本文采用氣候、成土母質、土壤類型、地下水深度、地貌類型與土地利用要素構建了地球關鍵帶三級分類方案，并以中國為案例進行了地球關鍵帶區劃和制圖。提出的地表綜合體分類方案能夠為地表自然資源綜合管理提供科學依據，對國內外相關研究提供參考和借鑒。
摘要
地球關鍵帶是地球表層系統自然綜合體，存在著區域均一性與差異性。國內外學者已圍繞不同類型的地球關鍵帶開展了一系列研究，但迄今為止沒有構建一個系統的分類體系或進行區域劃分，因此不能綜合反映其區域特征。
為了適應科學研究與自然資源規劃的需要，在梳理地球關鍵帶構成及其形成與演化主導影響因素的基礎上，采用氣候、成土母質、土壤類型、地下水深度、地貌類型與土地利用要素構建了地球關鍵帶三級分類方案。在遵循地帶性與非地帶性相結合、地理要素量變與質變相結合的原則下，使用疊置法對主要構成要素的高級分類進行疊加和綜合，并以中國為案例進行了地球關鍵帶區劃和制圖。
基于制圖綜合，將中國劃分為44個一級單元、100個二級單元與1448個三級單元。對比分析了三級分類中典型單元的空間分異特征與形成原因，并分析了典型地球關鍵帶的特征與我國現有觀測站及其類型。通過對比國內相關區劃工作，討論了地球關鍵帶分類與區劃的應用價值與相關問題。
通過分析國內外近十年的地球關鍵帶研究進展，指出構建地球關鍵帶演化過程與生態服務功能統一的理論框架是該新興領域的重要任務之一。該研究提出的地表綜合體分類方案能夠綜合體現地球關鍵帶的區域差異及其驅動因子格局，為地表自然資源綜合管理提供科學依據，可望對國內外相關研究提供參考和借鑒。
1 引言
地球表層系統由巖石圈、土壤圈、水圈、生物圈、大氣圈等圈層構成。系統內各圈層在垂直和水平方向存在連續性和變異性，構成了一個在三維空間上的立體結構。因此，與任何自然實體一樣，地球表層系統在不同空間尺度內可以分割成相對均一的單元。
地球表層系統這一概念，或者說學術思想，已有較長的發展歷程。早在上世紀50 年代，黃秉維先生擔任中國自然區劃工作委員會副主任，協助竺可楨先生組織我國不同學科領域的科學家主編了《中國綜合自然區劃》。1983 年，趙松喬先生提出了“中國綜合自然地理區劃的一個新方案”，將中國劃分為三個自然區：東部季風區、西北干早區和青藏高寒區（趙松喬, 1983）。1986 年，錢學森先生提出“地球系統科學”這一概念，認為地理系統是一個“開放的復雜巨系統”。
1980~1990 年代，吳傳鈞先生積極組織地理學界參與農業區劃研究，并完成了《中國農業區劃》等重大成果。趙松喬等進一步指出“土地系統是包括地質、地貌、氣候、水文、植被、土壤等全部自然地理要素的綜合體”（趙松喬等, 1988），陸大道等（1988）指出地球表層與社會經濟的發展密切相關。上述系列研究工作和探索雖然從概念上提出了“地球表層系統”，但對地表系統本身并沒有定義明確的邊界，因此較長時間以來僅停留在概念上而缺乏可操作的實體對象。
本世紀初，美國國家研究委員會提出“地球關鍵帶”（Earth’s Critical Zone）的概念（National Research Council, 2001），并指出地球關鍵帶研究是21 世紀地球科學研究的前沿。在這一理論框架中，以地球關鍵帶這一概念對地球表層系統進行了具有操作意義上的劃分，在垂直維上包含了從巖石—土壤風化界面到植被冠層頂部的近地表大氣，因此從內涵上包括了上述所有圈層。地球關鍵帶這一概念可以說在國際上首次為地球表層系統科學研究提供了一個可以操作的實體框架。雖然地球關鍵帶研究多以流域為基本單元，但在水平維度上并沒有給出明確的邊界，這也正是本研究試圖解決的問題。
