关键带土壤演化及其控制机制研究北大核心CSCD

地球关键带(简称关键带,Critical Zone)对维系地球生态系统功能和人类生存起着决定性作用。日益严重的水土流失和喀斯特石漠化等生态环境问题主要与人类活动引起的关键带土壤物质迁移和能量交换平衡破坏有关。当前关键带土壤演化研究主要集中在关键带土壤形成机制、成土速率及其控制因素、土壤地表和地下侵蚀速率及其控制因素,以及土壤演化的控制机制等方面。然而,针对不同地质、气候和人类活动区域的关键带土壤演化及其模型预测方面的对比研究还比较少。喀斯特地区是我国生态较为脆弱的地区之一,未来还需要重点针对喀斯特和非喀斯特关键带开展土壤演化及其模型预测的对比研究,为关键带形成、演化与维持机制研究提供理论基础,并为水土流失防治和生态恢复提供决策参考。     

喀斯特系统生物地球化学循环及对全球变化的响应

生物地球化学循环是地球系统物质循环的核心,是维系地表生态系统稳定和人类社会可持续发展的重要基础。然而,气候变化以及人类的过度干扰可能会显著改变表层地球系统中的生物地球化学循环过程,尤其是脆弱的喀斯特生态系统。特殊的多孔隙关键带结构也加速了喀斯特地区物质循环及其对外界环境变化的响应,影响了不同尺度的物质循环和生物地球化学过程。本研究主要综述了宏观尺度（气候变化）、中尺度（人类活动）和微观尺度（微生物活动）的环境变化对喀斯特地区生物地球化学循环的影响。结果表明多要素变化导致喀斯特地区物质循环受到强烈影响,气候变化、人类活动和微生物活动及其耦合关系对喀斯特地区生物地球化学循环的调控作用具有重要意义。最后,本研究强调了现有研究的局限性并指出未来研究的挑战与方向,即未来应从系统研究（如地球关键带）的视角出发,将多尺度观测－分析与综合模型集成研究并举,从而构建多源多尺度耦合的过程和系统模型,进而为阐明喀斯特系统的演变规律和动力学机制、实现喀斯特地区的生态保护和高质量发展提供理论基础。      

喀斯特地区地球关键带科学与生态水文学发展综述

针对我国西南喀斯特地区生态环境演变历史及新的形势下面临的挑战问题,系统地总结了植被退化、人工恢复、自然演替三个阶段植被、水文、土壤和溶蚀等观测实验得出的成果,阐述了喀斯特生态水文模型的发展及存在的问题。以地球关键带科学系统思维和多学科综合研究范式,提出了喀斯特地区大气－植被－土壤－岩石系统结构和组成以及协同演变理念;从多学科交叉、系统观测、模型集成视角,探讨了生态水文与碳、水、钙循环协同演变的研究途径,并以此提出推动喀斯特生态水文学发展的建议,为全球气候变化和绿色发展形势下喀斯特地区生态环境恢复提供科学支撑。      

"喀斯特断陷盆地关键带与生态地质"专辑特邀主编寄语

自第三纪以来,康滇地块的地壳运动十分活跃,形成了喀斯特断陷盆地.由于该区"盆-山"地形变化剧烈,山地气候反差大;而西南季风的控制,使得该地区旱季是雨季的2倍,水资源的时空分配不均,土壤流/漏失严重,植被立地条件差,以至于石漠化问题缓解不明显.2016—2020年,在该区实施了国家重点研发计划典型脆弱生态修复与保护专项项目"喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范",为我们了解喀斯特断陷盆地关键带与生态地质特征、总结已实施石漠化综合治理工程成果提供了条件.在《地球学报》编辑部的大力支持下,从4个方面"水资源、水土流失、生态地质、生态服务",15篇文章构成"喀斯特断陷盆地关键带与生态地质"专辑,专辑并没有包括专项项目的全部内容,但对深入了解喀斯特断陷盆地的地质、气候、水文、生态和生态服务功能提供重要的参考价值.     

