地球系统科学研究一斑

彭渤

    伴随当今信息技术和人工智能科技的发展，地球科学同其他自然科学一样，不断地向前发展创新。进入新世纪以来，地球系统科学的发展尤为受到重视，但地球系统科学究竟是什么？我想，新世纪以来，欧美学者提出的一些引领潮流的学术思想，构筑了地球系统科学的实质性内涵。

首先，板块构造理论被公认为引领地球科学的基本理论，确定了地球系统科学的学术指导思想。虽然板块构造理论是上世纪60年代初提出并在学术界开始流行的，但地学界一直存在不同学派之间的争辩。正是在传统的大地构造学理论与流行的板块构造理论的一系列学术争鸣中，确立了地球科学中板块构造理论的学术领导地位。海底扩张是该构造理论的理论基石，大陆漂移是它的理论基础。故而从海洋起家板块构造理论发展成为了全球构造理论，来引领并指导地球科学的研究。不但传统的固体地球科学研究如地质找矿勘探学、地震预报学等都在按照板块构造的理论思想发展和深化，而且地表过程、层圈相互作用等地球系统科学的研究也需要以板块构造理论为指导，来阐述地表过程的机理、效应等。如全球气候变化就与板块碰撞俯冲等作用机制密切相关；全球地貌类型及其分布规律，就需要依据板块构造理论来阐释等。因此，板块构造理论是地球系统科学的上层建筑，是指导地球系统科学研究和发展的基础理论。

其次，“人类纪”概念的提出，构筑了地球系统科学的内核组成。丹麦气象学家、诺奖得主保尔·克鲁岑（Paul Crutzen）于 2000 年提出了“人类纪”的概念，认为人类现今赖以生存的地球，其地表环境已受到人类活动的改造，人类活动已经成为一种重要地质作用力而对地表环境产生深刻影响，使得人类赖以生存的地球，她的演化阶段已经不是先前认为的第四纪，而是进入到了它的一个新的演化阶段，即 “人类纪”。自 18 世纪末工业革命以来，人类活动正在快速地改变着地球的物理、化学和生物特征，大气成分、地表植被、海洋生态系统、陆表淡水系统，以及全球生物多样性等，都在不同程度上受到人为作用的影响。地质记录显示，地球从来都没有经历过像现在这样一系列同时发生的变化。这种变化正在导致地球表层系统及其平衡体系发生“变革”，使地球的演化进入一个全新的阶段，即 “人类纪”。 “人类纪”概念一提出，即得到学界的响应。在我国，刘东生将“人类纪”定位为“人类世”， 明确了“人类纪”在地质年代表上的时间位置。而后，很多学者就“人类纪”大气环境污染、 有机有害物质的循环、环境生态毒理等问题进行了分析。从而把地球科学的研究与人类社会发展结合起来，构筑了地球系统科学的重要内核组成。

虽然“人类世”作为一个地层单元未被国际地学界接受而加入地球演化的地质年代表，但“人类纪”阶段地球动荡的环境变化、酸化的海洋、上升的全球气温等特征似已成为不争的事实。因此， “人类纪”概念的提出，凸显了人为作用背景下地球大气圈、水圈、土壤圈、生物圈、岩石圈等层圈相互作用的特征，指明了地球系统科学的发展方向。

第三，地表“源-沉”作用的提出，体现了地球系统科学的发展方式和特点。表生过程“源-沉”作用的研究始于20世纪90年代末。当时，美国国家自然科学基金会和联合海洋学协会组织专家提出大陆边缘计划，其中沉积学和地层学项目组制订了Source to Sink的研究计划，即从源到沉的复合体系科学计划。地球表面的地貌演化及其动力机制、作用效应，不是一个孤立的系统，而是一个综合多要素、多层面、多系统、多学科的“源-沉”作用系统。在“源-沉”系统中保存下来的地质信息，是从山到盆甚至整个流域地球表层动力学过程的记录，也是深部岩石圈动力学过程与地球表面物理、化学、生物、气候条件等相互作用的产物。把物源的形成、搬运到沉积作为一个整体过程来研究，能完整地认识地球表层的动力学过程及其演化特征。体现了地球表层系统研究的发展方式和特点，是地球系统科学发展的重要形式，因而一方面构成了地球系统科学的重要研究内容，一方面又为地球系统科学研究提供科学借鉴和学术指导。

第四，“地球关键带”概念的提出，推进了地球系统科学的研究。“地球关键带(The Earth’s Critical Zone)”是[美]生态学家Brantley S. L. (2010)提出，迅即得到国际学术界的响应和重视，并引领全球地学研究。于今，地球关键带已经不是一个单一的概念，而是发展成为了地球关键带科学，是地球系统科学的典型代表。笔者综合有关文献，认为：“地球关键带是地球表层垂直空间方向上上至地表植被顶盖、下至地下水底部基岩的空间范围，具有自身结构、厚度和物质组成的，对人类社会发展和繁荣进步其关键作用的地球表层带”。该空间范围带控制地表能量转换及物质循环，决定地表营养组分、污染物质及大气成分的迁移转化与归宿，是固体地球赖以维系生物繁育的关键地带，是地球表层系统中最活跃、最富有活力的地带。在横向上，地球关键带覆盖不同的生态系统类型，连接了不同的自然地理单元；在机理上，突显了地表层圈的相互作用及其作用效应。其结构和功能特征不仅取决于生物的多样性，还直接与岩石、土壤、沉积物、风化层和地下水等地球表层要素直接或间接相关。因此，关键带科学涉及包括水文学、地貌学、地质学、地球化学、地球物理学、土壤学和生态学、资源学、环境学等多学科在内的综合交叉，体现了地球系统科学在研究方法、理论发展等方面的具体形式和发展方向，极大地推进了地球系统科学的发展。

地球系统科学应该不是哲学，不是没有实质内涵的一个概念或提法。上述有关地球系统科学研究的四个方面，代表新世纪地球系统科学发展具体形式、基本科学内涵，也为地球系统科学的发展指明了方向。

2025年3月28日，长沙