目前，全球已建立了60 多個比較系統的地球關鍵帶觀測站（Giardino 和Houser, 2015），相關研究重點關注區域觀測，著重理解地表過程各要素的響應與交互機理。地球關鍵帶觀測站群的構建與科學研究已取得階段性進展（Lin, 2010; Banwart 等, 2011; Shao 等, 2018），但仍有諸多問題有待于進一步拓展，例如物質和能量在地球關鍵帶內部的轉化和轉移機制、氣候變化對地球關鍵帶演化的影響等。目前地球關鍵帶科學觀測與模擬主要集中在田間尺度與流域尺度，處于以“典型類型”為對象的站點研究階段。
地球關鍵帶分類首先要解決的問題就是確定分析的對象。地球關鍵帶的各組成要素均是空間連續的獨立系統。對于地表綜合體的劃分，前人已經有些嘗試，其中最具代表性和系統性的是SOTER 的概念與劃分（Van Engelen, 1993; Zhang 和Zhao, 2008），SOTER 是土壤（SOil）和地體（TERrain）綜合體的簡稱，綜合了土壤和巖石的類型，并據此開展了一些區域的實驗性研究（Igué 等, 2004; Batjes, 2008）。
Lü 等（2019）使用地質、生態、氣候、社會經濟等指標對我國黃土高原進行了地球關鍵帶類型劃分。黃土高原地質、地貌、氣候與土壤類型相對而言較為均一，但該研究已經具備了地球關鍵帶分區和分類思想。雖然大量學者已從功能、種類、特征的角度研究了各基礎要素的分類或區劃，但如何集成這些分類信息對地球關鍵帶二次分區是研究的難點和重點問題。國際上對于這個問題的認識尚未形成統一的結論。
無論是地球表層系統，還是地球關鍵帶，或者SOTER，都是對地球表層系統認知的方**，在自然資源綜合管理上具有工具價值。為了更加清晰地認識地球關鍵帶系統的空間變異性，以及由此決定的物質遷移、轉化過程的特征及其對陸地生態系統功能的影響，有必要對其進行類型的劃分和空間區劃，這種劃分對不同類型的地球關鍵帶科學研究和自然資源綜合管理具有重要的指導意義。
本文提出了三級地球關鍵帶分類的原則與具體方法，探討了該分類體系的普適性，以中國的地球關鍵帶類型劃分為例，對比討論了該分類體系的合理性與不足，以期為國內外相關研究提供參考。
2 材料與方法
2.1 分類依據、原則與方法
分類是地理分區的理論基礎，地球關鍵帶的分類重點體現相對一致性原則，即注重不同等級區域內部特征的一致性與變異特征。相同區域是統一、相似發展過程的結果。因此，不同分類等級的同一類型的區域必須體現發展過程的相似性。為了綜合反映不同圈層的交叉作用機理、形成演化影響因素、組成與結構特點、生態服務等主題，本文構建了三級分類體系。第一級：基于成土母質（母巖）與氣候要素。第二級：在第一級的基礎上增加土壤類型要素。第三級：在前二級的基礎上增加地下水深度、地貌類型和土地利用要素（圖1）。
地球表層各要素的空間分布充分體現了量變到質變的連續特征（鄭度等, 2005），在實際的區劃實踐中很難找到一條自然的邊界線，這種分界線多以地帶的形式存在，例如山地、溫度等高線等。如何客觀地體現地球關鍵帶各組成要素的過渡特征，也是最大程度反映各等級地球關鍵帶類型分異程度的技術難點之一。
因此，類似于綜合自然地理區劃的疊置法（倪紹祥, 1994），我們盡量使用較為成熟的區劃成果或高級分類等級，在對類型歸納和總結的基礎上使用各地理要素的最高分類級別進行綜合疊加。各級別地球關鍵帶的生成采用地理單元疊加的方法，疊加操作產生的面積較小的圖斑按照其相鄰圖斑的大小與相鄰邊長度進行融合，各級別單元的命名規則如表1 所示。
