2018科学发展报告 | 地球系统科学发展与展望

来源： 姚檀栋 刘勇勤等 赛杰奥 2019-03-15

▋ 姚檀栋  刘勇勤  陈发虎  张人禾  王成善

    李    新  吕永龙  张志强  曲建升  张林秀

大陆漂移学说和板块构造理论是20世纪地学的重大突破，地球系统科学有望成为21世纪地学的重大突破。

▋1.地球系统科学的发展

“地球系统科学”一词首见于美国国家航空航天局(NASA)在1988年发布的报告《地球系统科学：深入认识》。该报告认为大气圈、水圈(含冰冻圈)、岩石圈和生物圈组成了有机联系的地球系统，发生在该系统中各种时间尺度的全球变化是地球系统各层圈相互作用的结果，是三大基本过程(物理、化学、生物)相互作用的结果，以及人与环境(生命与非生命)相互作用的结果。NASA还首次提出将人类活动作为与太阳和地核并列的、能引发地球系统变化的驱动力——第三驱动因素，地球系统科学研究的基本问题包括行星地球的运行、演化及趋势。

NASA在2002年发布的《地球系统科学2002—2012年技术战略规划》报告中深化了地球系统科学的重要问题，提出地球系统科学旨在回答地球系统的根本科学问题——地球系统的变化性、变化的驱动力、地球系统对自然和人为变化的响应、地球系统变化的影响与后果、地球系统未来变化的预测。

2003年NASA进一步提出，地球系统科学将地球视作一个具有相互关联现象的协同物理系统，地球系统由涉及地圈、大气圈、水圈、冰冻圈和生物圈的复杂过程所控制。因此，需要建立地球系统科学方法，而其基本途径是强调相应的化学、物理、生物及其相互作用的动力学过程，这些过程在空间上可以从微米到行星轨道尺度，在时间尺度上可以从毫秒到数十亿年。

地球系统科学的概念在我国的最初提出是20世纪80年代，钱学森提出要开展地球表面各圈层相互作用研究；2003年，任美锷等建议开展地理科学系统研究，提出“人类圈”，将人类与自然(环境)作为两个对等部分，研究其相互影响和相互作用。这是我国科学家首次明确提出地球系统科学的理念。

随后对地球系统科学的认识不断得到深化，周秀骥认为，地球系统是由近地空间大气圈、水圈、冰冻圈、固体地圈(岩石、地幔和地核)和生物圈等自然层圈紧密关联的整体。叶笃正等指出，20世纪70年代提出气候系统概念，包含了大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈五大圈层以及圈层之间的相互作用，后来又发展成为地球系统。这是对自然界认识的重大飞跃，不仅使气候学跨出了大气圈，而且使人们把地球环境各圈层作为一个整体系统去研究其演变规律，极大地推动了地球科学的发展。中国科学院地学部地球科学发展战略研究组专门进行过地球系统科学研究，出版了《21世纪中国地球科学发展战略报告》，认为地球系统科学是研究地球系统行为和演化规律的全新理念和新兴思想框架，其出现标志着地球科学发展的新跨越。地球系统科学探索地球科学的各分支学科单独难以解决的问题，学科之间的交叉和融合是其最重要的特征，但地球系统科学不是传统地球科学各分支学科的简单相加。同时，地球系统科学也不能代替传统地球科学各分支学科自身的发展。该报告将地球系统科学与地质科学、地理科学、大气科学、海洋科学、地球物理学、地球化学等一起列为地球科学的重要分支学科。与此类似，《未来10年中国学科发展战略——地球科学》(2012年出版)将地球系统科学与大气科学、地理学、地质学、地球物理学、地球化学相并列为一门学科；认为地球系统科学的关键科学问题就是整体地球系统与各子系统的相互联系和动力学，以及全球可持续性和地球系统的有序管理。

▋2.地球系统科学的内涵

从概念上讲，地球系统科学强调地球系统的整体性及其与外部环境间的相互作用，它研究地球五大圈层(大气圈、生物圈、水圈、岩石圈和冰冻圈)及其三大过程(生物过程、物理过程、化学过程)的驱动机理和运行规律。在全球变化和可持续发展的大背景下，地球系统科学特别强调人类活动对地球环境演变过程的影响。

