地球表層是大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈交匯的異質性地帶，是生命活動最為旺盛的熱點區域，被稱為“地球關鍵帶”。它是21世紀地球科學研究的重點領域，也是新時期我國環境地球學科的優先發展領域。
2021年5月15日，在經歷了296天的太空之旅後，中國人自己研製的“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鍵一站——火星。“祝融號”的一個主要任務，就是回答“火星是否存在過生命或能支援生命的環境？”這一科學問題。為此，它將利用其所攜帶的相關儀器對火星表面及淺表層環境開展探測。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：這裡溪水潺潺、草木枯榮、人頭攢動。然而，人類世居於此，人類同樣也障目於此。對於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、水圈和岩石圈）交匯融通的區域：物質迴圈、能量流動、生物資訊傳遞等過程在這裡相互耦合巢狀。無論是長到以十萬年、百萬年甚至億年為單位計算的地質運動，還是短到瞬息萬變的化學反應，都曾改變或者正在改變這裡的一切。正是有了這些似乎永不停歇的反應過程，滄海變成桑田、土壤孕育萬物的故事才能一次次上演，人類綿延不息的生存繁衍才能為可能。
近地表圈層是地球環境與人類社會相互作用最直接也最深刻的地球表層區域，既是人類生存和發展的立足之本，也是水、食物、能源等資源的供應之源，對於維持人類社會的可持續發展具有極端重要性。為了深入理解這一複雜而又開放的系統，地球科學家提出了“地球關鍵帶（Earth’s Critical Zone）”的概念。那麼，到底什麼是地球關鍵帶？為什麼要研究地球關鍵帶？地球關鍵帶科學研究已經取得了哪些進展？未來還有哪些問題值得研究？
地球關鍵帶：定義與功能
地球關鍵帶是指從地下水底部或者土壤—岩石交介面一直向上延伸至植被冠層頂部的連續體域 (National Research Council, 2001)，包括岩石圈、水圈、土壤圈、生物圈和大氣圈等五大圈層交匯的異質性區域（圖1）。在水平方向上，可以被森林、農地、荒漠、河流、湖泊、海岸帶與淺海環境所覆蓋，由於地域分異規律的存在，它的組成表現出很強的地表差異性。例如我國的喀斯特關鍵帶多峰叢窪地、土層十分淺薄；南方紅壤關鍵帶丘陵起伏，土壤十分發育且多呈酸性反應；黃土高原關鍵帶千溝萬壑、黃土的厚度可達數百米。然而，無論是哪一種關鍵帶，土壤始終是連線其他要素的核心單元；物質在水的驅動下參與生物地球化學迴圈，進而行使生態功能、提供生態系統服務。
圖1 地球關鍵帶結構示意圖：地表圈層的交匯區域構成了關鍵帶，水驅動物質在其中進行迴圈和流動。
從功能上來講，因為關鍵帶對於維持地球陸地生態系統的運轉和人類生存發展至關重要，所以被稱作地球關鍵帶。具體而言，關鍵帶的功能可以分為供給、支援、調節和文化服務等四個方面。供給服務是指受益者從關鍵帶系統中獲取有益的產品，例如淡水、食物、纖維和燃料；支援服務是其他服務發揮作用的必要前提，包括植物的生長、土壤的形成與演化、元素的生物地球化學迴圈等過程；調節服務是指對從關鍵帶系統中獲取的各種產品的調控，比如關鍵帶對淡水數量和質量、大氣組成和氣候變化的調控與響應；文化服務則是指人類從關鍵帶系統中獲取的感官體驗，例如休閒娛樂、文化教育、旅遊打卡等(Field et al., 2015)。試想，如果沒有關鍵帶的存在，地球將與荒涼的地外星體無異，該是多麼的了無生趣？！
地球關鍵帶科學：地球表層系統科學研究的新契機
地球表層系統中的水、土壤、大氣、生物、岩石等在地球內外部能量驅動下的相互作用和演變不但是維繫自然資源供給的基礎，也發揮著不可替代的生態功能。然而，隨著人類社會的不斷髮展，資源耗竭、環境惡化和生態系統退化等問題日益成為制約社會可持續發展的關鍵瓶頸。例如，東北地區的黑土地是我國最為肥沃的土壤，有著“北大倉”的美譽，對於維繫我國糧食安全具有重要的作用，但是由於長期不合理的利用，導致土壤不斷退化，黑土“變瘦”、“變薄”、“變硬”等現象尤為突出，嚴重威脅當地甚至全國的農業可持續發展。又如我國南方廣袤的紅壤地區，佔國土面積的23%，水熱資源豐富，供養著我國40%的人口，但是由於管理利用不善，導致水土等自然資源退化和配置不協調等問題凸顯(張甘霖 et al., 2019)。而對於西北乾旱地區來說，水資源的短缺與時空分佈不均限制經濟社會發展則是更需要化解的突出矛盾。