第一級分類：地球關鍵帶在結構上表現為垂直分層、水平分異、立體交叉和多級嵌套的特征（圖1）。在空間上，各圈層不是截然分開的，而是相互交叉、相互滲透，構成了一個立體交叉的結構，其主要控制因素包括成土母質（母巖）與氣候。土壤和巖石作為地球表層系統的重要組分，必然是系統分類判別的重要依據之一。
成土母質既繼承了巖石的特性，也是土壤形成的物質基礎，是巖石圈和土壤圈的過渡環節，故可作為巖石圈和土壤圈的代表，成為地球表層系統分類的重要依據。另外，氣候是影響地球關鍵帶最復雜和作用最持久的外在因素，通過水熱條件來影響其形成與演化，例如溫度狀況將影響巖石和風化殼中礦物的風化、有機質的合成與分解等；降雨能夠直接影響系統中物質的遷移。
第二級分類：巖石經風化、搬運、堆積等過程在地表形成疏松多孔的成土母質，成土母質再經物理、化學及生物作用最終形成土壤。土壤圈位于巖石圈、水圈、生物圈及大氣圈交界處，對其他圈層具有重要的交互作用、界面過程及反饋影響（趙其國, 2003）。
土壤被視為地球的皮膚，是地球關鍵帶地下部分的核心組分，也是最活躍的圈層，是地球關鍵帶中物質、能量和信息流動與轉化的最重要載體之一（Lin, 2010; 朱永官等, 2015）。土壤類型是將具有共性的土壤進行分門別類的量化表達，高級分類單元是對典型的土壤類型進行概括與歸納，在大范圍的地球關鍵帶類型劃分中具有重要的指示作用。因此，地球關鍵帶第二級分類中增加了土壤類型這一要素。
第三級分類：在縱向上，地球關鍵帶的上邊界是植物冠層，下邊界是含水層或者基巖層與半風化體的接觸面。地球關鍵帶的主體部分存在于地下，因此，第三級分類需要考慮到地下水深度與水文地質。為了體現更多的生態信息、土壤發生過程與水文過程，還需要考慮植被類型、地貌類型與土地利用信息。
然而，水文地質信息包含了地層巖性信息，可能與部分地區的成土母質信息重復；植被類型通常取決于氣候、土壤類型與地貌類型，如果同時考慮以上所有要素將導致分區信息冗余。如果考慮的要素數目過多，會導致生成的區劃圖圖斑更破碎，不利于生產實踐與科學研究的使用。因此，第三級分類增加了三類地理環境要素：地下水深度、地貌類型與土地利用，但這些要素并非需要同時使用。
編碼機制：氣候、成土母質與土壤類型的種類超過10 但又小于26，分別使用大小寫字母進行標識。地下水深度、地貌類型與土地利用要素的種類數小于10，使用數字進行標識。為了簡化命名，針對第三級分區單元新建了一個“縮寫名稱”的字段，以凸出主要的影響因素。
由于氣候要素的重要性，第三級分區不對氣候要素進行簡化。考慮到第三級分區涉及到的要素較多，為了體現編碼的繼承性，縮寫名稱中因簡化而刪除的要素使用橫線作為占位符。如果編碼的后幾位全是占位符，則可以省略。
2.2 數據介紹
為了檢驗所提出分類系統的合理性，本文以中國為研究樣區，對中國的三級地球關鍵帶單元進行區劃。本文使用的數據主要包括成土母質（母巖）、氣候、土壤類型、地貌類型（周成虎等, 2009）、地下水深度（Fan 等, 2013）與土地利用（2005 年）（http://www.geodata.cn）。成土母質（母巖）、與氣候圖層分別由中國成土母質類型圖（熊毅, 1986）、中國氣候區劃圖（丁一匯, 2013）數字化。
