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編報告

標(biāo)題: 地球關(guān)鍵帶分類方法與國內(nèi)案例研究 [打印本頁]

作者: 飛翔的阿庫拉 時間: 2021-6-26 21:42
標(biāo)題: 地球關(guān)鍵帶分類方法與國內(nèi)案例研究
本文采用氣候、成土母質(zhì)、土壤類型、地下水深度、地貌類型與土地利用要素構(gòu)建了地球關(guān)鍵帶三級分類方案，并以中國為案例進(jìn)行了地球關(guān)鍵帶區(qū)劃和制圖。提出的地表綜合體分類方案能夠為地表自然資源綜合管理提供科學(xué)依據(jù)，對國內(nèi)外相關(guān)研究提供參考和借鑒。
摘要
地球關(guān)鍵帶是地球表層系統(tǒng)自然綜合體，存在著區(qū)域均一性與差異性。國內(nèi)外學(xué)者已圍繞不同類型的地球關(guān)鍵帶開展了一系列研究，但迄今為止沒有構(gòu)建一個系統(tǒng)的分類體系或進(jìn)行區(qū)域劃分，因此不能綜合反映其區(qū)域特征。
為了適應(yīng)科學(xué)研究與自然資源規(guī)劃的需要，在梳理地球關(guān)鍵帶構(gòu)成及其形成與演化主導(dǎo)影響因素的基礎(chǔ)上，采用氣候、成土母質(zhì)、土壤類型、地下水深度、地貌類型與土地利用要素構(gòu)建了地球關(guān)鍵帶三級分類方案。在遵循地帶性與非地帶性相結(jié)合、地理要素量變與質(zhì)變相結(jié)合的原則下，使用疊置法對主要構(gòu)成要素的高級分類進(jìn)行疊加和綜合，并以中國為案例進(jìn)行了地球關(guān)鍵帶區(qū)劃和制圖。
基于制圖綜合，將中國劃分為44個一級單元、100個二級單元與1448個三級單元。對比分析了三級分類中典型單元的空間分異特征與形成原因，并分析了典型地球關(guān)鍵帶的特征與我國現(xiàn)有觀測站及其類型。通過對比國內(nèi)相關(guān)區(qū)劃工作，討論了地球關(guān)鍵帶分類與區(qū)劃的應(yīng)用價值與相關(guān)問題。
通過分析國內(nèi)外近十年的地球關(guān)鍵帶研究進(jìn)展，指出構(gòu)建地球關(guān)鍵帶演化過程與生態(tài)服務(wù)功能統(tǒng)一的理論框架是該新興領(lǐng)域的重要任務(wù)之一。該研究提出的地表綜合體分類方案能夠綜合體現(xiàn)地球關(guān)鍵帶的區(qū)域差異及其驅(qū)動因子格局，為地表自然資源綜合管理提供科學(xué)依據(jù)，可望對國內(nèi)外相關(guān)研究提供參考和借鑒。
1 引言
地球表層系統(tǒng)由巖石圈、土壤圈、水圈、生物圈、大氣圈等圈層構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)各圈層在垂直和水平方向存在連續(xù)性和變異性，構(gòu)成了一個在三維空間上的立體結(jié)構(gòu)。因此，與任何自然實體一樣，地球表層系統(tǒng)在不同空間尺度內(nèi)可以分割成相對均一的單元。
地球表層系統(tǒng)這一概念，或者說學(xué)術(shù)思想，已有較長的發(fā)展歷程。早在上世紀(jì)50 年代，黃秉維先生擔(dān)任中國自然區(qū)劃工作委員會副主任，協(xié)助竺可楨先生組織我國不同學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家主編了《中國綜合自然區(qū)劃》。1983 年，趙松喬先生提出了“中國綜合自然地理區(qū)劃的一個新方案”，將中國劃分為三個自然區(qū)：東部季風(fēng)區(qū)、西北干早區(qū)和青藏高寒區(qū)（趙松喬, 1983）。1986 年，錢學(xué)森先生提出“地球系統(tǒng)科學(xué)”這一概念，認(rèn)為地理系統(tǒng)是一個“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”。
1980~1990 年代，吳傳鈞先生積極組織地理學(xué)界參與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究，并完成了《中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃》等重大成果。趙松喬等進(jìn)一步指出“土地系統(tǒng)是包括地質(zhì)、地貌、氣候、水文、植被、土壤等全部自然地理要素的綜合體”（趙松喬等, 1988），陸大道等（1988）指出地球表層與社會經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)。上述系列研究工作和探索雖然從概念上提出了“地球表層系統(tǒng)”，但對地表系統(tǒng)本身并沒有定義明確的邊界，因此較長時間以來僅停留在概念上而缺乏可操作的實體對象。
