Theoretical Approaches of Survey on Earth's Critical Zone in Basin: An Example from Jianghan Plain, Central Yangtze River
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摘要: 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.Abstract: Around how to use the theories of Earth's Critical Zone (CZ) to resolve ecological environment protection problem of large basin, it defines the base level of erosion for basin as the bottom boundary of CZ in basin, based on the domestic and foreign research progress on CZ in combination with survey on CZ in central Yangtze River basin. It conducted the ecological environment problem library of basin, the variable library of four spheres for earth and the variable library of anthropogenic activities. Based on "four spheres for earth", "anthropogenic activities" and "time", it also constructed the six-dimensional matrix guided by typical ecological environment problems. It proposes that three horizontal-sections and five vertical-interfaces as structural model of CZ in basin, and also identify the common/feature variables of sections and interfaces. According to the above results, we establish preliminary theoretical approaches of survey on CZ in basin and conduct an exemplary research in Jianghan Plain, which breaks through traditional CZ research limitation due to relatively single study on small watershed, gradient of environmental variable and ecological environment problems. We also answer the question on "where to survey", "what to survey" and "what to monitor" of CZ in basin. This study provides a scientific basis for survey of CZ in Yangtze River basin and implementation of Yangtze River protection, and exploratory experiences for the establishment of theoretical approaches of survey on CZ in basin.
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Key words:
- basin /
- Earth's Critical Zone /
- six-dimensional matrix /
- Yangtze River /
- Jianghan plain /
- hydrogeology
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0. 引言
伴随着全球工业化和城镇化进程的加快，人类正面临资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化等可持续发展的重大瓶颈问题(Lewis and Maslin, 2015；Steffen et al., 2016；Xu and Liu, 2017).地球的近地表圈层是地质环境与人类社会经济相互作用中最直接、最显著的地球表层部分(Hissler et al., 2014；Anderson，2015).它既是人类社会生存发展的立足之本，又是经济发展所需的水、土、矿产、粮食等资源之源，对于调节自然生境、支撑经济发展、提供生态服务等具有重要的作用，因此逐渐成为国际地学界日趋活跃的科学前沿领域(Menon et al., 2014；White et al., 2015；安培浚等，2016).鉴于这一圈层的重要性和独特性，美国国家研究委员会(National Research Council，NRC)于2001年将其命名为地球关键带(Earth’s Critical Zone，CZ)，即近地球表面的、有渗透性的、介于大气圈和岩石圈之间的地带(National Research Council，2001；朱永官等，2015).
地球关键带(Earth’s Critical Zone)的垂向上边界为植物冠层，下边界为含水层的基岩底板，是一个由地表岩石、土壤、水、生物、大气相互作用形成的不可分割、有机联系、不断变化的动态系统(Banwart et al., 2019；Holbrook et al., 2019).地球关键带在空间展布上呈现出高度的非均质性，在垂向上呈现出明显的界面分层性(National Research Council，2001).地球关键带是一个多过程动态反应器，主要包括生态过程、生物地球化学过程和水文过程(Lin，2010；Fan，2015；Richter and Billings, 2015).地球关键带的形成和演化的驱动力主要源于4个方面(Chorover et al., 2011)：地球内部能量驱动构造运动而增大地表的起伏不平；地球外部能量驱动风化过程而使地表削平填洼趋平；压力梯度驱动流体运动而使关键带物质发生空间迁移；生存需求驱动生物活动，对土壤、岩石、水等关键带要素施加越来越大的影响.
地球关键科学的使命是为人类社会面临的重大资源、环境和生态问题提供新的解决方案(Minor et al., 2020).为此，地球关键带科学建立了驱动力-压力-状态-影响-响应体系(driver-pressure-state-impact-response)的跨学科研究思路和范式(杨建锋和张翠光，2014).从社会经济与地球关键带的相互作用关系视角看(Ness et al., 2010)，社会经济活动从地球关键带获取资源，形成地球关键带向社会经济输入的物质流，而人类在生产和消费过程中排出的工业垃圾、生活垃圾、废水等，形成了经济社会向关键带的输出物质流，这些物质流对地球关键带产生压力，并使其结构和组成发生变化，进而影响地球关键带的功能和服务，人类为响应地球关键带变化需要采取相关的措施.循环上升的填图(mapping)-监测(monitoring)-建模(modeling)体系(简称3M框架)为研究复杂、非均质、动态的地球关键带提供了一条整合研究的技术框架(Lin，2010).填图是了解关键带组成与结构的基础，主要回答“地球关键带是什么”的科学问题；监测是了解关键带随时间变化的基础，主要回答“地球关键带是如何变化的”科学问题；建模是开展关键带过程机理研究的基础，主要回答“地球关键带是如何运行的”科学问题.