氣候數據主要包含了溫度帶與干濕區類型。成土母質數據主要包含了巖石風化物與松散沉積物兩大類，并包含這兩大類的12 種子類。基于中國土壤系統分類，土壤類型圖包含了14 種土綱與非土壤類型（龔子同等, 1999）。地下水深度數據為Fan 等（2013）使用地下水模型與氣候、地形與海平面等環境數據預測的結果。地貌類型圖以起伏高度為主，包含了平原、丘陵、山地與臺地4 種分類單元。中國1:25 萬土地利用數據是在全國1:10 萬土地利用數據和遙感分類數據的基礎上編制完成，包含了森林、草地、農田、聚落、水體與荒漠6 個類別。
3 結果
3.1 地球關鍵帶區域分布
基于成土母質（母巖）與氣候類型，第一級分區包含了44 個單元（附圖1）。由附圖1可以看出，中亞熱帶-碎屑沉積巖、變質巖區占據了最大的面積（9.2%）（附表1），此類地球關鍵帶主要分布在長江流域。其次是中溫帶-碎屑沉積巖、變質巖區（7.2%），主要分布在內蒙古北部與新疆北部。青藏高原區域的高原亞寒帶-碎屑沉積巖、變質巖區與高原溫帶-碎屑沉積巖、變質巖區也占據了較大的面積（6.6%，6.2%）。
在第一級分區的基礎上加入土壤類型這一要素，經過破碎圖斑的融合得到中國地球關鍵帶的第二級分區（附圖2）。其中，中溫帶-碎屑沉積巖、變質巖-干旱土區的覆蓋面積最大（4.3%），主要分布于內蒙古北部與新疆北部。該地區為典型的干旱土區域，植被覆蓋度低，降雨稀少。
由于雛形土在中國覆蓋范圍較大，地球關鍵帶第二級分區圖中面積覆蓋較大的單元還包括ElM（3.7%）、HlM（3.6%）、IlM（3.2%）與CcM（2.8%）（附表2），成土母質主要為碎屑沉積巖及相應的變質巖風化物，氣候帶為中亞熱帶（長江流域）、高原溫帶（青藏高原東部）、高原亞寒帶（青藏高原中部）與暖溫帶（華北平原）。
地球關鍵帶一二級區劃具有較好的繼承性，這主要因為土壤類型具有較強的地域規律性。在第二級分區的基礎上，考慮地下水深度、地貌與土地利用要素后，疊加生成的第三級地球關鍵帶顯著提升了圖斑的破碎程度（圖2）。為了體現這些分區在國家尺度上的空間分布特征，按照面積百分比排序，列舉前10 個最具有代表性的類型（表2）。
暖溫帶-沖積物-雛形土-淺層地下水-平原-農田區（編碼：CcM113）面積最大，為中國總面積的2.08%，主要分布于華北平原。其次是分布在云貴高原、東南丘陵的中亞熱帶-碎屑沉積巖、變質巖-雛形土-深層地下水-山地-森林區（ElM331）（2.07%）與分布在云貴高原的中亞熱帶-碎屑沉積巖、變質巖-淋溶土-深層地下水-山地-森林區（ElL331）（2.01%）。
3.2 典型地球關鍵帶特征分析
以中國第三級地球關鍵帶的前10 大單元（表2）為例，統計各單元的環境因子信息（表3）。地球關鍵帶深度為地表到風化層底部的垂直厚度（Pelletier 等, 2016）。
為凸顯各要素的宏觀影響，將相似的地球關鍵帶單元進行對比分析，如HlM332（高原溫帶-碎屑沉積巖、變質巖-雛形土-深層地下水-山地-草地區）與IlM332（高原亞寒帶-碎屑沉積巖、變質巖-雛形土-深層地下水-山地-草地區）、EkK331（中亞熱帶-石灰質沉積巖、變質巖-富鐵土-深層地下水-山地-森林區）與EkL331（中亞熱帶-石灰質沉積巖、變質巖-淋溶土-深層地下水-山地-森林區）。
HlM332 與IlM332 的成土母質、土壤類型與土地利用等要素基本一致，但氣候特征有一些區別，例如年均氣溫分別是5.0℃、1.0℃。青藏高原地區植物初級生產力較低，有機質的聚積主要是草氈狀腐殖質積累過程。
