2021年5月15日，在經(jīng)歷了296天的太空之旅后，中國人自己研制的天問一號火星探測器所攜帶的“祝融號”火星車及其著陸組合體，成功抵達中國人問天之路的關(guān)鍵一站——火星。“祝融號”的一個主要任務(wù)，就是回答“火星是否存在過生命或能支持生命的環(huán)境”這一科學(xué)問題。
與荒涼沉寂的火星表面不同，我們棲息的地球表面熱鬧非凡：溪水潺潺、草木枯榮、人頭攢動。然而，對于腳下這片生機勃勃的大地，我們常常一葉障目、不見泰山。
我們生活的近地表層是五大圈層（大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈和巖石圈）交匯融通的區(qū)域：物質(zhì)循環(huán)、能量流動、生物信息傳遞等過程在這里相互耦合嵌套。
近地表圈層是地球環(huán)境與人類社會相互作用最直接也最深刻的地球表層區(qū)域，既是人類生存和發(fā)展的立足之本，也是水、食物、能源等資源的供應(yīng)之源，對于維持人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有極端重要性。為了深入理解這一復(fù)雜而又開放的系統(tǒng)，地球科學(xué)家提出了“地球關(guān)鍵帶（Earth’s Critical Zone）”的概念。那么，到底什么是地球關(guān)鍵帶？為什么要研究地球關(guān)鍵帶？地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究已經(jīng)取得了哪些進展？未來還有哪些問題值得研究？
定義與功能
地球關(guān)鍵帶是指從地下水底部或者土壤—巖石交界面一直向上延伸至植被冠層頂部的連續(xù)體域，包括巖石圈、水圈、土壤圈、生物圈和大氣圈等五大圈層交匯的異質(zhì)性區(qū)域。在水平方向上，可以被森林、農(nóng)地、荒漠、河流、湖泊、海岸帶與淺海環(huán)境所覆蓋，由于地域分異規(guī)律的存在，它的組成表現(xiàn)出很強的地表差異性。
例如，我國的喀斯特關(guān)鍵帶多峰叢洼地、土層十分淺薄；南方紅壤關(guān)鍵帶丘陵起伏，土壤十分發(fā)育且多呈酸性反應(yīng)；黃土高原關(guān)鍵帶千溝萬壑、黃土的厚度可達數(shù)百米。然而，無論是哪一種關(guān)鍵帶，土壤始終是連接其他要素的核心單元；物質(zhì)在水的驅(qū)動下參與生物地球化學(xué)循環(huán)，進而行使生態(tài)功能、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。
從功能上來講，因為關(guān)鍵帶對于維持地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)和人類生存發(fā)展至關(guān)重要，所以被稱作地球關(guān)鍵帶。具體而言，關(guān)鍵帶的功能可以分為供給、支持、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)等四個方面。
供給服務(wù)是指受益者從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取有益的產(chǎn)品，例如淡水、食物、纖維和燃料；支持服務(wù)是其他服務(wù)發(fā)揮作用的必要前提，包括植物的生長、土壤的形成與演化、元素的生物地球化學(xué)循環(huán)等過程；調(diào)節(jié)服務(wù)是指對從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取的各種產(chǎn)品的調(diào)控，比如關(guān)鍵帶對淡水數(shù)量和質(zhì)量、大氣組成和氣候變化的調(diào)控與響應(yīng)；文化服務(wù)則是指人類從關(guān)鍵帶系統(tǒng)中獲取的感官體驗，例如休閑娛樂、文化教育、旅游打卡等。
地球表層系統(tǒng)科學(xué)研究的新契機
