土壤安全五维框架下临界带过程与临界带观测站（CZOs）的整合评估

《Soil Systems》：Critical Zone Processes and Observatories for Advancing Soil Security

　　

临界带科学（Critical Zone Science, CZS）为理解土壤、水、岩石、大气和生物群之间的相互作用提供了整合性认识，而土壤安全（Soil Security）则通过能力（Capability）、状态（Condition）、资本（Capital）、连通性（Connectivity）和制度化（Codification）五个维度为评价土壤提供了互补框架。然而，临界带（Critical Zone, CZ）过程与这些维度之间的关系，以及土壤安全在临界带观测站（Critical Zone Observatories, CZOs）中的体现程度，仍缺乏充分阐述。本综述考察主要临界带过程与土壤安全五个维度之间的关系，评估其在62个CZOs及相关长期监测站点条目中的文献记录体现程度，并识别加强其整合的机会。研究将相关文献的概念性综合与基于既有历史清单的结构化桌面评估相结合，该清单包含62个条目，并辅以各CZOs及机构网站和相关出版物的信息。每个条目均依据预先设定的五项土壤安全维度证据标准进行二值编码评估。状态维度的记录频率最高（55/62；88.7%），其次为资本（42/62；67.7%）、能力（33/62；53.2%）、连通性（32/62；51.6%）和制度化（7/62；11.3%）。研究结果表明，CZOs活动为土壤安全的生物物理维度提供了大量基于过程的证据，而社会与制度维度，尤其是制度化，记录较不一致。因此，将土壤安全与CZOs研究整合，可在保持长期临界带观测既有优势的同时，加强对土壤功能与自然资本的解释，并促进对利益相关者参与、知识交流、管护以及将科学证据转化为制度决策路径的关注。这一整合为连接对临界带如何运行的理解与土壤资源如何被估值、管护和治理提供了基础。

1. Introduction（引言）。本文首先将土壤安全（Soil Security）界定为支撑全球可持续性的多功能框架，指出土壤直接支撑约95%的粮食生产，并通过过滤与保持调节水循环，同时作为全球第二大碳库储存超过1500亿吨碳，约为植被碳储量的三倍；土壤还承载超过四分之一的地球生物多样性并驱动养分循环等生态系统服务。与此同时，全球约三分之一土壤已处于中度至重度退化，威胁粮食供应链与社会经济脆弱性。为整体应对这些挑战，土壤安全范式通过能力（Capability）、状态（Condition）、资本（Capital）、连通性（Connectivity）和制度化（Codification）五个维度提供基于科学的综合监测与治理框架，并强调将其嵌入政策议程的紧迫性。随后，文章回顾临界带科学（Critical Zone Science, CZS）的兴起，指出其将地球近地表环境视为单一互联系统而非分离学科领域。临界带（Critical Zone, CZ）一词由Ashley于1998年提出，用以强调地表与基岩之间对生命至关重要的地带；国家研究委员会（National Research Council, NRC）随后将其正式定义为岩石、土壤、水、空气和生物复杂相互作用并调节自然生境与生命维持资源可用性的非均质近地表环境。自NRC与国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）建立临界带观测站（Critical Zone Observatories, CZOs）计划以来，CZ研究由少量集中站点扩展为旨在捕捉景观、气候和人类影响多样性的全球网络，并日益整合地质学、土壤学、水文学、地貌学、生态学和大气科学。CZS的新意在于系统框架：其将土壤、水、植被和岩石的相互作用与共同演化作为主要研究对象，而不是孤立对象。尽管土壤被视为CZ的核心组分，CZ过程与土壤安全五维之间的关系仍未充分阐明。CZS提供关于风化、水文、地貌、生物活动、植被动态以及气候和人类活动如何共同调节土壤形成、功能与变化的过程性认识，但过程认识本身不足以解释土壤及其知识如何被估值、与社会连接或纳入治理与决策。土壤安全通过五维提供补充框架：能力与状态对应土壤潜在功能性与当前状态，资本承认土壤库存、功能与价值，连通性延伸至社会知识、意识、参与和管护，制度化涉及土壤知识纳入政策、法规与制度安排。CZOs因生成长期跨学科观测并推进对CZ结构、过程和演化的认识而成为检验这种互补性的重要场景，但CZOs知识与活动在多大程度上涵盖土壤安全更广泛维度仍不明确。文章据此提出三个目标：考察关键CZ过程与土壤安全五维的关系；评估五维在62个CZOs及相关长期监测站点文献记录活动中的体现程度；识别加强土壤安全在CZ研究、观测和管理中整合的缺口与未来方向。