本世紀(jì)初，美國國家研究委員會提出“地球關(guān)鍵帶”（Earth’s Critical Zone）的概念（National Research Council, 2001），并指出地球關(guān)鍵帶研究是21 世紀(jì)地球科學(xué)研究的前沿。在這一理論框架中，以地球關(guān)鍵帶這一概念對地球表層系統(tǒng)進(jìn)行了具有操作意義上的劃分，在垂直維上包含了從巖石—土壤風(fēng)化界面到植被冠層頂部的近地表大氣，因此從內(nèi)涵上包括了上述所有圈層。地球關(guān)鍵帶這一概念可以說在國際上首次為地球表層系統(tǒng)科學(xué)研究提供了一個可以操作的實體框架。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，這也正是本研究試圖解決的問題。
目前，全球已建立了60 多個比較系統(tǒng)的地球關(guān)鍵帶觀測站（Giardino 和Houser, 2015），相關(guān)研究重點關(guān)注區(qū)域觀測，著重理解地表過程各要素的響應(yīng)與交互機理。地球關(guān)鍵帶觀測站群的構(gòu)建與科學(xué)研究已取得階段性進(jìn)展（Lin, 2010; Banwart 等, 2011; Shao 等, 2018），但仍有諸多問題有待于進(jìn)一步拓展，例如物質(zhì)和能量在地球關(guān)鍵帶內(nèi)部的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移機制、氣候變化對地球關(guān)鍵帶演化的影響等。目前地球關(guān)鍵帶科學(xué)觀測與模擬主要集中在田間尺度與流域尺度，處于以“典型類型”為對象的站點研究階段。
地球關(guān)鍵帶分類首先要解決的問題就是確定分析的對象。地球關(guān)鍵帶的各組成要素均是空間連續(xù)的獨立系統(tǒng)。對于地表綜合體的劃分，前人已經(jīng)有些嘗試，其中最具代表性和系統(tǒng)性的是SOTER 的概念與劃分（Van Engelen, 1993; Zhang 和Zhao, 2008），SOTER 是土壤（SOil）和地體（TERrain）綜合體的簡稱，綜合了土壤和巖石的類型，并據(jù)此開展了一些區(qū)域的實驗性研究（Igué 等, 2004; Batjes, 2008）。
Lü 等（2019）使用地質(zhì)、生態(tài)、氣候、社會經(jīng)濟等指標(biāo)對我國黃土高原進(jìn)行了地球關(guān)鍵帶類型劃分。黃土高原地質(zhì)、地貌、氣候與土壤類型相對而言較為均一，但該研究已經(jīng)具備了地球關(guān)鍵帶分區(qū)和分類思想。雖然大量學(xué)者已從功能、種類、特征的角度研究了各基礎(chǔ)要素的分類或區(qū)劃，但如何集成這些分類信息對地球關(guān)鍵帶二次分區(qū)是研究的難點和重點問題。國際上對于這個問題的認(rèn)識尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論。
無論是地球表層系統(tǒng)，還是地球關(guān)鍵帶，或者SOTER，都是對地球表層系統(tǒng)認(rèn)知的方**，在自然資源綜合管理上具有工具價值。為了更加清晰地認(rèn)識地球關(guān)鍵帶系統(tǒng)的空間變異性，以及由此決定的物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化過程的特征及其對陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，有必要對其進(jìn)行類型的劃分和空間區(qū)劃，這種劃分對不同類型的地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究和自然資源綜合管理具有重要的指導(dǎo)意義。
本文提出了三級地球關(guān)鍵帶分類的原則與具體方法，探討了該分類體系的普適性，以中國的地球關(guān)鍵帶類型劃分為例，對比討論了該分類體系的合理性與不足，以期為國內(nèi)外相關(guān)研究提供參考。
2 材料與方法
2.1 分類依據(jù)、原則與方法
分類是地理分區(qū)的理論基礎(chǔ)，地球關(guān)鍵帶的分類重點體現(xiàn)相對一致性原則，即注重不同等級區(qū)域內(nèi)部特征的一致性與變異特征。相同區(qū)域是統(tǒng)一、相似發(fā)展過程的結(jié)果。因此，不同分類等級的同一類型的區(qū)域必須體現(xiàn)發(fā)展過程的相似性。為了綜合反映不同圈層的交叉作用機理、形成演化影響因素、組成與結(jié)構(gòu)特點、生態(tài)服務(wù)等主題，本文構(gòu)建了三級分類體系。第一級：基于成土母質(zhì)（母巖）與氣候要素。第二級：在第一級的基礎(chǔ)上增加土壤類型要素。第三級：在前二級的基礎(chǔ)上增加地下水深度、地貌類型和土地利用要素（圖1）。
地球表層各要素的空間分布充分體現(xiàn)了量變到質(zhì)變的連續(xù)特征（鄭度等, 2005），在實際的區(qū)劃實踐中很難找到一條自然的邊界線，這種分界線多以地帶的形式存在，例如山地、溫度等高線等。如何客觀地體現(xiàn)地球關(guān)鍵帶各組成要素的過渡特征，也是最大程度反映各等級地球關(guān)鍵帶類型分異程度的技術(shù)難點之一。
