科學(xué)通報(bào) | 關(guān)鍵帶科學(xué)的深化與拓展: 多圈層耦合與濱海系統(tǒng)研究的新方向

地球表層系統(tǒng)正處在全球變化與人類活動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)之下. 氣候變暖引發(fā)的極端事件頻發(fā)、土地利用的快速變化以及水土資源的過度開發(fā), 使得傳統(tǒng)的學(xué)科分割式研究難以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的環(huán)境問題. 在這種背景下, 科學(xué)界迫切需要新的綜合性框架來揭示自然過程與人類社會(huì)之間的多重耦合關(guān)系 [ 1 , 2 ] .

地球關(guān)鍵帶科學(xué)正是這一需求的產(chǎn)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(qiáng)調(diào)水、土、氣、生、巖的相互作用 [1] . 關(guān)鍵帶不僅是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的舞臺(tái), 也是人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供地. 例如, 它調(diào)節(jié)水文循環(huán)、控制碳氮收支, 并影響食物供給和氣候反饋 [ 3 ~ 5 ] . 因此, 對(duì)關(guān)鍵帶的研究既具有科學(xué)探索的價(jià)值, 也與社會(huì)福祉和可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān).

然而, 長(zhǎng)期以來關(guān)鍵帶研究多集中于內(nèi)陸系統(tǒng), 對(duì)濱海區(qū)域關(guān)注不足. 濱海地區(qū)是地球表層系統(tǒng)中最為敏感和脆弱的區(qū)域之一, 既是陸海相互作用的前沿地帶, 也是人類活動(dòng)最為密集的地區(qū). 該區(qū)域在全球氣候變化背景下面臨海平面上升、鹽度入侵、風(fēng)暴潮增強(qiáng)和濕地退化等多重威脅, 同時(shí)還承擔(dān)著固碳、凈水、減災(zāi)、防護(hù)和維系生物多樣性等關(guān)鍵功能. 濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)的提出, 正是對(duì)這一現(xiàn)實(shí)問題的回應(yīng) [2] . 它不僅在學(xué)科層面拓展了關(guān)鍵帶科學(xué)的邊界, 也為生態(tài)保護(hù)與綜合治理提供了系統(tǒng)性的新路徑.

劉叢強(qiáng)團(tuán)隊(duì)提出了“結(jié)構(gòu)–過程–功能–服務(wù)”的地球關(guān)鍵帶科學(xué)系統(tǒng)研究框架 [1] , 強(qiáng)調(diào)從結(jié)構(gòu)出發(fā), 探索多圈層交互作用的過程, 解釋功能的形成機(jī)制, 并與人類社會(huì)服務(wù)相聯(lián)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(dòng)了學(xué)科由描述性走向預(yù)測(cè)性 [6] . 地球關(guān)鍵帶科學(xué)突出跨學(xué)科整合的特征, 打破了地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和大氣科學(xué)之間的壁壘, 形成了一個(gè)綜合體系 [ 4 , 5 ] , 強(qiáng)調(diào)從分子到全球、從秒級(jí)到百萬年的多尺度研究方法. 通過觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)合, 形成了“多圈層—多過程—多尺度”的研究框架. 這一方法學(xué)突破, 有助于彌合學(xué)科間割裂, 推動(dòng)定量化和預(yù)測(cè)性研究. 關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是其重要亮點(diǎn), 目前全球60余個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)站構(gòu)成覆蓋多氣候區(qū)和地貌單元的網(wǎng)絡(luò), 并通過國(guó)際協(xié)作(CZNet)推動(dòng)區(qū)域性研究向全球化合作發(fā)展 [ 6 , 7 ] , 推動(dòng)了關(guān)鍵帶科學(xué)正從區(qū)域性研究邁向全球化合作, 為揭示普適性規(guī)律提供了可能.

濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)的提出具有開創(chuàng)性意義, 其明確界定了濱海地球關(guān)鍵帶的垂向和水平邊界 [1] , 涵蓋從植被冠層到濱?；鶐r界面, 以及受潮汐和海洋動(dòng)力作用影響的地下水系統(tǒng). 這一界定凸顯了濱海系統(tǒng)的多圈層交互特征, 填補(bǔ)了關(guān)鍵帶科學(xué)中長(zhǎng)期忽視濱海系統(tǒng)的空白. 其延續(xù)“結(jié)構(gòu)–過程–功能–服務(wù)”框架, 突出陸海耦合及城市化背景下的結(jié)構(gòu)–功能聯(lián)系, 為濱海系統(tǒng)演變機(jī)制提供理論支撐 [ 1 , 2 ] . 在明確濱海地球關(guān)鍵帶的邊界與功能特征后, 研究者進(jìn)一步提出了五大優(yōu)先研究方向, 以指導(dǎo)未來科學(xué)探索和環(huán)境治理: 結(jié)構(gòu)演化、結(jié)構(gòu)–過程耦合、功能與服務(wù)、濱海城市關(guān)鍵帶、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與管理 [1] . 同時(shí)強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合與陸海統(tǒng)籌, 推動(dòng)觀測(cè)、模擬與管理結(jié)合, 形成系統(tǒng)科學(xué)的新研究范式 [ 1 , 2 ] .

地球關(guān)鍵帶科學(xué)及濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)在學(xué)科拓展、研究框架、方法應(yīng)用和實(shí)踐指向等方面展現(xiàn)出系統(tǒng)性創(chuàng)新, 彰顯了該領(lǐng)域在理論構(gòu)建與應(yīng)用實(shí)踐上的前沿價(jià)值. 學(xué)科拓展方面, 前者突破傳統(tǒng)學(xué)科界限, 構(gòu)建跨學(xué)科整體體系 [ 4 , 5 ] ; 后者進(jìn)一步納入長(zhǎng)期被忽視的濱海系統(tǒng) [1] , 增強(qiáng)了覆蓋廣度與現(xiàn)實(shí)價(jià)值. 研究框架方面, 地球關(guān)鍵帶科學(xué)提出“結(jié)構(gòu)–過程–功能–服務(wù)”范式 [ 5 , 6 ] , 并在此基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)“深時(shí)”(追溯地質(zhì)時(shí)間尺度上的長(zhǎng)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(fù)雜交互作用)等核心理念; 濱海科學(xué)在此基礎(chǔ)上強(qiáng)化陸海交互與人地關(guān)系 [ 1 , 2 ] , 揭示復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)律. 在方法應(yīng)用方面, 兩者均強(qiáng)調(diào)遙感、地球物理、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬 [ 6 ~ 8 ] , 濱?？茖W(xué)進(jìn)一步引入濱海適用技術(shù)與模型集成, 提升跨尺度研究能力. 在實(shí)踐指向方面, 前者服務(wù)碳循環(huán)、水資源與生態(tài)評(píng)估 [1] , 后者面向碳中和、濱海城市風(fēng)險(xiǎn)治理與生態(tài)修復(fù) [2] , 實(shí)現(xiàn)理論與社會(huì)需求的緊密結(jié)合.

跨學(xué)科深度融合是未來地球系統(tǒng)科學(xué)研究的必然趨勢(shì). 關(guān)鍵帶科學(xué)的發(fā)展歷程顯示, 單一學(xué)科難以揭示復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律. 未來研究必須進(jìn)一步打破自然科學(xué)內(nèi)部壁壘, 并將社會(huì)科學(xué)納入其中, 實(shí)現(xiàn)對(duì)“人–地系統(tǒng)”的整體認(rèn)知 [9] . 濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)尤其強(qiáng)調(diào), 在人類活動(dòng)高度集中的區(qū)域, 自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的結(jié)合對(duì)于政策制定和風(fēng)險(xiǎn)治理的重要性 [ 1 , 2 ] .

長(zhǎng)期觀測(cè)與模型模擬的結(jié)合是研究的核心. 關(guān)鍵帶系統(tǒng)演化往往具有非線性和長(zhǎng)期性, 只有依托連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和高分辨率模型, 才能揭示其對(duì)極端氣候和人類擾動(dòng)的響應(yīng) [ 7 , 8 ] . 濱海系統(tǒng)的復(fù)雜性使這一需求更加迫切, 其研究必須依賴長(zhǎng)期觀測(cè)與模擬相結(jié)合的綜合方法 [1] . 已有研究表明, 面向地球關(guān)鍵帶建設(shè)的觀測(cè)站體系在推動(dòng)地球表層科學(xué)發(fā)展方面具有不可替代的作用, 其長(zhǎng)期累積效益在于支持發(fā)展能夠反映多圈層復(fù)雜反饋過程的綜合地球系統(tǒng)模型 [10] .