理解地球表層系統中各個要素的現狀、演變過程和相互作用是實現關鍵帶過程調控和資源可持續利用的必要前提。傳統針對地表系統的研究，有專門研究各個單一要素的學科，例如水文學、土壤學、大氣科學、生命科學、岩石礦物學等。這些學科各自相對獨立研究地表各要素，為充分理解它們的性質、現狀和功能等奠定了紮實的基礎。然而，這種以要素為核心的研究正規化在一定程度上限制了對於整個系統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《地球科學基礎研究機遇》中正式提出“地球關鍵帶”的理念與方法論，為研究上述問題開闢了新的道路，為地球表層系統科學研究提供了一個可以操作的實體框架，前述地球科學各分支學科之間從此多了一座便於溝通的橋樑，因此極大地促進了地表圈層多學科綜合研究。地球關鍵帶科學被認為是21世紀地球科學研究的重點領域，也是新時期我國環境地球學科的優先發展領域。2020年，美國國家科學院、工程院和醫學院釋出題為《時域地球：美國國家科學基金會地球科學十年願景》的報告，建議繼續將“地球關鍵帶如何影響氣候？”這一問題作為優先資助方向之一。
將地球關鍵帶作為一個整體來系統研究能夠突破傳統研究的侷限。以土壤氮素的生物地球化學迴圈為例，長期以來，土壤學家和農學家往往僅關注氮素在作物根區（地下0~1米）的迴圈過程，對於根區以下範圍的研究甚少。地質水文學家的目光則主要聚焦在地下水方面。因此，處於根區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致不少區域的土壤存在氮素盈餘的問題。在進行氮素收支平衡研究時，由於對盈餘氮素的去向和歸宿認識不足，將其稱之為“消失的”氮素。實際上，這些氮素並沒有真正消失，在淋溶作用下，大部分的盈餘氮素隨水流出土壤根區，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(Wu et al., 2019)。因此，為了全面理解氮素的迴圈過程，需要從地球表層全要素的角度對其加以研究(Yang et al., 2020)，這樣才有可能更加全面地理解氮素在整個地球關鍵帶範圍內的生物地球化學迴圈過程。
地球關鍵帶科學：科學問題與研究平臺
地球關鍵帶科學是多學科研究的系統整合，能夠解決單一學科所不能解決的科學問題。關鍵帶研究的總體目標是觀測表層系統中耦合的各種生物地球化學過程，試圖理解這個生命支撐系統的形成與演化、對氣候變化和人類干擾的響應，並最終預測其未來變化。Banwart et al. (2012)總結了關鍵帶科學研究的六大問題，將其分為短期和長期兩個方面：
短期科學問題：（1）什麼控制了關鍵帶的抗性、響應和恢復力及其耦合功能（包括地球物理、地球化學和生態功能），以及應對氣候變化和人類干擾的能力？如何透過觀測來量化上述過程與功能，並用數學模型預測這些過程的相互作用和未來變化？（2）如何整合感測器技術、電子網路化資訊基礎設施和模型等來模擬和預測陸地生態系統的基本變數？（3）如何整合自然科學、社會科學、工程學和技術應用等方面的理論、資料和數學模型，以模擬、評估和管理對人類社會有益的關鍵帶產品和服務？長期科學問題：（1）地質演化和古生物如何構建並維持關鍵帶中生態系統的功能和可持續性發展的基礎？（2）分子尺度的關鍵帶過程是如何主宰關鍵帶在垂直空間上各個要素（包括地上植物、土壤、含水層和風化層）間的物質迴圈和能量傳遞的？又是如何影響流域和含水層演化的？（3）如何整合從分子到全球尺度的理論和資料，來理解地表的演化過程並預測未來變化以及其行星效應？
圖2 關鍵帶觀測站研究示意圖：透過天-地一體化的觀測技術和模型模擬等方法，研究地球關鍵帶的結構、物質迴圈和生態環境功能。
地球關鍵帶觀測站是開展關鍵帶科學研究的重要平臺，通常以流域為基本研究單元。透過在流域尺度建立野外實驗室，監測流域中的水文、氣象、植被、岩石風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中相互耦合的各種生物地球化學過程(Giardino 和Houser, 2015)，並最終模擬和預測其未來動態(Goddéris和Brantley, 2013)。近年來，國際上地球關鍵帶觀測站的建設與研究取得了長足的進步。自第一個真正意義上的地球關鍵帶觀測站於2007年在美國正式建立以來，歐盟、德國、法國、澳大利亞等國紛紛開始建立自己的關鍵帶觀測站（網路），總體數量預計達65個以上。
