淺析地球系統科學在中國的發展

■翟文芳張馨元張宏燕

（1河南省地質調查院 河南鄭州 450001；2河南省地礦局地勘一院 河南鄭州 450001）

淺析地球系統科學在中國的發展

■翟文芳1張馨元1張宏燕2

（1河南省地質調查院 河南鄭州 450001；2河南省地礦局地勘一院 河南鄭州 450001）

地球系統科學(Earth System Science，簡寫為ESS)即是指：通過對地球系統的各組成部分及其相互作用的演化、運行機制以及它們在所有時間尺度上變化的描述，獲得全球范圍內整個地球系統的科學認識。ESS是研究地球系統整體行為的一門科學，目的是了解地球系統是如何工作、如何運轉的；研究它的過去、現在和未來的變化規律及控制這些變化的原因和機制，以建立地球系統預測的科學基礎，并為對策研究提供科學依據。

地球系統科學 發展

0 引言

在20世紀80年代中期，以美國地球系統科學委員會(Earth System Science Committee)在1987年出版的《地球系統科學》一書為標志，“地球系統科學”的思想和概念被明確提出。在中國，上世紀六七十年代興起的對自然地理各要素進行綜合研究的思想，可以看作是(表層)地球系統科學在中國的萌芽，代表人物是錢學森先生等人。系統論思想和方法的引入，推動了地下水系統理論和成礦系統理論等的研究，形成了上世紀80年代地球系統科學的部分雛形。進入上世紀90年代，發達國家發布了一系列地球科學的發展戰略報告，其共同點是：確認滿足社會需求已經成為地球科學發展的主要驅動力；確認發展地球系統科學的重要性。ESS的產生是人類社會實踐和學科內在演化的必然結果。

ESS概念有狹義和廣義兩種理解。

（1）狹義概念；ESS是為了解釋地球動力、地球演化和全球變化，對組成地球系統各部分、各圈層相互作用機制進行綜合研究的一門科學；地球系統是由地核、地幔、巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈相互作用而組成的統一體。

（2）廣義概念；ESS跨越一系列自然科學與社會科學，把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈、智慧圈和行星系統等組成部分構成的統一系統。

ESS是研究地球系統整體行為的一門科學，目的是了解地球系統是如何工作、如何運轉的；研究它的過去、現在和未來的變化規律及控制這些變化的原因和機制，以建立地球系統預測的科學基礎，并為對策研究提供科學依據。

1 ESS產生的背景

由于地球空間的廣域性，形成時間的悠久性和組成要素的復雜性，在分門別類的研究中盡管有的學科已經達到定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地認識地球。隨著人類社會實踐的進一步深入，傳統地學面臨著嚴峻挑戰。這種挑戰更多地來自人類社會現階段面臨的困境：人口爆炸、土地荒漠化、自然資源短缺、環境污染加劇、“溫室效應”與全球變暖、臭氧層的破壞、森林銳減和物種加速滅絕等問題困擾著人們，也是地球科學所面臨的巨大挑戰。科學家已普遍認識到，必須把地球作為一個由相互作用著的各個層圈或子系統-----主要是地核、地幔、土壤-巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈(包括人類社會)組成的統一系統，即地球系統來研究即，也只有作為“大地球科學”的地球系統科學才能回答人類所面臨的一系列重大問題。

從地球學科自身發展的路徑來看，傳統地球科學已經出現了許多交叉學科，比如，生物地球化學，全球變化學，氣候系統學等等，并且，就目前地球科學各領域有代表性的研究成果來看，系統化、交叉化以及邊緣化是這些成果的共同特點。這說明地球科學本身已經出現了各知識子系統整合的趨勢。

在人類社會經濟發展和地球科學發展雙重需要的背景下，ESS應運而生。在20世紀80年代中期，特別是以美國地球系統科學委員會(Earth SystemScience Committee)在1987年出版的《地球系統科學》一書為標志，“地球系統科學”的思想和概念被明確提出。在中國，上世紀六七十年代興起的對自然地理各要素進行綜合研究的思想，可以看作是(表層)地球系統科學在中國的萌芽，代表人物是錢學森先生等人。系統論思想和方法的引入，推動了地下水系統理論和成礦系統理論等的研究。

2 ESS產生的思想基礎

地球系統科學思想的產生是科學發展的必然產物，不同圈層之間的相互作用過程和機理實際上是地球系統科學思想的核心。板塊理論面臨的困難使人們意識到，理解地球巖石圈演化必須研究地幔與地核；固體地球的演化對水圈和大氣圈演化有著重要影響；大氣圈演化對巖石圈構造運動有重要作用；水圈演化對大氣圈演化具有關鍵作用；巖石圈演化導致生物圈重大變革。宇宙和行星演化對地球系統有著深刻影響；人類活動是地球演化最重要的營力之一。