从学科定位上讲，地球系统科学是地球科学的分支学科(地质学、地理学、大气科学、海洋科学、地球化学、地球物理学、生物学、生态学等)以及自然科学基础学科(数学、物理、化学等)的高度交叉、深层次互相渗透和融合而形成的一门学科。

从方法论层面讲，地球系统科学的研究方法可概括为：地球系统观测，主要包括一系列地球观测卫星、地球表面观测系统、大洋和大陆深部观测系统等；地球系统理论，包括认识地球系统各圈层及其与人类活动相互作用的机理；地球系统模拟，包括模拟从气候系统逐渐演化到地球系统的模型；地球系统集成，随着地球系统科学研究的不断深入，在更高层次的多圈层作用融合研究。

经过多年的不懈努力，国际科学界对地球系统及地球系统科学的研究和认识有了显著提高，对地球系统现象、组成部分、过程和规律等的认识有了质的飞跃，认识到：

▶ (1)地球系统是一个自适应系统，地球各组成部分之间的相互作用和反馈具有复杂和开放性的多尺度时空变率。

▶ (2)生物过程和物理化学过程协同影响地球系统，但生物学在保持地球环境处于可居住的极限内起着比以前所认为的更加强大的作用。

▶ (3)人类活动正在以多种方式显著影响地球系统的功能，而且在其范围和影响方面与某些大的自然驱动力相当；人类驱动的变化使得地球系统的变化更加复杂化；人类活动以复杂的途径将多重相互作用和影响施加于地球系统，用简单的因果范式不能理解全球变化。

▶ (4)地球系统动力过程具有临界阈值和突变性特征，地球现在正在以与地质历史时期不同的状态运行，地球系统变化及其变化的幅度和速率是前所未有的。

2010年，Reid等在《科学》杂志发文，公布了国际科学理事会(ICSU)组织的基于全球科学家参与提出、讨论和总结的全球变化背景下地球系统科学面临的重大挑战及相关优先研究方向，包括：①预测，提高未来环境预测的实用性和对人类的贡献；②观测，发展、改进和集成必要的观测系统以管理全球和区域环境变化；③规划，决定如何预见、认识、避免和管理破坏性的全球环境变化；④应对，确定什么样的制度、经济和行为的改变可以有效达到全球可持续性；⑤创新，鼓励在技术发展、政策和社会响应方面的创新(配合有效的评估机制)以实现全球可持续性。

地球系统科学发展的根本目标是地球管理，促进人类向着可持续利用地球的方向发展。国际社会正在全面落实2030年可持续发展议程，涵盖17个可持续发展目标，其中在气候变化、自然灾害、水资源、清洁能源、农业与粮食安全、生物多样性、海洋与海岸带乃至社会治理等方面的多个具体目标与地球系统科学前沿直接相关。地球系统科学的成果、认识与进一步发展将有助于落实和监测这些可持续发展目标，推动全球和区域可持续发展议程。

地球系统科学研究需要从交叉科学的角度来研究整个地球系统，需要建立协同的国际计划。全球和区域大型研究计划成为地球系统科学研究的重要组织形式。如：“耦合模式比较计划”(CMIP)旨在认识地球系统对外胁迫的响应以及模式系统偏差的来源和影响，评估未来气候变化。“未来地球”(Future Earth)计划承载了将全球环境变化研究和可持续发展行动推向新高度的历史使命，其2025年愿景指出：“使人类生活在可持续发展、平等的世界是未来地球计划的愿景”。“全球气候观测系统”(GCOS)国际计划强调对气候系统整体进行观测，它推动、鼓励、协调并促进不同国家、国际组织和国际机构在获取满足自己所需观测的同时，通过提供一个有效的框架，集成和加强实地和空基观测系统，观测范围涵盖大气、海洋、水文、冰雪和陆地过程及其物理、化学和生物特性。国际大洋钻探是目前地球科学领域规模最大、历时最久的国际合作研究计划之一，所取得的科学成果证实了海底扩张、大陆漂移和板块构造理论，推动了地球科学的革命，加深了人类对地球多圈层相互作用的理解。2013年开始的“国际大洋发现计划”(IODP)的目标是打穿大洋壳，揭示地震机理，调查大洋深部生物圈和天然气水合物等多圈层的耦合系统，揭示地球表层与地球内部的连接，研究导致灾害的海底过程。我国科学家主导的“第三极环境”(TPE)及“泛第三极环境与一带一路协同发展”国际研究计划，强调以地球系统科学为指导思想，对资源环境宏观格局、演变规律与机制、发展潜力与制约因素等进行深入研究，进而开展资源、环境与灾害风险评估，为区域协同发展面临的重大资源环境问题提供科学决策支持。

