進入人類世以來，人類活動對地球系統的影響已經接近或超過部分自然因素(如氣候變化)，地球系統正在加劇變化，有必要發展有關理論以提高預測能力，深刻揭示地球系統的這種變化。地球關鍵帶是地球表層系統中大氣圈、生物圈、土壤圈、巖石圈與水圈物質遷移和能量交換的重要區域。地球關鍵帶科學探究地球表層系統演化規律與人類可持續利用自然資源和環境之間的關係，重點研究各組成部分之間的相互作用，了解整個表層地球系統的過去、現在及未來的行為，將是一段時期內地球系統科學研究的主要內容，可為全球生態環境問題的解決提供理論基礎與對策方案。
地球關鍵帶是與人類社會最為密切的近地表環境，是獨立開放的系統，為區域資源、環境和生態問題研究提供一個完整的系統框架。經過十多年的研究，關鍵帶科學在地球表層結構的認識、關鍵帶生物-土壤-巖石地貌等協同演化、關鍵帶結構對水文過程的作用機制等方面都取得了深度的成果。然而，地球關鍵帶科學研究尚處於探索階段，近年的進展表明，地球關鍵帶科學有潛力促使地球表層研究發生科學變革，為我們所面臨的氣候變化、生態系統保護、水資源安全、自然災害防治等重大問題的解決提供可能的途徑。
圖1 關鍵帶結構與水文過程
山坡是流域的重要組成部分，山丘區的地形、土壤、基巖等表層關鍵帶結構因素是與徑流形成聯繫最為密切的地球圈層，山丘區徑流在生態系統連通中起到媒介或中樞的作用，可作為流域系統狀態的指示因子。在基礎水文領域，一直以來山坡水文的發現，不論是蓄滿產流還是部分面積產流理論，都對後世的水文模型（如新安江模型）發展起到了奠基性的作用。山坡水文在產匯流規律認知上的重要作用已獲得廣大學者的共識，可以說直接促使水文學從早期的經驗方法發展到具有物理基礎的動力機制模型（圖2）。然而，由於山坡下墊面中不同尺度上存在巨大的異質性問題，人們對流域表層關鍵帶結構特徵及其水文連通機制等的認識尚存不足。這一方面限制了新的產匯流理論的提出，另一方面也使水文模型的發展陷於停滯狀態。正如最近水文科學領域極力倡導的流域協同演化研究，我們有必要基於地球系統科學的視角，發展關鍵帶系統動力學的理論和過程預測方法，從而推動對土壤學、水文科學的新認識。
圖2 山坡水文觀測、發現及其與水文模型理論發展(三階段)的關係
《山坡表層關鍵帶結構與水文過程》主要作者劉金濤教授團隊，一直致力於將土壤學的有關理論和實驗方法與基礎水文研究進行融合，其開展的山坡關鍵帶水文土壤學研究屬於土壤學、地貌學和水文學的交叉領域。首先，他最主要的工作就在于堅持山坡小流域的長期定位觀測，取得了第一手的數據並得到了規律性的認識。其次，他最重要的研究進展在於揭示了山坡表層關鍵帶結構宏觀層面的規律，並採用數學物理方法得到融合山坡關鍵帶結構特徵的理論公式，試圖做到關鍵帶結構合理概化與模型適度複雜的平衡。
該書系統總結了關鍵帶科學研究的進展，闡述了山坡表層關鍵帶結構與水文產流過程的相互關係，指出對山坡關鍵帶結構特徵和徑流形成規律的認識是可能帶來新的產匯流研究革命的課題之一。該書內容主要報導了作者在山坡水文實驗、產匯流規律、山坡水文連通及山坡結構特徵解析等方面積累的科學數據及成果，是作者及其研究小組近十年潛心於山坡關鍵帶水文領域取得的主要工作進展和總結。
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本文摘編自劉金濤、韓小樂、陳喜著《山坡表層關鍵帶結構與水文過程》序，內容略有刪減。
《山坡表層關鍵帶結構與水文過程》
劉金濤，韓小樂，陳喜 著
責任編輯：李涪汁，沈旭
北京：科學出版社，2020.3
ISBN：978-7-03-063653-9
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本書介紹關鍵帶科學的最新研究進展，闡述山坡表層關鍵帶結構與水文產流過程的相互關係，報導作者在山坡水文實驗、產匯流規律、山坡水文連通及山坡結構特徵的解析等方面積累的科學數據及成果。根據各章節內容的內部聯繫，本書可分為關鍵帶結構的探測與水文過程的觀測、山坡表層關鍵帶結構(如土壤厚度)空間分布規律及預測方法、山坡表層關鍵帶結構和水文響應關係的理論解析三大部分。書中報導了作者在這些領域取得的新進展，如建立了基於地貌動力學理論的山坡土壤厚度模型及其理論體系，解析了山坡結構與水文響應的定量關係等。
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