在本次发言中，我想以Marine Geology期刊为例，谈谈对过程机制类型研究论文的看法，目的是帮助年轻研究人员熟悉论文写作和评审要点，提高工作效率。将从4个方面来阐述：首先是关于《海洋地质学》期刊的特点，其次是相关的概念，阐述什么是过程和机制、什么不是，进而讨论过程和机制研究在地学中的地位和作用，最后谈谈如何准备过程机制类论文的文稿。

     《海洋地质学》杂志的历史传承和特点

《海洋地质学》杂志创办于1964年，今年是其60周年纪念。在地球科学的历史长河中，《海洋地质学》期刊的发轫，正好处于板块理论诞生的前夜。在此之前，已经有Kuenen等人在海洋地质学做了大量的工作，主要的突破有深海浊流沉积、边缘海形成、海底扩张说等等。此后，为了验证海底扩张说，美国科学基金会发起了深海钻探计划。在深海钻探计划执行当中，有许多新的发现，最后导致板块理论的提出。当时的许多著名的海洋地质学家都是本刊的编委会成员，他们在地学革命的进程当中，发表了许多很有价值的学术论文。《海洋地质学》期刊发表的论文是十分注重过程和机制的，这既是本刊传统，也反映了当时地球科学发展的总体趋势。

在科学发展的初期，曾经有过“万物皆数”的看法，还有一个博物学的时代。在这些框架之下，有关地球科学的问题主要是通过描述自然现象和进行历史演化的解释来实现的。而到了19世纪后期，尤其是二次世界大战以后，现代科学的影响日益加强，物理学、化学和生命科学的进展，使得地球科学向着定量的方向发展，于是就出现了重视过程和机制的趋势。目前，本刊的封面解释是International journal of marine geology, geophysics and geochemistry，强调Geological processes。这意味着什么呢？如果按照通常的地球科学的体系，那么海洋地质学应该包含沉积地质学、地球物理学、地球化学和古海洋学。在封面上面为什么没有出现古海洋学的字样？那是因为在那个时代大部分的古海洋学的研究都是基于地层记录的描述以及所建立起来的各种指标来解释环境的，而指标主要是基于相关性，尚未涉及到较多的过程和机制研究。未来，古海洋学，甚至“古”古海洋学，也就是地质历史上早期海洋的研究，也都有可能纳入《海洋地质学》期刊，因为在人工智能时代，复杂系统理论的建立和计算机科学的发展，使得地层指标本身也需要从“深时”视角寻求过程和机制的解释，人们将从新的观念来看待沉积记录和古海洋学的许多问题。《海洋地质学》期刊的特色，就是发表以过程和机制为主线的学术论文，有利于更加深入地了解地球和海洋演化的现状和历史。

      过程和机制的概念

我们先来看一下过程和机制的概念。

过程是针对系统而言的，系统具有时空边界，其特征和行为由其内部的物质、能量、信息传输转换循环格局所规定。在日常语言里，过程这个词容易让人解误解为时间序列，先怎么样后怎么样，但实际上时间序列应该用Time series这个词来表示。在系统概念里，过程指的是影响一个系统的各种因素的状况和效应。一个系统当中可能有许多个物理的、化学的、生物的影响因素，它们对系统的行为产生影响，决定了这些系统的基本特征。虽然过程研究的面很广，但主要是体现在以下四个方面。

第一，要确定所有的影响因素，每个因素用一个或若干个变量来定义，并且给出每个变量的定义域。所有的定义域都确定之后，这个系统的基本行为和可能的演化方式就已经被规定了，这就是人们所指的“系统状态”。例如，一个沉积物重力流系统，它受到陆架宽度、陆坡坡度角、陆坡前缘水深、沉积物供给、地震和风暴等极端事件、沉积物物质组成、洋流等因素影响，如果每个因素均为已知，那么该重力流系统的空间分布、沉积体规模和演化趋势就被限定了。

第二，要了解上述因素是如何影响这个系统的。从自然科学的角度看，它们可以通过物质、能量或者信息来施加影响。例如在沉积物输运和堆积体系里，沉积物的来源是针对物质的，如果有外部的物源，那么它将提供沉积体系所必需的物质；动力条件，如搬运所涉及的能量损耗，则与太阳能、地热、潮汐摩擦的能量耗散有关。

