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地球關鍵帶過程與水土資源可持續利用的機理

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水土資源是人類生存和發展的基礎。理解區域水土資源現狀,演變機理是實現有效的預防和可持續利用的替代。中國是受水土資源嚴重破壞的國家,由于受到氣候,地形等自然成土因素所決定的土壤形成過程的控制,加之利用歷史,利用強度,管理水平等的差異,區域水土資源稟賦與安全水平差異明顯。

作為地表系統-水,土,氣,生,巖-的核心構成,水的循環和土壤的形成演化過程必然會受到系統各要素之間相互作用的影響,從而影響水,土資源質量和安全。為了深入理解這一復雜開放系統,需要從整體上深入研究地表系統各要素間的相互作用。2001年美國國家研究指標在《地球科學基礎研究可能性》中提出的地球關鍵帶概念為研究上述問題提供了新的理念(NRC,2001年)。地球關鍵帶是指植物冠層頂端至地下底部的垂直連續體域(NRC,2001),涵蓋了地表系統水,土,氣,生,巖各要素,囊括了人類活動通常所能影響到的所有區域,并為人類乃至所有生命生存和發展提供了所需的生態系統服務功能。可以說,地球關鍵帶為地球表層系統研究提供了可操作的對象,使地表系統研究有了明確和清晰的三維空間,為多學科綜合研究替代了基礎。

關鍵帶科學作為21世紀地球科學基礎研究的前沿,從系統和跨學科的角度來看,為研究水土資源與地表系統各要素間的相互作用提供了新的思路(NRC,2001年)。關鍵帶觀測站作為大自然的實驗室,通過系統觀察和模擬,為理解和預測自然和人為作用下關鍵帶中水,土資源的歷史,現狀和未來提供了研究平臺。隨著人為活動的增強,水,土自然演變過程被明顯改造,水,土資源可持續利用面臨嚴峻挑戰。采用關鍵帶科學的研究思路,為尋求系統的解決方案開辟了新的途徑。地表系統中土壤的形成演化,擴展的形成和水質,都與關鍵帶中要素相互作用特別是生物和非生物過程之間的相互作用有關,例如土壤形成與侵蝕共同影響了土壤資源的可持續利用,兩個過程的速率相對大小決定了土壤厚度的變化。因此,僅了解土壤形成或侵蝕的一個方面,很難全面明晰土壤資源的可持續性。而關鍵帶科學則從系統科學的角度理解土壤與巖石,生物,水,大氣等要素的相互作用,基于土壤形成和侵蝕的動態平衡來理解維持土壤資源的可持續利用機理。又如水的消耗與增加生長將植物,大氣,水,土壤等要素相互聯系在一起,各要素的相互作用影響了擴展的形成和分布以及植物的分布,多樣性和替代等,深入理解浪費與產生生長的關系需要從系統科學的角度將植物-水-大氣-土壤作為一個整體。同樣,生物地球化學循環過程如氮素循環,與摻入滲漏,地表徑流,土壤水運動,植物水利用,遷移遷移等水文過程密切相關,而水文過程驅動的氮素等物質的遷移及其其在不同要素界面之間進行物質交換和分配,僅關注地表或地下遷移難以全面解釋釋氮素等物質循環的全過程,也難以準確預知氮素損失對伸長質量的影響。

自2007年美國建立了首批3個關鍵帶觀察站以來,到2015年全球已相繼建立約64個關鍵帶觀察站(Giardino和Houser,2015年)。2017年美國發布了關鍵帶科學研究論文,系統總結了十年來取得的成就,并梳理了未來十年亟待解決的科學問題(沙利文等,2017)。2015年國家自然科學基金委員會與英國自然環境研究指標(NERC)在“地球關鍵帶中水和土壤的生態服務功能維持機理研究(使用臨界區科學來理解維持水土生態系統服務)”領域共同資助了重大國際合作研究計劃項目,提前了解了水土資源的可持續性,演變的動態過程和時間尺度及生態系統服務功能。該項目針對水土資源問題突出的喀斯特地區,黃土高原,南方紅壤丘陵區和迅速改變中的城郊地區,依托中國生態系統研究網絡,正式開啟了關鍵帶科學研究。本專題收錄了該項目資助下完成的4篇論文,分別從巖石-土壤-植物相互作用,植物生態水文,土壤利用與養分遷移,界面過程與鐵-碳取代等不同側面,加以了關鍵帶中水,土,氣,生,巖的相互作用關系,對深入理解中國西南喀斯特區和南方紅壤丘陵區巖石風化對土壤和轉化的控制,轉化影響下的水循環,人為影響下的養分遷移,微生物介導的土壤關鍵元素轉化和遷移過程提供了新的認知。