微小的溫度差異對這兩個區域的土壤有機碳濃度產生了巨大影響，例如HlM332 與IlM332 的土壤有機碳含量分別是27.4g kg?1、37.5g kg?1。EkK331 與EkL331 的環境要素統計沒有較大的差別，EkL331 地區的高程（1071m）與坡度（5.8°）略高于EkK331 地區，但EkK331 的年均氣溫（17.8℃）與年均降雨（1423mm）略高于EkL331。
這兩個區域的主要區別是土壤類型的差異，體現了不同成土環境對土壤性態特征的影響。EkK331 的主要成土過程是脫硅富鋁化過程，由于土壤礦物的風化，形成了弱堿性條件，可溶性鹽、堿金屬和堿土金屬鹽基及硅酸大量流失，導致了鐵、鋁在土體內相對富集。EkL331 地區的主要發生過程是黏化作用，風化成土過程中黏粒的生成、遷移與淀積導致了特定土層中黏粒含量增加的現象（黏化層）。
3.3 我國典型地球關鍵帶觀測站及其類型
地球關鍵帶中發生的物理、化學和生物過程均與人類活動密切相關，在不同的地理區域起主導作用的環境因子也迥異。我國新近在生態系統研究網絡（CERN）的基礎上，基于研究項目先后在4 個典型生態站開展了以地球關鍵帶觀測為標準的系統觀測（張甘霖等, 2019）（表4），并開展了地球關鍵帶過程與生態系統服務功能研究。
由于喀斯特地區特殊的成土母質，我國喀斯特地區人地矛盾突出，主要體現在石漠化的快速擴展（Liu 等, 2019）、成土物質的先天不足（錢慶歡等, 2018）等，不同等級的地球關鍵帶分類對于理解區域尺度上碳酸鹽巖巖石對土壤存量與物質循環的影響提供了有效的數據支撐（Wang 等, 2020）。
土壤在地球關鍵帶中的核心地位導致土壤安全能夠顯著影響其他的要素，這一點在城郊區域尤為顯著（朱永官等, 2015）。地球關鍵帶分類信息的綜合利用，有望有助于城市/城郊關鍵帶對于生物地球化學循環及不同土地利用類型下物質的時空分布規律的認識（Tang Q 等, 2019; TangJ 等, 2020），進而為促進城市/城郊的和諧發展提供指導。
我國紅壤地區的低山丘陵長期受亞熱帶季風氣候的影響，雨季旱季分明（Wang 等, 2019），集約化的農業對當地的生態保護帶來了潛在的威脅（Tahir 等, 2016; Wu 等, 2019），準確識別紅壤地區的成土母質、土壤類型、地下水深度等土壤信息的空間分布特征（Song 等, 2019），對于正確理解自然和人為作用下紅壤風化與形成的關鍵過程、速率及其驅動機制具有一定的借鑒意義。
由于獨特的地貌特征與地理位置，黃土高原有近三分之二的地區處于干旱/半干旱地區（Shao 等, 2018），退耕還林還草實施了二十年，已導致黃土高原的土地利用發生了劇烈的變化，這與該地區人為擾動、氣候與成土母質的主導作用密切相關（表4），因此，黃土高原關鍵帶的構建，系統研究了季風區黃土高原多尺度土壤水文過程，闡明了土壤水文過程對重大生態工程的響應機制，對于評估黃土高原生物和工程治理的環境效應具有重要的參考價值。
4、討論
4.1 地球關鍵帶類型的分布特征
在區劃原則上，傳統的地理對象區劃較多圍繞一種或多種要素在水平/垂直維度的空間分異特征，地球關鍵帶的分類體系在某種程度上借鑒了綜合自然區劃的思想（表5）（鄭度等, 2005）。
在區劃方法上，傳統的地理對象區劃往往采用多種地理要素，特別注重地理要素空間分異特征的主要因素，例如中國綜合自然地理區劃中自然區（第一級單元）的劃分綜合考慮了氣候與地貌等指標在不同地區的重要性（倪紹祥, 1994）。
本文提出了一套地球關鍵帶三級分類的原則與具體方法，并以中國為研究區，初步顯示了該分類體系在地球關鍵帶區劃應用的合理性。