为了大力推进生态文明建设，建设美丽中国，实现山水林田湖草海的统筹治理，我国相继启动了长江大保护、黄河流域生态保护和高质量发展等系列国家战略.地球关键带是生态文明建设的主要对象，也是现代地质工作的主战场(李金发，2016).如何运用地球关键带理论和方法指导我国的生态文明建设实践，是一个非常有挑战性的科学难题.以长江大保护为例，挑战性主要体现在：(1)研究对象的复杂性：长江流域面积达180万km2，干流长达6 300 km，西起青藏高原，东入东海，中连洞庭湖和鄱阳湖，地形高度差达5 400 m，气候类型多样、地质条件复杂和自然资源和能源丰富，是当前地球关键带研究从未涉及的巨型流域(李长安等，2001；顾延生等，2018)；(2)人类的工业、农业和城镇化活动相互交织且作用强烈：长江流域横跨19个省(自治区和直辖市)，生活着近5亿的人口，建设了包括三峡水利枢纽和丹江口水库等5万余座水库，建立了成渝、长江中游、长江三角洲三大城市群以及成都平原、江汉平原、洞庭湖平原、江淮地区、鄱阳湖平原和太湖平原等商品粮基地(蔡述明和周新宇，1996；顾延生等，2013)；(3)全流域生态环境问题的多样性和连锁性：源头区的冰川消融，上游区的水土流失与地质灾害，中下游的洪涝与干旱、冰冻与热浪、外来物种入侵与生物多样性减少、湿地退化、原生劣质地下水、血吸虫、环境污染、地面沉降和海水入侵等(Sun et al., 2013；Shen et al., 2019；Du et al., 2020；Liu et al., 2020；王露霞等，2020).传统的地球关键带研究多局限于上千平方公里的小流域，环境变量梯度和生态环境问题相对单一，无法解决长江和黄河这样巨型流域的生态环境问题.
针对上述问题，我们依托中国地质调查局的二级地质调查项目和国家自然科学基金重点项目，进行了为期6年的探索，以长江中游为对象，初步建立了流域地球关键带理论方法体系，其核心学术思想包括：(1)将地球关键带的底边界拓展到流域侵蚀基准面，从而将整个流域作为地球关键带的研究对象；(2)基于“全流域的各类生态环境问题是各种人类活动与地球四大圈层在不同时间尺度上相互作用的结果”科学假设，通过建立六维(四大圈层、人类活动、时间)环境变量矩阵，识别地球关键带重点填图区，解决了地球关键带在哪里调查的问题；(3)将流域地球关键带结构概化为横向上盆-山、地表水-地下水、海-陆3个断面和垂向上的五面四体，提出了共性变量和特征变量，解决了地球关键带“调查什么”和“监测什么”的问题.本研究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.
1. 典型生态环境问题与环境变量
1.1 圈层交互与圈层变量
流域是陆地水文循环的基本空间单元，由地表集水区和地下集水区组成，分水岭(线)是其平面边界，流域侵蚀基准面是其形成演化的底边界.一个大流域按照水系等级分成若干个小流域，小流域又可细分为更小的流域.如果一个流域的源头在其区域最高点，而汇是海洋，且流域面积达几十万平方公里，则称其为巨型流域，如长江流域等(图 1).
由地球内动力驱动的地质构造使地表起伏，而外动力驱动的风化和侵蚀作用则使地表趋平，二则此消彼长，驱动着流域由海向区域最高源头演化，直至流域地表达到流域侵蚀基准面.流域通过上游-中游-下游的风化-侵蚀-搬运-堆积过程“一体化”机制，实现陆地物质向海洋的传输.流域有其自然生态法则，精确地控制着流域的水和物质的储备、释放、分配、传输和沉积：源头区通过节律性的冻融实现水资源的储存和物质的侵蚀搬运，上游区通过节律性的崩滑流为中下游提供物源，中游区通过河曲和湖泊实现上游物质的转存和传输，下游区通过河网沉积中游传输来的物质并入海.
流域生态环境问题是人类活动对流域自然生态法则的“挑战”超过其“底线”的一种响应，即各类生态环境问题是各种人类活动与地球四大圈层在不同时间尺度上相互作用的结果.为此，需要从流域的大气圈、岩石圈、水圈和生物圈以及人类活动和时间等6个纬度的变量层面定量分析流域生态环境问题，需要通过流域侵蚀基准面将上游、中游和下游统筹于一体.我们通过对长江流域各类生态环境问题的分析，分别建立了生态环境问题库、地球四大圈层变量库和人类活动库.圈层变量见表 1.
表 1 四大圈层变量库Table Supplementary Table Variable library of four spheres圈层名称 变量库 水圈 水量、水质、水位、流速、水温、DO、pH、ORP、TDS、特征组分、蒸发量等 岩石圈 高程/埋深、年龄/暴露时间、岩性、容重、孔隙度、粒度、坡度、矿物、渗透系数、内摩擦角等 大气圈 温度、湿度、气压、风速、降雨、日照、辐射、云覆盖度、能见度、O3/CO2/O2/SO2等 生物圈 生物量、多样性指数、初级生物生产力、酶活性、微生物数量、光合作用、蒸腾量、根系等 人类活动指在一定时空尺度上能够直接改变或影响人类生存环境的、具有一定规模的人的活动或行为(叶笃正等，2001)，具体包括工业活动(采掘、能源、冶炼、加工、制造等)，农业活动(种植业、畜牧业、林业、渔业等)，城镇活动(商业、交通、供水、垃圾与排污等).其对地球四大圈层的影响形式包括：地表形态、地表植被、地表地球化学过程、水循环途径和物质成分、大气物质成分、物种等.
