1地球关键带的内涵与特征
关键带中发生的复杂的物理、化学和生物过程相互耦合使其成为不可分割、有机联系、不断变化的动态系统。按照其性质与作用，这些过程大致可分为三类:生态过程、生物地球化学过程和水文过程［8］。生态过程通过植物、微生物等生产者的作用将土壤中的物质合成为植物量，经消费者消费后又被微生物分解返回土壤。人类活动可被看作是生态循环的一部分。由于人类活动对生态过程的影响越来越大，有人又将其单分出来作为一类过程加以研究［9］。生物地球化学过程将生物过程与非生物过程联系在一起，通过流体、沉积和气体作用，使碳、氮等化学元素和物质在空间上的分布发生变化。水文过程通过水分运移转化使物质和能量在空间上重新分布。生物地球化学过程和水文过程相互耦合，推动了生态过程的持续进行，又共同决定了关键带的整体形态和功能。但是，受传统学科研究视角和方法的限制，研究人员很少将关键带作为一个整体框架，而是人为地将生态过程、生物地球化学过程和水文过程割裂开来进行研究。例如，土壤学往往将研究对象局限在植物根区分布的土壤范围，而很少考虑植物根区之下的包气带和饱水带;水文地质学以含水层为研究重点，往往将上覆包气带作为“黑箱”进行处理;生态学以地表面之上的植物为研究重点，对地质环境则重视不够。当今经济社会所面临的水资源管理、自然灾害防治、全球变化应对、生态环境保护等重大战略问题，迫切需要不同的学科相互交叉融合，形成一个新的整体框架，对近地表圈层进行系统研究。这正是国际地学界提出“地球关键带”的意义所在。关键带在空间展布上呈现出高度的非均质性。大量的调查和观测数据表明，构成关键带的地质介质和发生在其中的生态过程、生物地球化学过程和水文过程随空间的变化表现出明显的变异。这种变异特性随空间尺度的变化呈现出不同的特点［10］。造成关键带高度变异性的原因很复杂，可归纳为三个方面:与地质、水文等有关的内在因素，与气候、自然火灾等有关的外在因素，与土地利用、城市化等有关的人类活动［11］。按照研究空间范围的大小，通常可划分为微观尺度、中观尺度和宏观尺度。目前，人们观测关键带的途径包括两大类:一类是利用传感器技术和测量技术进行点上监测，对应于微观尺度;一类是利用遥感技术进行大面积面上监测，对应于宏观尺度。针对介于二者之间的中观尺度的观测技术还很不成熟，亟待发展。关键带过程的发生尺度与人们的观测尺度存在的不一致，对关键带过程研究与建立模型造成了很大的挑战，尺度转换成为关键带科学研究的重要问题［12］。关键带在垂向上呈现出明显的分层特征。如图1所示，关键带通常由地面之上的植物冠层、植物根系生长的土壤层、土壤层之下的包气带、含水层等组成，并且每一层可能还可细分为多个亚层。例如，土壤层可分为腐殖质亚层、淋溶亚层、淀积亚层等［13］，包气带和饱水带之间存在一个过渡的、近饱和的毛细上升区［14］。层与层之间形成了关键带的界面，主要界面有土壤－大气界面、土壤－植被界面、包气带－饱水带界面、地表水－地下水界面、含水层－基岩界面等，在沿海地区还有陆地－海洋界面。这些界面对关键带发生的各种过程具有重要的控制作用，也为人为调控关键带过程提供了重要的切入点。例如，作为包气带－饱水带界面的潜水面对土壤剖面的含水量和水势分布有很大影响，是土壤发生盐渍化的重要原因，也是地表生态格局变化的影响因子之一［15］。关键带在外在过程的作用下不断发生着短期的变化和长期的演化。NＲC将外在过程归纳为四类:由地球内部能量驱动的构造运动，总的趋势是增大地表的起伏不平;由地球外部能量驱动的风化过程，总的趋势是削平填洼，使地表趋平;由压力梯度驱动的流体运动，使物质发生空间迁移;由生存需求驱动的生物活动，对土壤、岩石、水等要素施加了越来越大的影响［3］。
2关键带研究思路与范式