與傳統的地理對象區劃不同（表5），本文提出的分類體系更多的是對地球關鍵帶這一地球表層綜合體進行表征、命名與歸類，具有一定的普適性，有望在更多的地理區域進行嘗試。應指出，由于地球關鍵帶的演化離不開多圈層中物理、化學、水文過程的耦合，僅僅凸顯個別要素的主導作用難以充分體現各分區間的異同。
這也間接導致了使用疊置法制作的第三級分區命名較長、要素眾多（表2），在實際使用過程中需要參考相關工作的編碼機制（程維明等, 2019），同時需要有進一步的研究依據過程和功能的異同進行區域的合并或者拆分。
以我國為例，應用該分類體系對我國典型地球關鍵帶群體進行區域的劃分與歸納。它是綜合自然區劃的組成部分，也是農業區劃、生態環境規劃、國土整治區劃的基礎。我國國土遼闊，自然環境獨特，地球關鍵帶類型多樣，其特征和組合分布的地區差異極大（陳發虎等,2019）。從氣候、地貌到地下水類型、深度，地球關鍵帶的三級分區能夠較好地反映我國不同區域典型地理單元的特征（表3）。
由于我國人口眾多，耕地和水資源相對緊缺，生態環境退化，人口需求與資源供給之間的矛盾日益尖銳。從地球關鍵帶研究視角出發，綜合水、土、氣、生、巖間的過程及其對生態系統服務功能的影響，實現因地制宜、分區規劃、分類指導，有望為生態系統管理和決策提供依據（曹世雄等, 2018）。
據不完全統計， 中國科學院已先后構建了212 個野外臺站（http://www.cas.cn/zt//kjzt/ywtz/），不同臺站網絡的建立基本上圍繞了不同的主題，例如中國生態系統研究網絡（CERN）、中國科學院特殊環境與災害監測網絡、中國科學院日地空間環境觀測臺鏈等。以CERN 為例，臺站的選址主要圍繞我國主要的生態系統。
一方面，對比已構建的CERN 臺站與第二級地球關鍵帶區劃圖，可以發現這些臺站基本上屬于不同的地球關鍵帶類型區（附圖2），相關臺站的擴建需要考慮更多的代表性生態地理區域系統，考慮更多氣候、土壤、植被等要素的地域差異，以豐富我國生態環境監測網絡。
另一方面，盡管已經較為系統地涵蓋了我國代表性的生態系統，也充分兼顧考慮了生物與非生物要素的地理相關性，但從代表性的地球關鍵帶空間分布特征來看（圖2），這些CERN 臺站未來可進一步考慮地理要素在同一生態系統內部的空間變異性（表3）。
地球關鍵帶第一級、二級分區的重要差別是對土壤類型的考慮。這是因為土壤是地球關鍵帶的核心組成部分，這種核心不僅體現在土壤圈位于各大圈層的交界處，也體現在地球關鍵帶各種過程發生最為密集的區域（Lin, 2010; Grunwald 等, 2011; Guo 和Lin, 2016）。
地球關鍵帶具有明顯的地域性，是涉及不同圈層作用的綜合研究（張甘霖等, 2019）。然而，自然資源和生態功能的分布格局復雜多變，其形成和演變是一個復雜的非線性過程，不同區劃單元由于自然或人為因素存在著水平方向的空間耦合關系。不同等級的分區充分體現了這一點（附表1、表2）。
以第一級分區中的北亞熱帶-湖積物區（編碼：Dg；附圖1）為例，該單元的二級分類進一步劃分為北亞熱帶-湖積物-雛形土區（DgM）與北亞熱帶-湖積物-人為土區（DgB）。盡管這兩個區域因土壤類型的不同而劃分為兩個獨立的區域，但是該區域由于人口密度大、社會經濟發達、交通便利存在著頻繁的社會經濟互動，高級別的類型（附圖1）更能為具體應用的研究、評價和管理提供合適的區劃邊界。
結合部分地球關鍵帶類型的分布特征與環境指標分析，可以發現某些主導環境要素是導致地球關鍵帶單元具有明顯差異的主因（表3，圖2）。類似地，國際上已有一系列地球關鍵帶觀測站重點關注某一地理要素在地球關鍵帶演化過程中的作用。