1.2 六维环境变量矩阵
地球关键带是由水圈-岩石圈-大气圈-生物圈-人类活动-时间(W-R-A-B-H-T)相互作用形成的不可分割、有机联系、不断变化的动态系统.对于不同的生态环境问题，其在W-R-A-B-H-T上的主控变量(或指标)不同.因此，针对调查区内主要的生态环境问题，筛选关键环境变量，基于W-R-A-B-H-T关系对其解构，构建流域尺度六维环境变量矩阵(图 2)，“四大圈层”、“人类活动”与“时间”的变量因子间发生复杂相互作用，共同影响流域典型生态环境问题.
六维矩阵公式表达为：
$$ {\rm{Y}}\left(生态环境问题 \right) = {\rm{F}}\left({{\rm{W, R, A, B}} \cup {\rm{H}} \cup {\rm{T}}} \right), $$ 其中：W.水圈；R.岩石圈；A.大气圈；B.生物圈；H.人类活动；T.时间.
1.3 典型敏感区识别
流域系统生态环境问题频发，总体上表现出上游(冰川消融、水土流失和地质灾害)—中游(湿地退化、劣质地下水、洪涝灾害)—下游(水体污染和地面沉降)生态环境问题的显著差异性，流域地球关键带横向上各异的环境变量梯度是导致这一现象的根本原因.流域不同区域受环境变量的敏感性控制各异，因此，识别典型敏感区是开展流域地球关键带调查的前提.
根据国家标准1:5万分幅方法，对典型流域系统进行网格式划分.在此基础上，基于典型生态环境问题与环境变量，构建六维环境梯度变量矩阵，并对特征变量分别进行属性赋值，定量数据标准化(区间赋值)，定性变量采用模糊量化方法处理(构造模糊隶属函数：偏大型柯西分布和对数函数).评价因素一般分为5个等级，即A，B，C，D，E，将5个等级依次对应为5，4，3，2，1；为了连续量化，取偏大型柯西分布和对数函数作为隶属函数：
$$ F\left(X \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\left[ {1 + \alpha {{\left({x - \beta } \right)}^{ - 2}}} \right]}^{ - 1}}, 1 \le x \le 3}\\ {a\ln x + b, 3 \le x \le 5} \end{array}} \right\}, $$ (1) 其中：α，β，a，b为待定常数，可通过对“评价因素等级”赋予隶属度求得.
根据拟合的隶属函数，对各个图幅六大环境变量进行赋值，再基于空间方差聚类方法，采用K-MEANS法对各图幅数据进行归类处理，最终通过层次分析后的相似度识别特征环境变量的典型敏感区.
2. 非均质性结构调查与表征
流域地球关键带结构突出表现为横向上的分带性和垂向上的分层性.
2.1 横向分带性
流域地球关键带横向结构主要受地形梯度、水力梯度等控制，表现出同源物质的分带性，包括上游、中游和下游的分带性，沉积物粒径、分选性和磨圆性的分带性，以及化学组成和营养物质分布的分带性，进而形成不同的生态景观带和人类活动区.流域地球关键带横向结构主要受控于如下几个关键断面：
(1) 盆-山作用断面：主要位于流域上游与中游的交界处，断面处地形陡降，受气候及构造双重控制，存在巨大的水力梯度，驱动物质与能量的传递，环境改造力强且不稳定，大量的物质与水从上游“物源区”进入相对平缓的中游“传输区”，多存在水土流失、冰川消退和滑坡等生态环境问题.
(2) 地表-地下水作用断面：广泛分布于整个流域系统，但在水系发达，降水丰富的中游区域相互作用尤为强烈，使地表-地下水成为相互独立又紧密联系的整体，并在其间进行快速的物质交换，控制着C、N、P及重金属等污染物的归趋，是生物地球化学反应热区，对湿地退化和水土污染等生态环境问题有显著影响.
(3) 海-陆作用断面：一般位于流域系统下游，是流域物质与水的“汇集区”，也是“输出区”，连接陆地与海洋生态系统，两者在其间进行复杂的交互，受人类活动干扰巨大，近年来海水入侵和海-陆生态退化等频发.
2.2 垂向分层性
地球关键带自植物冠层向下依次穿越了地表面、土壤层、包气带、饱水带，垂向结构表现出岩性的分层性，沉积固结时间的递增性和渗透性的递减性，对于地表的干扰具有显著的阻尼效应.
流域地球关键带垂向结构主要受5个关键界面控制，即大气-植被界面、植被-土壤界面、包气带-饱水带界面、弱透水层-含水层界面和含水层-基岩界面(区域侵蚀基准面)，界面与界面之间又分别形成四个体，总称地球关键带垂向结构为“五面四体”(图 3).