喀斯特石漠化--中国西南最严重的生态地质环境问题

作为最严重的环境地质问题,日益扩展的土地石漠化,正在吞噬着中国西南喀斯特地区民众的生存空间,已经构成灾害和贫困之源。喀斯特石漠化是土地荒漠化的主要类型之一,是人类不合理经济活动叠加于脆弱生态地质环境背景上的综合作用结果。它以脆弱的生态地质环境为基础,以强烈的人类活动为驱动力,以土地生产力退化为本质,以出现类似荒漠景观为标志。中国西南脆弱的喀斯特生态环境是经过漫长的地质历史演化而形成的,它对喀斯特石漠化具有明显的控制作用。构造运动塑造了陡峻而破碎的喀斯特地貌格局,古环境演化奠定了石漠化的物质基础。喀斯特地区的人口压力及不合理的人类活动,导致土地资源的严重退化、植被覆盖度锐减、水土流失加剧和生态环境严重恶化,超载的社会经济压力是导致喀斯特土地石漠化最重要的驱动力。尽管喀斯特石漠化综合治理非常艰巨,但仍具备恢复或重建生态环境的可能性。     

岩溶关键带水循环过程研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、功能及其水文循环过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的关键问题。剖析了岩溶关键带水循环过程与演变规律、水循环过程在岩溶关键带中的作用,探寻变化环境下岩溶关键带水循环过程演变的规律与驱动机制,总结不足与问题,提出未来研究的总体趋势和方向:岩溶关键带形成与演化和水循环过程相互作用机制;岩溶关键带水循环驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合;水循环过程在不同时空尺度上对全球变化与人类活动干扰的响应;多种观测与模拟手段的综合应用。     

序言

正随着全球工业化和城镇化进程的加速,人类社会正面临着前所未有的资源耗竭、环境污染和生态安全问题.而破解这些问题,在很大程度上取决于人类对近地表圈层的理解和认知水平.地球关键带(Earths Critical Zone),即树冠顶端到含水层底端的地球圈层,是地球系统与经济社会相互作用最直接、最显著的地球表层圈层部分.地球关键带过程不仅控制着土壤的发育、水流和溶质迁移、生物地球化学循环,影响着能源和矿产资源的形成与演化,而且影响并控     

土壤风化速率测定方法及其影响因素研究进展

明确土壤风化过程、速率及其影响因素是理解土壤与环境之间相互作用与反馈的基础,可为预测土壤在生态系统中的行为及其在自然和人为作用下的演变趋势、实现土壤资源有效管理提供科学依据。通过回顾土壤风化速率不同测定方法(实验室模拟研究、模型理论计算、同位素比值、元素损耗和元素输入输出平衡法)及其影响因素(气候、生物、母质、地形、时间和人为活动)研究所取得的进展,针对当前土壤资源退化严重的现状,提出了土壤风化研究面临的机遇和挑战。未来土壤风化研究应重点关注变化中的自然条件和强烈的人为干扰下土壤风化的关键过程、速率及其环境阈值,包括建立风化速率不同测定方法所得结果之间的定量转换关系、揭示风化速率多个影响因素之间的协同效应、模拟和预测气候变化和人类活动双重影响下土壤风化速率的演变趋势,以期为土壤资源的可持续管理和应对全球变化提供理论依据。     

地球关键带的研究进展

地球关键带(Earth Critical Zone)由美国国家研究理事会于2001年正式提出以来,倍受关注,取得了重要研究进展。总结分析了美国、德国、澳大利亚、法国和中国等国家,以及欧盟等相关国际组织相继开展和部署的地球关键带研究项目及相关研究计划、主要科学问题、未来发展方向等,并结合我国研究现状,提出我国应加强地球关键带结构、形成与演化机制,地球关键带物质迁移转化与多过程耦合作用机制,地球关键带服务功能、演化特点及其对可持续发展的支撑和影响,地球关键带过程及系统的模型模拟4个方面研究,通过积极与国际科技发达国家开展合作和交流,提高国际大型计划的参与度。     

喀斯特地区水土流失动态特征及生态效益评价

喀斯特地区水土流失是生态环境退化的一个重要因素,严重制约着该地区农业可持续发展,如何利用喀斯特地区的坡地资源(如植物资源)是控制水土流失,改善其生态环境的关键。通过对清镇示范区退耕还林(草)和封山育林区的水土流失监测表明,利用恢复植被来控制水土流失,使示范区的土壤侵蚀模数从2000年以前的2500～5000 t /km2· a减少至2002年的78. 4～185. 7 t /km2· a; 使32. 16 km2 面积的退耕还林(草)和封山育林地段每年减少表土损失量38563. 6t,相当于每年减少886. 96t 化肥的土壤养分流失,其生态、经济、社会效益十分明显。      