2. The Study Approach（研究路径）。本研究将CZ过程与土壤安全的概念性综合同CZOs及相关长期监测站点的结构化桌面评估相结合。概念综合基于既有与当代文献，考察主要CZ过程如何关联土壤安全五维。CZOs评估采用《Sustaining Earth’s CZ: Basic Science and Interdisciplinary Solutions for Global Challenges》附录3所载62个CZOs及相关监测站点条目的既有国际清单，该清单提供预定义分析框架，用于考察五维在CZOs文献记录活动中的体现。其他与CZOs和土壤安全相关的研究通过Google Scholar检索识别，仅纳入SCOPUS索引的同行评议论文。由于清单信息不足以一致评价全部五维，每个条目随后均通过可获得的CZOs或机构网站及相关出版物单独核查，以识别关于研究与监测活动、土壤与CZ过程、生态系统服务、利益相关者参与、知识交流、管理应用以及政策或制度联系的补充记录信息。证据依据同一预定义操作标准评价，并在补充材料中记录每个分类的来源。每个观测站均按五维评价：能力表示对土壤执行既定功能潜力的记录评估；状态表示对土壤当前物理、化学或生物状态及其变化的测量；资本表示土壤库存、自然资产或生态系统服务价值；连通性表示通过知识、教育、传播、利益相关者参与或管护形成的社会与土壤联系；制度化表示土壤知识向政策、法规、标准、制度安排或正式决策支持机制的转化。实质性证据被定义为明确记录某观测站评估、监测或支持与特定领域相对应活动；仅凭观测站名称、位置或一般CZ使命推断不足。仅在更广泛CZOs网络或研究计划层面记录的证据，除非来源明确指明该观测站参与相关活动，否则不自动归属于单个观测站。每个领域在有实质性证据记录时编码为1，证据不足时编码为0，形成0–5的整合评分。该评分代表文献记录的土壤安全整合广度，而非观测站科学质量或绩效。每个观测站的支持证据与相应来源均被记录，以提供可审计的分类基础。编码采取保守原则：仅当可获得文献明确支持相应操作标准时，测量或活动才被归入某一土壤安全维度；可能有助于某维度但未记录该应用的测量不给予正分；单一活动仅在证据独立满足各维度标准时才可贡献于多个维度。由于底层清单是国际CZOs的既有历史汇编而非所有当前活跃观测站的普查，该评估用于考察这一既定观测站集合内的土壤安全整合模式，不应解释为对当代全球CZOs网络的全面评估。