图 3 流域地球关键带垂向界面“五面四体”结构Fig. 3. The five interfaces-four cubes construction for vertical-interface of Earth's Critical Zone in basin(1) 大气-植被界面：位于树冠顶端，地球关键带垂向上最表层的界面，植被通过热流和水分与大气发生相互作用，并在其间进行着物质与能量的交换，受到降雨、光合作用和大气沉降等多过程的控制，是外源物质进入关键带内部循环的主要通道.
(2) 植被-土壤界面：位于浅地表，环境复杂多变，以水分为载体在植被(根系)-土壤间进行物质交换与能量传递，多数营养元素及污染物在此处进入生物系统，驱动整个地表植被的生长、景观格局的变化和生态功能的实现.
(3) 包气带-饱水带界面：是非饱和-饱和区的过渡带，也是联系地表各圈层交互的敏感带，地下环境在此处发生了显著变化，从非饱和环境过渡为饱和环境，为垂向水分与能量交换提供了场所，生物地球化学过程极其活跃.
(4) 弱透水层-含水层界面：地下水系统重要的组成部分，在垂向上的位置由地层沉积层序决定，虽单位面积透水量有限，但其在垂向上总传输水量及物质释放十分巨大，对相邻含水层环境有着强烈影响.
(5) 含水层-基岩界面：位于地球关键带垂向上最底层，界面之下循环过程缓慢，在水分驱动下与地球深层圈层产生联系，反映了区域环境背景.
2.3 三维结构表征
流域地球关键带结构的三维表征是地球关键带填图的重要内容，也是定量分析地球关键带过程和功能的基础.其横向和垂向结构的非均质性可通过物理结构、化学结构和生物结构进行精细刻画，并为流域的地质、水文和生态框架构建提供依据.
(1) 物理结构：物理结构的各向异性是流域地球关键带非均质性的首要诱因，其主要是对地球四大圈层和人类活动的物理变量的三维空间插值和可视化表征.
(2) 化学结构：主要是基于多界面耦合结构调查结果，对地球四大圈层和人类活动的化学变量的三维空间插值和可视化表征.
(3) 生物结构：主要是对地球四大圈层中生物的种类、数量、分布、群落结构、习性与功能、栖息地等进行三维量化表征.
3. 流域地球关键带过程与监测
3.1 流域地球关键带过程及监测变量
地球关键带中物质和能量的循环是维持其健康活力的基础，主要通过水文过程、生物地球化学过程和生态过程实现.在重力和水力梯度作用下，水文过程通过大气水、土壤水、地下水不断转化，使物质和能量在空间上重新分布；生物地球化学过程将生物过程与非生物过程联系在一起，通过流体作用、沉积作用和气体作用，使碳、氮等化学元素和物质在空间上的分布发生变化；在太阳辐射能的驱动下，生态过程通过植物、微生物等生产者的作用将土壤中的物质合成为植物量，沿着食物链依次提供给消费者，经消费后又被微生物分解返回土壤，人类活动可被看作是生态循环的一部分.生物地球化学过程和水文过程相互耦合，推动了生态过程的持续进行，又共同决定了地球关键带的整体形态和功能.
流域地球关键带的非均质结构控制着物质流和能量流的循环节律，包括循环方向、循环强度和循环周期.因此，我们可以通过监测流域地球关键带的横向上的3个断面(盆-山作用断面、地表-地下水作用断面、海-陆作用断面)和垂向上5个界面(大气-植被界面、植被-土壤界面、包气带-饱水带界面、弱透水层-含水层界面、含水层-基岩界面)上物质和能量循环信息，认识和掌握水文过程、生物地球化学过程和生态过程的动态变化规律，识别地球关键带的健康状态.
考虑到物质流和能量流在流域尺度的连续性和生态环境问题的独特性，将监测变量分为共性变量和特征变量两类.前者是分析各类生态环境问题均需要的基础性变量，后者是仅在分析某个生态环境问题才需要的变量或是某个断面(界面)所特有的变量，如表 2所示.
表 2 流域地球关键带横向断面及垂向界面变量Table Supplementary Table Variables for horizontal-section and vertical-interface of Earth's Critical Zone in basin典型断面及界面 共性变量 特征变量 盆-山作用断面 地貌、岩性、坡度、水动力强度、流速等 输砂量、矿物、孔隙度、内摩擦角等 地表-地下水作用断面 地表-地下水交换量、水化学特征等 氚同位素、碳氮同位素等 海-陆作用断面 水文交换通量、水化学特征等 Cl-Br二维同位素 大气-植被界面 降水量、蒸散量、气温 温室气体分压、光合作用强度 植被-土壤界面 浅层土壤岩性、土壤水化学、根系结构及密度、土地利用类型 重金属含量、微生物数量、酶活性、土壤呼吸速率 包气带-饱水带界面 包气带厚度、结构、饱和渗透系数、水位 溶质下渗量、毛细水化学、微生物丰度 弱透水层-含水层界面 弱透水层岩性与化学组成、越流强度、孔隙水/地下水化学特征 物质交换通量、界面吸附、反应速率 含水层-基岩界面 区域地层结构、第四纪沉积物厚度、胶结程度 矿物组成、矿物结构水组成、地下水年龄、溶质下渗通量 3.2 流域地球关键带监测技术方法
地球关键带监测(monitoring)是关键带研究的主要手段，在地球关键带结构调查与表征的基础上，选择控制流域关键带过程的典型断面/界面部署观测点，建立地球关键带监测场地，针对典型变量进行高密度、系统性监测，获取关键带多个过程的大数据，进一步精细刻画地球关键带场地结构及过程对于驱动因子(地表过程、人类活动、气候变化)的响应，是地球关键带研究体系的核心.