因此，類似于綜合自然地理區(qū)劃的疊置法（倪紹祥, 1994），我們盡量使用較為成熟的區(qū)劃成果或高級分類等級，在對類型歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上使用各地理要素的最高分類級別進(jìn)行綜合疊加。各級別地球關(guān)鍵帶的生成采用地理單元疊加的方法，疊加操作產(chǎn)生的面積較小的圖斑按照其相鄰圖斑的大小與相鄰邊長度進(jìn)行融合，各級別單元的命名規(guī)則如表1 所示。
第一級分類：地球關(guān)鍵帶在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為垂直分層、水平分異、立體交叉和多級嵌套的特征（圖1）。在空間上，各圈層不是截然分開的，而是相互交叉、相互滲透，構(gòu)成了一個立體交叉的結(jié)構(gòu)，其主要控制因素包括成土母質(zhì)（母巖）與氣候。土壤和巖石作為地球表層系統(tǒng)的重要組分，必然是系統(tǒng)分類判別的重要依據(jù)之一。
成土母質(zhì)既繼承了巖石的特性，也是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，是巖石圈和土壤圈的過渡環(huán)節(jié)，故可作為巖石圈和土壤圈的代表，成為地球表層系統(tǒng)分類的重要依據(jù)。另外，氣候是影響地球關(guān)鍵帶最復(fù)雜和作用最持久的外在因素，通過水熱條件來影響其形成與演化，例如溫度狀況將影響巖石和風(fēng)化殼中礦物的風(fēng)化、有機質(zhì)的合成與分解等；降雨能夠直接影響系統(tǒng)中物質(zhì)的遷移。
第二級分類：巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運、堆積等過程在地表形成疏松多孔的成土母質(zhì)，成土母質(zhì)再經(jīng)物理、化學(xué)及生物作用最終形成土壤。土壤圈位于巖石圈、水圈、生物圈及大氣圈交界處，對其他圈層具有重要的交互作用、界面過程及反饋影響（趙其國, 2003）。
土壤被視為地球的皮膚，是地球關(guān)鍵帶地下部分的核心組分，也是最活躍的圈層，是地球關(guān)鍵帶中物質(zhì)、能量和信息流動與轉(zhuǎn)化的最重要載體之一（Lin, 2010; 朱永官等, 2015）。土壤類型是將具有共性的土壤進(jìn)行分門別類的量化表達(dá)，高級分類單元是對典型的土壤類型進(jìn)行概括與歸納，在大范圍的地球關(guān)鍵帶類型劃分中具有重要的指示作用。因此，地球關(guān)鍵帶第二級分類中增加了土壤類型這一要素。
第三級分類：在縱向上，地球關(guān)鍵帶的上邊界是植物冠層，下邊界是含水層或者基巖層與半風(fēng)化體的接觸面。地球關(guān)鍵帶的主體部分存在于地下，因此，第三級分類需要考慮到地下水深度與水文地質(zhì)。為了體現(xiàn)更多的生態(tài)信息、土壤發(fā)生過程與水文過程，還需要考慮植被類型、地貌類型與土地利用信息。
然而，水文地質(zhì)信息包含了地層巖性信息，可能與部分地區(qū)的成土母質(zhì)信息重復(fù)；植被類型通常取決于氣候、土壤類型與地貌類型，如果同時考慮以上所有要素將導(dǎo)致分區(qū)信息冗余。如果考慮的要素數(shù)目過多，會導(dǎo)致生成的區(qū)劃圖圖斑更破碎，不利于生產(chǎn)實踐與科學(xué)研究的使用。因此，第三級分類增加了三類地理環(huán)境要素：地下水深度、地貌類型與土地利用，但這些要素并非需要同時使用。
編碼機制：氣候、成土母質(zhì)與土壤類型的種類超過10 但又小于26，分別使用大小寫字母進(jìn)行標(biāo)識。地下水深度、地貌類型與土地利用要素的種類數(shù)小于10，使用數(shù)字進(jìn)行標(biāo)識。為了簡化命名，針對第三級分區(qū)單元新建了一個“縮寫名稱”的字段，以凸出主要的影響因素。
由于氣候要素的重要性，第三級分區(qū)不對氣候要素進(jìn)行簡化。考慮到第三級分區(qū)涉及到的要素較多，為了體現(xiàn)編碼的繼承性，縮寫名稱中因簡化而刪除的要素使用橫線作為占位符。如果編碼的后幾位全是占位符，則可以省略。
2.2 數(shù)據(jù)介紹
為了檢驗所提出分類系統(tǒng)的合理性，本文以中國為研究樣區(qū)，對中國的三級地球關(guān)鍵帶單元進(jìn)行區(qū)劃。本文使用的數(shù)據(jù)主要包括成土母質(zhì)（母巖）、氣候、土壤類型、地貌類型（周成虎等, 2009）、地下水深度（Fan 等, 2013）與土地利用（2005 年）（http://www.geodata.cn）。成土母質(zhì)（母巖）、與氣候圖層分別由中國成土母質(zhì)類型圖（熊毅, 1986）、中國氣候區(qū)劃圖（丁一匯, 2013）數(shù)字化。
