淺析地球系統(tǒng)科學(xué)在中國的發(fā)展

■翟文芳張馨元張宏燕

（1河南省地質(zhì)調(diào)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(tǒng)科學(xué)在中國的發(fā)展

■翟文芳1張馨元1張宏燕2

（1河南省地質(zhì)調(diào)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(tǒng)科學(xué)(Earth System Science，簡寫為ESS)即是指：通過對地球系統(tǒng)的各組成部分及其相互作用的演化、運(yùn)行機(jī)制以及它們在所有時(shí)間尺度上變化的描述，獲得全球范圍內(nèi)整個(gè)地球系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識。ESS是研究地球系統(tǒng)整體行為的一門科學(xué)，目的是了解地球系統(tǒng)是如何工作、如何運(yùn)轉(zhuǎn)的；研究它的過去、現(xiàn)在和未來的變化規(guī)律及控制這些變化的原因和機(jī)制，以建立地球系統(tǒng)預(yù)測的科學(xué)基礎(chǔ)，并為對策研究提供科學(xué)依據(jù)。

地球系統(tǒng)科學(xué) 發(fā)展

0 引言

在20世紀(jì)80年代中期，以美國地球系統(tǒng)科學(xué)委員會(Earth System Science Committee)在1987年出版的《地球系統(tǒng)科學(xué)》一書為標(biāo)志，“地球系統(tǒng)科學(xué)”的思想和概念被明確提出。在中國，上世紀(jì)六七十年代興起的對自然地理各要素進(jìn)行綜合研究的思想，可以看作是(表層)地球系統(tǒng)科學(xué)在中國的萌芽，代表人物是錢學(xué)森先生等人。系統(tǒng)論思想和方法的引入，推動(dòng)了地下水系統(tǒng)理論和成礦系統(tǒng)理論等的研究，形成了上世紀(jì)80年代地球系統(tǒng)科學(xué)的部分雛形。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家發(fā)布了一系列地球科學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告，其共同點(diǎn)是：確認(rèn)滿足社會需求已經(jīng)成為地球科學(xué)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力；確認(rèn)發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)的重要性。ESS的產(chǎn)生是人類社會實(shí)踐和學(xué)科內(nèi)在演化的必然結(jié)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(dòng)力、地球演化和全球變化，對組成地球系統(tǒng)各部分、各圈層相互作用機(jī)制進(jìn)行綜合研究的一門科學(xué)；地球系統(tǒng)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(tǒng)一體。

（2）廣義概念；ESS跨越一系列自然科學(xué)與社會科學(xué)，把地球看成一個(gè)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(tǒng)等組成部分構(gòu)成的統(tǒng)一系統(tǒng)。

ESS是研究地球系統(tǒng)整體行為的一門科學(xué)，目的是了解地球系統(tǒng)是如何工作、如何運(yùn)轉(zhuǎn)的；研究它的過去、現(xiàn)在和未來的變化規(guī)律及控制這些變化的原因和機(jī)制，以建立地球系統(tǒng)預(yù)測的科學(xué)基礎(chǔ)，并為對策研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 ESS產(chǎn)生的背景

由于地球空間的廣域性，形成時(shí)間的悠久性和組成要素的復(fù)雜性，在分門別類的研究中盡管有的學(xué)科已經(jīng)達(dá)到定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地認(rèn)識地球。隨著人類社會實(shí)踐的進(jìn)一步深入，傳統(tǒng)地學(xué)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)更多地來自人類社會現(xiàn)階段面臨的困境：人口爆炸、土地荒漠化、自然資源短缺、環(huán)境污染加劇、“溫室效應(yīng)”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(xué)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。科學(xué)家已普遍認(rèn)識到，必須把地球作為一個(gè)由相互作用著的各個(gè)層圈或子系統(tǒng)-----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(tǒng)一系統(tǒng)，即地球系統(tǒng)來研究即，也只有作為“大地球科學(xué)”的地球系統(tǒng)科學(xué)才能回答人類所面臨的一系列重大問題。

從地球?qū)W科自身發(fā)展的路徑來看，傳統(tǒng)地球科學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)了許多交叉學(xué)科，比如，生物地球化學(xué)，全球變化學(xué)，氣候系統(tǒng)學(xué)等等，并且，就目前地球科學(xué)各領(lǐng)域有代表性的研究成果來看，系統(tǒng)化、交叉化以及邊緣化是這些成果的共同特點(diǎn)。這說明地球科學(xué)本身已經(jīng)出現(xiàn)了各知識子系統(tǒng)整合的趨勢。

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

2 ESS產(chǎn)生的思想基礎(chǔ)

地球系統(tǒng)科學(xué)思想的產(chǎn)生是科學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物，不同圈層之間的相互作用過程和機(jī)理實(shí)際上是地球系統(tǒng)科學(xué)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)有重要作用；水圈演化對大氣圈演化具有關(guān)鍵作用；巖石圈演化導(dǎo)致生物圈重大變革。宇宙和行星演化對地球系統(tǒng)有著深刻影響；人類活動(dòng)是地球演化最重要的營力之一。

