地球关键带研究评述:现状与展望

近20年来,国际上兴起的“地球关键带”研究,为重新审视地球表层系统内水、土、气、生、岩等各要素的功能及其内在关联提供了新思路。通过搜集2001—2021年间国内外地球关键带研究文献,应用引文空间(CiteSpace)技术进行文献计量分析,梳理地球关键带的研究历史与现状,为自然资源综合管理和国土空间生态修复提供理论依据和决策支持。文献分析表明:地球关键带受到欧美发达国家和中国学界的普遍关注;三个发展阶段(萌芽、初期和快速发展)的研究重点差异明显;土壤是联结地表和地下过程的纽带与核心;地球物理技术成为理解地球关键带结构与过程的重要工具;联网观测和模型模拟是下一阶段的重要方向;地球关键带功能和服务的量化、权衡与提升有望成为重要的决策支持工具。未来仍需在五个方面深化研究:加强基础设施建设,构建更具包容性的地球关键带观测站网络;加强学科交叉和人才队伍建设,培养新一代地球关键带科学家;服务面向可持续发展的社会需求,在实践中应用和发展地球关键带科学;开发新技术、新方法,完善理论、模型和方法体系;揭示地球关键带过程的耦合机制及其环境效应,加强人类活动对水土过程、物质循环与能量交换影响的研究。

地球关键带:探究人地互动的“窗口”

地球关键带是近二十年全球地学研究的热点。在空间上,地球关键带是指地球表层各个圈层构成的复杂相互作用系统,为人类的生存和发展提供了关键资源基础。2001年,美国国家研究委员会地球科学基础研究委员会提出了这一概念。经过20多年的发展,地球关键带已经成为一个始于地球科学、落于多学科交叉的新兴领域。相关研究聚焦全球或特定区域关键带内的物理、化学和生物要素相互耦合过程,通过分析水、碳和能量等的相互作用循环,解释关键带内部多要素、多尺度及多过程的耦合机制。这些已有研究从地理要素循环与物质交换的视角为揭示地球关安建带的功能结构和动态演化提供了分析工具和手段。

基于地球关键带类型的国土空间生态修复分区研究--以河南省西峡县为例

地球关键带类型单元反映自然本底特征,可为国土空间生态修复提供科学参考。以土地覆盖、地形、土壤为构成要素,划分县域地球关键带类型,并结合InVEST模型和Conefor2.6模型评估区域生态重要性和生态敏感性,识别县域国土空间生态修复分区。结果显示:①西峡县地球关键带类型可划分为一级类型8种,二级类型19种,一级类中阔叶林丘陵地类型为主要类型,二级类中阔叶林丘陵地淋溶土为主要类型;②高生态重要性等级地球关键带集中在中部和北部分布,约占县域的9.3%。生态敏感性等级高的地球关键带单元主要分布在北部丘陵区;③按生态等级将地球关键带单元分为底线型、紧张型、缓冲型和一般型4类,县域国土空间生态修复区域分为自然保护地核心保育区、重点生态保护区、一般生态保护区和其他区域。

基于Fortran语言的地球外辐射带电子三维数据同化建模

开发地球电子辐射带的数据同化模型,对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型,采用卡尔曼滤波算法,本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三维数据同化模型(Three-dimensional Data Assimilative Model of Outer Radiation belt Electrons,简称TDAMORE),实现对L^(*)=3~7、能量范围为0.1~5 MeV、投掷角范围为5°~90°的外辐射带电子时空变化过程的三维重构.通过对2018年8月期间外辐射带电子通量演化过程的重构,证实TDAMORE模型可以较好地重现不同能量和不同投掷角电子通量在磁暴前后的演化特征.通过分析电子通量的观测和同化结果之间的相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差,发现对于能量低于4 MeV的电子,观测与同化结果之间的相关系数基本大于0.8且误差相对较低.而对于更高能量的电子,观测与同化结果之间的误差相对较高,这可能是同化模型忽略了电磁离子回旋波对电子的散射损失导致的.