3. Linking CZ Processes with Soil Security（连接临界带过程与土壤安全）。CZS与土壤安全为理解和管理土壤提供互补视角。CZS将土壤置于从植被冠层经土壤和风化风化层至地下水与下伏基岩的垂向整合地表系统中；在该系统内，土壤形成与功能源于风化、水文、地貌、生物活动、植被、气候和人类活动的相互作用。土壤安全则通过能力、状态、资本、连通性和制度化五个相互关联维度，评价土壤持续支持环境与社会需求的能力。整合二者可为解释和应用土壤系统知识提供更广基础：CZS解释土壤形成、功能和变化的生物物理与人类过程，土壤安全提供评价土壤资源能力、状态、价值、社会联系和治理的框架。二者关系是互补而非一一对应：单个CZ过程可能影响多个土壤安全维度，而连通性和制度化等维度依赖超出生物物理CZ观测的社会与制度过程。CZ过程对土壤形成、功能和变化的控制提供强机制理解，因此尤其生成与能力、状态和资本相关的证据。风化与风化层发育影响长期功能潜力；水文与地貌过程调节水分储存、侵蚀和再分配；生物与植被过程调节养分循环、碳储存和生物多样性；气候与人类活动跨时空尺度改变这些相互作用过程。这些过程观测对于理解土壤属性和功能为何变化及其如何响应环境变化具有基础意义。然而，过程理解本身并不必然确立CZ知识如何与社会连接或纳入制度与治理；这些方面由连通性和制度化明确捕捉。连通性涉及通过知识、意识、教育、传播、利益相关者参与和管护形成的社会与土壤关系，制度化涉及土壤知识向政策、法规、标准和制度决策的转化。因此，土壤安全增加了明确的社会与治理视角，可补充CZ研究主要基于过程的知识。对CZOs而言，这一区分具有实践含义：对土壤、水、植被、风化和生物地球化学过程的长期测量提供理解CZ功能所需科学证据，但更多关注知识交流、利益相关者参与、管护以及将观测转化为政策和决策的路径，可扩展这些证据在科学监测之外的相关性。以土壤安全视角审视CZOs活动，可识别现有过程观测已在何处贡献于土壤安全，以及额外社会或制度参与可在何处增强其管理相关性。

4. Monitoring Soil Security Through CZOs（通过临界带观测站监测土壤安全）。CZOs提供长期研究基础设施，用于观测土壤、水、岩石、大气和生物群之间的相互作用，并理解CZ过程如何响应环境与人为变化。其对土壤安全的贡献不仅取决于所监测的生物物理过程和土壤属性，也取决于所生成知识在多大程度上涉及土壤功能潜力、状态和价值，并与社参与和制度决策相连接。为考察这种整合，研究依据五维及操作标准评估历史清单中的62个CZOs及相关长期监测站点条目。评估显示，62个观测站及相关监测站点条目对五维的文献记录整合并不均衡。状态是最常记录的维度，55个条目（88.7%）具有合格证据；其次为资本，42个条目（67.7%）；能力和连通性分别为33个（53.2%）和32个（51.6%）；制度化仅7个（11.3%）。该模式表明，文献记录更多涉及土壤状态、功能潜力及相关自然资产，而非CZ知识向政策、标准、制度安排或决策支持机制的正式转化。不同条目的整合广度亦有差异：7个条目（11.3%）在全部五维均有合格证据，17个（27.4%）体现四维，11个（17.7%）体现三维，13个（21.0%）体现二维，7个（11.3%）体现一维，7个（11.3%）在适用标准下无合格证据。这些评分代表文献记录的土壤安全整合广度，不应解释为观测站质量或科学绩效排名。该模式显示所评估CZOs条目中土壤安全证据类型存在明显不平衡。状态占优与CZOs在观测土壤属性、环境变化和相互作用生物物理过程方面的传统优势一致；资本相对较高表明许多CZOs活动提供土壤库存、生态系统功能或生态系统服务价值信息；能力较少被一致证明，因为土壤属性或过程测量除非明确用于评估土壤执行既定功能的潜力，否则不被解释为能力证据。更重要的是，结果揭示土壤安全视角可在何处扩展传统CZOs活动。尽管连通性在约半数条目中有记录，制度化仅见于7个条目（11.3%），表明CZOs知识向政策、标准、制度安排或正式决策支持的明确转化在所评估文献中仍较不常见。这并不意味着其余观测站没有政策或制度影响，而是该影响在适用证据标准下无法得到证实。因此，研究提示，将基于过程的CZOs知识与利益相关者参与、知识交流和制度决策更紧密结合，可拓宽CZOs对土壤安全的贡献。长期观测仍是基础，因为风化、土壤形成和水文连通等许多CZ过程在年至千年尺度运行，只能通过固定站点持续系统监测而非一次性调查检测。传感器技术日益提供支持，包括野外物联网（Internet of Things, IoT）设备，可连续实时监测关键土壤参数，并持续获取土壤水分、温度和化学性质的准确最新数据。地面传感器网络由数字土壤制图补充，后者日益依赖遥感数据，从多光谱和高光谱卫星影像到无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）传感器，或作为昂贵野外测量的替代，或作为与土壤形成和环境因子相关协变量。机器学习已成为将大规模异质数据转化为可用土壤信息的核心手段，随机森林（Random Forest）和神经网络等算法被用于预测有机碳、盐分和养分状况等土壤属性，在有利条件下报告精度可达80–97%。除传感器和卫星方法外，公民科学正成为补充监测策略，吸引非专业人员参与土壤数据收集以扩展空间覆盖和公众参与，但此类计划仍面临数据验证严谨性和项目间一致性挑战。环境DNA（environmental DNA, eDNA）分析通过采集环境样品并应用高通量测序从单一样品识别多个物种，为监测土壤生物多样性提供进一步非侵入式途径，也可整合进公民科学计划以加速生物多样性评估。数字孪生（digital twin）正成为整合这些多样数据流的综合性技术：认知土壤数字孪生可将传感器数据、遥感、野外测量和数字制图结合为土壤生态系统的动态虚拟表征，支持情景分析并促进对土壤状态和功能的更整体、实时理解。这些方法共同增强CZOs观测CZ过程并生成与土壤安全相关证据的能力；然而，其对土壤安全的完整贡献还取决于科学信息如何有效连接社会知识、利益相关者参与和制度决策。物理连通性仍是CZ功能的重要组分，可通过水文监测、沉积物测量、示踪研究、地理信息系统（Geographic Information System, GIS）及相关方法评估；但水、沉积物、溶质和生物体的物理转移不应解释为土壤安全连通性维度证据。在土壤安全中，连通性特指通过知识、意识、传播、参与和管护形成的社会与土壤关系；物理CZ连通性可影响土壤功能，并依据所评估过程和应用提供与能力、状态或资本相关的证据。