第三，这些影响系统的因素当中，是不是有主次的区分？有些因素可能比另一些因素更为重要。一个系统的主要特点可能只是由少数几个关键因素决定的，其他因素只起了一定程度的修饰作用，因此需要区分主导因素和次要因素。例如，在陆架初级生产的体系中，流体运动、光照、营养物浓度和水温是最重要的因素，盐度、底质类型、水深等因素次之。

第四个方面是这些因素是否相互影响。有些相互作用是非线性的，要想办法能够预估所带来的影响。通常，人们在“耦合作用”的框架下讨论这个问题。

弄清系统过程之后，进一步将这些过程进行所有的排列和组合，就能够识别什么样的过程组合与系统的哪些现象相关联，这就是机制研究。所谓机制，就是各种过程组合，这些组合与系统里的各种现象具有对应的关系。机制解释，就是要找到对应关系，所以是针对现象的。

另一面的问题是，什么不是过程-机制研究呢？至少有以下三种情形。一是有关现象的描述。大自然和人类社会的许多属性，如动物、植物、岩石、矿物、地貌、沉积、资源、环境、生态、灾害、城市、气候、地理分布，是博物学的关注对象。博物学是现代科学的早期形态，发现新的现象，并且加以描述记录，是科学研究的第一步。二是有关现象的时间序列解释。各种现象都有其历史进程，不同的事件在历史上有先后次序。对历史进程和先后次序进行研究，就是我们通常所说的Natural history，是博物学研究的重点。三是相关性的研究。系统行为或观测数据之间可能存在着一定的相关性，人们通过统计分析的办法来确定相关的程度。如果两个变量相关程度很高，甚至可以表述为定律。相关性也可能存在于不同的系统之间，系统A的某个变量可能与系统B的另一个变量相关。用模型方法，但只报道输入输出、不进行机制分析的论文也可以归入这一类。用相关性来进行数据预测是有效的，但解释为因果关系则不一定成立。因此，若一篇论文止步于特征刻画、年代学信息展示和相关性的统计结果，则不太符合《海洋地质学》期刊的要求。

      过程和机制研究的重要性

现代科学研究在一定的程度上依赖于系统理论，关于地球和海洋那样的复杂系统，一般的表述是用控制方程来表示我们所感兴趣的变量，称为状态变量。每一个状态变量对于时间的变率可以写成一个函数。若有N个状态变量，那么就可以构成N个方程，于是就可以用来理解系统的行为及其变化。要注意的是，这些方程可以依据质量和能量守恒定律来构建，或者其他的物理学原理，也可以是纯粹的经验方程。例如，水动力学和沉积动力学当中的状态变量海水密度、流速矢量和悬沙分布，可表示为2个连续方程和3个动量方程，用这个体系可以刻画水文条件和悬沙输运状况。连续方程和动量方程是系统论表述的一个特例。

但是在另一些系统当中，尤其是人工系统，这些方程不一定要表述为依赖于已知科学理论的已经建立起来的科学理论的方程，经验方程也行。经验方程是根据相关性而建立起来的，通常用于系统的行为和变化，其本质就是我们现在通常所讲的大数据和机器学习模型。在许多方面，这些模型都获得了相当的成功，例如围棋的对弈。这使得有些人认为，为了准确预测的目的，大数据模型就足够了，科学理论反而是多余的。

对此持反对意见者也有两个理由。第一个理由是，有些系统，如人工设计的系统，其规则相对而言比较简单，围棋对弈就是如此，主要目的是为了定胜负。那么用机器学习的大数据模型的确可以说是很有效的，也就是说，不需要借助于动力学理论就可以达到赢棋的目的。然而，在更深的层次上，这实际上必然涉及复杂系统的数学模型。如果对弈的双方都是机器人，胜负由谁来决定呢？这里有一个悖论：双方均认为自己有充分的理由可以取得胜利，但实际上的比赛的结果必然是有胜有负。在此情形下，如果将大数据模型和基于棋理的“动力学”模型相结合，将能更胜一筹。对于一个自然的复杂系统来讲，如果能够将理论和大数据模型相结合，那么这种数据处理的方式可能是更加先进的。如此说来，动力学研究还是有必要的。由于动力学研究必然涉及到物质、能量、信息的传输、转换、循环，因此过程和机制研究也就是必要的。