地球关键带土壤微生物介导有机碳转化研究进展

地球关键带是大气圈、生物圈、土壤圈、水圈、岩石圈高度交汇和相互作用的地球表层复杂系统,也是联结气候系统-地表过程-地球深部过程物质和能量循环的重要桥梁,微生物在地球关键带碳循环中扮演着重要角色,认识地球关键带结构与功能,阐明关键带土壤微生物介导的碳转化过程是当前关键带研究热点之一。本研究首先介绍地球关键带的结构与范畴,以及土壤微生物结构特征、微生物驱动的土壤碳循环研究进展;然后指出当前工作仍停留在地球关键带的基本结构认识和土壤碳储量特征描述上,建议从关键带整体框架出发,沿垂直方向综合考虑从植物冠层到基岩之间的碳循环过程,联合使用多种技术方法,将短期高频次观测和长期定位观测相结合,重视长时间尺度下土壤有机碳对全球变化和人类活动的响应及反馈机制,特别关注土壤碳在关键带各界面的微生物驱动过程及其迁移转化规律;最后在考虑地球大数据科学工程和全球碳排放路径等时代因素的背景下,开展大气、植被、土壤、微生物、基岩、地下水等多界面、多过程、多时间尺度的同步观测和系统性研究,为地球关键带土壤碳循环模型优化及气候变化预测提供科学依据,也为我国“双碳”目标提供理论支撑。

燕山山地片麻岩风化过程与地球关键带结构耦合关系研究

山地地球关键带的形成和演化在不同空间尺度上受风化过程的控制。本文以细粒角闪斜长片麻岩和粗粒黑云斜长片麻岩为例,研究片麻岩地球关键带结构的演化过程,识别影响地球关键带垂向结构的主控因素。结果表明片麻岩的物理风化程度较高,化学风化程度低且细粒角闪斜长片麻岩化学风化程度相对较高,发育等体积风化,化学损耗低于0.5。在风化成土过程中黑云母含量和矿物粒径影响风化程度,从而影响其地球关键带结构,风化初始阶段黑云母通过铁氧化和层间钾被其他水合阳离子替代而扩张,岩石破碎,形成大量裂隙,渗透率提高。粗矿物颗粒导致母岩比表面积较低,物理崩解程度较高,促进孔隙度和渗透率提高,因此粗粒黑云斜长片麻岩风化前锋可达到5 m,强风化层可达1 m,土壤平均厚度多大于20 cm,而角闪斜长片麻岩风化前锋深度减至1.5 m以内,平均土壤厚度多小于20 cm。该研究成果有助于认识山区土壤形成过程,为国土空间规划提供科学依据。

县域尺度地球关键带分类框架与实证——以河南省西峡县为例

地球关键带分类有助于认知关键带的空间布局,了解其发生和演化的区域差异性,并可以作为观测和调查关键带的基础。为了延续大尺度地球关键带分类,在分析关键带组成要素的基础上,采用多层级划分法构建了一套小尺度关键带分类的框架,并在GIS中以图层叠置法对河南省西峡县做了实证研究。建立了一套涵盖分类原则、分类指标的多层级地球关键带分类框架,并将西峡县地球关键带划分为28个一级类型单元,246个二级类型单元和722个三级类型单元。这种划分可以提高对地球系统科学的整体认知,对小尺度地球关键带的科学研究和自然资源综合管理也具有一定的参考意义。

《带着地球去流浪》民族化创作特征分析

“民族化”是中国当代流行音乐创作最重要的关键词之一。随着时代不断发展,其手段也逐步多元。从旋律、和声、音色及词曲设计四个方面对歌曲《带着地球去流浪》进行分析,探讨作品中将古与今、中与西、原声与电子等多种对立元素进行互融的民族化创作手法,进而触发对流行音乐民族化创作的新思考。