中國西南喀斯特地區人地矛盾突出,土壤流失和石漠化嚴重,生態系統脆弱,嚴重加劇區域經濟可持續發展,成為恢復該區域石漠化治理的關鍵途徑。為了理解石漠化復興恢復的機理,劉鴻雁等(2019)通過野外調查和遙感數據解譯相結合的方法研究了巖性和土壤條件對地表反射組成和覆蓋的影響,發現白云巖裂隙不發育,土壤淺薄,適合淺根系草本植物生長;而石灰巖裂隙發育,土壤沿裂隙分布深,轉化組成和結構復雜。本研究認為喀斯特地區石漠化治理需考慮關鍵帶中巖石-土壤-轉化的相互作用,提出了不同巖性的轉化恢復措施應存在差異的觀點。張等(2019)研究了典型的落葉闊葉樹種植被蒸騰和氣象參數之間的時間滯后控制因子的時間動態變化。該研究結果增進了該區域吸收水分消耗策略的認識,增強了對氣候變化情境下轉化適應機制的理解。

中國南方紅壤丘陵區在自然以及高強度人為作用下,土壤侵蝕侵蝕,酸化,貧瘠,板結等多種退化問題,隨著化肥等替代的增加,氮素通過徑流和入滲過程影響地表水和地下水質量,威脅區域水土資源安全。水循環是物質遷移和轉化的重要驅動力,汪亞及等(2019)以亞熱帶典型紅壤區孫家小流域為對象,通過流域偏移,土壤水,地下水及徑流的系統觀測,通過端元混合模型,研究了徑流組分對氮素流失時間動態變化的影響。發現該流域徑流中總氮年凈流失量相當于當年總氮肥攝入的15%,地下徑流是植入小流域氮素流失的重要途徑,約占總流失量的25%。本研究對提高紅壤區灌溉小流域水肥管理水平,管控地表水富營養化有重要價值。鐵是紅壤中最核心的元素之一,鐵循環交換碳氮轉化是紅壤性水稻土中關鍵的生物地球化學過程。李曉敏等(2019)通過研究室內微宇宙模擬實驗,碳同位素標記及高通量如何進行等手段,研究了紅壤區水稻土中性微好氧亞鐵氧化交換碳同化的過程,發現了多種微生物類群可能具有潛在的中性微好氧亞鐵氧化功能。本研究為紅壤區水稻土中鐵-碳交換轉化過程研究提供了新的視角。

本專題在理解中國典型地區土,擴展可持續利用方面方面取得了一定的進展。中國地球關鍵帶科學未來需要在以下幾個方面加強研究:一是創新和完善關鍵帶觀察。可以依托現有的國家級野外觀測臺站,重點針對中國的生態脆弱區,狹窄和過度利用區,高強度人為活動區,土壤退化嚴重地區等,進一步規范關鍵帶觀測,發揮多學科優勢,創新關鍵帶觀察網絡的理論,方法和技術,提升水,土,氣,生,巖全要素,多尺度,動態觀測的能力。二是加強關鍵帶結構,過程與功能的關系研究,深入理解關鍵帶結構與構造,氣候及人為過程的互饋關系,從而對關鍵帶服務功能的轉變機制。三是發展關鍵帶科學綜合模型,基于系統觀測數據,預測關鍵帶變化的趨勢,評估關鍵帶服務功能的可持續性,提高對水,土資源可持續利用和管理的水平。四是增強國內外關鍵帶觀測網絡的協作研究,研討數據共享機制,在著重滿足國家需求的同時,服務“一帶一路”沿線國家水土資源可持續發展。

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圖文來源:土壤氮循環

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