氣候數(shù)據(jù)主要包含了溫度帶與干濕區(qū)類型。成土母質(zhì)數(shù)據(jù)主要包含了巖石風(fēng)化物與松散沉積物兩大類，并包含這兩大類的12 種子類?；谥袊寥老到y(tǒng)分類，土壤類型圖包含了14 種土綱與非土壤類型（龔子同等, 1999）。地下水深度數(shù)據(jù)為Fan 等（2013）使用地下水模型與氣候、地形與海平面等環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測的結(jié)果。地貌類型圖以起伏高度為主，包含了平原、丘陵、山地與臺地4 種分類單元。中國1:25 萬土地利用數(shù)據(jù)是在全國1:10 萬土地利用數(shù)據(jù)和遙感分類數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上編制完成，包含了森林、草地、農(nóng)田、聚落、水體與荒漠6 個類別。
3 結(jié)果
3.1 地球關(guān)鍵帶區(qū)域分布
基于成土母質(zhì)（母巖）與氣候類型，第一級分區(qū)包含了44 個單元（附圖1）。由附圖1可以看出，中亞熱帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖區(qū)占據(jù)了最大的面積（9.2%）（附表1），此類地球關(guān)鍵帶主要分布在長江流域。其次是中溫帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖區(qū)（7.2%），主要分布在內(nèi)蒙古北部與新疆北部。青藏高原區(qū)域的高原亞寒帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖區(qū)與高原溫帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖區(qū)也占據(jù)了較大的面積（6.6%，6.2%）。
在第一級分區(qū)的基礎(chǔ)上加入土壤類型這一要素，經(jīng)過破碎圖斑的融合得到中國地球關(guān)鍵帶的第二級分區(qū)（附圖2）。其中，中溫帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖-干旱土區(qū)的覆蓋面積最大（4.3%），主要分布于內(nèi)蒙古北部與新疆北部。該地區(qū)為典型的干旱土區(qū)域，植被覆蓋度低，降雨稀少。
由于雛形土在中國覆蓋范圍較大，地球關(guān)鍵帶第二級分區(qū)圖中面積覆蓋較大的單元還包括ElM（3.7%）、HlM（3.6%）、IlM（3.2%）與CcM（2.8%）（附表2），成土母質(zhì)主要為碎屑沉積巖及相應(yīng)的變質(zhì)巖風(fēng)化物，氣候帶為中亞熱帶（長江流域）、高原溫帶（青藏高原東部）、高原亞寒帶（青藏高原中部）與暖溫帶（華北平原）。
地球關(guān)鍵帶一二級區(qū)劃具有較好的繼承性，這主要因為土壤類型具有較強的地域規(guī)律性。在第二級分區(qū)的基礎(chǔ)上，考慮地下水深度、地貌與土地利用要素后，疊加生成的第三級地球關(guān)鍵帶顯著提升了圖斑的破碎程度（圖2）。為了體現(xiàn)這些分區(qū)在國家尺度上的空間分布特征，按照面積百分比排序，列舉前10 個最具有代表性的類型（表2）。
暖溫帶-沖積物-雛形土-淺層地下水-平原-農(nóng)田區(qū)（編碼：CcM113）面積最大，為中國總面積的2.08%，主要分布于華北平原。其次是分布在云貴高原、東南丘陵的中亞熱帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖-雛形土-深層地下水-山地-森林區(qū)（ElM331）（2.07%）與分布在云貴高原的中亞熱帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖-淋溶土-深層地下水-山地-森林區(qū)（ElL331）（2.01%）。
3.2 典型地球關(guān)鍵帶特征分析
以中國第三級地球關(guān)鍵帶的前10 大單元（表2）為例，統(tǒng)計各單元的環(huán)境因子信息（表3）。地球關(guān)鍵帶深度為地表到風(fēng)化層底部的垂直厚度（Pelletier 等, 2016）。
為凸顯各要素的宏觀影響，將相似的地球關(guān)鍵帶單元進(jìn)行對比分析，如HlM332（高原溫帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖-雛形土-深層地下水-山地-草地區(qū)）與IlM332（高原亞寒帶-碎屑沉積巖、變質(zhì)巖-雛形土-深層地下水-山地-草地區(qū)）、EkK331（中亞熱帶-石灰質(zhì)沉積巖、變質(zhì)巖-富鐵土-深層地下水-山地-森林區(qū)）與EkL331（中亞熱帶-石灰質(zhì)沉積巖、變質(zhì)巖-淋溶土-深層地下水-山地-森林區(qū)）。
HlM332 與IlM332 的成土母質(zhì)、土壤類型與土地利用等要素基本一致，但氣候特征有一些區(qū)別，例如年均氣溫分別是5.0℃、1.0℃。青藏高原地區(qū)植物初級生產(chǎn)力較低，有機質(zhì)的聚積主要是草氈狀腐殖質(zhì)積累過程。
微小的溫度差異對這兩個區(qū)域的土壤有機碳濃度產(chǎn)生了巨大影響，例如HlM332 與IlM332 的土壤有機碳含量分別是27.4g kg?1、37.5g kg?1。EkK331 與EkL331 的環(huán)境要素統(tǒng)計沒有較大的差別，EkL331 地區(qū)的高程（1071m）與坡度（5.8°）略高于EkK331 地區(qū)，但EkK331 的年均氣溫（17.8℃）與年均降雨（1423mm）略高于EkL331。