黄土高原关键带土壤水文过程研究进展与展望

地球关键带是21世纪地球科学的前沿和重点领域之一。黄土约占全球陆地面积的10%,中国的黄土高原是典型的地球关键带之一。土壤水文过程驱动着黄土高原关键带不同尺度的系列生物地球化学循环过程,决定土壤−植被−大气连续体的演化方向与可持续性。基于地球关键带“4M”研究框架,综述了黄土高原关键带土壤水文过程研究的热点与前沿,梳理了不同尺度土壤水文过程的观测方法与技术、模型模拟与填图、深层土壤干化管理等研究进展;在此基础上,围绕黄土高原关键带土壤水资源优化利用与生态系统服务功能提升,提出了全球气候变化和大规模人类活动共同影响下黄土高原关键带土壤水文过程的优化管理对策和建议,展望了黄土高原关键带土壤水文过程研究的未来趋势。以期深化黄土高原关键带研究的科学认知,促进地球关键带科学的发展,为黄土高原自然资源优化管理、山水林田湖草系统治理提供科学参考。

地球关键带:地质环境研究的新框架

当今经济社会所面临的资源、环境和生态问题相互关联、相互耦合,迫切需要打破传统的学科界限,搭建一个新的技术框架,进行跨学科、多领域系统研究。地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为这种需求提供了一个完整的系统框架。本文在界定地球关键带内涵与特征的基础上,分析了关键带科学研究的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)体系框架和3M(填图-监测-建模)循环体系框架,从填图、监测、建模三个方面总结了关键带研究进展。通过将地质学、水文学、土壤学、生态学等学科进行融合,关键带科学为气候变化、生态管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。在此基础上,提出了对我国地质调查工作的建议:将地球关键带作为重点靶区开展基础地质和水工环地质综合调查,建立三维地质框架;选择基础条件较好的小流域建设关键带观测站,为地质学与其他学科的融合搭建一个开放平台。

地球关键带科学与水文土壤学研究进展

地球关键带是地球表层系统中土壤圈与大气圈、生物圈、水圈、岩石圈物质迁移和能量交换的交汇区域,在垂直方向上包括从植被冠层到地下含水层的区域.地球关键带是维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域,水和土壤是其主要组成部分.水文土壤学是土壤学和水文学的一门新兴交叉学科,综合研究不同时空尺度土壤与水的相互作用关系,在地球关键带研究中处于重要位置.本文介绍了地球关键带科学与水文土壤学的内涵、特点与发展历程,总结了二者研究的热点问题及发展趋势,并展望了未来研究方向.

基于地球关键带科学的土壤生态系统服务评价方法研究

土壤是地球关键带的核心,为人类提供着重要的生态系统服务.在集成已有土壤生态系统服务评价方法的基础上,充分考虑土壤与地球关键带各介质的关联作用,提出了基于地球关键带科学的土壤生态系统服务评价方法.采用文献整理法、单因素评价模型以及GIS空间分析等方法,构建了基于地球关键带科学的土壤生态系统服务的评价指数系统,包括土壤质量指数(SQI)、植物指数(PI)、大气调节指数(ARI)、径流指数(RI)、地下水补给指数(GSI)以及文化美学指数(CAI),建立地球关键带系统中土壤支持、供给、调节和文化服务等多重服务功能的集成评估模型与方法.研究结果对于识别土壤功能失衡、系统提升土壤以及地球关键带生态服务功能具有一定的参考价值.

