究理事会重大国际合作研究计划项目“地球关键带中水和土壤的生态服务功能维持机理研究”的资助下，中国以国家生态系统研究网络为基础，正式设立了5 个地球关键带观测站，涉及黄土高原、西南喀斯特地区、宁波城郊区和南方红壤区（图2）等4种不同环境。近年来，位于一些其他区域的地球关键带观测站也逐渐建立起来，如青海湖、江汉平原、黑土、环渤海滨海、华北平原、燕山山地等。未来还需要继续在荒漠-绿洲区、温带草原、热带岛屿和青藏高原等典型地区建立关键带观测站，形成更加完整的、具有中国特色的地球关键带观测网络，为进一步研究关键带科学问题和培养相关人才提供重要平台。

 地球关键带科学：研究进展与展望

当前，随着气候变化和人类活动对自然生态系统影响的加强，地球关键带的自然演变过程受到进一步干预，产生了一系列的生态环境问题。为了应对这些挑战，地球科学家们对关键带的研究也在进一步加强。

地球关键带科学一般遵循“结构-过程-功能-服务”的研究范式，因此当前的研究主要围绕上述四个方面展开。在结构方面，主要开展关键带的结构变异和多学科表征方法的研究。例如，笔者所在团队通过结合经典剖面调查、动力钻井、探地雷达等地球物理观测技术，揭示了典型红壤关键带的地下结构由均质红土层、网纹红土和半风化砂岩层组成(Wu et al., 2019)。结构是认识关键带的基础，能够深刻影响物质的运移过程，但由于地表环境的复杂性，不同地方的关键带结构存在很大的差别，这对关键带分类研究也带来了巨大挑战。因此，如何结合传统的钻井调查和新兴的探测技术更加精细和准确地表征关键带结构是目前关键带研究的热点领域之一。在过程方面，重点关注关键带的形成与演化及其对气候变化和人类活动的响应与反馈、重要物质（如碳、氮、磷、硫）在关键带中的生物地球化学循环过程等。这方面的研究主要通过对溶质、水、气体、土壤和沉积物等关键带物质进行监测和模拟（Li et al., 2017）。在理解了关键带结构和物质循环过程的基础上，通过开发新的预测模型来表征关键带结构并预测关键带过程的未来变化，可以为评估关键带的功能服务。在功能方面，主要关注关键带功能提升与权衡。例如，在“碳达峰”和“碳中和”的背景下，如何评估关键带固定大气二氧化碳的潜力并对其加以调控值得进一步研究。最后，关键带服务为测度关键带过程提供的产品和惠益提供了一套测度指标，正在发展成为评价关键带过程的环境评价标准(Richardson和Kumar, 2017)。虽然地球关键带研究多以流域为基本单元，但在水平维度上并没有给出明确的边界。为了解决这一问题，笔者所在团队综合考虑气候、成土母质、土壤类型、地下水深度、地貌类型与土地利用等要素，构建了地球关键带的三级分类方案，将中国划分为44个一级单元、100个二级单元和1448个三级单元。这一方案的提出，为未来关键带研究由小流域或者站点研究向更大尺度拓展奠定了基础(张甘霖 et al., 2021)。

我国人口众多，自然资源禀赋有限且区域分布极不均衡，如何实现自然资源的协调配置和可持续利用是亟待解决的关键问题。关键带科学为解决这一问题开辟了新的道路，但是不同类型关键带的形成、演化、结构、耦合过程与功能等方面的研究，特别是在人类活动和气候变化影响下的变化特征，仍需要进一步探索。遥望恒河沙数的星空，“祝融”号此刻正在火星这颗红色星球的表面踱步，替我们打量着这个可能的未来家园。随着科技的进步，人类在不远的将来登陆火星似乎已经不再是一个难以企及的梦想。类似地，为了支持人类在火星等地外星球表面的生存和发展，“行星关键带”的形成与演化可能也会成为重要的研究方向。

 参考文献

1.       Banwart, S., Chorover, J., Sparks, D., White, T., 2012. Sustaining Earth’s Critical Zone. Report of the International Critical Zone Observatory Workshop, Delaware, USA.

2.       Field, J.P., Breshears, D.D., Law, D.J., Villegas, J.C., López-Hoffman, L., Brooks, P.D., Chorover, J., Barron-Gafford, G.A., Gallery, R.E., Litvak, M.E., Lybrand, R.A., McIntosh, J.C., Meixner, T., Niu, G.Y., Papuga, S.A., Pelletier, J.D., Rasmussen, C.R., Troch, P.A., 2015. Critical Zone services: Expanding context, constraints, and currency beyond ecosystem services. Vadose Zone Journal 14, 1-7.

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

4.       Goddéris, Y., Brantley, S.L., 2013. Earthcasting the future critical zone. Elementa Science of the Anthropocene 1, 19.

5.       National Research Council, 2001. Basic research opportunities in Earth Science. National Academy Press, Washington, D. C.

6.       Richardson, M., Kumar, P., 2017. Critical Zone services as environmental assessment criteria in intensively managed landscapes. Earth’s Future 5, 617-632.

7.       Li, L., Maher, K., Navarre-Sitchler, A., Druhan, J., Meile, C., Lawrence, C., Moore, J., Perdrial, J., Sullivan, P., Thompson, A., Jin, L., Bolton, E.W., Brantley, S.L., Dietrich, W.E., Mayer, K.U., Steefel, C.I., Valocchi, A., Zachara, J., Kocar, B., McIntosh, J., Tutolo, B.M., Kumar, M., Sonnenthal, E., Bao, C. and Beisman, J., 2017. Expanding the role of reactive transport models in critical zone processes. Earth-Science Reviews, 165: 280-301.

8.       Wu, H., Song, X., Zhao, X., Peng, X., Zhou, H., Hallett, P.D., Hodson, M.E., Zhang, G.L., 2019. Accumulation of nitrate and dissolved organic nitrogen at depth in a red soil Critical Zone. Geoderma 337, 1175-1185.

9.       Yang, S., Wu, H., Dong, Y., Zhao, X., Song, X., Yang, J., Hallett, P.D., Zhang, G.L., 2020b. Deep nitrate accumulation in a highly weathered subtropical Critical Zone depends on the regolith structure and planting year. Environmental Science & Technology 54, 13739-13747.

10.    张甘霖, 朱永官, 邵明安, 2019. 地球关键带过程与水土资源可持续利用的机理. 中国科学: 地球科学 49, 1674-7240.

11.    张甘霖, 宋效东, 吴克宁, 2021. 地球关键带分类方法与中国案例研究. 中国科学: 地球科学. DOI: 10.1360/SSTe-2020-0249.

关键词：地球关键带  结构  过程  功能  服务

杨顺华，特别研究助理；张甘霖，研究员：中国科学院南京土壤研究所