例如美國的頁巖山（Susquehanna Shale Hills）關鍵帶觀測站（SSHCZO）重點關注普遍存在的頁巖基巖對于森林水利用、山地流域建模與土壤水分動態的影響，通過實時傳感器監測受氣候變化與人為擾動影響的環境退化。
南部山脈（Southern Sierra）關鍵帶觀測站（SSCZO）重點關注水循環尤其是雨-雪轉換過程對于地球關鍵帶過程的驅動及其對氣候變化的響應。博爾德河（Boulder Creek）關鍵帶觀測站（BCCZO）重點關注小流域過程觀測與模擬，理解土壤侵蝕與巖石風化對于地球關鍵帶結構演變的影響（http://criticalzone.org/national）。
4.2 地球關鍵帶分類與區劃在地球關鍵帶科學中的應用
作為固態地球及其流體包裹體的動態界面，地球關鍵帶由一系列物理、化學、生物過程的復雜聯系與反饋所驅動。這些過程大致可以分為4 類：（1）地質構造：由地幔中的能量驅動，通過巖漿、斷層、隆起、塌陷等方式影響地表宏觀形態；（2）風化作用：主要受大氣圈與水文圈動力驅動，主導了土壤發育、侵蝕等過程；（3）流體運動：受氣壓梯度驅動，影響景觀特征并對物質進行再分配；（4）生物活性：由營養元素主導，影響了巖石、土壤、水、空氣中的化學循環（National Research Council, 2001）。
上述非線性地球關鍵帶過程的時空跨度非常大，例如從分子級的土壤微生物到全球尺度的生物群落、從土壤的瞬時狀態到第四紀的沉積過程。Guo 與Lin（2016）將現有地球關鍵帶研究的特征歸納為“深時（Deep time）”、“深度（Deep depth）”與“深耦合（Deep coupling）”。2007 年，美國國家科學基金會批準了首批地球關鍵帶觀測站（Anderson 等, 2008），以加深地表過程耦合與集成的理解。
上述地球關鍵帶過程（物理、化學和生物過程）控制了土壤發育、地下水分布與質量、化學元素循環等，并顯著調節了各種能量與礦產資源的發生。本文的分類方案綜合考慮了地球關鍵帶過程涉及到的不同圈層在交叉作用機理、形成演化影響因素、組成與結構特點等因素上的差異，系統地將迥異的地理要素進行合并歸納，篩選出了具有一定空間相似性的地理單元。
這也符合當前研究的趨勢——地球關鍵帶演化與功能的統一理論框架（Duffy 等, 2014），例如，現有研究正試圖將水文、地球化學、地貌與生物過程的耦合關系構建綜合的概念模型（Grimaud 等, 2015; Guo 和Lin, 2016; Xu 和Liu, 2017）。
因此，準確地理解地球關鍵帶類型對不同時空尺度的地球表層系統過程的影響與表征作用能夠更好地促進不同圈層交互作用的研究，進而有效地從宏觀視角評估人類活動對于地表的影響。
從生態功能角度出發，地球關鍵帶區劃能夠為生態區域識別提供詳實的數據支持（樊杰,2015; Jin 等, 2016）。Jin 等（2016）使用氣候、土壤、遙感影像進行生態區域劃分，更側重于減少生態區域內部土地覆蓋類型對于生態區域劃分的影響。從社會經濟角度出發，樊杰（2015）采用地域功能識別指標體系評價了中國的地域功能適宜性，進而總結國土空間保護和利用基本格局的建議。
與上述研究不同的是，本文從地球關鍵帶演化的宏觀視角出發，使用地球關鍵帶科學研究中的核心地理要素構建了三級區劃單元圖，這些不同等級的區劃單元不僅能夠揭示各級單元的地理位置與各要素的空間分異特征，也能夠從微觀角度定性各級區劃單元在地球表層系統的特征及其相互作用過程。