2.1DPSIＲ体系框架DPSIＲ(驱动力－压力－状态－影响－响应)体系描述了一条引发环境问题的起源和结果之间的因果链，为开展关键带科学研究提供了可供借鉴的技术框架(图2)。这条因果链表明了关键带与社会经济之间的相互作用关系，社会经济活动作为长期驱动力作用于关键带，对关键带产生压力，造成关键带状态的变化，从而对关键带及其发生的各种过程产生影响，这些影响促使经济社会对关键带状态的变化做出响应，响应措施又作用于驱动力、压力、状态和影响。该体系从系统分析的角度看待社会经济与关键带的相互作用，是组织环境状态信息的通用框架［16］。驱动力指影响关键带的外部过程变化的趋势，是造成关键带变化的潜在原因。例如，人类社会通过人口增长、土地利用等方式作用于关键带，成为关键带变化越来越重要的驱动力［17］。压力指人类活动对关键带的直接作用。社会经济从关键带获取所需要的水、粮食、建筑材料等资源，同时在生产和消费过程中排出工业废物、生活垃圾、废水等，是造成关键带变化的直接因素。状态用来描述不同时空尺度关键带的动态变化。影响描述的是当外界对关键带施加压力时其状态随之发生变化，这些变化对于关键带功能和服务所产生的效应。响应指改善或适应关键带变化而采取的相关措施，如法律法规、技术调控措施等。关键带科学研究的成果，应以易于理解的形式，传递给管理者和决策者，从而采取相应的资源、环境和生态管理措施。例如，Banwart等人建议采用生态服务方法将关键带的功能和服务转化为可以量化的价值，在科学研究成果与管理政策之间架起一座沟通的桥梁［18］。2.2填图－监测－建模循环体系框架循环上升的填图－监测－建模体系(简称3M框架)为研究复杂、非均质、动态的关键带提供了一条整合研究的技术框架(图3)。通过填图、监测和建模的循环进行，不断深化对关键带及其过程随时间和空间变化规律的认识，积累越来越多的图件、数据和成果。在此基础上，通过对图件、数据和成果的集成与分析，针对管理者、科学家、社会公众等不同的服务对象生产各种产品，将关键带研究成果最大程度地传递给社会［19］。填图是了解关键带组成与结构的基础，也是部署监测和开展建模的基础。关键带在空间展布上的高度非均质性和在垂向上的分层性，要求采用各种技术手段对不同尺度的关键带进行调查，获取关键带各种要素的物理和化学参数，为建立地球关键带框架模型提供基础数据。监测是了解关键带随时间变化的基础，为建模提供所需的输入数据和校正数据。需要监测的内容应涵盖关键带各种要素，也应包含模型运行需要输入的相关数据。建模是开展关键带过程机理研究的重要手段，也是开展关键带定量评价、预判关键带变化的重要工具。建模将填图所获得的空间数据与监测所获得的时间数据整合在一起，对关键带中所发生的水文过程、生物地球化学过程和生态过程进行数学模拟，以探求隐藏在表象之下的自然规律。填图、监测、建模构成关键带科学研究的完整框架，三者相辅相成、循环上升、互为促进。
3关键带研究进展
3.1填图20世纪末，近地表圈层得到了越来越多的北美水文地质学家的重视［20］。近地表地质圈包括土壤、包气带、浅层地下水、生物栖息地、湿地、河溪下层区和农业用地等。1998年，美国地质调查局(USGS)发布了2000～2010年地质科学战略，将近地表圈层作为研究重点之一，确定开展地质填图、地球物理填图、地球化学填图和钻孔测量，查明控制地下水流及污染的地质框架［21］。截至2010年，USGS完成的1∶10万以上比例尺的地质图达到了美国国土面积的64%;完成了全国65个主要含水层12%的三维地质调查，建立了三维水文地质框架模型;完成了15个县面向地质灾害的三维地质调查，建立了用于减灾的地质框架。在美国国家科学基金会资助下，加州大学、科罗拉多大学等单位于2007年开始在Christina、BoulderCreek等6个地区以流域为单元开展关键带填图工作，调查确定关键带基岩、土壤、植被和地形的三维空间分布与特性，研究关键带结构随时间的演化规律、风化层与土壤的形成与空间变化特征［22］。2012年，USGS发布了其核心科学体系科学战略(2013～2023)，明确将关键带作为其研究的核心靶区，提出针对关键带的结构和过程进行调查，建立关键带3D/4D地质框架模型。重点研究内容包括利用先进的微分析技术开展点上小至分子尺度的调查，利用先进的遥感技术开展面上大至全球尺度的调查，研发关键带及其过程的3D/4D模型，形成不同比例尺的地质图、地理图和生物多样性图［23］。针对水资源管理需要，建立不同尺度的3D/4D水文地质框架模型;针对自然灾害防治需要，建立地球表层地质、水文和生态框架［24］。