从地球过程到人地和谐 ——关于我国地球系统科学发展战略的思考-矿材网

自20世纪80年代以来，地球科学开始进入一个新的发展时期。随着人类社会谋求可持续发展的意愿不断加强，地球科学的研究需要回答诸如地球资源还能为人类社会发展维持多久，人类生存环境对人类自身发展的极限承载力，全球环境在人类活动干预下的变化趋势，以及如何规范人类活动，达到人与自然协调发展的目的等问题。要回答这些问题，需要把地球的大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、地幔和地核以及近地空间视作密切联系的整体，并关注人类活动的影响，理解它们相互作用的过程和机理。因而地球系统科学理念逐渐成为引领新世纪地球科学的发展方向。

地球系统科学的由来与发展

地球系统科学缘起于人类为了迎接全球环境问题的挑战而首先形成的集成研究方法。

近20年来，国内外地球科学领域的众多科学家广泛开展了全球环境变化研究，深入研究使人类愈来愈认识到地球的大气圈、水圈（包括冰冻圈）、生物圈、岩石圈、地幔和地核等各个组成部分是一个密切联系而又相互作用的整体，是一个所有组成要素处在相互作用之中的动态系统。任一层圈过程都在不同程度上与其它层圈在不同时空尺度上存在着相互影响和制约；任一层圈的结构、功能和行为都是地球系统在局部的反映；其中某一成分的变化都会引起其它成分的响应，往往又是其它成分共同作用的结果。由此提出地球系统（Integrated Earth System）和地球系统科学的概念。可见以理解地球系统整体运行与变化为目的的地球系统科学是一个新兴的、多学科交叉的复杂性科学研究领域，必将发展成为一门新兴的学科。

地球系统科学以认识地球系统组成部分间的相互作用与变化为关注焦点；其终极挑战在于把不同学科中的科学发现综合成大气圈、水圈、生物圈和岩石圈耦合系统的一种整体表现；耦合的地球模型是预测地球系统未来变化及趋势的最佳工具。

地球系统科学研究的挑战与机遇

展望21世纪，地球系统科学研究的新思维与对地观测技术、对地球系统过程的模拟和预测，将进一步推进自然科学及其与社会科学的交叉融合，对解决人类生存与发展中的资源环境问题和增强人类管理地球的能力将产生革命性的影响。

自20世纪80年代以来，我国政府及有关部门高度重视全球变化与地球系统科学研究，并给予了强有力的支持，促使该领域的科学研究呈现出蓬勃发展的局面。部分研究成果在国际学术界产生了重要影响；部分领域的研究水平已在国际前列；己有一批活跃在国际学术舞台的研究梯队，其中部分科学家在国际学术组织和项目实施中任职。

但是，从总体而言，我国的全球变化与地球系统研究和国际的发展态势仍不适应，“原料输出”的状况没有改变。一是科学问题的提出多有贡献，但对国际计划的组织与实施影响极弱；二是科学上有一定贡献，但难以取得国际重大成果；三是能力建设发展速度较快，但整体性、系统性不足，重复建设依然存在；四是财力投入增长幅度较大，但总体投入偏低，分配机制不尽合理。

党的十六大提出全面建设小康社会的历史任务，要求在创造物质财富的同时要创造一个人与自然和谐发展的环境。对此，必须分析当前我国资源、环境的状况，从而明确地球科学所面临的挑战与历史责任。

我国存在着自然资源供需矛盾十分突出，有限资源浪费巨大，环境污染和生态破坏严重等问题。此外，我国还是世界上受自然灾害影响最为严重的少数国家之一。当前我国已进入“可持续发展”框架下的现代社会，巨大的资源、环境压力使地球科学面临严峻的挑战，但也为其提供了良好机遇，迫切需要发展新的理论和新的技术。

从我国展开地球系统研究的学术资源优势来看：政府和有关部门对全球变化与地球系统研究的重视；拥有一批活跃在国际学术界的科技队伍；部分领域已跨入国际先进行列；面临的资源、环境压力及高强度的人类活动等。同时，我国还拥有独特的自然条件和人文优势：

首先，我国是地质背景特别复杂的国家之一，多样化的地质地貌类型、土壤类型和气候条件形成了多样化的生态系统，多样化的生态系统又维系着丰富的物种、种群和遗传资源。

其次，我国位于地球环境变化速率最大的亚洲季风区，东临太平洋，发育着宽阔的陆架海和典型的边缘海，海-陆-气之间的物质、能量循环具全球意义，已成为当前世界气候研究的一个关键地区。我国气候的南北分带与区域垂直分带在世界上具有典型性。青藏高原对我国的气候格局有着重要的控制作用，也是影响全球大气环流和气候演变的重要因素。

此外，我国拥有灿烂的古代文明，且与现代社会在文化上一脉相承。依靠丰富的历史文献和各种信息，可以提供更长、更多的气候和自然地理变化状况。作为世界上最大的发展中国家，我国对人类活动的调控，可能对世界产生深远影响，倍受国际关注。

我国地球系统科学研究战略的思考

地球系统科学研究是国际地学界共识的21世纪地球科学的前沿领域。但是，各国或国际组织战略研究的模式不尽相同。我国的基本研究思路是探索海、陆、气、生及地球内部物质、能量循环的内在联系，并考虑人类活动的影响。

根据国际地球科学发展的趋势，结合我国地球系统科学研究发展的基本思路，今后10至20年内中国科学家可在三个方面做出贡献；一是地球科学的相关学科应更多地从地球系统概念推动学科发展，使原有学科更加深化和完善，学科间的交叉渗透更为加强，焕发出新的活力；二是重视地球系统及各子系统之间的相互作用研究，描述并理解其物理、化学、生物过程和人类活动的影响，推动和发展一门实质性的综合科学，即地球系统科学；三是跨越自然与社会科学的界限，开展人类面临的环境、资源、灾害等重大科学问题的研究，强化服务于人类社会可持续发展的功能。