這兩個區(qū)域的主要區(qū)別是土壤類型的差異，體現(xiàn)了不同成土環(huán)境對土壤性態(tài)特征的影響。EkK331 的主要成土過程是脫硅富鋁化過程，由于土壤礦物的風(fēng)化，形成了弱堿性條件，可溶性鹽、堿金屬和堿土金屬鹽基及硅酸大量流失，導(dǎo)致了鐵、鋁在土體內(nèi)相對富集。EkL331 地區(qū)的主要發(fā)生過程是黏化作用，風(fēng)化成土過程中黏粒的生成、遷移與淀積導(dǎo)致了特定土層中黏粒含量增加的現(xiàn)象（黏化層）。
3.3 我國典型地球關(guān)鍵帶觀測站及其類型
地球關(guān)鍵帶中發(fā)生的物理、化學(xué)和生物過程均與人類活動密切相關(guān)，在不同的地理區(qū)域起主導(dǎo)作用的環(huán)境因子也迥異。我國新近在生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）的基礎(chǔ)上，基于研究項目先后在4 個典型生態(tài)站開展了以地球關(guān)鍵帶觀測為標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)觀測（張甘霖等, 2019）（表4），并開展了地球關(guān)鍵帶過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究。
由于喀斯特地區(qū)特殊的成土母質(zhì)，我國喀斯特地區(qū)人地矛盾突出，主要體現(xiàn)在石漠化的快速擴展（Liu 等, 2019）、成土物質(zhì)的先天不足（錢慶歡等, 2018）等，不同等級的地球關(guān)鍵帶分類對于理解區(qū)域尺度上碳酸鹽巖巖石對土壤存量與物質(zhì)循環(huán)的影響提供了有效的數(shù)據(jù)支撐（Wang 等, 2020）。
土壤在地球關(guān)鍵帶中的核心地位導(dǎo)致土壤安全能夠顯著影響其他的要素，這一點在城郊區(qū)域尤為顯著（朱永官等, 2015）。地球關(guān)鍵帶分類信息的綜合利用，有望有助于城市/城郊關(guān)鍵帶對于生物地球化學(xué)循環(huán)及不同土地利用類型下物質(zhì)的時空分布規(guī)律的認(rèn)識（Tang Q 等, 2019; TangJ 等, 2020），進(jìn)而為促進(jìn)城市/城郊的和諧發(fā)展提供指導(dǎo)。
我國紅壤地區(qū)的低山丘陵長期受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，雨季旱季分明（Wang 等, 2019），集約化的農(nóng)業(yè)對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)保護(hù)帶來了潛在的威脅（Tahir 等, 2016; Wu 等, 2019），準(zhǔn)確識別紅壤地區(qū)的成土母質(zhì)、土壤類型、地下水深度等土壤信息的空間分布特征（Song 等, 2019），對于正確理解自然和人為作用下紅壤風(fēng)化與形成的關(guān)鍵過程、速率及其驅(qū)動機制具有一定的借鑒意義。
由于獨特的地貌特征與地理位置，黃土高原有近三分之二的地區(qū)處于干旱/半干旱地區(qū)（Shao 等, 2018），退耕還林還草實施了二十年，已導(dǎo)致黃土高原的土地利用發(fā)生了劇烈的變化，這與該地區(qū)人為擾動、氣候與成土母質(zhì)的主導(dǎo)作用密切相關(guān)（表4），因此，黃土高原關(guān)鍵帶的構(gòu)建，系統(tǒng)研究了季風(fēng)區(qū)黃土高原多尺度土壤水文過程，闡明了土壤水文過程對重大生態(tài)工程的響應(yīng)機制，對于評估黃土高原生物和工程治理的環(huán)境效應(yīng)具有重要的參考價值。
4、討論
4.1 地球關(guān)鍵帶類型的分布特征
在區(qū)劃原則上，傳統(tǒng)的地理對象區(qū)劃較多圍繞一種或多種要素在水平/垂直維度的空間分異特征，地球關(guān)鍵帶的分類體系在某種程度上借鑒了綜合自然區(qū)劃的思想（表5）（鄭度等, 2005）。
在區(qū)劃方法上，傳統(tǒng)的地理對象區(qū)劃往往采用多種地理要素，特別注重地理要素空間分異特征的主要因素，例如中國綜合自然地理區(qū)劃中自然區(qū)（第一級單元）的劃分綜合考慮了氣候與地貌等指標(biāo)在不同地區(qū)的重要性（倪紹祥, 1994）。
本文提出了一套地球關(guān)鍵帶三級分類的原則與具體方法，并以中國為研究區(qū)，初步顯示了該分類體系在地球關(guān)鍵帶區(qū)劃應(yīng)用的合理性。
與傳統(tǒng)的地理對象區(qū)劃不同（表5），本文提出的分類體系更多的是對地球關(guān)鍵帶這一地球表層綜合體進(jìn)行表征、命名與歸類，具有一定的普適性，有望在更多的地理區(qū)域進(jìn)行嘗試。應(yīng)指出，由于地球關(guān)鍵帶的演化離不開多圈層中物理、化學(xué)、水文過程的耦合，僅僅凸顯個別要素的主導(dǎo)作用難以充分體現(xiàn)各分區(qū)間的異同。