综合考虑气候特征、水文情势及人类活动影响的长期和滞后效应，关键带场地监测应以水文年为监测周期，并保证长期监测.根据监测指标的不同，监测频率可以分为单次、日尺度(2小时/次)、季度/月度尺度(2月/次)进行；此外，在极端气候(暴雨、洪水)发生后也应进行监测，确保对地球关键带典型断面/界面过程进行长期化、高精度的刻画.地球关键带监测技术主要依托气象站、自动传感器、多水平监测井、高频次采样等方式进行，其监测手段和监测频率要求具体见表 3.
表 3 流域地球关键带监测技术与要求Table Supplementary Table Monitoring technologies and requirements for Earth's Critical Zone in basin监测对象 监测指标 监测技术/仪器 监测频率 气象指标 风速、风向 小型通量塔、传感器 日尺度 气温、光照强度 小型通量塔、传感器 日尺度 湿度、干燥度 传感器 日尺度 降雨量、蒸发量 小型通量塔、传感器 日尺度 地表及地下结构 场地微地貌及地表三维建模(高程、坡度等) 无人机、CCD相机 单次 地表覆盖物信息 无人机、实地调查 单次 场地地质、水文地质结构 GEO-PROBE钻机 单次 场地三维结构 三维激电仪 单次 河床结构 多普勒河道扫描 单次 水 大气水 雨水水化学 雨量计、室内分析测试 月度或季度 地表水 流量、流速、径流深度等 流量/流速仪、声呐 月度或季度 地表水水化学 传感器、室内分析测试 月度或季度 土壤水 土壤水负压 土壤负压计 月度或季度 土壤含水率 TDR探头 日尺度 土壤水水化学 土壤水采样器、室内分析测试 月度或季度 地下水 地下水水位 关键带多水平监测点、传感器 日尺度 地下水流速、流向 地下水流速流向仪 月度或季度 地下水水温、水化学组分 关键带多水平监测点、室内分析测试 月度或季度 土 土壤 土壤剖面结构 包气带剖面观测点 月度或季度 土壤温度、湿度 传感器 日尺度 土壤物理特性(孔隙度、粒径等) 土壤采样器、激光粒度仪、CT扫描 单次 土壤组成与矿物成分 土壤采样器、XRD、XRF 单次 沉积物 河流沉积物 原状沉积物采样器 月度或季度 物理特性(孔隙度、渗透系数等) 水文地质试验、饱和渗透试验 月度或季度 岩性与矿物成分 GEO-PROBE钻机、XRD 单次 元素组成与有机质含量 GEO-PROBE钻机、XRF、元素分析仪 单次 气 大气 地表-大气界面气体通量(CO2或CH4) 静态气体箱 月度或季度 土壤气 土壤剖面气体含量 DIK-土壤气体采样器5212 月度或季度 生 地表植被 植被类型/丰度调查 无人机、野外实地调查 月度或季度 根系 根系观察仪 月度或季度 微生物 土壤酶含量 化学提取法 月度或季度 微生物类型(水、土) 高通量测序 月度或季度 3.3 异常识别与原因解析
流域地球关键带过程涉及广泛且复杂的物理、化学及生物过程，对流域地球关键带断面/界面进行高密度、高频次的监测下，时常出现典型变量的数据异常点，如何识别其为“监测问题点”或为“关键带过程关键点”对监测结果分析极其重要，具体应遵循以下原则：
(1) 全面掌握监测技术，定期维护监测场地.科学设计监测方案，保证监测场地正常运行，熟练掌握各监测指标测定条件，尽可能排除操作过程失误带来的误差(采样污染、测试误差、记录错误等).
(2) 密切关注环境要素变化.归纳分类分散的监测数据，从物、化、生、水文等方面分析其合理性，关注影响监测指标的环境要素变化(降雨量-水文过程、人为扰动-土壤结构、气温-土壤气体等)，联系历史资料综合分析，必要时重新采样监测.
(3) 对比监测指标间协同关系.各监测指标相互间的性质存在固定的协同关系，当出现数据异常时，应关注其他指标是否也发生合理变化，从而判别异常原因.例如监测发现地下水中溶解氧异常升高，应关注地下水中其他还原性物质(Fe2+、S2-等)浓度是否显著下降，且是否伴随着氧化性物质(NO3--N等)浓度的上升，否则认为异常，应检测传感器是否损坏.