5. Research Gaps and Future Directions（研究缺口与未来方向）。尽管CZS取得进展，将过程性理解与土壤安全更广维度连接仍存在重要缺口。CZ研究已生成关于土壤、水、岩石、大气和生物群相互作用的大量知识，但其与五维土壤安全框架的明确整合仍有限。对62个CZOs及相关监测站点条目的评估强化了这一区分：状态和资本的文献记录证据最强，连通性体现较不一致，制度化尤其有限。这些模式表明，有机会通过更多关注社会参与、知识交流和CZ知识影响制度与决策的路径，补充CZOs既有生物物理优势。一个优先事项是加强CZ过程知识与土壤安全评估的整合。现有土壤健康和环境监测方法生成大量土壤属性和过程信息，但将这些观测转化为土壤功能潜力、状态、自然资本、社会联系和治理的可比证据仍具挑战。发展将CZOs观测明确关联五维的方法，可提高长期CZ数据集的可解释性和应用性，同时避免假定单项测量自动代表特定土壤安全维度。第二优先事项涉及CZOs研究的社会与制度维度。本评估中制度化文献记录相对较低，提示需要加强CZOs生成知识影响政策、标准、规划和正式决策支持的路径。同样，更多利益相关者参与、知识交流、教育和公民科学方法可通过连接基于过程的科学知识与土地管理者、社区和其他CZ信息使用者，增强土壤安全连通性。长期监测和新兴数字技术为进一步加强整合提供机会。传感器网络、遥感、数字土壤制图、机器学习和数字孪生方法可提高CZ观测的时空分辨率，互操作和开放数据集可促进跨观测站比较。然而，技术发展本身并不确保土壤安全整合。未来CZOs发展应将过程监测进展与利益相关者参与、知识交流、自然资本评估和科学—政策转化机制相结合。总体而言，这些优先事项表明，CZOs未来发展不应偏离其在过程观测中的核心优势，而应在此基础上建设。土壤安全提供补充结构，将CZ知识扩展至对土壤功能与价值、社会参与和制度应用的明确考虑；加强这些联系可增强CZOs不仅生成对CZ过程的长期理解，也生成更易与管护和决策相连接的知识的能力。