2006年，针对土壤侵蚀、盐渍化、有机质减少和滑坡等土壤环境问题，欧盟委员会发布了土壤保护主题战略，将传统的1～2m深的土壤层扩展到地表至基岩之间的未固结土层进行调查和研究［7］，类似于NＲC所提出的地球关键带。该战略认为，土壤结构是影响关键带过程和功能的主要因子。在实际调查工作中，强调利用各种技术开展关键带空间分布和土壤结构的调查。例如，在卢森堡和意大利托斯卡纳区分别采用地电技术、地震探测技术、地质雷达技术和高光谱技术对土壤粘土含量、含石量、碳含量和土壤层厚度进行了调查和填图;在瑞典Damma、奥地利Fuchsenbigl、捷克Lysina和希腊Koiliaris等地区对土壤的物理结构、化学结构和生物结构进行了调查和填图［25］。关键带填图的主要目标之一是回答“关键带如何形成与演化”的基本科学问题。科罗拉多大学联合USGS采用浅层地震折射方法对GordonGulch流域的风化层厚度、风化锋面深度进行了调查，发现山坡北坡的风化锋面比南坡的风化锋面更深，风化程度也更高［26］。Anderson等根据野外调查和模型模拟结果认为，关键带可视为一个连通反应器，下端的风化锋面将未风化的基岩纳入反应器，上端的生物物理作用为反应器提供了反应的动力，物理风化和化学风化作用共同决定了关键带的形成过程［27］。Amundson等试图将关键带形成与演化的生物作用从生物－非生物的耦合作用中抽离出来，定量刻画生物作用对关键带物质组成与地貌变化的影响［28］。欧盟资助的欧洲流域土壤变化项目选择了代表土壤形成不同阶段的4个地区进行调查研究，分析确定关键带形成演化的影响因素和关键带生态服务的可持续性。3.2监测根据NＲC提出的关键带科学研究战略，美国国家科学基金会于2007年启动了关键带观测计划。首批在加州的SouthernSierra、科州的BoulderCreek、宾州的SusquehannaShaleHills建立了3个关键带观测站，于2009年又资助在新墨西哥州的Jemez－SantaCatalina、特拉华州的Christina流域、波多黎各的Luquillo增建了3个关键带观测站［29］。目前，6个关键带观测站共有250名科学家、技术人员和研究生在开展研究工作。关键带观测站以流域为单元，对关键带各种要素进行长期观测，为研究关键带变化提供科学数据。6个关键带观测站按照相同的标准进行观测，观测对象包括大气、植被及微生物、土壤(包气带)、含水层及基岩(饱水带)、地表水，主要监测内容如表1［30］。例如，BoulderCreek流域关键带观测站观测范围为1158km2的BoulderCreek流域，利用USGS和特拉华州水文站、观测井对地表水和地下水进行监测，设立了3座气象站对空气和土壤参数进行监测，埋设了15组土壤传感器对土壤含水量、土水势等土壤参数进行监测，安装了75台蒸渗仪对蒸腾蒸发量、深层渗漏量等进行监测，在下游河谷地区布设了6眼地下水观测井对地下水质进行监测。在美国关键带观测站的影响下，德国亥姆霍兹联合会于2008年启动了陆地环境观测建设项目，主要目标是为区域尺度全球气候变化对生态、社会和经济的长期影响研究提供地下水、包气带水、地表水、生物和大气的基础观测数据。目前，已在德国东北低地、Eifel/LowerＲhine山谷、中部低地和BavarianAlps等地区建立了4个陆地环境观测站［31］。观测站观测范围为小流域尺度，面积一般小于104km2，以观测站为平台进行陆地系统实时监测、开展科学实验、测量不同时空尺度环境长期变化。法国等国家则通过提升现有的“河流盆地网络”所属的观测站，建设关键带观测设施，以流域为单元对关键带要素进行观测。法国河流盆地网络包含20个观测站，自2011年开始由关键带提升项目(CTＲTEX)资助增设关键带观测仪器设备和基础设施。为了贯彻落实土壤保护主题战略，欧盟委员会于2009年启动了“欧洲流域土壤变化”项目，其中一项重要任务是对地球关键带进行长期观测。该项目强调土壤是地球关键带的核心，将土壤监测作为地球关键带长期观测的重点。根据土壤形成的不同阶段，选择了4个典型地点建立了欧盟地球关键带观测站:瑞典的Damma，处于土壤新形成阶段;奥地利的Fuchsenbigl，处于冲积平原土壤肥力发展阶段;捷克的Lysina，处于土壤遭到酸雨破坏后人工恢复阶段;希腊的Koiliaris，处于土壤遭受荒漠化威胁阶段［32］。