(4) 建立变量监测时空分布数据库.长期的动态监测积累了大量的监测数据，将异常监测指标与数据库进行比对，判断其“再现性”，若从未出现，则应结合实时环境要素及监测指标协同关系分析，判定数据异常原因.
4. 流域地球关键带模拟与预测
地球关键带模拟是开展关键带机理研究、定量评价、预测关键带演化的手段，将填图、监测获得的时空数据整合，对关键过程进行耦合模拟，是关键带科学研究的重要领域之一.为深化对地球关键带形成、运行与演化的科学认识，多过程耦合将成为未来关键带科学研究的核心趋势.
地球关键带中相互耦合的生态、水文和生物地球化学过程使其成为不可分割、有机联系且不断变化的动态系统(图 4).根据所模拟过程的种类，关键带过程模型大致可分为3类：描述单个过程的数学模型、描述多个同类过程叠加耦合的数学模型和描述不同类过程叠加耦合的数学模型.
(1) 单过程数学模型
以地球关键带领域主要关注的植被、生物、非饱和带等过程为主，目前已建立了较为成熟的数学模型，如研究土壤矿物组分和根系相互作用关系的LIGGGHTS模型和研究包气带土壤水分布的VS2Di模型等(Healy，2008；Hoffman and Anderson, 2014).
(2) 同类多过程耦合数学模型
主要以饱和带-非饱和带水文过程耦合模型研究为主，通常有两种做法将非饱和带与饱和带的水文过程耦合在一起：一是把描述垂向土壤水流的非饱和带方程(如一维Richards方程)与描述地下水水平运动的饱和带方程(如二维Boussinesq方程)直接耦合在一起，土壤与含水层由二者接合处土壤水流量进行连接(Pikul et al., 1974)；另一种做法是把非饱和带和饱和带作为一个统一的系统，采用三维Richards方程从机理上描述土壤与地下水水流和溶质运移，如SWMS_3D和FEMWATER模型(McBride et al., 2006).
(3) 不同类多过程耦合数学模型
① 水-土-作物系统水分和特征元素迁移转化模型：根据土壤剖面水分和特征组分分布特征、土壤岩性和溶质运移参数，建立典型剖面水-土-作物系统水分和特征元素的迁移转化数学模型，揭示水分及特征元素在剖面上的迁移转化规律(Yang et al., 2019).
② 生态-水文过程耦合模型：通常将植物生长模型与水文模型耦合建立生态水文模型，以定量刻画植被生长与水文变化的耦合过程，分析全球变化对流域生态-水文过程演变的影响机制.例如，以水文模型TOPMODEL为基础，耦合碳氮循环过程模型，建立RHESSys生态水文模型用以模拟关键带水、碳、氮的耦合循环(Tague and Band, 2004)；以区域关键带生态-水文过程为关注点，建立生态水文模型tRIBS-VEGGIE用以模拟复杂地形背景下河流盆地植被生长动态变化与水文变化过程(Lepore et al., 2013).
③ 多尺度流域水文-生物地球化学过程耦合模型：基于场地水动力条件、生物地球化学过程机理和实验结果，建立场地尺度水文-生物地球化学过程耦合模型，并联合多个场地尺度模型来建立流域尺度耦合模型，揭示关键带主要水文-生物地球化学过程.如以耦合水文过程模型PIHM为基础，建立多种耦合模型以研究不同关键带水文-生物地球化学耦合过程，包括研究关键带景观、结构演化过程的LE-PIHM模型和研究溶质化学和通量的Flux-PIHM-BGC模型等(Zhang et al., 2016；Shi et al., 2018).
在选取合适过程耦合模型的基础上，进一步整合流域地球关键带结构调查与表征、过程与变量监测所获得的时空数据，开展流域地球关键带模拟与预测，可为流域物质调控与典型生态环境问题的综合防治提供合理对策与建议，主要包括以下两个角度：一是通过模型揭示地球关键带过程、机理及其产生的环境效应，明确其对典型生态环境问题的控制，并提出相应的防治对策；二是通过假定气候、环境的一般或极端演化，预测典型生态环境问题未来的发展趋势，为避免其后续的威胁提供前瞻性的研究.
5. 研究实例
长江中游江汉平原处于我国第一、第三阶梯的过渡带，随着大型水利工程的兴建、大规模围湖造田的开展和强烈工农业活动的进行，长江中游面临洪灾频发、湖泊及湿地萎缩、水土污染、生境退化等一系列严重生态环境问题，迫切需要以“流域地球关键带”理论为指导，开展相应的地球表层系统综合调查研究.研究可为长江流域生态文明建设提供支撑，也为我国地球关键带调查、监测和模拟工作开展提供研究示范.
