学术简报
标题：地球关键带研究评述：现状与展望
作者：杨顺华、宋效东、吴华勇、吴克宁、张甘霖
期刊：土壤学报,2023
DOI：10.11766/trxb202211230640
摘要
“地球关键带”的研究表明，土壤是联结地表和地下过程的纽带与核心；地球物理技术成为理解地球关键带结构与过程的重要工具；联网观测和模型模拟是下一阶段的重要方向；地球关键带功能和服务的量化、权衡与提升有望成为重要的决策支持工具。未来仍需在五个方面深化研究：构建更具有包容性的地球关键带观测站网络；加强学科交叉和人才队伍建设；在实践中应用和发展地球关键带科学；开发新技术、新方法，完善理论、模型和方法体系；揭示地球关键带过程的耦合机制及其环境效应，加强人类活动对水土过程、物质循环与能量交换影响的研究。
地球关键带的定义与科学内涵
地球关键带是地球表层系统研究的实体操作框架，被定义为岩石-土壤-水-大气-生物发生复杂相互作用并调控自然生境和决定生命可持续资源有效性的异质性近地表环境，包括从植被冠层到地下水底部以下未风化基岩面的连续体域。如图 1 所示，在地球关键带中，物质和能量在大气圈、生物圈、土壤圈、水圈和岩石圈交汇的区域中循环和流动，涉及构造运动、风化、流体运移和生物活动等四个主要过程。地球关键带研究在目前的快速发展阶段，发文数量、速率、涉及的学科与相关学术会议数量以及载文期刊类别均攀升至历史高位。
地球关键带的研究大致经历了萌芽、初期和快速发展阶段，其研究的历史演变表明地球关键带的发展随着时间的推移愈发深入，涉及的国家以及研究的成果不断达到新的高度，如图 2 所示。
当前地球关键带研究的主要科学问题及研究重点
地球关键带研究遵循“结构-过程-功能-服务”的研究范式，围绕地球关键带分类、结构表征、过程模拟以及服务与决策支持等主要科学问题和研究重点。
地球关键带分类：相对于垂直方向上的更为清晰的定义，不同类型的地球关键带在水平维度上并没有明确的边界。在关键带的分类问题中，如何优化使用更多的分类信息，进行地球关键带类型的多级分类值得进一步探讨。随着地球关键带研究的深入和对其认识的加深，地球关键带分类将获得显著的发展，并成为地球表层系统自然资源管理的重要工具。
地球关键带结构：地球关键带的地下结构及其形成机制是当前的研究重点之一，由于地下结构的空间异质性较强，且需要钻孔数据校正，尺度拓展时仍具有较大的局限性。有关地球关键带地下结构与过程耦合的认识依然很不充分。地球物理技术的实用性有待验证以及对地下结构认识的不足限制了结构演化模型的发展。
地球关键带过程的模型模拟：目前地球关键带模型大致可以分为数据驱动和问题（过程）驱动两类。数据驱动类模型利用数据挖掘方法，寻找数据之间的潜在关系，但对于是否过度依赖“大数据“的方法尚有争议。问题驱动类模型通常基于已有的研究认识和特定的研究假设进行模型设计，然后用实测数据加以校正和验证，最后进行模拟和预测。
地球关键带服务与决策支持：地球关键带服务可以分为供给、支持、调节和文化服务等四个方面，且具有其自身的独特性。随着气候变化和人类活动的加剧，地球关键带过程如何量化、权衡与提升其服务能力仍然是一个充满挑战的任务。
当前地球关键带研究的优点、特色与不足
地球关键带研究的一个主要优点是相对清晰地划定了地球表层系统的边界，指出其上、下边界分别是树冠顶层和岩石-土壤风化界面，强调用系统的思想开展跨学科和跨尺度的综合研究，提倡整体大于部分之和的理念。
地球关键带科学研究的重要特点是“深时（Deep time）”、“深度（Deep depth）” 与“深耦合（Deep coupling）”，强调地表过程在多时空尺度的深度综合。跨学科性，地球关键带包含水、土、气、生、岩等多个要素，只有多学科的参与才有可能突破单一学科的局限性，获得系统性认识。
地球关键带研究尚存在如下不足：（1）已建立的研究观测站多面向特定生境在区域或者更大尺度上的代表性尚显不足，不同台站之间的联系也需加强；（2）缺乏统一的地球关键带演化与功能的理论框架，限制了模型和观测技术的发展；（3）对地球关键带过程耦合的内在规律及其对外界环境的响应机制认知不足；（4）已有地球关键带研究成果的实践运用仍不够充分，尤其应该加强现有成果在资源环境问题突出区域的应用；（5）当前地球关键带科学研究的学科交叉程度仍然不够，专门人才储量不足。
地球关键带研究的未来发展思路
加强基础设施建设，构建更具包容性的地球关键带观测站网络，未来可以从 4 个方面 着手强化：一是充分利用已有的观测站，构建统一标准的数据库，持续积累相关的要素观测资料；二是按照地球关键带研究的需求改造已有的生态系统观测站；三是遵循独特性、典型性和必要性的原则；四是设立国家级观测协调平台，开展联网观测，加强数据质量控制、推动数据标准化和开放共享。
服务面向可持续发展的社会需求，在实践中应用和发展地球关键带科学，可为自然资源的分类、调查、监测和评价提供借鉴，促进自然资源的有效管理和国土空间生态修复。
在观测和描述现象的基础上，加强地球关键带过程耦合的内在机制及其环境效应的研究，还要系统研究多要素耦合的内在机制。
开发新技术、新方法、完善理论、模型与方法体系，在多个方面做出创新。加强学科交叉与人才队伍建设，培养新一代地球关键带科学家。
结论
通过“地球关键带”的研究表明，目前的研究发展达到了历史高位。但围绕地球关键带分类、结构表征、过程模拟以及服务与决策支持等方面仍存在一些问题待解决。如：不同类型的地球关键带在水平维度上并没有明确的边界、空间异质性较强、模型模拟方法等。在未来的研究发展中需着手于构建更具包容性的地球关键带观测站网络；在实践中应用和发展地球关键带科学；并且加强地球关键带过程耦合的内在机制及其环境效应的研究；在技术、方法、理论、模型与方法体系多个方面做出创新，推动地球关键带的研究走向深入。
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