西南喀斯特区土壤侵蚀研究进展

西南喀斯特区土层浅薄、成土速率低等特点决定了其允许土壤流失量小,土壤一旦流失,极难恢复,土壤侵蚀及其造成的石漠化现象已成为制约该区可持续发展最严重的生态环境问题。文章首先明晰西南喀斯特区土壤侵蚀特征,从坡面、小流域和区域三个尺度上系统概括西南喀斯特区土壤侵蚀的相关研究进展。针对当前喀斯特区土壤侵蚀研究野外径流小区、小流域及区域空间尺度数据缺少和相关研究模型限制性强等不足,建议从不同尺度深入研究喀斯特区土壤侵蚀发生发展规律及时空演化格局,并结合高新遥感、地球物理探测技术及模型,同步监测坡面—小流域—区域土壤流失,对土壤侵蚀进行定量评估,结合不同空间尺度土壤侵蚀特征构建系统性水土保持生态恢复治理模式和监测系统评价体系。      

贵州省喀斯特地区土地退化与生态重建研究进展

喀斯特地区环境独特、生态脆弱，一直是科学界关注的热点地区。早期的研究多集中在喀斯特地区的水文、地质和地球化学等领域。近10多年来，喀斯特地区的土地退化乃至石漠化的问题日益严重，人类活动对生态的压力逐渐成为人们关注的焦点。我国西南喀斯特地区是世界上最大的喀斯特连续带，贫困人口集中，人口压力大，经济落后，土地退化严重，人地矛盾异常尖锐，如何开展生态建设、促进社会经济发展，成为西部大开发中最为紧迫的任务之一。贵州省是西南喀斯特地区的典型代表，部分地区已经失去了依靠自身力量进行生态恢复和发展的可能性，因而需要在科学研究的基础上，制定合理的规划和管理措施，针对性的增加外部投入，进行生态重建。对生态重建的理论、方法、技术和模式进行了总结，认为喀斯特地区土地退化是区域人地复杂巨系统结构损害和功能紊乱的集中表现，片面的环境保护和单独的生态治理工程无法解决这个系统问题，区域的生态重建需要采用系统科学的思路。在此基础上，提出喀斯特地区土地退化和生态重建研究中需要深入研究的一些问题。     

岩溶IGCP国际合作30年与岩溶关键带研究展望

全球岩溶类型多样,对环境变化敏感,资源与环境问题突出,是地球关键带监测与研究的重点,IGCP661项目的执行为岩溶区关键带类型划分与监测对比研究提供了契机和国际合作平台。近30年岩溶IGCP执行始终强调岩溶系统与人类活动环境的相互作用,其轨迹实际上与地球系统科学到地球关键带理念是一脉相承的。IGCP299提出了岩溶形态组合概念,揭示各种岩溶形态与其形成环境之间的因果关系。岩溶动力系统(IGCP379), 岩溶生态系统(IGCP448)概念的提出有助于我们更好地理解岩溶系统的整体功能,及系统内水、生物地球化学过程、人类活动的相互作用,进而形成了一整套岩溶动力学研究方法体系。开辟了岩溶记录与全球变化、碳循环与应对气候变化、石漠化形成演变与生态修复等研究新领域,并取得了丰硕的研究成果,有力地推动了现代岩溶学的发展。      

喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。     

流域地球关键带调查理论方法:以长江中游江汉平原为例

围绕如何运用地球关键带理论解决巨型流域生态环境保护问题,在总结国内外地球关键带研究进展的基础上,结合在长江中游开展的地球关键带调查实践,将流域侵蚀基准面定义为流域地球关键带底边界,建立了流域生态环境问题库、地球四大圈层变量库和人类活动变量库;构建了以典型生态环境问题为导向的、基于地球系统四大圈层、人类活动和时间的六维环境变量矩阵;提出了流域地球关键带横向三断面和垂向五界面的结构概化模型,识别了各断面和界面的共性变量和特征变量.有效突破了传统地球关键带研究局限于小流域、环境变量梯度和生态环境问题相对单一的不足,科学回答了流域地球关键带“在哪里调查”、“调查什么”和“监测什么”的问题,初步构建了流域地球关键带调查理论方法体系,并在江汉平原进行了示范性研究.本文为长江流域地球关键带调查以及长江大保护战略的实施提供了科学依据,并为我国流域地球关键带调查理论方法体系的建立提供探索性经验.      