第二个争辩的理由是人类追求智力挑战的天性。即便数据驱动的模型能够解决当下的问题，从人类本身的心理上来讲，仍然希望能够对动力学有所了解。人类的智力挑战涉及到各个方面，如果把如何建立AI技术作为唯一的挑战，其目的就是今后不要再有其他智力挑战，全部交给AI去对付，这是不是一个悖论？

从科学发展阶段的角度看，大数据和机器学习模型目前也面临着一些基本的问题，主要是数据本身所导致的缺陷。例如，通过观测，人们一定能够准确地认定事实吗？对于观测的结果地解释，人们不会受到一些因素（如错觉）的干扰吗？用遥感或其他方式获得一组图像，从图像的对比当中肯定能够发现异同，但对其进行认定，会有一定的出错概率。然而，如果能够把观测数据与动力过程机制分析相结合，出错的概率就会降低。仍以前面的图像问题为例，如果从时间序列分析中，识别所有因素对图像形成的影响，如光照条件的影响，就可能发现图像的差异是来自于光影所导致的视觉误差。这个例子是简单的，但能够说明复杂系统的理论需要有动力学理论的配合。

      写好过程和机制类的论文

现在我们如何写论文？与过去相比，论文写作的目标和功能已经发生了不小的变化，现在的科研竞争已经进入不同的赛道。传统的写作讲究新发现、新方法、新理论，因此发表的论文要在这些方面进行比较。这个标准在当时是可行的，因为研究队伍规模较小，能够从事科研工作的人都是人群当中的佼佼者，他们具有判断一篇论文学术价值的能力。然而现在人们发表的论文不再追求这三点，新想法新观点的、重复研究的、初步探讨的，不一而足。此外，科技队伍是如此之大，每天发表的论文的数量是如此之多，以至于无法找到足够多的人来判断论文在新发现、新方法、新理论方面的价值。这样一来，过去的评价方式就变得不可行了。从管理部门来看，由于对代表性学术论文的价值难以判断，因此，只得用刊物本身的指标（如影响因子）来判断，而这些指标却是易错的。另一方面，从科学发展本身的趋势来看，现在的研究是要加全面细致地刻画系统行为，不惜进行大量的重复性工作，以便为大数据模型提供充分的信息，并且为复杂系统理论的建立提供更多的线索。为了这个目标，系统的细节是必不可少的。这样一来，绝大多数论文都进入了细节刻画的范畴，有关新发现、新方法、新理论的论文也一并淹没在众多的论文当中了。

具有悖论感的一点是，最终科学的发展还是要看新发现、新方法、新理论的。那么，加入科学研究细节洪流中的我们怎样能够追求这一理想呢？这涉及到个人的生涯规划，是一个复杂的问题。但基本的情形是，我们首先要在研究队伍中站住脚，能够找到职位，解决自己的生活和工作条件问题，然后才谈得上学术前沿的追求。从事科研工作的人如果是处于早期阶段，那么过分追求前沿、想要做出一鸣惊人的成果，这种想法落空的概率很大，因为科学发展到现在，许多思想前人都有过，指望在很短的时间里面突发灵感也获得同样大的成果，这种概率很小。对于绝大多数人而言，在科研生涯的早期，要想办法多发表论文，这样才能够为未来打下基础。正面来看，多发表论文，对于锻炼写作也是有好处的，这样在真正做出科研大的科研成果的时候，就能够把学术论文写好。等到我们的工作和生活条件都安定了，那时就该好好地考虑一下新发现、新方法、新理论的问题了。

