科學通報 | 關鍵帶科學的深化與拓展: 多圈層耦合與濱海系統研究的新方向

地球表層系統正處在全球變化與人類活動的雙重驅動之下. 氣候變暖引發的極端事件頻發、土地利用的快速變化以及水土資源的過度開發, 使得傳統的學科分割式研究難以應對日益復雜的環境問題. 在這種背景下, 科學界迫切需要新的綜合性框架來揭示自然過程與人類社會之間的多重耦合關系 [ 1 , 2 ] .

地球關鍵帶科學正是這一需求的產物. 其研究范圍覆蓋從植被冠層頂部至基巖界面或地下含水層底部的完整剖面, 強調水、土、氣、生、巖的相互作用 [1] . 關鍵帶不僅是物質循環和能量流動的舞臺, 也是人類賴以生存的生態系統服務的提供地. 例如, 它調節水文循環、控制碳氮收支, 并影響食物供給和氣候反饋 [ 3 ~ 5 ] . 因此, 對關鍵帶的研究既具有科學探索的價值, 也與社會福祉和可持續發展緊密相關.

然而, 長期以來關鍵帶研究多集中于內陸系統, 對濱海區域關注不足. 濱海地區是地球表層系統中最為敏感和脆弱的區域之一, 既是陸海相互作用的前沿地帶, 也是人類活動最為密集的地區. 該區域在全球氣候變化背景下面臨海平面上升、鹽度入侵、風暴潮增強和濕地退化等多重威脅, 同時還承擔著固碳、凈水、減災、防護和維系生物多樣性等關鍵功能. 濱海地球關鍵帶科學的提出, 正是對這一現實問題的回應 [2] . 它不僅在學科層面拓展了關鍵帶科學的邊界, 也為生態保護與綜合治理提供了系統性的新路徑.

劉叢強團隊提出了“結構–過程–功能–服務”的地球關鍵帶科學系統研究框架 [1] , 強調從結構出發, 探索多圈層交互作用的過程, 解釋功能的形成機制, 并與人類社會服務相聯系. 突破了單要素研究的局限性, 使研究能夠在跨尺度和跨過程的背景下展開, 推動了學科由描述性走向預測性 [6] . 地球關鍵帶科學突出跨學科整合的特征, 打破了地質學、水文學、土壤學、生態學和大氣科學之間的壁壘, 形成了一個綜合體系 [ 4 , 5 ] , 強調從分子到全球、從秒級到百萬年的多尺度研究方法. 通過觀測、實驗和模擬的結合, 形成了“多圈層—多過程—多尺度”的研究框架. 這一方法學突破, 有助于彌合學科間割裂, 推動定量化和預測性研究. 關鍵帶觀測網絡的建設是其重要亮點, 目前全球60余個長期觀測站構成覆蓋多氣候區和地貌單元的網絡, 并通過國際協作(CZNet)推動區域性研究向全球化合作發展 [ 6 , 7 ] , 推動了關鍵帶科學正從區域性研究邁向全球化合作, 為揭示普適性規律提供了可能.

濱海地球關鍵帶科學的提出具有開創性意義, 其明確界定了濱海地球關鍵帶的垂向和水平邊界 [1] , 涵蓋從植被冠層到濱海基巖界面, 以及受潮汐和海洋動力作用影響的地下水系統. 這一界定凸顯了濱海系統的多圈層交互特征, 填補了關鍵帶科學中長期忽視濱海系統的空白. 其延續“結構–過程–功能–服務”框架, 突出陸海耦合及城市化背景下的結構–功能聯系, 為濱海系統演變機制提供理論支撐 [ 1 , 2 ] . 在明確濱海地球關鍵帶的邊界與功能特征后, 研究者進一步提出了五大優先研究方向, 以指導未來科學探索和環境治理: 結構演化、結構–過程耦合、功能與服務、濱海城市關鍵帶、生態系統恢復與管理 [1] . 同時強調多學科融合與陸海統籌, 推動觀測、模擬與管理結合, 形成系統科學的新研究范式 [ 1 , 2 ] .