欧盟与美国在关键带观测方面建立了紧密的合作关系，其观测内容与美国观测站相似，主要包括陆地－大气水碳转化、土壤含水量变化、孔隙水化学、地表水－土壤水－地下水转化、土壤长期演化等［33］。3.3建模模型对于深化对关键带形成、运行与演化的科学认识具有重要的作用，始终是关键带科学研究的重要领域之一。例如，美国关键带观测计划的重要目标之一是建立能够描述关键带生态过程、生物地球化学过程和水文过程的系统模型，定量预测气候变化、地质作用和人类活动下关键带结构和功能的响应。关键带过程模型大致可分为两类:一类是描述单个过程的数学模型，如地下水流动、土壤溶质运移、植物对水分胁迫响应等单个关键带过程;一类是描述多个过程叠加的耦合过程的数学模型，如地表水－地下水－大气水转化、生态－水文过程等关键带耦合过程。对于第一类过程，目前已建立了较为成熟的模拟模型［34］;而对于第二类过程，是关键带建模的重点和难点，尽管近年来做了很多探索工作，耦合模型还远不成熟。包气带与饱和带水文过程耦合模型研究取得了新的进展。通常有两种做法将包气带与饱和带的水文过程耦合在一起。一种做法是把包气带方程与地下水方程耦合在一起，例如，TOPOG_Dynamic模型采用一维Ｒichards方程描述垂向土壤水流，采用二维Boussinesq方程描述地下水水平运动，采用CDE描述溶质运移，土壤与含水层由二者接合处土壤水流量进行连接［35］。另一种做法是把包气带和饱和带作为一个统一的系统，采用三维Ｒichards方程从机理上描述土壤与地下水水流和溶质运移，如SWMS_3D和FEMWATEＲ模型［36］。Lin等认为上述基于传统小尺度物理学方法的数学模型，由于没有将包气带的结构考虑在内，对于包气带中普遍存在的优先流不能进行准确刻画［37］。因此，关键带建模的挑战之一是将结构与过程同时纳入统一的模型。生态过程与水文过程耦合建模研究也取得了很大进展。以研究生态过程与水文过程相互作用为基础，通常将植物生长模型与水文模型耦合建立生态水文模型，以定量刻画植被生长与水文变化的耦合过程，分析全球变化对流域生态－水文过程演变的影响机制［38］。例如，BEPS-TerrainLab模型在DSHVM模型基础上耦合生物地球化学循环模型BEPs建立了流域生态水文模型，用于加拿大北部森林区碳循环与水循环耦合的基础和应用研究;ＲHESSys生态水文模型以水文模型TOPMODEL为基础，考虑了植被对水文过程的作用，耦合了碳循环过程Biome-BGC模型和氮循环过程Century模型，可以用来模拟关键带水、碳、氮的耦合循环［39］。美国Luquillo关键带观测站采用生态水文模型tＲIBS-VEGGIE对区域关键带生态－水文过程进行了模拟，该模型可模拟复杂地形背景下河流盆地植被生长动态变化过程与水文变化过程［40］。
4结论与建议
当前经济社会所面临的资源、环境和生态问题相互关联、相互耦合，迫切需要打破传统的学科界限，搭建一个新的技术框架，进行跨学科、多领域系统研究。地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统，为这种需求提供了一个完整的系统框架。地球关键带科学研究尚处于探索阶段。初步的研究结果表明，通过将地质学、水文学、土壤学、生态学等学科融合在一起，地球关键带科学为经济社会面临的气候变化、生态系统管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。有鉴于此，针对我国的基础性地质调查工作提出如下建议:将地球关键带作为调查的重点靶区之一，根据地下水管理、地质灾害防治的需要，以土壤、包气带、含水层为重点开展基础地质和水工环地质综合调查，建立三维地质框架;选择基础条件较好的小流域建设地球关键带观测站，为地质学与水文学、土壤学、生四川职称态学等学科的融合搭建一个开放平台。
作者：杨建锋 张翠光 单位：中国地质调查局发展研究中心
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