北盘江流域水土流失及石漠化调控

以1989- 2001年通过盘江桥、高车断面的输沙量资料,分析北盘江流域的水土流失状况。结果表明,喀斯特地区的水土流失特征具有非线性的复杂关系。为了改善北盘江流域的生态环境质量,有必要对石漠化过程和人类活动方式采取适当的调控措施。通过对不同尺度范围可行性的探讨,认为按尺度层次划分的坡地改良方式,可能是北盘江喀斯特地区石漠化治理较为有效的途径。      

中亚成矿域地质矿产研究的若干重要问题

我国新疆地处中亚成矿域的核心地区,具有得天独厚的地理和资源优势。在执行国家“十一五”科技支撑计划重点项目08课题并取得初步成果的同时,我们意识到中亚成矿域目前还存在如下关键科学问题：中亚成矿域的形成和演化在全球地质构造体系中的地位和作用;环巴尔喀什-西准噶尔成矿省的地质背景：是岛弧环境还是后碰撞环境形成了斑岩型矿床以及相关浅成低温热液型矿床？成吉斯-塔尔巴哈台山的地质演化及其对金属成矿作用的制约机制;天山和阿尔泰地区广泛发育的韧性剪切带对金成矿作用控制时限与区域构造演化的耦合问题：中地壳的韧性剪切带如何会聚成矿流体？晚古生代晚期火山岩和次火山岩中铜金多金属矿集区的形成和演化;印支期地质过程的成矿意义和地球动力学背景;中生代陆相盆地演化与能源资源形成的动力学过程。对这些科学问题的探讨必然带动中亚成矿域地质研究的深入,并取得矿产资源勘查的突破。     

灰色GM(1,1)模型和Verhulst模型在喀斯特地区耕地预测中的应用——以毕节生态试验区为例

毕节生态试验区是典型的喀斯特地区,人口密度大,生态环境脆弱,水土流失严重,耕地保护尤为重要。本文以毕节地区1998—2006年常用耕地面积统计数据为基础,分别利用灰色GM(1,1)模型和Verhulst模型对该喀斯特地区常用耕地面积变化进行预测。预测结果表明,GM(1,1)模型和Verhulst模型都揭示了毕节地区常用耕地面积在未来几年呈逐年递减的趋势。但是通过模拟精度验证,研究区耕地面积原始数据变化曲线呈S型,就灰色GM(1,1)模型与Verhulst模型模拟预测结果相比较,对于原始数据的模拟,GM(1,1)模型预测精度较高,而Verhulst模型更适合研究区未来几年耕地面积变化的预测。该研究结果可为区域合理利用土地资源、编制土地利用规划和耕地保护提供依据。      

喀斯特峡谷区石漠化过程中土壤的生物地球化学特征

石漠化是南方喀斯特湿润区在人类活动驱动下,流失侵蚀导致地表岩石裸露的荒漠化景观[1].人为干扰方式导致石漠化的本质为土地退化,土壤退化是土地退化的重要组成部分.喀斯特地区有别于常态地貌的土壤类型,富钙偏碱的地球化学环境,人为干扰导致的荒漠成因,影响了喀斯特石漠化过程中的土壤生物地球化学特征.     

断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理的研究途径

针对2016年度国家重点研发计划项目"喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范"之课题一"断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理",旨在揭示喀斯特断陷盆地碳、氮、钙、水在生态系统中的迁移规律,阐明生态系统演替和石漠化演变过程及驱动机制。为此,选择蒙自盆地南洞地下河流域和泸西小江喀斯特盆地流域石漠化治理示范区,在对岩性、地形、地貌、生态水文、植被、社会经济、气象、土壤等因子分异特征研究的基础上,利用径流小区定位观测、同位素技术、生态化学计量学和模型模拟预测等技术手段,定量刻画典型流域植被与水文过程的交互作用,确立流域生态需水关键期及需水量,明确植被生态水文耦合过程对碳、氮、钙、水等物质传输的影响,评价生态系统碳固持能力,获取影响生态系统演替和石漠化演变过程的关键控制因素,预测生态系统演替和石漠化演变趋势,进而为喀斯特断陷盆地石漠化区面向生态的水资源合理配置和生态功能恢复提供理论依据。