地球關鍵帶科學及濱海地球關鍵帶科學在學科拓展、研究框架、方法應用和實踐指向等方面展現出系統性創新, 彰顯了該領域在理論構建與應用實踐上的前沿價值. 學科拓展方面, 前者突破傳統學科界限, 構建跨學科整體體系 [ 4 , 5 ] ; 后者進一步納入長期被忽視的濱海系統 [1] , 增強了覆蓋廣度與現實價值. 研究框架方面, 地球關鍵帶科學提出“結構–過程–功能–服務”范式 [ 5 , 6 ] , 并在此基礎上強調“深時”(追溯地質時間尺度上的長期過程, 理解自然演化的歷史背景)、“深度”(突破淺層土壤研究, 將范圍延伸至基巖深部)、“深耦合”(揭示生物—非生物過程間的復雜交互作用)等核心理念; 濱海科學在此基礎上強化陸海交互與人地關系 [ 1 , 2 ] , 揭示復雜系統規律. 在方法應用方面, 兩者均強調遙感、地球物理、長期監測與數值模擬 [ 6 ~ 8 ] , 濱海科學進一步引入濱海適用技術與模型集成, 提升跨尺度研究能力. 在實踐指向方面, 前者服務碳循環、水資源與生態評估 [1] , 后者面向碳中和、濱海城市風險治理與生態修復 [2] , 實現理論與社會需求的緊密結合.

跨學科深度融合是未來地球系統科學研究的必然趨勢. 關鍵帶科學的發展歷程顯示, 單一學科難以揭示復雜系統的內在規律. 未來研究必須進一步打破自然科學內部壁壘, 并將社會科學納入其中, 實現對“人–地系統”的整體認知 [9] . 濱海地球關鍵帶科學尤其強調, 在人類活動高度集中的區域, 自然科學與社會科學的結合對于政策制定和風險治理的重要性 [ 1 , 2 ] .

長期觀測與模型模擬的結合是研究的核心. 關鍵帶系統演化往往具有非線性和長期性, 只有依托連續觀測網絡和高分辨率模型, 才能揭示其對極端氣候和人類擾動的響應 [ 7 , 8 ] . 濱海系統的復雜性使這一需求更加迫切, 其研究必須依賴長期觀測與模擬相結合的綜合方法 [1] . 已有研究表明, 面向地球關鍵帶建設的觀測站體系在推動地球表層科學發展方面具有不可替代的作用, 其長期累積效益在于支持發展能夠反映多圈層復雜反饋過程的綜合地球系統模型 [10] .

未來, 濱海城市關鍵帶研究應受到更多關注. 隨著城市化加速, 濱海生態系統結構與功能顯著重塑, 對社會影響日益突出, 探索城市發展與生態保護協調路徑成為關鍵任務 [ 1 , 2 ] . 研究需聚焦生態系統服務與人類福祉, 尤其是濱海濕地和河口在固碳、凈水與減災中的作用, 并加強生態功能量化、價值評估與政策轉化, 為生態補償與可持續資源管理提供科學依據 [ 2 , 11 , 12 ] .

最后, 全球視野與國際合作不可或缺. 關鍵帶科學已形成國際化的觀測與研究網絡 [ 7 , 8 ] , 而濱海地球關鍵帶研究對象更是跨越自然與國界 [2] . 未來只有通過跨國合作、標準統一與數據共享, 才能建立普適性規律與預測能力, 推動全球范圍內的可持續發展與生態安全 [ 10 , 11 ] .

綜上所述, 地球關鍵帶科學與濱海地球關鍵帶科學在理論建構、方法創新和實踐應用方面均具有重要突破. 地球關鍵帶科學通過提出“結構–過程–功能–服務”的范式, 為表層地球系統研究提供了完整的邏輯框架 [ 3 ~ 5 , 7 ] ; 濱海地球關鍵帶科學則進一步拓展了學科邊界, 聚焦陸海交互與人類活動疊加下的復雜過程 [ 1 , 2 ] , 開辟了新的研究領域. 兩者結合, 不僅深化了對普適規律的理解, 也揭示了區域差異性與實踐需求, 為全球變化科學與可持續發展戰略提供了新的科學范式.

未來, 隨著觀測技術與模擬方法的進步, 以及跨學科與國際合作的加強, 關鍵帶科學將在應對氣候變化、推動生態修復和實現可持續發展目標方面發揮更加重要的作用 [ 11 , 12 ] . 濱海地球關鍵帶科學的提出, 標志著關鍵帶研究進入了新的階段, 它不僅是學科發展的自然延伸, 也是人類社會應對全球挑戰的必然選擇.

參考文獻

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