2014 年，在國家自然科學基金委員會與英國自然環境研究理事會重大國際合作研究計劃專案“地球關鍵帶中水和土壤的生態服務功能維持機理研究”的資助下，中國以國家生態系統研究網路為基礎，正式設立了5 個地球關鍵帶觀測站，涉及黃土高原、西南喀斯特地區、寧波城郊區和南方紅壤區（圖2）等4種不同環境。近年來，位於一些其他區域的地球關鍵帶觀測站也逐漸建立起來，如青海湖、江漢平原、黑土、環渤海濱海、華北平原、燕山山地等。未來還需要繼續在荒漠-綠洲區、溫帶草原、熱帶島嶼和青藏高原等典型地區建立關鍵帶觀測站，形成更加完整的、具有中國特色的地球關鍵帶觀測網路，為進一步研究關鍵帶科學問題和培養相關人才提供重要平臺。
地球關鍵帶科學：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系統影響的加強，地球關鍵帶的自然演變過程受到進一步干預，產生了一系列的生態環境問題。為了應對這些挑戰，地球科學家們對關鍵帶的研究也在進一步加強。
地球關鍵帶科學一般遵循“結構-過程-功能-服務”的研究正規化，因此當前的研究主要圍繞上述四個方面展開。在結構方面，主要開展關鍵帶的結構變異和多學科表徵方法的研究。例如，筆者所在團隊透過結合經典剖面調查、動力鑽井、探地雷達等地球物理觀測技術，揭示了典型紅壤關鍵帶的地下結構由均質紅土層、網紋紅土和半風化砂岩層組成(Wu et al., 2019)。結構是認識關鍵帶的基礎，能夠深刻影響物質的運移過程，但由於地表環境的複雜性，不同地方的關鍵帶結構存在很大的差別，這對關鍵帶分類研究也帶來了巨大挑戰。因此，如何結合傳統的鑽井調查和新興的探測技術更加精細和準確地表徵關鍵帶結構是目前關鍵帶研究的熱點領域之一。在過程方面，重點關注關鍵帶的形成與演化及其對氣候變化和人類活動的響應與反饋、重要物質（如碳、氮、磷、硫）在關鍵帶中的生物地球化學迴圈過程等。這方面的研究主要透過對溶質、水、氣體、土壤和沉積物等關鍵帶物質進行監測和模擬（Li et al., 2017）。在理解了關鍵帶結構和物質迴圈過程的基礎上，透過開發新的預測模型來表徵關鍵帶結構並預測關鍵帶過程的未來變化，可以為評估關鍵帶的功能服務。在功能方面，主要關注關鍵帶功能提升與權衡。例如，在“碳達峰”和“碳中和”的背景下，如何評估關鍵帶固定大氣二氧化碳的潛力並對其加以調控值得進一步研究。最後，關鍵帶服務為測度關鍵帶過程提供的產品和惠益提供了一套測度指標，正在發展成為評價關鍵帶過程的環境評價標準(Richardson和Kumar, 2017)。雖然地球關鍵帶研究多以流域為基本單元，但在水平維度上並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、土壤型別、地下水深度、地貌型別與土地利用等要素，構建了地球關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(張甘霖 et al., 2021)。
我國人口眾多，自然資源稟賦有限且區域分佈極不均衡，如何實現自然資源的協調配置和可持續利用是亟待解決的關鍵問題。關鍵帶科學為解決這一問題開闢了新的道路，但是不同型別關鍵帶的形成、演化、結構、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徵，仍需要進一步探索。遙望恆河沙數的星空，“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不再是一個難以企及的夢想。類似地，為了支援人類在火星等地外星球表面的生存和發展，“行星關鍵帶”的形成與演化可能也會成為重要的研究方向。
參考文獻
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. 張甘霖, 朱永官, 邵明安, 2019. 地球關鍵帶過程與水土資源可持續利用的機理. 中國科學: 地球科學 49, 1674-7240.
11. 張甘霖, 宋效東, 吳克寧, 2021. 地球關鍵帶分類方法與中國案例研究. 中國科學: 地球科學. DOI: 10.1360/SSTe-2020-0249.
