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地球科学资助战略与发展态势——美国地球关键带研究计划与未来发展方向

 

作者:王立伟 张志强等 2016-02-16

 

美国国家科学基金会(NSF) 2001 年在《地球科学基础研究的机遇》(Basic Research Opportunities in Earth Science)报告中,把关键带列为地球科学基础研究六大机遇之首,涉及风化壳、土壤、微生物、地表水和地下水环境,以及在关键带发生的4 个相互影响的主要过程(生物活动、风化作用、流体输运和近地表构造活动)
 

关键带研究进展
 

2002 年,E.O. Wilson 在《生命的未来》(The Future of Life)一书中写到,我们已经进入了环境世纪的第二个10 年,这是加快对地球关键带认识进程的重要时刻。2005 年,美国特拉华大学主持了一项由NSF 资助的研讨会"关键带研究的前沿",在此次研讨会上,科学家呼吁发展地球关键带研究计划。NSF 2005 年启动项目群"关键带观测计划(Critical Zone Observatory Program,CZO)",研究发生在岩石、土壤、水、空气以及生物之间的复杂的相互作用(NSF, 2005)。2006 年10 月,美国特拉华大学宣布成立一个关键带研究中心(Center for Critical Zone Research),从而进行有关关键带的环境及维持地球生命的研究。

 

2009 年10 月,NSF 的地球科学部发布了《地球科学远景:通过地球科学揭示地球的复杂性》(GeoVision Report: Unraveling Earth's Complexities through the Geosciences)报告,指出关键带观测站是用来记录、模拟和预测地区气候和土地利用的变化对水及生物地球化学循环影响的地面观测站,并新建3 个观测站点。在每个观测站,科学家们将调查地表过程的集成和耦合过程,以及淡水的存量与流量对这些过程的影响。在研究手段上,观测站将使用野外实践和理论分析相结合的研究方法,并配合空间遥感技术和理论技能。目前,美国已经建立了10 个关键带观测站(Critical Zone Observatory,CZO)和1 个关键带研究网络(Critical Zone Exploration Network,CZEN),推动关键带的研究。同时在《边缘景观:地表研究的新视野》(Landscapes on the Edge: New Horizons for Research on Earth's Surface)报告中,NRC 已确定了面临的九大挑战,以及应对九大挑战的4 项优先研究活动,以增加我们对地表过程的理解。地表过程面临的巨大挑战:①从地球的历史预测未来的变化?②地表格局如何出现及其过程如何?③景观如何影响和记录气候与构造?④生物地球化学反应如何响应地表景观?⑤地表演变规律是什么?⑥如何实现生态系统和景观的协同进化?⑦如何恢复景观变化?⑧人类历史长河中地表是如何进化的?⑨地表科学对可持续地表过程的贡献如何?地表过程4 个高优先研究计划:①景观和气候的交互作用;②跨时间尺度的动态景观重建定量研究;③景观与生态系统的协同进化;④人类进程中的未来景观(NRC, 2010a)。

 

2011 年2 月11 日,《科学》(Science)杂志出版了一期特别专辑——《数据处理》(Dealing with Data)。此后,美国地质调查局(USGS)立即成立了核心科学系统(Core Science Systems,CSS)科学战略规划小组① 1。2012 年3 月,CSS 的第一份情况通报(fact sheet)首次公布。CSS持续关注关键带的复杂过程和相互作用,并对相关数据等进行收集、管理、集成、分析,并向USGS 所有研究单元及时提供有用的可靠信息。

2014 年1 月15 日,美国国家科学基金会(NSF)公布其新的关键带研究计划,将资助新建4 个关键带观测站开展地表过程研究,建成后,美国专门用于关键带研究的观测站点将达到10 个并形成首个地表过程系统观测站点网络。计划新建的4 个观测站分别是位于南卡罗来纳州皮德蒙特地区的卡尔霍恩关键带观测站(Calhoun CZO)、位于爱达荷州西南的雷诺兹河流域关键带观测站(Reynolds Creek CZO)、位于北加利福尼亚州的鳗鱼河流域关键带观测站(Eel River CZO)、位于伊利诺伊州、艾奥瓦州、明尼苏达州的集中管理景观关键带观测站(Intensively Managed Landscapes CZO)。NSF 关键带研究的科学家们正在努力解决以下问题:①在人类时间尺度及千年尺度上,地貌景观如何演变以及该过程如何被水的存在和流动所影响?②土壤和风化的基岩如何向山坡下移动以及它们怎样与围绕山坡的沟谷演化耦合?③生物过程如何影响物理过程?④地貌景观的变化是否能够揭示过去的气候状况以及地貌景观如何响应气候变化?近期NSF还资助了两项关键带相关研究工作:开展为期5 年的"鳗鱼河流域关键带观测站:探索关键带如何协调流域与不断变化的环境生态系统响应的关系"研究,资助经费95 万美元;开展为期5 年的"卡尔霍恩关键带观测站:关键带动力学和演化的人类与自然驱动力"研究,资助经费122 万美元(NSF, 2014b)。
 

—  关键带未来发展方向  —
 

未来10 年,关键带观测站项目将产生一个重要的认识和4维数据集,这将激励、鼓舞和考验随之产生的预测性模型。关键带观测站有潜力来促进地球表面的变革科学。

关键带未来发展方向包括:①开发一个统一的关键带演化理论框架;②开发耦合的系统模型来探究关键带服务;③开发一个集成的数据和测量框架并进行验证;④建立多学科集成的关键带观测站。所以,未来10 年,关键带观测站提供了一个独特的机会来改变我们对耦合地表过程的认识,并开始定量地解决气候和土地利用变化的影响,以及关键带服务的价值(张波等,2010)。

 

本文由刘四旦节选自张志强、郑军卫、王雪梅等编著《地球科学资助战略与发展态势》一书中王立伟、张志强、郑军卫撰写"第一章  美国国家科学基金会地学资助战略",标题为编者所加。

《地球科学资助战略与发展态势》介绍了美国、英国、德国、法国、欧盟、日本、澳大利亚、加拿大、俄罗斯、巴西和韩国等13个国家和国际组织基金资助机构的地球科学资助战略及其发展趋势,观察分析了较长时期国际地球科学的资助和研究重点的发展规律。以Web of Science数据库为主要数据源,进行了过去10年(2004~ 2013年)的科研产出文献计量分析,揭示国际地球科学各领域科研产出现状及其影响力。