在全球氣候變化研究的驅動下，隨著地球科學的傳統分支學科不斷交叉融合與現代信息技術、觀測技術的快速發展，地球系統科學應運而生。
地球系統科學萌芽於全球氣候系統研究。針對全球氣候異常研究，1980年世界氣象組織和國際科學聯合會理事會首次提出了氣候系統的概念，初步勾畫了地球系統的輪廓。1984年國際科學聯合會理事會第20屆大會認識到，生態系統退化、土地侵蝕加劇、生物多樣性銳減、淡水資源短缺等全球性環境問題涉及地球的整體行為及其各部分之間的相互作用，應將氣候系統的概念拓展到地球系統（陳泮勤，1987）。1988年美國國家航空航天局地球系統科學委員會出版了《地球系統科學》專著，正式系統地闡述了地球系統和地球系統科學的觀點，強調將地球的大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈看作是一個有機聯繫的地球系統，標誌著地球系統科學的問世。經過30多年的快速發展，地球系統科學已成為引領21世紀地球科學發展的重要方向。
地球系統主要要素與過程示意圖
雖然經過30多年的發展，地球系統科學作為一門綜合性科學得以確立並不斷鞏固，但是其理論體系目前仍在奠基之中，不同學者之間還存在很大分歧，總體框架尚未成型。
一、地球系統的界定
地球系統科學是研究地球系統整體行為的科學，其研究對象是地球系統。對於地球系統的界定，目前還存在分歧。有的學者（例如黃鼎成、畢思文等）認為，地球系統是由地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈、近地空間等組成部分構成的統一系統（黃鼎成等，2005；畢思文等，2004），地球系統不僅包括整個地球，還包括與地球相聯繫的行星。有的學者從全球變化的角度認為，地球系統主要包括大氣圈、生物圈、冰凍圈、水圈、人類圈等近地表圈層，也就是與人類活動聯繫密切的圈層。考慮到地球系統科學的應用方向主要是解決人類社會所面臨的資源、環境、生態、災害等問題，而這些問題主要發生在人類活動目前所涉及的近地表圈層，將地球系統界定為上至大氣層、下至地幔頂層有助於研究內容聚焦和研究成果應用。基於目前的認識，圖2－4示意繪出了地球系統的概念模型。地球系統由大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、人類圈和巖石圈組成，上邊界至大氣圈的外大氣層，下邊界至地幔頂層。
地球系統概念模型示意圖
地球系統通過上邊界外大氣層和下邊界地幔頂層與外界發生作用與聯繫。來自太陽輻射和行星的外部動力，通過上邊界對地球系統施加影響，主要表現為塑造地表形態與過程。風化、侵蝕、搬運和堆積是太陽輻射和行星作用下發生的基本的地表過程，隨著地表過程持續進行，地表突出的山體、高原被剝蝕、夷平，山間、山前斷陷盆地被各種鬆散沉積物所充填，裂谷盆地被厚層鬆散沉積物所掩埋，總的趨勢是削平填窪，使起伏不平的地表趨平。來自地球下地幔和地核的內部動力，通過下邊界對地球系統施加作用，主要表現為塑造地球系統總體框架與宏觀布局。地球內部動力由於地球自轉、重力和放射性元素蛻變等地球內部能量而產生，它使巖石圈變形、變位、變質，以至物質重熔而產生巖漿侵入和火山噴發。內部動力作用包括構造運動、巖漿作用和變質作用，而以構造運動為主體，巖漿作用和變質作用伴隨構造運動而產生（張倬元等，1997）。
現代全球構造學說認為，地球內部放射性熱能積累引起地幔熱對流，促使地球表層、地殼或巖石圈產生大規模的水平運動，大陸可因張裂而出現裂谷，裂谷擴展可形成洋盆，海底擴張又可使洋盆與陸殼匯聚，在大陸邊緣產生俯衝消減，大陸邊緣沉積經受強烈擠壓而褶皺形成褶皺造山帶。全球的洋底張裂體系和古地中海－環太平洋擠壓造山體系，共同構成了現今的地球表面主要構造格局。構造運動形成了地球表層的最大構造地貌形態，包括褶皺山系、隆起高原、陷落裂谷和海洋盆地。內部動力作用總的趨勢是使地殼內部構造複雜化，增大地表的起伏不平。