這也間接導(dǎo)致了使用疊置法制作的第三級分區(qū)命名較長、要素眾多（表2），在實際使用過程中需要參考相關(guān)工作的編碼機制（程維明等, 2019），同時需要有進(jìn)一步的研究依據(jù)過程和功能的異同進(jìn)行區(qū)域的合并或者拆分。
以我國為例，應(yīng)用該分類體系對我國典型地球關(guān)鍵帶群體進(jìn)行區(qū)域的劃分與歸納。它是綜合自然區(qū)劃的組成部分，也是農(nóng)業(yè)區(qū)劃、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、國土整治區(qū)劃的基礎(chǔ)。我國國土遼闊，自然環(huán)境獨特，地球關(guān)鍵帶類型多樣，其特征和組合分布的地區(qū)差異極大（陳發(fā)虎等,2019）。從氣候、地貌到地下水類型、深度，地球關(guān)鍵帶的三級分區(qū)能夠較好地反映我國不同區(qū)域典型地理單元的特征（表3）。
由于我國人口眾多，耕地和水資源相對緊缺，生態(tài)環(huán)境退化，人口需求與資源供給之間的矛盾日益尖銳。從地球關(guān)鍵帶研究視角出發(fā)，綜合水、土、氣、生、巖間的過程及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，實現(xiàn)因地制宜、分區(qū)規(guī)劃、分類指導(dǎo)，有望為生態(tài)系統(tǒng)管理和決策提供依據(jù)（曹世雄等, 2018）。
據(jù)不完全統(tǒng)計，中國科學(xué)院已先后構(gòu)建了212 個野外臺站（http://www.cas.cn/zt//kjzt/ywtz/），不同臺站網(wǎng)絡(luò)的建立基本上圍繞了不同的主題，例如中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）、中國科學(xué)院特殊環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、中國科學(xué)院日地空間環(huán)境觀測臺鏈等。以CERN 為例，臺站的選址主要圍繞我國主要的生態(tài)系統(tǒng)。
一方面，對比已構(gòu)建的CERN 臺站與第二級地球關(guān)鍵帶區(qū)劃圖，可以發(fā)現(xiàn)這些臺站基本上屬于不同的地球關(guān)鍵帶類型區(qū)（附圖2），相關(guān)臺站的擴建需要考慮更多的代表性生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)，考慮更多氣候、土壤、植被等要素的地域差異，以豐富我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
另一方面，盡管已經(jīng)較為系統(tǒng)地涵蓋了我國代表性的生態(tài)系統(tǒng)，也充分兼顧考慮了生物與非生物要素的地理相關(guān)性，但從代表性的地球關(guān)鍵帶空間分布特征來看（圖2），這些CERN 臺站未來可進(jìn)一步考慮地理要素在同一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的空間變異性（表3）。
地球關(guān)鍵帶第一級、二級分區(qū)的重要差別是對土壤類型的考慮。這是因為土壤是地球關(guān)鍵帶的核心組成部分，這種核心不僅體現(xiàn)在土壤圈位于各大圈層的交界處，也體現(xiàn)在地球關(guān)鍵帶各種過程發(fā)生最為密集的區(qū)域（Lin, 2010; Grunwald 等, 2011; Guo 和Lin, 2016）。
地球關(guān)鍵帶具有明顯的地域性，是涉及不同圈層作用的綜合研究（張甘霖等, 2019）。然而，自然資源和生態(tài)功能的分布格局復(fù)雜多變，其形成和演變是一個復(fù)雜的非線性過程，不同區(qū)劃單元由于自然或人為因素存在著水平方向的空間耦合關(guān)系。不同等級的分區(qū)充分體現(xiàn)了這一點（附表1、表2）。
以第一級分區(qū)中的北亞熱帶-湖積物區(qū)（編碼：Dg；附圖1）為例，該單元的二級分類進(jìn)一步劃分為北亞熱帶-湖積物-雛形土區(qū)（DgM）與北亞熱帶-湖積物-人為土區(qū)（DgB）。盡管這兩個區(qū)域因土壤類型的不同而劃分為兩個獨立的區(qū)域，但是該區(qū)域由于人口密度大、社會經(jīng)濟發(fā)達(dá)、交通便利存在著頻繁的社會經(jīng)濟互動，高級別的類型（附圖1）更能為具體應(yīng)用的研究、評價和管理提供合適的區(qū)劃邊界。
結(jié)合部分地球關(guān)鍵帶類型的分布特征與環(huán)境指標(biāo)分析，可以發(fā)現(xiàn)某些主導(dǎo)環(huán)境要素是導(dǎo)致地球關(guān)鍵帶單元具有明顯差異的主因（表3，圖2）。類似地，國際上已有一系列地球關(guān)鍵帶觀測站重點關(guān)注某一地理要素在地球關(guān)鍵帶演化過程中的作用。