地球表層系統(tǒng)中的水、土壤、大氣、生物、巖石等在地球內(nèi)外部能量驅(qū)動下的相互作用和演變，不但是維系自然資源供給的基礎(chǔ)，也發(fā)揮著不可替代的生態(tài)功能。然而，隨著人類社會的不斷發(fā)展，資源耗竭、環(huán)境惡化和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題日益成為制約社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
例如，東北地區(qū)的黑土地是我國最為肥沃的土壤，有著“北大倉”的美譽，對于維系我國糧食安全具有重要的作用。但是由于長期不合理的利用，導(dǎo)致土壤不斷退化，黑土“變瘦”“變薄”“變硬”等現(xiàn)象尤為突出，嚴重威脅當?shù)厣踔寥珖霓r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
又如，我國南方廣袤的紅壤地區(qū)占國土面積的23%，水熱資源豐富，供養(yǎng)著我國40%的人口。但是由于管理利用不善，導(dǎo)致水土等自然資源退化和配置不協(xié)調(diào)等問題凸顯。而對于西北干旱地區(qū)來說，水資源的短缺與時空分布不均限制經(jīng)濟社會發(fā)展則是更需要化解的突出矛盾。
理解地球表層系統(tǒng)中各個要素的現(xiàn)狀、演變過程和相互作用，是實現(xiàn)關(guān)鍵帶過程調(diào)控和資源可持續(xù)利用的必要前提。傳統(tǒng)針對地表系統(tǒng)的研究，有專門研究各個單一要素的學(xué)科，例如水文學(xué)、土壤學(xué)、大氣科學(xué)、生命科學(xué)、巖石礦物學(xué)等。這些學(xué)科各自相對獨立研究地表各要素，為充分理解它們的性質(zhì)、現(xiàn)狀和功能等奠定了扎實的基礎(chǔ)。然而，這種以要素為核心的研究范式在一定程度上限制了對于整個系統(tǒng)的組成與功能以及各個要素之間相互作用的全面理解。
2001年，美國國家研究理事會在《地球科學(xué)基礎(chǔ)研究機遇》中正式提出“地球關(guān)鍵帶”的理念與方法論，為研究上述問題開辟了新的道路，為地球表層系統(tǒng)科學(xué)研究提供了一個可以操作的實體框架。前述地球科學(xué)各分支學(xué)科之間從此多了一座便于溝通的橋梁，因此極大地促進了地表圈層多學(xué)科綜合研究。
地球關(guān)鍵帶科學(xué)被認為是21世紀地球科學(xué)研究的重點領(lǐng)域，也是新時期我國環(huán)境地球?qū)W科的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。2020年，美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布題為《時域地球：美國國家科學(xué)基金會地球科學(xué)十年愿景》的報告，建議繼續(xù)將“地球關(guān)鍵帶如何影響氣候”這一問題作為優(yōu)先資助方向之一。
將地球關(guān)鍵帶作為一個整體來系統(tǒng)研究能夠突破傳統(tǒng)研究的局限。以土壤氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)為例，長期以來，土壤學(xué)家和農(nóng)學(xué)家往往僅關(guān)注氮素在作物根區(qū)（地下0~1米）的循環(huán)過程，對于根區(qū)以下范圍的研究甚少。地質(zhì)水文學(xué)家的目光則主要聚焦在地下水方面。因此，處于根區(qū)和地下水之間的深厚包氣帶成了一個名副其實的“都不管”地帶。然而，長期過量施肥和不合理的管理措施導(dǎo)致不少區(qū)域的土壤存在氮素盈余的問題。在進行氮素收支平衡研究時，由于對盈余氮素的去向和歸宿認識不足，于是將其稱之為“消失的”氮素。實際上，這些氮素并沒有真正消失，而是在淋溶作用下，大部分盈余氮素隨水流出土壤根區(qū)，積累在包氣帶深部，甚至有可能進入地下水，威脅人類的飲用水安全。因此，為了全面理解氮素的循環(huán)過程，需要從地球表層全要素的角度對其加以研究，這樣才有可能更加全面地理解氮素在整個地球關(guān)鍵帶范圍內(nèi)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。
科學(xué)問題與研究平臺