5.1 长江中游江汉平原地球关键带调查图幅敏感区划分
基于“六维环境变量矩阵”，按照国家标准1:5万分幅方法对长江中游江汉平原进行网格式划分，以流域为单元，识别并解构典型环境问题，将“降水”、“地形-岩性”、“水系特征”和“人类活动”四项作为研究区特征环境变量，对其进行属性赋值(定量数据标准化，定性变量模糊量化)，基于空间方差聚类方法，采用K-MEANS法对各图幅数据归类处理，并通过层次分析后的相似度识别特征环境变量的敏感区.结果显示，江汉平原共包含6类主簇，以主簇梯度为主线来部署图幅，确定调查工作的部署区域.工作区跨越了其中3类代表性主簇(图 5).
图 5 长江中游江汉平原特征环境变量分区Fig. 5. The division for characteristic environmental variables in Jianghan plain, central Yangtze River5.2 长江中游江汉平原地球关键带结构调查与表征
针对典型生态环境问题，通过长江中游江汉平原重点图幅地球关键带综合调查，获取遥感解译、第四纪地质、水文/环境地质、包气带结构、地下水/土污染、水/土微生物多样性等关键数据，完成地球关键带一维钻孔调查(物、化)、二维关键界面填图(土地利用类型、表层土壤微生物多样性、毛细上升高度顶板埋深等值线分区、地下水环境质量、第四系厚度等值线图)及三维立体可视化结构的构建(地貌、微生物多样性分布、地下水重点参数、第四系岩性三维立体结构)，精细表征长江中游地球关键带结构(图 6).
图 6 长江中游江汉平原典型图幅地球关键带结构调查与表征Fig. 6. The survey and characterization of Earth's Critical Zone structure of map-sheet in Jianghan plain, central Yangtze River5.3 长江中游江汉平原地球关键带过程与监测
江汉平原水利工程密集分布，人类活动显著影响了区域内原有的水资源分配过程，使其水文循环发生巨大改变，进而影响地球关键带的物质循环过程和服务功能.结合江汉平原地球关键带特点，以关键带水循环及其所驱动的物质、能量循环为主要研究对象，根据不同水利工程对江汉平原的影响程度，建立3个不同级别的监测网络(盆地尺度、汉江下游流域尺度和小流域尺度)，开展相应地球关键带要素监测(图 7)，初步揭示了重大水利工程建设对汉江下游关键带水循环模式与生态环境的影响，并成功并入全球地球关键带监测网络.
图 7 长江中游江汉平原地球关键带监测网部署Fig. 7. Monitoring network deployment of Earth's Critical Zone in Jianghan plain, central Yangtze River5.4 长江中游江汉平原地球关键带模拟与预测
通过收集江汉平原气象、水文及地质资料，划分岩层并求得其重要参数取值(含水性、渗透系数及地下水动态等)，确定地下水系统的边界类型，建立了江汉平原水文地质概念模型.在此基础上，建立江汉平原三维非稳定地表水-地下水流耦合模型，用以描述江汉平原地表水-地下水相互作用时空演化过程.
根据校正后的模型结果及模型预测得出如下几方面认识：天然条件下长江和汉江与地下水间相互作用模式在年内的变化趋势基本一致，均表现为年初(枯水期)以地下水补给河水为主，年中(丰水期)转换为河水补给地下水，在年末(枯水期)又呈现出地下水补给河水占主导的模式；长江和汉江沿岸地表水与地下水相互作用在水平方向上的最大影响范围分别约为1.75 km和1.1 km；南水北调工程的实施对汉江与地下水间的交换强度影响显著，使江汉平原地下水均衡变为负均衡，且随实施年份增加而呈现波动式降低，而引江济汉工程的实施有效缓解了江汉平原地下水资源量的减少趋势.
6. 结论与展望
本研究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，初步构建了流域地球关键带调查理论方法体系，主要结论如下：
(1) 将流域侵蚀基准面定义为流域地球关键带底边界，有利于将上游、中游和下游统筹为一个地球关键带；
(2) 任何流域生态环境问题均是人类活动与地球关键带四大圈层在不同时间尺度上作用的结果，构建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，可有效识别调查的敏感区；
(3) 流域地球关键带非均质性结构，可以用盆-山作用断面、地表-地下水作用断面、海-陆作用断面3个横向断面以及大气-植被界面、植被-土壤界面、包气带-饱水带界面、弱透水层-含水层界面、含水层-基岩界面(侵蚀基准面)5个垂向界面概化，界(断)面及其所夹的结构体可用物理、化学和生物学变量表征；
(4) 流域地球关键带横向和垂向上的非均质断面和界面控制着物质流和能量流的循环节律，通过对其进行系统的共性变量和特征变量监测，可以很好地认识和掌握水文过程、生物地球化学过程和生态过程的动态变化规律，识别地球关键带的健康状态.
本文所建立的流域地球关键带调查理论方法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，为巨型流域的生态文明建设提供了科学依据.然而，我国流域地球关键带研究仍处于起步阶段，流域地球关键带调查与监测是服务于地球关键带的定量化模拟预测和调控管理的，亟待发展流域水资源-水环境-水生态耦合模型，预测流域的演化趋势，识别人类活动的影响，并提出对策.