例如美國的頁巖山（Susquehanna Shale Hills）關(guān)鍵帶觀測站（SSHCZO）重點關(guān)注普遍存在的頁巖基巖對于森林水利用、山地流域建模與土壤水分動態(tài)的影響，通過實時傳感器監(jiān)測受氣候變化與人為擾動影響的環(huán)境退化。
南部山脈（Southern Sierra）關(guān)鍵帶觀測站（SSCZO）重點關(guān)注水循環(huán)尤其是雨-雪轉(zhuǎn)換過程對于地球關(guān)鍵帶過程的驅(qū)動及其對氣候變化的響應(yīng)。博爾德河（Boulder Creek）關(guān)鍵帶觀測站（BCCZO）重點關(guān)注小流域過程觀測與模擬，理解土壤侵蝕與巖石風(fēng)化對于地球關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)演變的影響（http://criticalzone.org/national）。
4.2 地球關(guān)鍵帶分類與區(qū)劃在地球關(guān)鍵帶科學(xué)中的應(yīng)用
作為固態(tài)地球及其流體包裹體的動態(tài)界面，地球關(guān)鍵帶由一系列物理、化學(xué)、生物過程的復(fù)雜聯(lián)系與反饋所驅(qū)動。這些過程大致可以分為4 類：（1）地質(zhì)構(gòu)造：由地幔中的能量驅(qū)動，通過巖漿、斷層、隆起、塌陷等方式影響地表宏觀形態(tài)；（2）風(fēng)化作用：主要受大氣圈與水文圈動力驅(qū)動，主導(dǎo)了土壤發(fā)育、侵蝕等過程；（3）流體運動：受氣壓梯度驅(qū)動，影響景觀特征并對物質(zhì)進(jìn)行再分配；（4）生物活性：由營養(yǎng)元素主導(dǎo)，影響了巖石、土壤、水、空氣中的化學(xué)循環(huán)（National Research Council, 2001）。
上述非線性地球關(guān)鍵帶過程的時空跨度非常大，例如從分子級的土壤微生物到全球尺度的生物群落、從土壤的瞬時狀態(tài)到第四紀(jì)的沉積過程。Guo 與Lin（2016）將現(xiàn)有地球關(guān)鍵帶研究的特征歸納為“深時（Deep time）”、“深度（Deep depth）”與“深耦合（Deep coupling）”。2007 年，美國國家科學(xué)基金會批準(zhǔn)了首批地球關(guān)鍵帶觀測站（Anderson 等, 2008），以加深地表過程耦合與集成的理解。
上述地球關(guān)鍵帶過程（物理、化學(xué)和生物過程）控制了土壤發(fā)育、地下水分布與質(zhì)量、化學(xué)元素循環(huán)等，并顯著調(diào)節(jié)了各種能量與礦產(chǎn)資源的發(fā)生。本文的分類方案綜合考慮了地球關(guān)鍵帶過程涉及到的不同圈層在交叉作用機理、形成演化影響因素、組成與結(jié)構(gòu)特點等因素上的差異，系統(tǒng)地將迥異的地理要素進(jìn)行合并歸納，篩選出了具有一定空間相似性的地理單元。
這也符合當(dāng)前研究的趨勢——地球關(guān)鍵帶演化與功能的統(tǒng)一理論框架（Duffy 等, 2014），例如，現(xiàn)有研究正試圖將水文、地球化學(xué)、地貌與生物過程的耦合關(guān)系構(gòu)建綜合的概念模型（Grimaud 等, 2015; Guo 和Lin, 2016; Xu 和Liu, 2017）。
因此，準(zhǔn)確地理解地球關(guān)鍵帶類型對不同時空尺度的地球表層系統(tǒng)過程的影響與表征作用能夠更好地促進(jìn)不同圈層交互作用的研究，進(jìn)而有效地從宏觀視角評估人類活動對于地表的影響。
從生態(tài)功能角度出發(fā)，地球關(guān)鍵帶區(qū)劃能夠為生態(tài)區(qū)域識別提供詳實的數(shù)據(jù)支持（樊杰,2015; Jin 等, 2016）。Jin 等（2016）使用氣候、土壤、遙感影像進(jìn)行生態(tài)區(qū)域劃分，更側(cè)重于減少生態(tài)區(qū)域內(nèi)部土地覆蓋類型對于生態(tài)區(qū)域劃分的影響。從社會經(jīng)濟角度出發(fā)，樊杰（2015）采用地域功能識別指標(biāo)體系評價了中國的地域功能適宜性，進(jìn)而總結(jié)國土空間保護(hù)和利用基本格局的建議。
與上述研究不同的是，本文從地球關(guān)鍵帶演化的宏觀視角出發(fā)，使用地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究中的核心地理要素構(gòu)建了三級區(qū)劃單元圖，這些不同等級的區(qū)劃單元不僅能夠揭示各級單元的地理位置與各要素的空間分異特征，也能夠從微觀角度定性各級區(qū)劃單元在地球表層系統(tǒng)的特征及其相互作用過程。
需要指出的是，區(qū)劃的目的、原則與指標(biāo)決定了詮釋的視角與具體應(yīng)用的目標(biāo)導(dǎo)向，地理要素的綜合程度與單一要素的凸顯度是成反比的，這也間接導(dǎo)致了綜合性區(qū)劃工作不如部門/單要素區(qū)劃的應(yīng)用價值高（鄭度等, 2005; 樊杰, 2019）。地球關(guān)鍵帶分類與區(qū)劃具有實踐和科學(xué)認(rèn)識的雙重目的，基于劃分的多等級類型，地球關(guān)鍵帶研究可以立足其演化對區(qū)域水資源、土壤功能、生態(tài)環(huán)境等的影響。