地球關(guān)鍵帶科學(xué)是多學(xué)科研究的系統(tǒng)集成，能夠解決單一學(xué)科所不能解決的科學(xué)問題。關(guān)鍵帶研究的總體目標是觀測表層系統(tǒng)中耦合的各種生物地球化學(xué)過程，試圖理解這個生命支撐系統(tǒng)的形成與演化、對氣候變化和人類干擾的響應(yīng)，并最終預(yù)測其未來變化。已有研究總結(jié)了關(guān)鍵帶科學(xué)研究的六大問題，將其分為短期和長期兩個方面。
短期科學(xué)問題包括是什么控制了關(guān)鍵帶的抗性、響應(yīng)和恢復(fù)力及其耦合功能（包括地球物理、地球化學(xué)和生態(tài)功能）以及應(yīng)對氣候變化和人類干擾的能力，如何通過觀測來量化上述過程與功能，并用數(shù)學(xué)模型預(yù)測這些過程的相互作用和未來變化；如何集成傳感器技術(shù)、電子網(wǎng)絡(luò)化信息基礎(chǔ)設(shè)施和模型等來模擬和預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本變量；如何集成自然科學(xué)、社會科學(xué)、工程學(xué)和技術(shù)應(yīng)用等方面的理論、數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，以模擬、評估和管理對人類社會有益的關(guān)鍵帶產(chǎn)品和服務(wù)。
長期科學(xué)問題包括地質(zhì)演化和古生物如何構(gòu)建并維持關(guān)鍵帶中生態(tài)系統(tǒng)的功能和可持續(xù)性發(fā)展的基礎(chǔ)；分子尺度的關(guān)鍵帶過程是如何主宰關(guān)鍵帶在垂直空間上各個要素間的物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的，又是如何影響流域和含水層演化的；如何集成從分子到全球尺度的理論和數(shù)據(jù)，來理解地表的演化過程并預(yù)測未來變化以及其行星效應(yīng)。
地球關(guān)鍵帶觀測站是開展關(guān)鍵帶科學(xué)研究的重要平臺，通常以流域為基本研究單元。通過在流域尺度建立野外實驗室，監(jiān)測流域中的水文、氣象、植被、巖石風(fēng)化物和土壤等要素來獲取觀測資料，可以研究表層地球系統(tǒng)中相互耦合的各種生物地球化學(xué)過程，并最終模擬和預(yù)測其未來動態(tài)。
近年來，國際上地球關(guān)鍵帶觀測站的建設(shè)與研究取得了長足的進步。自第一個真正意義上的地球關(guān)鍵帶觀測站于2007年在美國正式建立以來，歐盟、德國、法國、澳大利亞等國家和地區(qū)紛紛開始建立自己的關(guān)鍵帶觀測站（網(wǎng)絡(luò)），總體數(shù)量預(yù)計達65個以上。
2014 年，在國家自然科學(xué)基金委員會與英國自然環(huán)境研究理事會重大國際合作研究計劃項目“地球關(guān)鍵帶中水和土壤的生態(tài)服務(wù)功能維持機理研究”的資助下，中國以國家生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，正式設(shè)立了5個地球關(guān)鍵帶觀測站，涉及黃土高原、西南喀斯特地區(qū)、寧波城郊區(qū)和南方紅壤區(qū)等4種不同環(huán)境。
近年來，位于一些其他區(qū)域的地球關(guān)鍵帶觀測站也逐漸建立起來，如青海湖、江漢平原、黑土、環(huán)渤海濱海、華北平原、燕山山地等。未來還需要繼續(xù)在荒漠—綠洲區(qū)、溫帶草原、熱帶島嶼和青藏高原等典型地區(qū)建立關(guān)鍵帶觀測站，形成更加完整的、具有中國特色的地球關(guān)鍵帶觀測網(wǎng)絡(luò)，為進一步研究關(guān)鍵帶科學(xué)問題和培養(yǎng)相關(guān)人才提供重要平臺。
研究進展與展望
當前，隨著氣候變化和人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)影響的加強，地球關(guān)鍵帶的自然演變過程受到進一步干預(yù)，產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，地球科學(xué)家們對關(guān)鍵帶的研究也進一步加強。