在來自地球外部和內部動力共同作用下，地表形成了「山水林田湖草」生態系統。地表之下的巖石圈構成了山水林田湖草系統的基礎，為自然資源提供了物質來源和賦存空間，對自然資源分布與開發格局具有框架性的制約作用。耕地、礦產、水等自然資源在空間上呈不連續片狀、塊狀、條帶狀等形式分布在巖石圈實體中，森林、草原等自然資源在空間上呈不連續片狀分布在巖石圈的上界面———地表。山水林田湖草系統的保護與開發利用需要順應地質規律，人地和諧共生是人與自然和諧共生的基礎與重要內容。
與人類聯繫最為密切的近地表部分，稱為地球關鍵帶。2001年，美國國家研究委員會明確提出，地球關鍵帶是指異質的近地表環境，巖石、土壤、水、空氣和生物在其中發生著複雜的相互作用，在調控著自然生境的同時，決定著維持經濟社會發展所需的資源供應。在橫向上，關鍵帶既包括已經風化的鬆散層，又包括植被、河流、湖泊、海岸帶與淺海環境。在縱向上，關鍵帶自上邊界植物冠層向下穿越了地表面、土壤層、非飽和的包氣帶、飽和的含水層，下邊界通常為含水層的基巖底板（圖2－5）。關鍵帶的風化層厚度在不同的地點變化很大，基巖裸露區一般厚度很薄，平原區厚度可達數百至上千米。作為與人類聯繫最密切的地球圈層，地球關鍵帶對於維持和支撐經濟社會發展具有不可替代的重要作用。
關鍵帶作為經濟社會發展的空間依託，在一定程度上決定著人類生活生產的空間布局和發展規模。關鍵帶提供了植物生長的物質基礎，為經濟社會供應了糧食、植物纖維和生物能；作為碳、氮存儲、運移和轉化的載體，參與調節著大氣中溫室氣體的濃度變化；承載著社會經濟發展所排放的工農業廢棄物，通過儲存、過濾、吸附和化學作用，減輕汙染物的負面效應；儲存、輸送土壤水和地下水，控制和影響著經濟發展所需的水資源數量和質量等。
目前，人類所能開發利用的大部分自然資源，主要取自地表至地下10千米深度的巖石圈部分。水資源主要賦存在地表和地下5千米深度範圍內的含水層，隨著埋藏深度減小，越靠近地表，巖石的空隙往往越大越多，富水性往往越好。淺層地熱能主要賦存在恆溫層至200米的深度，水熱型地熱能資源主要賦存深度在3千米以內，乾熱巖型地熱賦存深度通常在3~10千米。矽卡巖金屬礦床的形成深度通常為1.5~12千米，斑巖型礦床的深度往往在1~6千米（張德會等，2011）。
圖2－5 地球關鍵帶及其構成示意圖
二、地球系統科學的內涵
地球系統科學將大氣圈、冰凍圈、水圈、生物圈、人類圈、巖石圈等作為一個系統，通過大跨度的學科交叉，構建地球系統的演變框架，理解當前正在發生的過程和機制，預測未來幾十到幾百年的變化，認識地球系統是如何運行的，全球環境變化的自然和人為觸發機制是什麼，未來變化的趨勢是怎麼樣的，從而規範、控制和調整人類自身的行為。
與傳統學科比較，地球系統科學包含以下理念：
（1）全球系統觀：從全球尺度上認識地球系統的結構、過程與變化，把區域性和全球性統一起來，把區域系統置於全球框架中進行考察。
（2）整體與相互作用觀：地球系統是各圈層相互作用和相互關聯組成的不斷演化的整體動力系統，地球系統的各種過程和演化是有關因素相互作用的綜合結果。
（3）動態變化觀：地球系統的結構、狀態、特性、行為、功能等隨著時間的推移在發生變化（畢思文，2009）。不同的過程涉及的時間尺度不一樣，從數十億年至數百萬年、數十萬年至數千年、數百年至數十年、數個季度至數天等。
（4）多學科交叉集成觀：地球系統科學是地球科學各學科在系統學的高度結合與集成。板塊構造假說、地質力學理論、水循環理論、自然資本理論、氣候變化科學等由不同學科發展起來的理論構成了地球系統科學理論發展的基礎。
