表層地球系統(tǒng)由土壤圈、大氣圈、水圈、生物圈與巖石圈組成。這四個(gè)組成部分并非獨(dú)立單元，而是由擾動(dòng)-反饋機(jī)制串聯(lián)在一起的有機(jī)整體。因此表層地球系統(tǒng)的行為不是單一組成部分變化的直接結(jié)果，而是由四個(gè)組成部分協(xié)同作用后的狀態(tài)?；讵?dú)立組成部分的單學(xué)科，即土壤學(xué)、大氣科學(xué)、水科學(xué)和生物學(xué)等，經(jīng)過(guò)兩個(gè)世紀(jì)的發(fā)展以經(jīng)使得我們對(duì)表層地球系統(tǒng)各組分的狀態(tài)有了深刻的認(rèn)識(shí)，但在應(yīng)對(duì)人類活動(dòng)引起的全球環(huán)境變化的新挑戰(zhàn)時(shí)無(wú)法全方面描述表層地球系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)和行為從而顯示了其局限性。因此，2001 年地球科學(xué)家提出一個(gè)表層地球過(guò)程的系統(tǒng)科學(xué)框架，即地球關(guān)鍵帶科學(xué)。地球關(guān)鍵帶是高度異質(zhì)性的近地表環(huán)境，垂直方向的范圍從樹(shù)的冠層往下直到地下水深層（圖1）； 

 

 

 

巖石、土壤、水、空氣和生物在其中發(fā)生著復(fù)雜的相互作用，其在調(diào)控自然生境的同時(shí)，還供應(yīng)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需的資源。因此，地球關(guān)鍵帶對(duì)維持地表生命非常重要，這就迫切需要包括地理學(xué)、地球化學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)作研究來(lái)推動(dòng)對(duì)關(guān)鍵帶科學(xué)的理解和應(yīng)用以維持人類生存發(fā)展與星球健康，這也是國(guó)際地學(xué)界提出地球關(guān)鍵帶概念的意義所在。 

 

 

 

 

地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究的核心科學(xué)問(wèn)題包括：不同時(shí)間尺度上控制碳、懸浮粒子和反應(yīng)氣體的流動(dòng)是哪些過(guò)程？人類與地質(zhì)時(shí)間尺度上如何滋養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)？生物地球化學(xué)過(guò)程如何掌控水與土壤資源的可持續(xù)利用？物理和化學(xué)風(fēng)化過(guò)程的變異如何影響關(guān)鍵帶？這些問(wèn)題的解決均依賴于對(duì)地球關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)、組成和功能的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵帶中發(fā)生著復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，按照其性質(zhì)與作用，這些過(guò)程大致可分為三類：生態(tài)過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程和水文過(guò)程。生態(tài)過(guò)程是生態(tài)系統(tǒng)中維持生命的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，主要研究土壤—生物—大氣中的水循環(huán)和水平衡、養(yǎng)分循環(huán)、能量、微量氣體產(chǎn)生、輸送和轉(zhuǎn)化、有機(jī)物及金屬元素的分解、積累、傳輸?shù)任⒂^過(guò)程。由于人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響越來(lái)越大，人類活動(dòng)可被看作是生態(tài)過(guò)程的一部分。生物地球化學(xué)過(guò)程將生物過(guò)程與非生物過(guò)程聯(lián)系在一起，通過(guò)流體、沉積和氣體作用，使碳、氮等化學(xué)元素和物質(zhì)在空間上的分布發(fā)生變化，重點(diǎn)研究各種化學(xué)物質(zhì)的來(lái)源、存在數(shù)量和狀態(tài)以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及生物有機(jī)體參與下發(fā)生的地球化學(xué)過(guò)程。水文過(guò)程是通過(guò)水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化使物質(zhì)和能量在空間上重新分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程。生物地球化學(xué)過(guò)程和水文過(guò)程相互耦合，推動(dòng)了生態(tài)過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，又共同決定了關(guān)鍵帶的整體形態(tài)和功能。因此，闡明關(guān)鍵帶的生態(tài)過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程和水文過(guò)程需要對(duì)不同介質(zhì)（相）之間的微觀時(shí)空尺度界面過(guò)程開(kāi)展研究，這也是地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究的重要抓手，對(duì)于闡明地球關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)、組成和功能具有重要意義。 

 

界面過(guò)程與土壤圈演化研究中心針對(duì)以土壤為核心、界面為特征的地球關(guān)鍵帶開(kāi)展系統(tǒng)科學(xué)研究。研究的核心科學(xué)問(wèn)題是物質(zhì)（如硅鐵砷鉛）和能量（如電子）在土壤中礦物-水-生物界面（圖2）上的轉(zhuǎn)移過(guò)程以及所形成產(chǎn)物（如次生礦物）。 

 

 

 

發(fā)展定位 

 

聚力搭建界面過(guò)程可視化的世界一流研究平臺(tái)，達(dá)成在毫米至納米尺度的二維和三維成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)界面時(shí)空動(dòng)態(tài)過(guò)程的 “眼見(jiàn)為實(shí)”；著力招聘微尺度建模和生物-氧化還原探究等研究領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，完善師資隊(duì)伍建設(shè)，補(bǔ)缺人才短板；致力壯大研究群體，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)歷，提升向社會(huì)輸出人才質(zhì)量。 

 

中心使命 

 

以微界面和微過(guò)程為研究對(duì)象，以物理化學(xué)基本原理（如熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)）為手段，借助先進(jìn)的研究?jī)x器平臺(tái)，通過(guò)與院內(nèi)其他研究方向團(tuán)隊(duì)（如同位素，地氣過(guò)程，水文）的合作，為理解全球變化背景下的關(guān)鍵帶科學(xué)、生物地球化學(xué)循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的可持續(xù)利用策略提供基礎(chǔ)科學(xué)支撐。

 

組織結(jié)構(gòu)

 

中心主任：滕輝 

 

中心副主任：宋照亮、余光輝 

 

中心成員：滕輝、宋照亮、余光輝、陳春梅、管冬興、王鉞博、郝倩、李云帥、張堅(jiān)超、孫少波、朱翔宇、孫富生

 

研究方向

 

（1）地球關(guān)鍵帶物質(zhì)循環(huán)的微界面調(diào)控機(jī)制及其對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的制約；  

 

（2）微生物-礦物協(xié)同演化規(guī)律與土壤發(fā)生發(fā)育微觀機(jī)制；  

 

（3）土壤微界面溶質(zhì)運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)特征與數(shù)理模型建立； 

 

（4）地球關(guān)鍵帶元素耦合的生物地球化學(xué)循環(huán)與區(qū)域和全球變化響應(yīng)。

 

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