中国地球系统科学发展应着眼于多圈层、多尺度、定量化、跨学科、集成化的研究手段，揭示全球资源生态环境社会多要素协同过程与机理，为我国可持续发展与生态文明建设及全球生态环境保护提供科学支撑。

▋1.适应全球变化与人类世的地球系统科学发展战略

在全球变暖、人类活动剧烈改变地球的大背景下，中国科学家和全球科学家一样，需要认真研究经济社会的发展所面临的矿产和能源资源消费量庞大、水土资源问题严峻、环境污染加剧、生态系统退化、自然灾害频发等资源生态环境方面的巨大压力，为经济和社会的可持续发展以及人民群众的健康和安全服务。

应对这一形势，应推进适应全球变暖与人类世的地球系统研究，定位于构建生态环境可持续性体系。在中国要重点发展典型陆地生态退化机理与生态恢复技术、生态系统对全球气候变化响应与应对方案、典型污染物与复合污染物分异规律及净化治理新技术、可持续发展调控与决策支持系统、山水林田湖草系统治理的技术体系、“绿色中国”生态环境可持续性的系统解决方案等。

▋2.从区域到广域和全球的地球系统科学发展战略

地球系统科学发展需要建立从区域到广域和全球的地球系统研究战略，以地球系统科学为指导思想，对资源环境宏观格局、演变规律与机制、发展潜力与制约因素等进行深入研究，基于科学认识开展资源、环境与灾害风险评估，为区域协同发展面临的重大资源环境问题提供科学决策支持，服务于国家科技外交和全球化大局。“一带一路”是我国面对世界发展新格局提出的一个具有突破性、全局性、长远性的21世纪国家重大倡议，地球系统科学要服务这一国家战略需要。

地球系统科学研究要定位于构建从区域到广域和全球的资源生态环境保护利用的科技体系、重点发展区域构造域地质演化与资源时空分布规律、重点国家和重点地区的资源环境问题、资源勘查开发利用过程中的生态环境保护、全球可持续发展路径、资源生态环境大数据平台、三大构造域形成演化动力学机制及其资源环境效应、深地资源勘查利用的技术和方法体系、从区域到广域和全球发展的环保技术与方法体系。

要定位于构建三极空地海综合观测体系，揭示三极多圈层相互作用与气候变化机理，发展地球系统科学理论，提高预测和预估三极环境与气候变化的水平，形成适应和减缓并重的引领全球应对气候变化的新理念，为全球生态环境保护做出贡献。

▋3.从深部到海洋和陆表的多圈层相互作用地球系统科学发展战略

从深部到海洋和陆表包含着地质、动力、生物和化学等不同时空尺度的各种过程。深部和海洋不但是资源开发利用和战略基地，也是了解地球深部层圈的构成和动力学过程的基本平台。揭示内陆地质过程和浅表地质作用对资源形成、环境演变和自然灾害的控制具有重要意义。从深部到海洋和地表多圈层相互作用的科学研究是国家长期可持续发展的必然需求。

要定位于保障能源安全，为“向地球深部进军”提供技术、理论支撑。要重点建立深部立体观测体系信息共享与监测平台，透视地球、拓展空间；发展深远海生物资源与矿产资源开发技术，为社会可持续发展提供保障。

要研究深部生命现象及其与环境系统的演化过程，推动人与地球和谐发展。

▋4.从观测到模拟和仿真的综合集成地球系统科学发展战略

在新技术新手段下以全新的地球系统科学方法论，发展从观测到模拟和仿真的综合集成战略，建设地基、空基、星基、月基构成的密集立体网络化观测系统，发展地球大数据科学平台，建设地球环境数值模拟装置，建立三极新型探测技术体系，建成全球资源环境要素的无缝监测、高精度模拟和动态分析能力。建设并高质量运行大科学装置集群，建成支撑重大资源环境研究的技术平台。揭示地球系统从深部到海洋到地表的多圈层相互作用，预测地球系统未来变化，为人类发展服务。

【参考文献】参考著作见文后，其余文献略.

