进入人类世以来，人类活动对地球系统的影响已经接近或超过部分自然因素(如气候变化)，地球系统正在加剧变化，有必要发展有关理论以提高预测能力，深刻揭示地球系统的这种变化。地球关键带是地球表层系统中大气圈、生物圈、土壤圈、岩石圈与水圈物质迁移和能量交换的重要区域。地球关键带科学探究地球表层系统演化规律与人类可持续利用自然资源和环境之间的关系，重点研究各组成部分之间的相互作用，了解整个表层地球系统的过去、现在及未来的行为，将是一段时期内地球系统科学研究的主要内容，可为全球生态环境问题的解决提供理论基础与对策方案。
地球关键带是与人类社会最为密切的近地表环境，是独立开放的系统，为区域资源、环境和生态问题研究提供一个完整的系统框架。经过十多年的研究，关键带科学在地球表层结构的认识、关键带生物-土壤-岩石地貌等协同演化、关键带结构对水文过程的作用机制等方面都取得了深度的成果。然而，地球关键带科学研究尚处于探索阶段，近年的进展表明，地球关键带科学有潜力促使地球表层研究发生科学变革，为我们所面临的气候变化、生态系统保护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决提供可能的途径。
图1 关键带结构与水文过程
山坡是流域的重要组成部分，山丘区的地形、土壤、基岩等表层关键带结构因素是与径流形成联系最为密切的地球圈层，山丘区径流在生态系统连通中起到媒介或中枢的作用，可作为流域系统状态的指示因子。在基础水文领域，一直以来山坡水文的发现，不论是蓄满产流还是部分面积产流理论，都对后世的水文模型（如新安江模型）发展起到了奠基性的作用。山坡水文在产汇流规律认知上的重要作用已获得广大学者的共识，可以说直接促使水文学从早期的经验方法发展到具有物理基础的动力机制模型（图2）。然而，由于山坡下垫面中不同尺度上存在巨大的异质性问题，人们对流域表层关键带结构特征及其水文连通机制等的认识尚存不足。这一方面限制了新的产汇流理论的提出，另一方面也使水文模型的发展陷于停滞状态。正如最近水文科学领域极力倡导的流域协同演化研究，我们有必要基于地球系统科学的视角，发展关键带系统动力学的理论和过程预测方法，从而推动对土壤学、水文科学的新认识。
图2 山坡水文观测、发现及其与水文模型理论发展(三阶段)的关系
《山坡表层关键带结构与水文过程》主要作者刘金涛教授团队，一直致力于将土壤学的有关理论和实验方法与基础水文研究进行融合，其开展的山坡关键带水文土壤学研究属于土壤学、地貌学和水文学的交叉领域。首先，他最主要的工作就在于坚持山坡小流域的长期定位观测，取得了第一手的数据并得到了规律性的认识。其次，他最重要的研究进展在于揭示了山坡表层关键带结构宏观层面的规律，并采用数学物理方法得到融合山坡关键带结构特征的理论公式，试图做到关键带结构合理概化与模型适度复杂的平衡。
该书系统总结了关键带科学研究的进展，阐述了山坡表层关键带结构与水文产流过程的相互关系，指出对山坡关键带结构特征和径流形成规律的认识是可能带来新的产汇流研究革命的课题之一。该书内容主要报道了作者在山坡水文实验、产汇流规律、山坡水文连通及山坡结构特征解析等方面积累的科学数据及成果，是作者及其研究小组近十年潜心于山坡关键带水文领域取得的主要工作进展和总结。
本文摘编自刘金涛、韩小乐、陈喜著《山坡表层关键带结构与水文过程》序，内容略有删减。
《山坡表层关键带结构与水文过程》
刘金涛，韩小乐，陈喜 著
责任编辑：李涪汁，沈旭
北京：科学出版社，2020.3
ISBN：978-7-03-063653-9
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本书介绍关键带科学的最新研究进展，阐述山坡表层关键带结构与水文产流过程的相互关系，报道作者在山坡水文实验、产汇流规律、山坡水文连通及山坡结构特征的解析等方面积累的科学数据及成果。根据各章节内容的内部联系，本书可分为关键带结构的探测与水文过程的观测、山坡表层关键带结构(如土壤厚度)空间分布规律及预测方法、山坡表层关键带结构和水文响应关系的理论解析三大部分。书中报道了作者在这些领域取得的新进展，如建立了基于地貌动力学理论的山坡土壤厚度模型及其理论体系，解析了山坡结构与水文响应的定量关系等。
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