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图 3 流域地球关键带垂向界面“五面四体”结构
Fig. 3. The five interfaces-four cubes construction for vertical-interface of Earth's Critical Zone in basin
图 5 长江中游江汉平原特征环境变量分区
Fig. 5. The division for characteristic environmental variables in Jianghan plain, central Yangtze River
图 6 长江中游江汉平原典型图幅地球关键带结构调查与表征
Fig. 6. The survey and characterization of Earth's Critical Zone structure of map-sheet in Jianghan plain, central Yangtze River
图 7 长江中游江汉平原地球关键带监测网部署
Fig. 7. Monitoring network deployment of Earth's Critical Zone in Jianghan plain, central Yangtze River
表 1 四大圈层变量库
Table 1. Variable library of four spheres
圈层名称 变量库 水圈 水量、水质、水位、流速、水温、DO、pH、ORP、TDS、特征组分、蒸发量等 岩石圈 高程/埋深、年龄/暴露时间、岩性、容重、孔隙度、粒度、坡度、矿物、渗透系数、内摩擦角等 大气圈 温度、湿度、气压、风速、降雨、日照、辐射、云覆盖度、能见度、O3/CO2/O2/SO2等 生物圈 生物量、多样性指数、初级生物生产力、酶活性、微生物数量、光合作用、蒸腾量、根系等 
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表 2 流域地球关键带横向断面及垂向界面变量
Table 2. Variables for horizontal-section and vertical-interface of Earth's Critical Zone in basin
典型断面及界面 共性变量 特征变量 盆-山作用断面 地貌、岩性、坡度、水动力强度、流速等 输砂量、矿物、孔隙度、内摩擦角等 地表-地下水作用断面 地表-地下水交换量、水化学特征等 氚同位素、碳氮同位素等 海-陆作用断面 水文交换通量、水化学特征等 Cl-Br二维同位素 大气-植被界面 降水量、蒸散量、气温 温室气体分压、光合作用强度 植被-土壤界面 浅层土壤岩性、土壤水化学、根系结构及密度、土地利用类型 重金属含量、微生物数量、酶活性、土壤呼吸速率 包气带-饱水带界面 包气带厚度、结构、饱和渗透系数、水位 溶质下渗量、毛细水化学、微生物丰度 弱透水层-含水层界面 弱透水层岩性与化学组成、越流强度、孔隙水/地下水化学特征 物质交换通量、界面吸附、反应速率 含水层-基岩界面 区域地层结构、第四纪沉积物厚度、胶结程度 矿物组成、矿物结构水组成、地下水年龄、溶质下渗通量
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表 3 流域地球关键带监测技术与要求
Table 3. Monitoring technologies and requirements for Earth's Critical Zone in basin
监测对象 监测指标 监测技术/仪器 监测频率 气象指标 风速、风向 小型通量塔、传感器 日尺度 气温、光照强度 小型通量塔、传感器 日尺度 湿度、干燥度 传感器 日尺度 降雨量、蒸发量 小型通量塔、传感器 日尺度 地表及地下结构 场地微地貌及地表三维建模(高程、坡度等) 无人机、CCD相机 单次 地表覆盖物信息 无人机、实地调查 单次 场地地质、水文地质结构 GEO-PROBE钻机 单次 场地三维结构 三维激电仪 单次 河床结构 多普勒河道扫描 单次 水 大气水 雨水水化学 雨量计、室内分析测试 月度或季度 地表水 流量、流速、径流深度等 流量/流速仪、声呐 月度或季度 地表水水化学 传感器、室内分析测试 月度或季度 土壤水 土壤水负压 土壤负压计 月度或季度 土壤含水率 TDR探头 日尺度 土壤水水化学 土壤水采样器、室内分析测试 月度或季度 地下水 地下水水位 关键带多水平监测点、传感器 日尺度 地下水流速、流向 地下水流速流向仪 月度或季度 地下水水温、水化学组分 关键带多水平监测点、室内分析测试 月度或季度 土 土壤 土壤剖面结构 包气带剖面观测点 月度或季度 土壤温度、湿度 传感器 日尺度 土壤物理特性(孔隙度、粒径等) 土壤采样器、激光粒度仪、CT扫描 单次 土壤组成与矿物成分 土壤采样器、XRD、XRF 单次 沉积物 河流沉积物 原状沉积物采样器 月度或季度 物理特性(孔隙度、渗透系数等) 水文地质试验、饱和渗透试验 月度或季度 岩性与矿物成分 GEO-PROBE钻机、XRD 单次 元素组成与有机质含量 GEO-PROBE钻机、XRF、元素分析仪 单次 气 大气 地表-大气界面气体通量(CO2或CH4) 静态气体箱 月度或季度 土壤气 土壤剖面气体含量 DIK-土壤气体采样器5212 月度或季度 生 地表植被 植被类型/丰度调查 无人机、野外实地调查 月度或季度 根系 根系观察仪 月度或季度 微生物 土壤酶含量 化学提取法 月度或季度 微生物类型(水、土) 高通量测序 月度或季度
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