核心问题是，怎么能够做到在我们学术生涯发展的不同阶段都能够写出高水平的学术论文。过程和机制的研究是应考虑的重点之一，而这要建立在学会不同类型论文的写作的基础之上。自然科学研究已经有了悠久的历史，论文的写作不拘泥于一种形式。过去已经做过的研究，像博物学研究，现在不仅没有过时，而且是不可缺少的。在高影响因子期刊当中，有许多期刊就是如此，如在Nature和Science上发表的地学论文基本上都要讲究现象的显著性。所以，写作论文是否要包含过程和机制在内，要看具体的情况。通过诚实研究做出来的论文，只要能够发表，就是有价值的。这里的讨论要点是，如果我们要在论文中进行机制分析，或者评审机制研究的论文，那么应该如何着手进行呢？

掌握过程-机制研究的形式是重要的，主要有以下三种：（1）观测数据的机制解释，包括系统特征值的研究；（2）以动力学模拟为手段，显式表达所涉及的过程，进而阐述系统的机制；（3）人工智能辅助的复杂系统分析。

观测数据的分析引向系统变量的特征值，而对特征值进行解释，是典型的机制分析。例如，在长江入海物质的堆积地点，泥质沉积中的有机质平均含量约为0.7%。问题是，为什么是这个值？其他的陆架泥质沉积也是这个比例吗？为了解释这一点，应在所有的系统过程中进行筛选，最后找到其中的机制。要注意的是，此类机制不一定是唯一的；用数学化语言表述，这个机制可能是一个充分条件，而不是一个必要条件，因此机制分析的结果及其应用要十分谨慎。黄海海域从江苏到山东海岸每年发生浒苔暴发，有研究者发现，早年浒苔暴发的源头是江苏如东海岸的紫菜养殖筏架；后来要治理浒苔暴发，就提出要治理江苏的紫菜养殖。问题在于，这项措施并没有收到预期效果，紫菜养殖被严格管控之后，浒苔照样连年暴发，因此紫菜养殖不是一个必要条件。

模型是一个很好的工具，可以用来进行过程和机制研究。有一种称之为过程模拟的研究，实际上就是专门为这个目的进行的模拟。由此推而广之，在进行所有的模拟工作的时候，都应该十分注重过程和机制的信息提取。动力学模型本身就已经考虑了许多的因素，在写论文的时候，要把这些已考虑在内的因素列出清单，然后在讨论部分说明这些因素所起的作用。至于系统中的一些特定的现象，用模拟方法也是可以发现其机制的。如前面所提到的江苏海岸的浒苔暴发，在时间节点上发生于硅藻和甲藻暴发之后，而且其范围也不再集中于长江口附近。对于这样一个现象，若进行生态系统动力学模拟，就该好好查一查是哪些因素的结合导致了这种生物暴发的现象。如果研究使用的是经验模型，如数据驱动的模型，那也应该利用讨论的环节来论述一下可能的机制，至少可以形成工作假说，为未来的研究打下基础。

根据科学理论或模型做出的预测，由于是针对系统演化的未来状况的，因此可能没有可供验证的数据。在这种情况下，可以用机制的解释来说明预测的合理性。例如，仅根据河流三角洲的生长格局是很难预测未来的，但是根据沉积物收支的模型，却可以给出一个预测，即河流三角洲存在着一定的生长极限，生长到一定的程度便不会再继续增大。那么，三角洲最大的规模有多大？三角洲沉积分布在哪里？此类问题的答案经常是来自模拟结果。但是涉及到对未来的预测，我们怎么知道它对还是不对呢？此时，对未来预测结果进行机制的分析，有助于判断其合理性。第一步是寻找与生长极限相关联的机制，然后分析这种机制存在的可能性。如此，所给出的预测就有了过程和机制的依据。

      结语

上述看法可总结为以下几点：

     （1）以“Marine Geology”为代表的期刊重视过程-机制的研究，是科学发展逻辑的一个典型案例；

     （2）过程研究是针对系统宏观特征的，需厘清所有影响因素；而机制研究是针对系统内部特定现象的，需寻找相应的过程组合；

     （3）过程-机制研究是博物学研究的必然延伸，也是通往复杂系统理论和AI技术的桥梁；

     （4）过程-机制类论文的写作要点，包括系统特征值的解释、重要现象的动力学模型分析、基于复杂系统理论的系统演化预测结果的解释。

（Elsevier Author Workshop - Nanjing (Nanjing, 20th May 2024) “Marine Geology”主编发言）