需要指出的是，區劃的目的、原則與指標決定了詮釋的視角與具體應用的目標導向，地理要素的綜合程度與單一要素的凸顯度是成反比的，這也間接導致了綜合性區劃工作不如部門/單要素區劃的應用價值高（鄭度等, 2005; 樊杰, 2019）。地球關鍵帶分類與區劃具有實踐和科學認識的雙重目的，基于劃分的多等級類型，地球關鍵帶研究可以立足其演化對區域水資源、土壤功能、生態環境等的影響。
本文提出的三級分類體系綜合了地球表層自然環境要素和人為要素的特征，如氣候、地下水、地形、成土母質和土地利用，對這些要素的綜合分類客觀反映了各區域的水土資源、環境承載力與生態功能狀況的宏觀分布，能夠在一定程度上為生態環境保護和資源開發利用提供數據與決策支持。
不同等級的中國地球關鍵帶類型區劃（附圖1、附圖2）在實際應用中還需要與其他的專題圖進行有機的結合，例如全國生態功能區劃（國家環境保護部和中國科學院, 2008）、中國生態區劃（傅伯杰等, 2001）等。
地球關鍵帶科學涉及到諸多學科，絕大多數研究需要借助詳實的調查數據來驗證科學假設（陳發虎等, 2019），獲得對地球表層系統多過程耦合關系的認知。然而，目前大多數的地球關鍵帶研究集中在單一觀測站分析結果，較少關注不同觀測站研究的對比分析（Guo 和Lin, 2016）。盡管當前的觀測區域具有獨特的結構與過程特征，但是不同類型地球關鍵帶之間所呈現的共性規律尚未得到足夠的重視。
基于此，相關研究的另一挑戰是如何將不同時間序列的多站點觀測數據進行系統的整合、同化，通過網絡協作的方式揭示普適的地球關鍵帶結構特征、演化與過程機理（Bui, 2016）。尺度轉換技術為此提供了一定的思路指導。升尺度轉換是將高空間分辨率、小空間范圍（小尺度）的信息推譯至低空間分辨率、大空間范圍（大尺度）。
基于地球關鍵帶類型的分析（表4），可以綜合歸納不同氣候、母質、土壤類型條件下，地球關鍵帶過程所體現的特征在空間上的分布規律，進而為相似、臨近區域的科學研究提供借鑒。如果假設這些相近的地理單元具有同構的特性，部分地球關鍵帶觀測站的實時/準實時多傳感器觀測數據、動態耦合過程測量、不同時空尺度的地球關鍵帶過程理解可望構建升尺度模型，進而服務于區域生態系統評估（曹世雄等, 2018）。
5 結論與展望
本文提出的地球關鍵帶三級分類體系更多的是對地球表層綜合體進行表征、命名與歸類，以中國地球關鍵帶的類型劃分為例，證明了該分類體系一定程度的可行性，有望在不同空間尺度的地理區域進行嘗試。地球關鍵帶分類與區劃是綜合自然區劃的組成部分，也是農業區劃、生態環境規劃、國土整治等的基礎。
地球關鍵帶研究具有明顯的地域性，是涉及不同圈層作用的綜合研究，其研究的重要趨勢是地球關鍵帶演化與功能的統一理論框架，應基于不同的耦合過程模型來追蹤物質與能量的轉移與轉換過程，進而揭示地球關鍵帶功能對于人為活動、氣候變化與地質構造驅動力的響應機理。
結合文獻綜述與本文工作，未來這一主題的科學研究不能僅停留在基于小流域或站點觀測。本研究提供的地球關鍵帶區劃具有實踐和科學認識的雙重目的，可以作為地球表層系統研究的出發點與綜合框架。結合地球關鍵帶類型構建定量升尺度模型，綜合分析不同氣候、母質、土壤類型條件下，地球關鍵帶過程所體現的特征在空間上的分布規律，能夠為相似、臨近區域的科學研究提供借鑒，有望更好的服務于區域生態系統規劃。 |
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