中国东部大陆尺度地球化学走廊带碳酸盐岩稀土元素分布特征与影响因素

碳酸盐岩是地球表层岩石圈的重要组成部分,其化学组成可提供沉积环境与海洋水体演化等信息,然而,前人对碳酸盐岩中稀土等元素的分布与变化特征关注不足。本文选择穿越中国东部6个一级大地构造单元的3条地球化学走廊带,系统采集了582件碳酸盐岩地层样品,并准确分析了包括稀土元素(REE)在内的81项指标的含量。结果表明,中国东部地球化学走廊带碳酸盐岩稀土元素(REE+Y)总量为(0.59~183)×10^(-6),均值为24.0×10^(-6),纯净碳酸盐岩(CMC含量≥99%)均值为4.80×10^(-6)。PAAS标准化后其显示具有轻稀土相对于中稀土和重稀土略亏损、δEu轻微正异常、δCe中度负异常等特征。白云岩中稀土含量、LREE/HREE值一般低于石灰岩;砂泥质含量相近时,前中生代各时代碳酸盐岩稀土分布模式相差不大,各构造单元稀土分布特征基本相似;与其他时代相比,中生代及中新元古代碳酸盐岩具有相对较平坦的稀土分布模式。研究表明,碳酸盐岩中稀土分布受碎屑物质影响明显,表现为稀土元素含量与碳酸根负相关,与碎屑物质相关元素(Si、Ti、Rb、Cs、Th、Zr等)、黏土相关元素(Al、Fe、K等)等正相关。成岩过程及白云化过程对较纯净碳酸盐岩中稀土分布特征影响不明显。我国古生代纯净碳酸盐岩分布模式受控于海相环境,其分布模式与现今海水相近;中生代纯净石灰岩受到陆相或海陆交互相的影响,具有较平坦的稀土分布模式。氧化还原条件对δCe的影响较δEu更为明显,δCe值受海相环境控制,极端正异常值(δCe>1.3)受到还原环境或/和热液影响。若假定海水中REE自中元古代至今无太大变化,各时代稀土元素分配系数均值介于103.55~102.39,分配系数差异是造成碳酸盐岩中轻稀土亏损、Ce负异常及Y正异常的主要原因。微生物(席)可富集稀土等金属元素并改变沉积环境,这可能是造成中新元古界碳酸盐岩较平坦的稀土分布模式的主要原因。

地球关键带水文土壤学与自然资源可持续利用--2016年水文土壤学国际会议述评

第三届水文土壤学国际会议于2016年8月16日—19日在北京师范大学举行,会议吸引了来自18个国家150余名专家学者参加。本届会议围绕7个主题展开,分别为:(1)土壤结构及优势流;(2)地球关键带科学的观测及模拟;(3)土壤水文和生态水文的过程交叉;(4)关键带科学与观测站;(5)土壤生物物理学与生物化学复合;(6)水文土壤学与生态水文学;(7)土壤水分与其它土壤属性。对我国水文土壤学研究主要有以下启示:(1)推进水文土壤学理论的发展和完善;(2)注重新技术新方法在水文土壤学中的应用;(3)加强学科融合,培养具有多学科背景的人才;(4)拓展水文土壤学研究的国际合作。

区域地球多圈层交互带调查探索研究

地球系统科学已成为国际地学研究的热点之一,也是目前解决复杂生态环境问题的主要途径。本文以冀东地区为例,将区域地质调查与地球多圈层交互带研究相结合,以1:5万水文地质调查为依托,构建出一套地球多圈层交互带生态地质调查与填图体系,为冀东地区农作物重金属离子超标、土地利用类型变化、矿山开采等一系列环境问题的解决提供地学建议。通过上述探索研究,提出区域地区地球多圈层交互带调查思路:以地球系统科学理论为指导,以区域生态环境问题为导向,通过开展地球多圈层交互带调查,完成地球多圈层交互带生态地质图,为生态环境问题的解决提供地学建议,为山水林田湖草海统一规划和管理提供科学依据。

长江三峡地区地球物理异常带地表地质特征

通过长江三峡地区（巴东－宜昌段）水系发育、航卫片判读、野外地质调查等方面的研究，认为沿长江北西西向地球物理异常带在地表没有相应的特殊地质构造显示。中、新生代沉积盖层中未发现规模较大的北西－北西西向断裂通过，地表上这一走向的线性破裂或裂隙密集带及其他相关变形也不甚发育。因此，地下深处与地球物理异常带相对应的基底断裂至少中生代以来没有明显活动。

地球辐射带槽区粒子环境动态变化对中轨卫星辐射效应的影响

中轨卫星运行于地球辐射带槽区,而槽区粒子辐射环境可能存在显著涨落,增加卫星抗辐射设计输入的不确定性。文章利用典型地球辐射带模型,对中轨卫星累积性辐射效应的主要来源进行深入分析,再结合槽区粒子辐射环境动态变化特征,初步量化分析其对中轨卫星遭遇辐射效应的影响。结果表明:槽区粒子辐射环境的动态变化对星表材料及太阳电池辐射损伤的附加影响较小;槽区质子填充事件对8000 km以上高度轨道的电离总剂量有明显影响(但此类事件遭遇概率很低);槽区电子填充事件使10000 km以上高度轨道的电离总剂量明显增大,这点必须在相应的卫星抗辐射设计要求中予以考虑。