3 國內研究進展

首先值得說明的一點是地球科學各學科引入地球系統概念，以及將ESS作為一門獨立的新學科來發展既有本質的區別又密切聯系；但在許多情況下，很難或沒有必要區分這兩者，這在汪品先列舉的眾多事例中可以看到這一點；當前，我們采用了先撇開這些問題前進的辦法；1983年，以錢學森為代表的學者提出的對自然地理各要素進行綜合研究的思想，可以看作是(表層)地球系統科學研究在中國的萌芽；1987年，氣象學家葉篤正院士等以地球系統科學為指南，從整體的角度出發，開始了中國的全球變化預研究；而地球系統科學一經提出，就受到了廣泛的關注：地球化學家於崇文院士1998年發表了固體地球系統的復雜性與自組織臨界性的系列文章2001年1月，路甬祥將“地球系統整體行為的繼承研究”列為21世紀科學家要面對的第9大挑戰；2001年11月，遙感學家童慶禧院士以地球表層系統為研究對象，結合地球系統科學、空間信息技術和數字信息技術等，牽頭負責了國家自然科學基金委的“地球空間信息科學戰略報告研究”項目，出版了《地球空間信息科學》一書；2002年10月，溫家寶在中國地質學會80周年紀念大會上強調，必須實現傳統地質工作向以“地球系統科學”為核心內容的現代地質工作的轉變；國家自然科學基金委地學部也于2002年3月提出了21世紀初的地球科學戰略重點，擬定了“以地球系統各圈層的相互作用為主線，從我國具有優勢的前沿領域尋找主攻目標”的優先資助領域戰略；孫樞院士也呼吁要大力發展ESS；伴隨著研究的深入，ESS也日趨成熟和完善；首先，在哲學層次上，裴相斌分析了ESS的現代研究手段與思維方法；陳泮勤研究員闡述了ESS的主要科學問題，即ESS科學內涵的拓展、新的研究框架和聯合研究項目。孫九林院士指出了地球系統科學的研究方法；孫成權從學科發展的角度綜述了20世紀80年代以來地球科學研究在思維方式、研究對象的時空尺度、研究內容、研究形式、組織形式、信息交流、方法手段等方面所發生的深刻變化，指出了目前地球科學研究的主要趨向、熱點與重點問題；馬福臣、林海等提出地球系統科學研究的8個戰略重點；周秀驥強調“必須從復雜系統的科學理論出發，在綜合分析的高度上，研究地球系統在驅動力作用下演變的整體行為的新規律和新機制”，同時他還提出了ESS研究同地球科學各分支學科不同的獨立內容；畢思文在《地球系統科學》專著中提出ESS的核心內容是地球的結構和構造，總結出了用“地球系統力學”、“地球系統物質學”、“地球系統數字學”等理論和方法研究地球系統的復雜性及其非線性多重耦合規律，并開發了地球系統科學應用示范研究。

其次，在學科的橫向聯系上，柴育成談了ESS中的學科交叉；郭正堂、吳海斌等論述了固體地球科學與地球系統科學的關系和我國地球系統科學可能遇到的幾個難題。

第三，ESS與可持續發展也有著密切的聯系，黃秉維等發表的《論地球系統科學與可持續發展戰略科學基礎研究》文章，探討了中國陸地系統科學與區域可持續發展戰略問題；遙感地理學家陳述彭院士發表了以區域持續發展為宏觀調控的地球系統科學與地球信息科學的文章；陳之榮、巢清塵、畢思文等都討論了ESS與可持續發展的問題，巢清塵認為，ESS是可持續發展的科學理論基礎，而ESS的研究也推動了可持續發展的實施；王瑞廷闡述了地球系統科學中的復雜性思維與可持續發展。

最后，在研究領域方面，研究者都注意到了海洋與ESS的關系；汪品先院士指出了開展地球系統科學研究的途徑很多，但推進深海研究是走向地球系統科學的必由之路；李明、侯春梅等闡述了地球系統科學中海洋研究-----未來10年海洋全球變化研究前景；吳志峰闡述了海岸帶在地球系統科學研究中的作用。

進幾年我國在加大在地球系統科學方面的研究，所進行的學術交流活動主要有：

2006年地球系統科學聯盟ESSP全球環境變化科學大會，集中討論了各區域如何應對自然與人為原因造成的地球環境變化結果、將來可能發生的變化、這些變化的本質以及對人類生活的影響。大會對ESSP各計劃如何最大限度地應對區域可持續發展挑戰進行了闡述。

2008中國首家全球變化與地球系統科學研究院成立。

2010年6月28日~7月1日由中國綜合大洋鉆探計劃專家委員會（IODP-China）、國家自然科學基金委員會地球科學部、國際中國地球科學促進會（IPACES）和同濟大學海洋地質國家重點實驗室聯合主辦的第一屆深海研究與地球系統科學學術研討會在同濟大學召開。會議上“海洋與碳循環”、“地幔上涌與高原玄武巖”以及“海洋新技術的應用”、“俯沖帶與地殼”等九個專題，具有高度的跨學科性，從現代海洋過程到前寒武紀地質記錄的解釋，從地幔柱上涌到太陽輻射量的周期變化，從深海微生物的碳循環到生物滅絕事件，聚焦了地球系統科學的研究熱點，也大幅度促進了交叉跨學科問題的研究與交流。

2010 7月1日，由國際中國地球科學促進會（IPACES）、浙江大學、國家海洋局第二海洋研究所共同組織召開的地球科學前沿國際研討會暨2010年國際中國地球科學促進會。

4 未來中國ESS的發展趨勢

我國開展ESS的研究主要應在以下方面進行突破：

（1）進行基礎理論層次尤其是哲學層次的探討，研究地球系統復雜性和方法論；

（2）開展理論層次的具體研究，主要有：開展地球系統各圈層相互作用及其變化的研究，以及人類活動引發的重大環境變化研究；突出地球演化的動力過程研究，關注地球內部深層過程與巖石圈動力學、氣候系統動力學與氣候預測；結合人類社會和生態特征，開展地球系統生物學研究，研究地球系統中生物演化規律；

（3）和實踐相結合，開展各種應用研究；主要包括：針對不同等級區域，開展不同等級的地球系統科學應用示范研究；開展地球系統工程如人類工程活動與各圈層相互作用及效應研究，加強地球系統工程規劃；開展地球管理科學，減災防災、環境保護治理、資源合理開發利用以及碳循環、水資源、食物與纖維、能源戰略等問題的應用研究；

（4）在技術層次上，著重開展：地球信息科學及數字地球、3S (GIS、RS和GPS)一體化和地球科學定量化的研究；地球系統行星研究，實施中國航天和登月計劃戰略。

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P[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-283-2