实现“从地球过程到人地和谐”的战略意图，要明确战略重点。面向学科前沿，发挥学术资源优势，满足国家需求是选择战略重点的基本根据；推动地球科学的发展，培养精干的研究队伍，提升我国的国际地位是实现战略重点的根本目的。

近期战略重点可遵循以下准则：

①把握科学前沿，对认识地球系统将起到重要作用或产生重大影响，具有良好基础并能充分发挥我国自然条件和人文优势，有利于迅速提升我国的国际地位。

②把握我国社会经济发展中急需解决的环境、资源、灾害和安全中的重大科学问题，关注人与自然的协调发展。

③有利于学科交叉，特别是有利于地球科学与生物学、物理化学、数学、技术科学等的交叉融合，提升自主创新能力。

④有利于促进年轻学术骨干的培养，特别是跨学科学术带头人的培养。

⑤鼓励科学家积极参与大型国际研究计划，充分利用国际先进的观测、勘测技术平台；特别支持我国科学家以自身的优势主持大型国际研究计划，加速我国技术平台的建设。

（1）区域气侯环境系统变化与适应

气侯环境系统是由人类活动和天文影响作为外部因素构成的影响地球气侯环境的状态与变异行为的巨系统。理解区域气侯环境系统的过程与规律，了解区域与全球气侯环境系统的联系，建立预测理论与方法体系，提供人类适应气侯环境系统变化的科学基础。重点研究：

宏观环境格局的形成、演化与气候环境系统
亚洲季风气候环境系统中的海陆气相互作用、各种时间尺度变异的原因和物理机制
气候系统与环境系统的耦合过程
区域气候环境系统变异的模拟和预测
人类适应气候和环境系统变异的理论和方法

（2）水系统、水循环与水安全

水循环是联系地球系统各子系统的纽带，其演化规律是地球科学的一个重大基础研究领域。我国对水的开发利用使陆地与近海水体的水质以及水生环境产生了深刻的影响。淡水资源短缺及其导致的生态系统退化，以及水污染导致的水质恶化等水安全问题，已严重制约了社会经济发展和人民的生活质量，并成为全球关注的问题。重点研究：

全球变化与区域水系统和水循环
区域水系统、水循环与区域生态系统
水资源管理与水安全

（3）生态系统与全球碳循环

准确地评估生态系统的碳循环不仅是准确地估算未来大气CO2浓度、预测气候变化及其对生态系统影响的关键，也是履行《气候变化框架公约(UNFCCC)》与《京都议定书》及制定应对策略的关键。我国作为一个生态系统繁多、人口众多且经济快速发展的国家，在未来地球大气CO2浓度的控制中起着极为重要的作用。目前，我国温室气体排放已占全球的11%，成为第二排放大国，在国际环境外交中，不能不引起高度重视。重点研究：

生态系统碳收支的格局和变率
碳循环与界面过程
生态系统碳收支的过程和圈层相互作用
生态系统碳过程与人类干扰
碳输送及其区域效应
碳管理与区域发展途径

（4）人类活动与地球表层系统

地球表层是地球系统中与人类目前面临的环境、生态和发展问题联系最为直接的部分。人类对地球系统的调控主要通过对表层系统的改造实现，因此对表层系统的调控是整个地球系统可持续管理的关键。以地球系统圈层相互联系和陆、海、气相互作用的思路，以生命支撑能力和人地关系为核心，以区域为操作平台，以物质和能量的生物地球化学循环和物理传输系统在不同时空尺度上的过程研究为重点，以过程、影响和响应为研究主线，围绕区域独特性，结合国家资源、环境和生态的重大问题，应成为我国近期地球表层系统研究的战略选择。重点研究：

地球表层过程的机理与模拟
人类活动对地表过程影响的定量评估
文明演进与环境变化
全球环境变化的适应性

（5）地球内部动力学与地球系统演化

研究地球内部动力学过程，特别是中、新生代以来的地球动力学过程对理解当代地球系统状态是如何演化而来的至关重要。结合我国在理解地球内部过程与地球系统演化方面所具有独特的自然条件优势，重点研究：

地球内部圈层的物质循环及其与地球表层系统的联系
地球内部过程对地球表层系统的驱动作用
地球内部动力学过程的资源和灾害效应

（6）地球灾变事件与生命过程

生命与环境的关系是当代自然科学和社会科学领域最重大的基础科学问题之一，它涉及人与自然协调发展等基础理论和社会需求等诸方面。地质时期的特殊地球环境及其剧变过程和重大生命转折，是第四纪以来的全球变化所远不能及的。对地球系统运行机制的认识，迫切需要对这些信息的进一步解读。只有全面和正确认识了地球灾变事件和生命过程，才能更好地把握人类的未来，创造人类与地球环境和谐发展的空间。结合我国特色地学资源，重点研究：

早期地球环境与生命过程
重大地质转折事件与转折期生命演变形式及过程
当代全球变化与生物多样性剧减
极端环境条件下的生命形式和过程

（7）地球观测系统与地球系统模拟

地球观测系统和地球系统模拟是研究地球系统科学的基础，也是建立数字地球的关键。加强该研究可以增强地球科学、生态科学、资源环境科学等学科领域的研究和创新能力，增强对地学数据的监管能力，提升科学决策水平。未来10～20年，国家对地观测系统应坚持“天地统筹、重点突破、稳定队伍、数据共享”的原则，以增量投入带动布局的整合与关键技术的突破，发展地球系统模式，增强人类了解和认识地球系统的能力。重点研究：