本文提出的三級分類體系綜合了地球表層自然環(huán)境要素和人為要素的特征，如氣候、地下水、地形、成土母質(zhì)和土地利用，對這些要素的綜合分類客觀反映了各區(qū)域的水土資源、環(huán)境承載力與生態(tài)功能狀況的宏觀分布，能夠在一定程度上為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)與決策支持。
不同等級的中國地球關(guān)鍵帶類型區(qū)劃（附圖1、附圖2）在實際應(yīng)用中還需要與其他的專題圖進(jìn)行有機的結(jié)合，例如全國生態(tài)功能區(qū)劃（國家環(huán)境保護(hù)部和中國科學(xué)院, 2008）、中國生態(tài)區(qū)劃（傅伯杰等, 2001）等。
地球關(guān)鍵帶科學(xué)涉及到諸多學(xué)科，絕大多數(shù)研究需要借助詳實的調(diào)查數(shù)據(jù)來驗證科學(xué)假設(shè)（陳發(fā)虎等, 2019），獲得對地球表層系統(tǒng)多過程耦合關(guān)系的認(rèn)知。然而，目前大多數(shù)的地球關(guān)鍵帶研究集中在單一觀測站分析結(jié)果，較少關(guān)注不同觀測站研究的對比分析（Guo 和Lin, 2016）。盡管當(dāng)前的觀測區(qū)域具有獨特的結(jié)構(gòu)與過程特征，但是不同類型地球關(guān)鍵帶之間所呈現(xiàn)的共性規(guī)律尚未得到足夠的重視。
基于此，相關(guān)研究的另一挑戰(zhàn)是如何將不同時間序列的多站點觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整合、同化，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的方式揭示普適的地球關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)特征、演化與過程機理（Bui, 2016）。尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)為此提供了一定的思路指導(dǎo)。升尺度轉(zhuǎn)換是將高空間分辨率、小空間范圍（小尺度）的信息推譯至低空間分辨率、大空間范圍（大尺度）。
基于地球關(guān)鍵帶類型的分析（表4），可以綜合歸納不同氣候、母質(zhì)、土壤類型條件下，地球關(guān)鍵帶過程所體現(xiàn)的特征在空間上的分布規(guī)律，進(jìn)而為相似、臨近區(qū)域的科學(xué)研究提供借鑒。如果假設(shè)這些相近的地理單元具有同構(gòu)的特性，部分地球關(guān)鍵帶觀測站的實時/準(zhǔn)實時多傳感器觀測數(shù)據(jù)、動態(tài)耦合過程測量、不同時空尺度的地球關(guān)鍵帶過程理解可望構(gòu)建升尺度模型，進(jìn)而服務(wù)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評估（曹世雄等, 2018）。
5 結(jié)論與展望
本文提出的地球關(guān)鍵帶三級分類體系更多的是對地球表層綜合體進(jìn)行表征、命名與歸類，以中國地球關(guān)鍵帶的類型劃分為例，證明了該分類體系一定程度的可行性，有望在不同空間尺度的地理區(qū)域進(jìn)行嘗試。地球關(guān)鍵帶分類與區(qū)劃是綜合自然區(qū)劃的組成部分，也是農(nóng)業(yè)區(qū)劃、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、國土整治等的基礎(chǔ)。
地球關(guān)鍵帶研究具有明顯的地域性，是涉及不同圈層作用的綜合研究，其研究的重要趨勢是地球關(guān)鍵帶演化與功能的統(tǒng)一理論框架，應(yīng)基于不同的耦合過程模型來追蹤物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)而揭示地球關(guān)鍵帶功能對于人為活動、氣候變化與地質(zhì)構(gòu)造驅(qū)動力的響應(yīng)機理。
結(jié)合文獻(xiàn)綜述與本文工作，未來這一主題的科學(xué)研究不能僅停留在基于小流域或站點觀測。本研究提供的地球關(guān)鍵帶區(qū)劃具有實踐和科學(xué)認(rèn)識的雙重目的，可以作為地球表層系統(tǒng)研究的出發(fā)點與綜合框架。結(jié)合地球關(guān)鍵帶類型構(gòu)建定量升尺度模型，綜合分析不同氣候、母質(zhì)、土壤類型條件下，地球關(guān)鍵帶過程所體現(xiàn)的特征在空間上的分布規(guī)律，能夠為相似、臨近區(qū)域的科學(xué)研究提供借鑒，有望更好的服務(wù)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃。

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