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(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)功能和人類生存的關(guān)犍區(qū)域，被認為是21世紀基礎(chǔ)科學研究的重點區(qū)域。關(guān)鍵帶研究將在地球系統(tǒng)科學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年在出版地球科學基礎(chǔ)研究的

2、機遇(BasicResearchOpportunitiesinEarthScience)一書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、生物圈、水圈和巖石圈進行物質(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，而且在不同時空尺度上相互作用。美國特拉平大學的關(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®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

4、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，受復雜而廣泛的物理、化學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)動的風化作用控制土壤形成和侵蝕以及地表巖石的化學風化，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循環(huán)。因此，對地球關(guān)鍵帶的綜合研究被地質(zhì)學家、生物學家、土壤學家和水文學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；生物地球化學過程控制土壤和水

5、的長期持續(xù)性的機理；化學和物理風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NRC2001年把關(guān)鍵帶列為地球科學恭礎(chǔ)研究6大機遇之首，涉及風化殼、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、風化作用、流體輸運和近地表構(gòu)造活動).2002年，E.0Wilson在生命的未來一書中寫道，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，科學家呼吁發(fā)展地球關(guān)鍵帶研究計劃。NSF2005年啟動項目群“關(guān)鍵帶觀測計劃(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雜的相互作用。2006年10月，美國特拉平大學宣布成立個關(guān)鍵帶研究中心(CenterforCriticalZoneResearch),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勺地球科學部發(fā)布了地球科學遠景：通過地球科學揭示地球的復雜性(GeoVisionReport:UnravelingEarth'sComplexitiesthroughtheGeosciences)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循環(huán)影

7、響的地面觀測站，并新建3個觀測站點。在每個觀測站，科學家們將調(diào)查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(CriticalZoneObservatory,CZO)和1個關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)(CriticalZoneExplorationNetwork,CZEN)推動關(guān)鍵帶的研究。關(guān)鍵帶觀測站的建立，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

8、響。關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)(CZEN是一個社區(qū)，更是一個調(diào)查研究關(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、化學和生物過程。相關(guān)研究覆蓋非常廣的學科范圍，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花形成過程的重要性，NSF2010年向NRC中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：地表研究的新視野(LandscapesontheEdge:NewHorizonsforResearchonEarth'sSurface)報告中，NRC已確定了面臨的9大挑戰(zhàn)

9、，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？如何恢復景觀變化？人類歷史長河中地表是如何進化的？地表科學對可持續(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(Science)雜志出版了一期特別專輯一數(shù)據(jù)處理(DealingwithData)。此后

10、，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)立即成立了核心科學系統(tǒng)(CoreScienceSystems,CSS)科學戰(zhàn)略規(guī)劃小組。2012年3月，CSS的第一份情況通報(factsheet)首次公布。CSS寺續(xù)關(guān)注關(guān)鍵帶的復雜過程和相互作用，并對相關(guān)數(shù)據(jù)等進行收集、管理、集成、分析，并向USGSf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-Zoneservices)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

11、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。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)動地殼的構(gòu)造過程與氣候驅(qū)動的地貌和地球化學過程之間的相互作用的結(jié)果。從短期來看，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)和蕪多學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

13、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、能源和風化周期相關(guān)復雜系列的耦合過程。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)系統(tǒng)功能與水、能源與風化循環(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)展奠定恭礎(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

14、生物地球化學測量，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

15、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 建立多學科集成的關(guān)鍵帶觀測站將典型分離的地表科學學科（生態(tài)學、水文學、土壤學、地球化學、地貌學）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1?3年，關(guān)鍵帶觀測站一直在不斷建立完整的多學科科學團

16、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)的收集工作投入茶礎(chǔ)設(shè)施，以滿足這些科學團隊和他們開發(fā)概念和數(shù)學模型的需求。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：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