Bridging CZS, Society and Policy（连接临界带科学、社会与政策）。CZS持续挑战不仅在于生成更好的环境数据，更在于加强这些知识贡献于土壤管理和决策的路径。对62个CZOs及相关长期监测站点条目的评估说明了这一挑战：状态（55/62；88.7%）和资本（42/62；67.7%）的文献记录体现最强，能力（33/62；53.2%）和连通性（32/62；51.6%）在约半数评估条目中体现，制度化（7/62；11.3%）体现显著较低。该模式提示，尽管CZOs生成关于土壤和CZ状态、过程及相关生态系统功能的大量证据，但这些知识向政策、标准、制度安排和正式决策支持的明确转化记录较不一致。将CZS与土壤安全框架结合，为加强科学—社会—政策连接提供机会。基于过程的CZ观测可提供与土壤能力、状态和资本相关的证据，而连通性和制度化维度明确关注这些知识如何传播、与利益相关者共享并纳入制度和治理过程。自然科学家、社会科学家、土地管理者、社区和政策制定者之间更多合作，可补充CZ研究既有生物物理优势，并增强其对土壤管护和可持续土地管理的相关性。展望未来，CZOs可日益不仅作为长期环境观测平台，也作为科学知识、社会与决策之间的界面。这并不要求将其主要目的从理解CZ过程转向别处，而是在科学基础上通过利益相关者参与、知识交流、参与式方法和更清晰的长期观测向管理与政策转化路径加以建设。土壤安全框架通过将土壤功能与价值知识同社会参与和治理连接，为这一更广角色提供有用结构。

6. Limitations of the Review（综述局限性）。本综述存在若干局限。首先，作为批判性叙述综述，综合优先考虑概念相关性和跨学科整合，而非穷尽式系统覆盖或统计汇总；因此，一些相关研究可能未被纳入，尤其考虑到CZS和土壤安全涵盖的多样学科文献。所综述文献在术语、方法、时空尺度与学科侧重上的差异也限制证据直接比较。其次，对62个CZOs及相关长期监测站点条目的评估基于预定义历史清单，而非所有当代CZOs的全面普查。清单信息由单个CZOs或机构网站及相关出版物证据补充，但公开文档的可得性和详细程度在条目间存在差异。合格文献记录证据的缺失因此采取保守编码，不应解释为特定土壤安全相关活动不存在；该局限对利益相关者参与和政策或制度影响等活动尤为重要，因为此类活动可能发生但未在公开可及来源中全面记录。最后，所识别CZ过程与土壤安全维度之间的关系是概念性的，不应解释为固定或排他的一一对应关联。其表达和管理相关性可能随气候、地质、土壤、土地利用、生态条件以及社会经济和治理背景而变化。所提出的整合应视为通过土壤安全视角解释和扩展CZ观测的框架，而非普适处方性分类。

7. Conclusions（结论）。CZS与土壤安全为理解和管理土壤提供互补视角。CZS提供关于土壤、水、岩石、大气和生物群相互作用的过程性理解，包括风化、水文、生物、生物地球化学、地貌和植被过程及其对气候和人类活动的响应；这些观测为理解土壤能力、状态和资本提供尤其重要的证据。土壤安全通过连通性明确考虑社会与土壤关系，并通过制度化将土壤知识转化为政策、法规和制度安排，从而扩展这一过程性视角。对62个CZOs及相关长期监测站点条目的评估显示，这些维度的文献记录体现并不均衡：状态最常体现（55/62；88.7%），其次为资本（42/62；67.7%）、能力（33/62；53.2%）和连通性（32/62；51.6%），制度化仅见于7个条目（11.3%）。这些结果反映所评估历史清单及补充CZOs、机构和出版物来源中可获得的证据，不应解释为观测站质量排名，也不应作为未记录活动不存在的证据。研究提示，CZOs对土壤安全的贡献可通过基于而非替代其在长期过程观测中的既有优势得到加强。更明确地解释CZ观测与土壤功能和自然资本的关系，并加强利益相关者参与、知识交流、管护以及将科学证据转化为制度决策的路径，可拓宽CZOs研究的社会和管理相关性。因此，整合CZ过程、长期观测站证据和土壤安全五维，为连接对CZ如何功能运行的理解与土壤资源如何被估值、管护和治理提供了基础。