未來, 濱海城市關(guān)鍵帶研究應(yīng)受到更多關(guān)注. 隨著城市化加速, 濱海生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能顯著重塑, 對(duì)社會(huì)影響日益突出, 探索城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)路徑成為關(guān)鍵任務(wù) [ 1 , 2 ] . 研究需聚焦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉, 尤其是濱海濕地和河口在固碳、凈水與減災(zāi)中的作用, 并加強(qiáng)生態(tài)功能量化、價(jià)值評(píng)估與政策轉(zhuǎn)化, 為生態(tài)補(bǔ)償與可持續(xù)資源管理提供科學(xué)依據(jù) [ 2 , 11 , 12 ] .

最后, 全球視野與國(guó)際合作不可或缺. 關(guān)鍵帶科學(xué)已形成國(guó)際化的觀測(cè)與研究網(wǎng)絡(luò) [ 7 , 8 ] , 而濱海地球關(guān)鍵帶研究對(duì)象更是跨越自然與國(guó)界 [2] . 未來只有通過跨國(guó)合作、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一與數(shù)據(jù)共享, 才能建立普適性規(guī)律與預(yù)測(cè)能力, 推動(dòng)全球范圍內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)安全 [ 10 , 11 ] .

綜上所述, 地球關(guān)鍵帶科學(xué)與濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)在理論建構(gòu)、方法創(chuàng)新和實(shí)踐應(yīng)用方面均具有重要突破. 地球關(guān)鍵帶科學(xué)通過提出“結(jié)構(gòu)–過程–功能–服務(wù)”的范式, 為表層地球系統(tǒng)研究提供了完整的邏輯框架 [ 3 ~ 5 , 7 ] ; 濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)則進(jìn)一步拓展了學(xué)科邊界, 聚焦陸海交互與人類活動(dòng)疊加下的復(fù)雜過程 [ 1 , 2 ] , 開辟了新的研究領(lǐng)域. 兩者結(jié)合, 不僅深化了對(duì)普適規(guī)律的理解, 也揭示了區(qū)域差異性與實(shí)踐需求, 為全球變化科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了新的科學(xué)范式.

未來, 隨著觀測(cè)技術(shù)與模擬方法的進(jìn)步, 以及跨學(xué)科與國(guó)際合作的加強(qiáng), 關(guān)鍵帶科學(xué)將在應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)生態(tài)修復(fù)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)方面發(fā)揮更加重要的作用 [ 11 , 12 ] . 濱海地球關(guān)鍵帶科學(xué)的提出, 標(biāo)志著關(guān)鍵帶研究進(jìn)入了新的階段, 它不僅是學(xué)科發(fā)展的自然延伸, 也是人類社會(huì)應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)的必然選擇.

參考文獻(xiàn)

[1] Liu C Q, Chen C, Yan Z, et al. Earth Critical Zone science and global change research (in Chinese) . Chin Sci Bull , 2025 , 70: 5483 -5497

[2] Liu C Q, Song Z, Song C, et al. The coastal Critical Zone sciences: an emerging research area (in Chinese) . Chin Sci Bull , 2025 , 70: 5498 -5514

[3] NRC (National Research Council). Basic Research Opportunities in Earth’s Critical Zone. Washington DC: National Academy Press, 2001.

[4] Brantley S L, Goldhaber M B, Ragnarsdottir K V. Crossing disciplines and scales to understand the Critical Zone . Elements , 2007 , 3: 307 -314

[5] Lin H. Earth’s Critical Zone and hydropedology: concepts, characteristics, and advances . Hydrol Earth Syst Sci , 2010 , 14: 25 -45

[6] Arora B, Kuppel S, Wellen C, et al. Building Cross-Site and Cross-Network collaborations in critical zone science . J Hydrol , 2023 , 618: 129248

[7] Giardino J R, Chris H. Principles and Dynamics of the Critical Zone. Amsterdam: Elsevier, 2015.

[8] Banwart S, Menon M, Bernasconi S M, et al. Soil processes and functions across an international network of Critical Zone Observatories: introduction to experimental methods and initial results . Comptes Rendus Géoscience , 2012 , 344: 758 -772

[9] Reid W V, Chen D, Goldfarb L, et al. Earth system science for global sustainability: grand challenges . Science , 2010 , 330: 916 -917

[10] Bogena H R, White T, Bour O, et al. Toward better understanding of terrestrial processes through long-term hydrological observatories . Vadose Zone J , 2018 , 17: 1 -10

[11] Field C B, Barros V R, Dokken D J, et al. IPCC Fifth Assessment Report: Climate Change 2014, Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Cambridge: Cambridge University Press, 2014.

[12] Rockstr?m J, Steffen W, Noone K, et al. A safe operating space for humanity . Nature , 2009 , 461: 472 -475

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