什么是地球关键带？|科普

导  读

近期，美国国家科学院、工程院和医学院发布了题为《A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time》（时域地球：美国国家科学基金会地球科学十年愿景）的研究报告，为美国国家科学基金会未来十年的战略规划提供了决策意见。在其中提到的12个优先资助领域中，地球关键带科学研究尤为引人注目。那么，到底什么是地球关键带？针对这一基本问题，本文特精选并翻译了一篇科普文章，稍作加工，供大家一起探讨。

编译/杨顺华

来源：土壤时空公号（2020年7月12日）

《时域地球：美国国家科学基金会地球科学十年愿景》报告封面

关键带位于地球表层，是一个具有穿透性的区域，其空间范围自树冠开始，穿过土壤，一直延伸至地下水的底部。因其是陆地生命赖以生存的关键地带，对于维持地球生命至关重要，故而称作地球关键带。

它是地球五大圈层相互作用的边界区域，时刻处于动态演化过程之中。岩石、土壤、水和有机生命通过复杂的相互作用来调控自然生境并提供生命支撑资源，比如食物和淡水。

关键带是地球的外层皮肤

• 在这里，岩石和生命相遇

• 从树冠顶层垂直延伸至地下水底部，都是它的研究范围

• 在这里，岩石、土壤、水、空气和有机生命相互作用，共同塑造地表环境

关键带的空间范围从树冠顶层，穿过土壤，一直延伸至地下水的底部（引自 Chorover, et al., 2007）。

水分和气体在关键带内川流不息，地上、地下一派欣欣向荣的景象。而这一切，都是生物、地质和气候在历史的长河中协同演化的结果。

沧海桑田，在这些因素的共同作用下，土壤得以形成，生命不断演化，地貌持续变迁。土壤是关键带的核心部分，也是地球上异质性最强、最复杂的区域之一。

关键带过程发生的时间跨度极大

关键带的形成受到诸多重要事件的深刻影响，且时间跨度极广，包括秒、时、年、千年甚至漫长的地质年代。通过当前的关键带结构和功能，我们可以读到两方面的信息：短期来看，它反映了关键带对一些自然现象和人为活动的响应，譬如降雨和土地利用变化；长期来看，它反映了关键带对气候变化和构造运动的响应，这主要体现在各个地质时期。

关键带过程供养了地球生命

没有关键带，就没有陆地生命。发生在关键带内部的各种复杂反应调控着一切自然生境，左右了生命支撑资源（比如食物和淡水）的供给。

当然，这还只是关键带的两项基本功能而已！诸如此类的“关键带服务”还有很多，既包括基于生态系统而提供的服务，也涵盖维持生态系统运转的各种水文、地球化学和地貌过程。

人与关键带的相互影响极其深刻

关键带与人类社会存在着错综复杂、千丝万缕的联系，两者相互影响，意义深远。其中有两个问题难以回避，即气候变化和土地利用。当然，还有一些问题也很重要，比如关键带对土壤质量、河流和径流、污染物运移、碳循环的影响。

人类对关键带的影响，可以从以下例子中略窥一二：人类利用了全球30-50%的土地和50%的淡水；在面积上，耕地和牧场已经能够与林地面积分庭抗礼；在美国，每年大于1厘米厚的土壤正从耕地和牧场上流失；在全美的主要的河流中，80%都受到了不同程度的污染。而这一切，都是拜人类所赐。

红壤关键带景观

人们对于关键带的了解还远远不够

尽管关键带对陆地生命至关重要，人们对它的了解还远远不够。对于一些基本的问题，人们还不能很好地回答，譬如：

• 关键带是如何形成的？

• 它是如何运转的？

• 未来又将如何变化？

具体来讲，人们对于关键带中的各种物理、化学和生物过程的耦合方式仍是知之甚少，对于这些过程发生的时空尺度也了解不多。这其中，许多过程是高度非线性的，所发生的时空尺度也极其复杂，有些甚至还是跨尺度的！

人为影响的一个例子：红壤旱地。

要想充分理解这张由物理、化学和生物过程编织的复杂时空网络，需要发展一种综合多个学科知识的方法，而这需要来自水文学、地质学、土壤学、生物学、生态学、地球化学和地貌学等诸多领域专家的通力合作！或许，还要更多。

参考文献

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2020. A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time. Washington, DC: The National Academies Press.

What is the "Critical Zone"? http://criticalzone.org/national/research/the-critical-zone-1national/

美国关键带项目官方网站. http://criticalzone.org

中英关键带项目官方网站. http://www.czo.ac.cn

张甘霖, 史舟, 朱阿兴, 等. 2020. 土壤时空变化研究的进展与未来. 土壤学报.

张甘霖, 朱永官, 邵明安, 2019. 地球关键带过程与水土资源可持续利用的机理. 中国科学-地球科学.

相关阅读

“土壤家”近期文章推荐

“环境与健康观察”近期文章推荐

“土壤观察”近期文章推荐

荐   书

    更多好书，长按识别二维码了解

联系我们请加13719364476微信号（或发邮件至[e-mail]）