從以上分析可以看出，地球系統科學具有三個明顯的特點：一是在研究對象上，強調地球系統的整體性，重點研究大氣圈、冰凍圈、水圈、生物圈、人類圈和巖石圈六大圈層及其演化過程的驅動機理和運行規律；二是在理論研究上，強調學科交叉與集成，推進地球科學的各個分支學科相互之間以及地球科學與其他自然科學、人文社會科學之間的交叉融合；三是在研究方法上，強調觀測、機理與模擬，利用觀測數據和過程機理建立地球系統模擬模型，預測未來變化。
三、地球系統科學主要研究內容與方向
經過幾十年的發展，地球系統科學從全球氣候變化領域不斷拓展，發展成為涵蓋資源、環境、生態、災害等領域的綜合性科學。從研究內容和方向來說，地球系統科學包括兩個層面：應用研究與基礎研究。近年來，基礎研究與應用研究越來越融為一體，基礎研究往往瞄向實際問題的解決，應用研究往往依賴於對基礎機理認識的提升，科學與政策聯繫越來越密切（表2－1）。
表2－1 地球系統科學主要研究內容與方向
應用研究方面，主要圍繞全球性、區域性重大問題開展。主要方向包括：Ａ.全球變化應對，研究氣候和環境變化對人類的影響，提出適應與緩解全球變化負面效應的對策措施；Ｂ.國土空間管理，研究土地利用與覆被變化，提出國土空間開發利用的方案與對策；Ｃ.自然資源開發，調查評價自然資源數量與質量，為社會經濟發展提供所需的水、能源、礦產等自然資源；Ｄ.生態環境保護，調查評價生態環境質量和經濟發展對生態環境的影響，推進環境治理與生態改善；Ｅ.地質災害防治，調查評價地質災害分布與風險，提出地質災害防治對策。
基礎研究方面，主要圍繞地球系統物質運移與各種過程發生的機理開展。主要方向包括：Ⅰ.人地交互過程，理解人類活動與地球系統其他圈層之間的相互作用機制；Ⅱ.圈層動力過程，理解地質—人類尺度地球各個系統變化的過程與機制；Ⅲ.圈層相互作用，研究海—陸—氣相互作用、水—土—氣相互作用、人—地耦合與相互作用，理解地球時空演變；Ⅳ.內部物質循環，理解地球物質的運動規律；Ⅴ.地球深部過程，理解地球運行的驅動機制。
四、地球系統科學研究範式
循環上升的調查評價—觀測探測—建模預測體系為研究複雜、非均質、動態的地球系統提供了一條整合研究的技術框架（圖2-6）。通過調查評價、觀測探測和建模預測的循環進行，不斷深化對地球系統及其過程隨時間和空間變化規律的認識，積累越來越多的圖件、數據和成果。在此基礎上，通過對圖件、數據和成果的集成與分析，針對管理者、科學家、社會公眾等不同的服務對象生產各種產品，將地球系統研究成果最大程度地傳遞給社會。調查評價、觀測探測、建模預測三者相輔相成、循環上升、互為促進。
圖2－6 地球系統研究的調查—監測—建模體系框架示意圖
調查評價是了解地球系統組成與結構的基礎，也是觀測探測和建模預測的基礎。地球系統在空間展布上的高度非均質性和在垂向上的分層性，要求採用各種技術手段對不同尺度的地球系統進行調查，獲取地球系統各種要素的物理和化學參數，為建立地球系統框架模型提供基礎數據，包括地質框架、水文框架和生態框架等。
觀測探測是了解地球系統隨時間變化的基礎，為建模預測提供所需的輸入數據和校正數據。地球系統由大氣圈、冰凍圈、水圈、生物圈、人類圈、巖石圈組成，需要監測的內容應涵蓋各圈層各種要素。針對建模需求，觀測探測內容應包含模型運行需要輸入的相關數據。在區域尺度上，可採用遙感技術進行觀測探測；在微觀尺度上，可採用傳感器技術和測量技術進行觀測探測。
建模預測是開展地球系統過程機理研究的重要手段，也是開展地球系統定量評價、預判地球系統變化的重要工具。建模將調查評價所獲得的空間數據與觀測探測所獲得的時間數據整合在一起，對地球系統中所發生的水文過程、生物地球化學過程、生態過程等各種過程進行數學模擬，以探求隱藏在表象之下的自然規律。
本文選自《地球系統科學與地質工作轉型發展戰略研究》