地球關(guān)鍵帶科學(xué)一般遵循“結(jié)構(gòu)—過程—功能—服務(wù)”的研究范式，因此當前的研究主要圍繞上述四個方面展開。
在結(jié)構(gòu)方面，主要開展關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)變異和多學(xué)科表征方法的研究。例如，筆者所在團隊通過結(jié)合經(jīng)典剖面調(diào)查、動力鉆井、探地雷達等地球物理觀測技術(shù)，揭示了典型紅壤關(guān)鍵帶的地下結(jié)構(gòu)由均質(zhì)紅土層、網(wǎng)紋紅土和半風(fēng)化砂巖層組成。結(jié)構(gòu)是認識關(guān)鍵帶的基礎(chǔ)，能夠深刻影響物質(zhì)的運移過程，但由于地表環(huán)境的復(fù)雜性，不同地方的關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)存在很大的差別，這對關(guān)鍵帶分類研究也帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，如何結(jié)合傳統(tǒng)的鉆井調(diào)查和新興的探測技術(shù)更加精細和準確地表征關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)是目前關(guān)鍵帶研究的熱點領(lǐng)域之一。
在過程方面，重點關(guān)注關(guān)鍵帶的形成與演化及其對氣候變化和人類活動的響應(yīng)與反饋、重要物質(zhì)（如碳、氮、磷、硫）在關(guān)鍵帶中的生物地球化學(xué)循環(huán)過程等。這方面的研究主要通過對溶質(zhì)、水、氣體、土壤和沉積物等關(guān)鍵帶物質(zhì)進行監(jiān)測和模擬。在理解關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和物質(zhì)循環(huán)過程的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)新的預(yù)測模型來表征關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)并預(yù)測關(guān)鍵帶過程的未來變化，可以為評估關(guān)鍵帶的功能服務(wù)。
在功能方面，主要關(guān)注關(guān)鍵帶功能提升與權(quán)衡。例如，在碳達峰和碳中和的背景下，如何評估關(guān)鍵帶固定大氣二氧化碳的潛力并對其加以調(diào)控值得進一步研究。
最后，關(guān)鍵帶服務(wù)為測度關(guān)鍵帶過程提供的產(chǎn)品和惠益提供了一套測度指標，正在發(fā)展成為評價關(guān)鍵帶過程的環(huán)境評價標準。雖然地球關(guān)鍵帶研究多以流域為基本單元，但在水平維度上并沒有給出明確的邊界。為了解決這一問題，筆者所在團隊綜合考慮氣候、成土母質(zhì)、土壤類型、地下水深度、地貌類型與土地利用等要素，構(gòu)建了地球關(guān)鍵帶的三級分類方案，將中國劃分為44個一級單元、100個二級單元和1448個三級單元。這一方案的提出，為未來關(guān)鍵帶研究由小流域或者站點研究向更大尺度拓展奠定了基礎(chǔ)。
我國人口眾多，自然資源稟賦有限且區(qū)域分布極不均衡，如何實現(xiàn)自然資源的協(xié)調(diào)配置和可持續(xù)利用是亟待解決的關(guān)鍵問題。關(guān)鍵帶科學(xué)為解決這一問題開辟了新的道路，但是不同類型關(guān)鍵帶的形成、演化、結(jié)構(gòu)、耦合過程與功能等方面的研究，特別是在人類活動和氣候變化影響下的變化特征，仍需要進一步探索。
遙望恒河沙數(shù)的星空，“祝融號”此刻正在火星這顆紅色星球的表面踱步，替我們打量著這個可能的未來家園。隨著科技的進步，人類在不遠的將來登陸火星似乎已經(jīng)不再是一個難以企及的夢想。類似地，為了支持人類在火星等地外星球表面的生存和發(fā)展，“行星關(guān)鍵帶”的形成與演化可能也會成為重要的研究方向�！�
（作者楊順華系中國科學(xué)院南京土壤研究所特別研究助理，張甘霖系南京土壤研究所研究員。原文刊載于2021年第5期《科學(xué)》雜志）