3 國內(nèi)研究進(jìn)展

首先值得說明的一點(diǎn)是地球科學(xué)各學(xué)科引入地球系統(tǒng)概念，以及將ESS作為一門獨(dú)立的新學(xué)科來發(fā)展既有本質(zhì)的區(qū)別又密切聯(lián)系；但在許多情況下，很難或沒有必要區(qū)分這兩者，這在汪品先列舉的眾多事例中可以看到這一點(diǎn)；當(dāng)前，我們采用了先撇開這些問題前進(jìn)的辦法；1983年，以錢學(xué)森為代表的學(xué)者提出的對自然地理各要素進(jìn)行綜合研究的思想，可以看作是(表層)地球系統(tǒng)科學(xué)研究在中國的萌芽；1987年，氣象學(xué)家葉篤正院士等以地球系統(tǒng)科學(xué)為指南，從整體的角度出發(fā)，開始了中國的全球變化預(yù)研究；而地球系統(tǒng)科學(xué)一經(jīng)提出，就受到了廣泛的關(guān)注：地球化學(xué)家於崇文院士1998年發(fā)表了固體地球系統(tǒng)的復(fù)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(tǒng)整體行為的繼承研究”列為21世紀(jì)科學(xué)家要面對的第9大挑戰(zhàn)；2001年11月，遙感學(xué)家童慶禧院士以地球表層系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合地球系統(tǒng)科學(xué)、空間信息技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)等，牽頭負(fù)責(zé)了國家自然科學(xué)基金委的“地球空間信息科學(xué)戰(zhàn)略報(bào)告研究”項(xiàng)目，出版了《地球空間信息科學(xué)》一書；2002年10月，溫家寶在中國地質(zhì)學(xué)會80周年紀(jì)念大會上強(qiáng)調(diào)，必須實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地質(zhì)工作向以“地球系統(tǒng)科學(xué)”為核心內(nèi)容的現(xiàn)代地質(zhì)工作的轉(zhuǎn)變；國家自然科學(xué)基金委地學(xué)部也于2002年3月提出了21世紀(jì)初的地球科學(xué)戰(zhàn)略重點(diǎn)，擬定了“以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線，從我國具有優(yōu)勢的前沿領(lǐng)域?qū)ふ抑鞴ツ繕?biāo)”的優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略；孫樞院士也呼吁要大力發(fā)展ESS；伴隨著研究的深入，ESS也日趨成熟和完善；首先，在哲學(xué)層次上，裴相斌分析了ESS的現(xiàn)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(xué)問題，即ESS科學(xué)內(nèi)涵的拓展、新的研究框架和聯(lián)合研究項(xiàng)目。孫九林院士指出了地球系統(tǒng)科學(xué)的研究方法；孫成權(quán)從學(xué)科發(fā)展的角度綜述了20世紀(jì)80年代以來地球科學(xué)研究在思維方式、研究對象的時(shí)空尺度、研究內(nèi)容、研究形式、組織形式、信息交流、方法手段等方面所發(fā)生的深刻變化，指出了目前地球科學(xué)研究的主要趨向、熱點(diǎn)與重點(diǎn)問題；馬福臣、林海等提出地球系統(tǒng)科學(xué)研究的8個(gè)戰(zhàn)略重點(diǎn)；周秀驥強(qiáng)調(diào)“必須從復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)理論出發(fā)，在綜合分析的高度上，研究地球系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下演變的整體行為的新規(guī)律和新機(jī)制”，同時(shí)他還提出了ESS研究同地球科學(xué)各分支學(xué)科不同的獨(dú)立內(nèi)容；畢思文在《地球系統(tǒng)科學(xué)》專著中提出ESS的核心內(nèi)容是地球的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，總結(jié)出了用“地球系統(tǒng)力學(xué)”、“地球系統(tǒng)物質(zhì)學(xué)”、“地球系統(tǒng)數(shù)字學(xué)”等理論和方法研究地球系統(tǒng)的復(fù)雜性及其非線性多重耦合規(guī)律，并開發(fā)了地球系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用示范研究。

其次，在學(xué)科的橫向聯(lián)系上，柴育成談了ESS中的學(xué)科交叉；郭正堂、吳海斌等論述了固體地球科學(xué)與地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)系和我國地球系統(tǒng)科學(xué)可能遇到的幾個(gè)難題。

第三，ESS與可持續(xù)發(fā)展也有著密切的聯(lián)系，黃秉維等發(fā)表的《論地球系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略科學(xué)基礎(chǔ)研究》文章，探討了中國陸地系統(tǒng)科學(xué)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題；遙感地理學(xué)家陳述彭院士發(fā)表了以區(qū)域持續(xù)發(fā)展為宏觀調(diào)控的地球系統(tǒng)科學(xué)與地球信息科學(xué)的文章；陳之榮、巢清塵、畢思文等都討論了ESS與可持續(xù)發(fā)展的問題，巢清塵認(rèn)為，ESS是可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)理論基礎(chǔ)，而ESS的研究也推動(dòng)了可持續(xù)發(fā)展的實(shí)施；王瑞廷闡述了地球系統(tǒng)科學(xué)中的復(fù)雜性思維與可持續(xù)發(fā)展。

