地球关键带理论

1. 地球关键带理论

党的十八大高度概括了我国生态文明建设面临的挑战：资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化。这三大问题相关关联、相互耦合，错综复杂地交织在一起，资源的勘查与开发不可避免地扰动周围的环境与生态，环境的破坏与污染不可避免地影响区内的资源与生态，生态的退化与崩溃不可避免地动摇区内生产生活的基础。在资源、环境与生态问题越来越深入的交织在一起的形势下，原来的传统学科囿于既定的研究对象和既有的理论基础、技术方法，难以适应生态文明建设和自然生态空间、自然资源和国土空间用途管理的需要。地球关键带将与经济社会联系最密切的植物冠层、土壤层、包气带、含水层等纳入一个整体系统，融合地质学、水文学、土壤学、生态学等学科开展科学研究，为这种需求提供了一个完整的技术框架。第二章系统论述了地球关键带的内涵与特征、研究思路与范式、近期研究进展，在此不再赘述。

2. 地球关键带的内涵

NRC认为，地球关键带是指异质的近地表环境，岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用，在调控着自然生境的同时，决定着维持经济社会发展所需的资源供应[4]。在横向上，关键带既包括已经风化的松散层，又包括植被、河流、湖泊、海岸带与浅海环境。在纵向上，关键带自上边界植物冠层向下穿越了地表面、土壤层、非饱和的包气带、饱和的含水层，下边界通常为含水层的基岩底板（图2–1）。关键带的风化层厚度在不同的地点变化很大，基岩裸露区一般厚度很薄，平原区厚度可达数百米至上千米[7]。
作为与人类联系最密切的地球圈层，地球关键带对于维持和支撑经济社会发展具有不可替代的重要作用。关键带作为经济社会发展的空间依托，在一定程度上决定着人类生活生产的空间布局和发展规模。关键带提供了植物生长的物质基础，为经济社会供应了粮食、植物纤维和生物能；作为碳、氮存储、运移和转化的载体，参与调节着大气中温室气体的浓度变化；承载着社会经济发展所排放的工农业废弃物，通过储存、过滤、吸附和化学作用，减轻污染物的负面效应；储存、输送土壤水和地下水，控制和影响着经济发展所需的水资源数量和质量等[8]。

图2-1 地球关键带及其构成示意图

3. 地球关键带的特征

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[9]。在太阳辐射能的驱动下，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，沿着食物链依次提供给消费者，经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，有人又将人类活动单分出来作为一类过程加以研究[10]。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。在重力和水力梯度作用下，水文过程通过大气水、土壤水、地下水不断转化，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，往往将覆在其上的包气带作为“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，小至原子水平，大至全球水平，呈现出不同的特点[11]。造成关键带高度变异性的原因很复杂，有学者将其归纳为三个方面：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[12]。按照研究空间范围的大小，通常可划分为微观尺度（如含水介质）、中观尺度（如坡面过程）和宏观尺度（如全球变化）。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[13]。
关键带在垂向上呈现出明显的分层特征。如图2–1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（O层）、淋溶亚层（A层）、淀积亚层（B）等[14]，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[15]。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[16,17]，也是地表生态格局变化的影响因子之一[18]，土壤中化学物质变化与地下水盐动态密切相关[19]。因此，界面过程是开展关键带长期观测的重要内容，也是定量研究关键带过程的关键环节。
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，使关键带物质发生空间迁移；由生存需求驱动的生物活动，对土壤、岩石、水等关键带要素施加了越来越大的影响[4]。