兴蒙造山带-华北克拉通地球化学走廊带沉积物主成分的含量与空间分布研究

选取兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上沉积物的SiO_2、Al_2O_3、CaO、MgO、Na_2O、K_2O、TFe_2O_3、FeO、TiO_2、MnO、P_2O_5、CO_2、H_2O^+、pH十四个指标,研究其在不同二级构造单元、地理景观、土壤类型、降雨量等级下的含量与空间分布特征,并讨论该地球化学走廊带上化学蚀变指数。结果表明:在兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带上,作为沉积物主体的SiO_2、Al_2O_3两者含量为明显负相关而空间分布表现出此消彼长的特征;CaO、MgO、CO_2高含量分布区则与碳酸盐岩地层或含碳酸盐矿物的土壤有关,而MgO的高含量还与走廊带上镁铁质基性-超基性岩有一定关系,表明了这三个指标的高含量受特定岩性或矿物的影响较大;Na_2O、K_2O含量除了受继承的基岩影响外,还受到后期的风化作用和气候及自身地球化学性质等复杂因素综合影响,对Na_2O来说尤为如此;TFe_2O_3、MnO、TiO_2、P_2O_5相对于在地质背景复杂地段,经过冲积平原的沉积物混匀后,含量差异更小;相对干冷的内蒙古半干旱草原的气候条件有利于FeO存在,使得其相对燕山地区含量差异较TFe_2O_3要小,在章丘以南相对温暖湿润地区更易被氧化而导致其含量整体较低;北方干冷气候条件下,沉积物H_2O^+含量普遍较低,局部高含量位于碳酸盐岩地层或第四系分布区;走廊带上的pH值反映了沉积物偏碱性的特征,而在章丘以南的地区随着降雨量的增加,相对温暖湿润的气候条件,沉积物pH值表现为中性-偏弱酸性;兴蒙造山带—华北克拉通地球化学走廊带沉积物的CIA值反映出在寒冷、干燥气候条件下低等的化学风化程度,兴蒙造山带沉积物平均风化程度相对华北克拉通沉积物的平均风化程度差异变化相对要小,显示兴蒙造山带的降雨量与温度等风化影响因素变化较小。作为反映元素的地球化学亲和性的量化指标,离子电位可以更好地帮助理解沉积物元素的含量和空间分布差异。

地球辐射带能量电子通量在不同地磁活动下的统计分析

利用大约15个月的CRRES卫星MEA能量电子观测数据,分别在地磁活动平静(0≤Kp<3)、中等(3≤Kp≤6)及强烈(6<Kp≤9)的条件下,选取电子能量为148 keV,509 keV,1090 keV,1581 keV的辐射带能量电子通量进行统计分析,得到了不同地磁活动条件下地球辐射带高能电子通量在(L,MLT)空间的全球分布模型.结果表明,在2<L<8的磁层区域,高能电子通量分布在不同的地磁活动指数Kp条件下差别明显;在12～18 MLT时段内高能电子的通量明显增大.

我国金属矿产成矿区带地球化学普查发展历史

二十世纪60～70年代是我国金属矿产成矿区带地球化学普查发展的初期阶段.1976年,成矿区带地球化学普查规划制订,我国金属矿产成矿区带地球化学普查进入大规模普查实施的第一阶段;随着一系列新技术规定的颁布执行,1992年开始进入第二阶段的成矿区带地球化学异常详细检查评价与综合研究;1993年以后,成矿区带地球化学普查与详查仍然以寻找金属矿产为主要任务,同时,成矿区带地球化学普查成果开始向应用地球化学方向发展,这标志着第三个阶段的开始,即应用成矿区带地球化学普查成果进行生态环境地球化学与人类健康、综合农林业地球化学研究和开发.