最后，在研究領(lǐng)域方面，研究者都注意到了海洋與ESS的關(guān)系；汪品先院士指出了開展地球系統(tǒng)科學(xué)研究的途徑很多，但推進(jìn)深海研究是走向地球系統(tǒng)科學(xué)的必由之路；李明、侯春梅等闡述了地球系統(tǒng)科學(xué)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(tǒng)科學(xué)研究中的作用。

進(jìn)幾年我國在加大在地球系統(tǒng)科學(xué)方面的研究，所進(jìn)行的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)主要有：

2006年地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟ESSP全球環(huán)境變化科學(xué)大會，集中討論了各區(qū)域如何應(yīng)對自然與人為原因造成的地球環(huán)境變化結(jié)果、將來可能發(fā)生的變化、這些變化的本質(zhì)以及對人類生活的影響。大會對ESSP各計(jì)劃如何最大限度地應(yīng)對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)進(jìn)行了闡述。

2008中國首家全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)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(jì)劃專家委員會（IODP-China）、國家自然科學(xué)基金委員會地球科學(xué)部、國際中國地球科學(xué)促進(jìn)會（IPACES）和同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主辦的第一屆深海研究與地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)術(shù)研討會在同濟(jì)大學(xué)召開。會議上“海洋與碳循環(huán)”、“地幔上涌與高原玄武巖”以及“海洋新技術(shù)的應(yīng)用”、“俯沖帶與地殼”等九個(gè)專題，具有高度的跨學(xué)科性，從現(xiàn)代海洋過程到前寒武紀(jì)地質(zhì)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(huán)到生物滅絕事件，聚焦了地球系統(tǒng)科學(xué)的研究熱點(diǎn)，也大幅度促進(jìn)了交叉跨學(xué)科問題的研究與交流。

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

4 未來中國ESS的發(fā)展趨勢

我國開展ESS的研究主要應(yīng)在以下方面進(jìn)行突破：

（1）進(jìn)行基礎(chǔ)理論層次尤其是哲學(xué)層次的探討，研究地球系統(tǒng)復(fù)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(tǒng)各圈層相互作用及其變化的研究，以及人類活動(dòng)引發(fā)的重大環(huán)境變化研究；突出地球演化的動(dòng)力過程研究，關(guān)注地球內(nèi)部深層過程與巖石圈動(dòng)力學(xué)、氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與氣候預(yù)測；結(jié)合人類社會和生態(tài)特征，開展地球系統(tǒng)生物學(xué)研究，研究地球系統(tǒng)中生物演化規(guī)律；

（3）和實(shí)踐相結(jié)合，開展各種應(yīng)用研究；主要包括：針對不同等級區(qū)域，開展不同等級的地球系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用示范研究；開展地球系統(tǒng)工程如人類工程活動(dòng)與各圈層相互作用及效應(yīng)研究，加強(qiáng)地球系統(tǒng)工程規(guī)劃；開展地球管理科學(xué)，減災(zāi)防災(zāi)、環(huán)境保護(hù)治理、資源合理開發(fā)利用以及碳循環(huán)、水資源、食物與纖維、能源戰(zhàn)略等問題的應(yīng)用研究；

（4）在技術(shù)層次上，著重開展：地球信息科學(xué)及數(shù)字地球、3S (GIS、RS和GPS)一體化和地球科學(xué)定量化的研究；地球系統(tǒng)行星研究，實(shí)施中國航天和登月計(jì)劃戰(zhàn)略。

[1]劉安娜；地球系統(tǒng)科學(xué)的內(nèi)涵與全球變化的研究 [J]；商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)：2009,25 (12),108-110.

[2]王曉光,楊新；地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展及對地球觀測的影響 [J]；航天器工程：2009,18 (4).

[3]王麗芳,張寶一,吳信才；地球系統(tǒng)科學(xué)初探；資源環(huán)境與工程：2007,21(3),223-225.

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[5]畢思文；地球系統(tǒng)科學(xué) [J]；科學(xué),2006,58 (2)： 46-49.

[6]孫樞；對我國全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究的若干思考 [J]；地球科學(xué)進(jìn)展,2005, 20 (1)：6-10.

[7]周秀驥；對地球系統(tǒng)科學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識 [J]；地球科學(xué)進(jìn)展：2004,19(4),513-515.

[8]汪品先；我國的地球系統(tǒng)科學(xué)研究向何處去 [J]；地球科學(xué)進(jìn)展,2003,18 (6)：837-851.

[9]王焰新,朱永紅,張治河；發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)的背景、問題及對策 [J]；中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào))：2003,3(1).

P[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-283-2