END

本文摘编自《2018科学发展报告》（中国科学院. 北京：科学出版社，2018.12）一书，有删减。

2018科学发展报告

ISBN 978-7-03-060356-2

作者：中国科学院

出版时间：2018.12

本报告是中国科学院发布的年度系列报告《科学发展报告》的第二十一部，旨在全面综述和分析2017年度国际科学研究前沿进展动态，研判和展望国际重要科学领域研究发展趋势，揭示和洞察科技领域创新突破及快速应用的重大经济社会影响，报道和介绍我国科学家具有代表性的重要研究成果，观察和综述国际主要科技领域研究进展及科技战略规划与研究布局，概括和介绍我国科学研究整体发展状况，并向国家决策部门提出有关中国科学的发展战略和科技政策咨询建议，为国家促进科学发展的宏观决策提供重要依据。

相关参考著作

21世纪中国地球科学发展战略报告

ISBN 978-7-03-022242-8

作者：中国科学院地学部战略研究组

出版时间：2009.01

本书基于对国内外地球科学发展历史与现状的总结，从21世纪国际地球科学发展的大背景和大趋势出发，从我国地球科学发展的国家战略需求着眼，深刻阐述了国际地球科学发展的特点与前沿趋势，系统思考了我国地球科学发展的战略方向，提出了至2020年我国地球科学发展的目标与战略定位、系统凝练和提出了我国地球科学应当重点研究的8个重大科学领域——行星地球的物理、化学、生物过程及其协同演化，海洋的物理和生物地球化学过程及其资源环境效应，陆面地表过程、资源环境、人类活动与可持续发展，天气、气候系统和空间天气的变化与趋势预测，全球变化与地球系统科学，矿产资源和能源的形成机制、勘查新技术与可利用性，水资源与可持续发展，自然灾害与防治等，阐述了这些领域的研究内容与研究方向，指出了我国地球科学发展的条件平台与能力建设等方面的问题及实现途径。

未来10年中国学科发展战略・地球科学

ISBN 978-7-03-032981-3

作者：国家自然科学基金委员会,中国科学院

出版时间：2012.03

“未来10年中国学科发展战略”丛书是国家自然科学基金委员会和中国科学院学部历时两年多联合开展研究的重要成果，凝聚着600多位院士、专家的智慧和心血,对广大科技工作者洞悉学科发展规律、了解前沿领域和重点方向及开展科技创新等有重要的参考价值，对促进我国学科均衡、协调、可持续发展必将发挥积极作用。《未来10年中国学科发展战略・地球科学》全面总结了近年来地球科学的研究现状和研究动态，客观分析了学科发展态势.从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了学科的整体布局，提出了地球科学的重要科学问题、前沿方向及我国发展该学科领域的政策措施等。

冰冻圈科学概论（修订版）

ISBN 978-7-03-0586223

作者：秦大河

出版时间：2018.09

本书系统地介绍了冰冻圈科学，其内容涵盖冰冻圈组成各要素的形成发育、演化和研究方法，冰冻圈与气候系统其他圈层及人类圈的相互作用，涉及社会经济可持续发展和地缘政治等热点问题。

地球系统与演变

ISBN 978-7-03-057604-0

作者：汪品先等

出版时间：2018.06

三十年来“全球变化”的研究，把地球科学推上了一个新台阶。地球上的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈连成一个完整的系统，牵一发而动全身，甚至地球内部和表层的物质和能量交换，也在影响着人类享用的环境与资源，而这就是地球系统科学的研究对象。本书是在二十年教学科研实践基础上编写而成，前五章介绍各圈层的构成与来历，后五章讨论不同时间尺度的地球系统演变，最后两章介绍地球系统科学的研究方法和理论。全书以圈层间相互作用为主题，重点突出机理追究和问题探讨，不以灌输知识为目的。

（本文编辑：刘四旦）

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