▋ 姚檀棟 劉勇勤 陳發虎 張人禾 王成善
李 新 呂永龍 張志強 曲建升 張林秀
大陸漂移學說和板塊構造理論是20世紀地學的重大突破，地球系統科學有望成為21世紀地學的重大突破。
地球系統科學研究地球系統各圈層的功能、變化過程和相互作用，預測地球系統未來發展態勢。地球系統科學把地球作為一個整體，認識其過去和現在並預測未來。地球系統的研究空間範圍從地心到大氣圈層，時間尺度從瞬間到數十億年。
▋1.地球系統科學的發展
「地球系統科學」一詞首見於美國國家航空航天局(NASA)在1988年發布的報告《地球系統科學：深入認識》。該報告認為大氣圈、水圈(含冰凍圈)、巖石圈和生物圈組成了有機聯繫的地球系統，發生在該系統中各種時間尺度的全球變化是地球系統各層圈相互作用的結果，是三大基本過程(物理、化學、生物)相互作用的結果，以及人與環境(生命與非生命)相互作用的結果。NASA還首次提出將人類活動作為與太陽和地核並列的、能引發地球系統變化的驅動力——第三驅動因素，地球系統科學研究的基本問題包括行星地球的運行、演化及趨勢。
NASA在2002年發布的《地球系統科學2002—2012年技術戰略規劃》報告中深化了地球系統科學的重要問題，提出地球系統科學旨在回答地球系統的根本科學問題——地球系統的變化性、變化的驅動力、地球系統對自然和人為變化的響應、地球系統變化的影響與後果、地球系統未來變化的預測。
2003年NASA進一步提出，地球系統科學將地球視作一個具有相互關聯現象的協同物理系統，地球系統由涉及地圈、大氣圈、水圈、冰凍圈和生物圈的複雜過程所控制。因此，需要建立地球系統科學方法，而其基本途徑是強調相應的化學、物理、生物及其相互作用的動力學過程，這些過程在空間上可以從微米到行星軌道尺度，在時間尺度上可以從毫秒到數十億年。
地球系統科學的概念在我國的最初提出是20世紀80年代，錢學森提出要開展地球表面各圈層相互作用研究；2003年，任美鍔等建議開展地理科學系統研究，提出「人類圈」，將人類與自然(環境)作為兩個對等部分，研究其相互影響和相互作用。這是我國科學家首次明確提出地球系統科學的理念。
隨後對地球系統科學的認識不斷得到深化，周秀驥認為，地球系統是由近地空間大氣圈、水圈、冰凍圈、固體地圈(巖石、地幔和地核)和生物圈等自然層圈緊密關聯的整體。葉篤正等指出，20世紀70年代提出氣候系統概念，包含了大氣圈、水圈、巖石圈、冰凍圈和生物圈五大圈層以及圈層之間的相互作用，後來又發展成為地球系統。這是對自然界認識的重大飛躍，不僅使氣候學跨出了大氣圈，而且使人們把地球環境各圈層作為一個整體系統去研究其演變規律，極大地推動了地球科學的發展。中國科學院地學部地球科學發展戰略研究組專門進行過地球系統科學研究，出版了《21世紀中國地球科學發展戰略報告》，認為地球系統科學是研究地球系統行為和演化規律的全新理念和新興思想框架，其出現標誌著地球科學發展的新跨越。地球系統科學探索地球科學的各分支學科單獨難以解決的問題，學科之間的交叉和融合是其最重要的特徵，但地球系統科學不是傳統地球科學各分支學科的簡單相加。同時，地球系統科學也不能代替傳統地球科學各分支學科自身的發展。該報告將地球系統科學與地質科學、地理科學、大氣科學、海洋科學、地球物理學、地球化學等一起列為地球科學的重要分支學科。與此類似，《未來10年中國學科發展戰略——地球科學》(2012年出版)將地球系統科學與大氣科學、地理學、地質學、地球物理學、地球化學相併列為一門學科；認為地球系統科學的關鍵科學問題就是整體地球系統與各子系統的相互聯繫和動力學，以及全球可持續性和地球系統的有序管理。
地球科學新問題的提出和人類活動等引起的地球系統新變化等，是促使地球系統科學形成和發展的主要驅動力。
▋2.地球系統科學的內涵
從概念上講，地球系統科學強調地球系統的整體性及其與外部環境間的相互作用，它研究地球五大圈層(大氣圈、生物圈、水圈、巖石圈和冰凍圈)及其三大過程(生物過程、物理過程、化學過程)的驅動機理和運行規律。在全球變化和可持續發展的大背景下，地球系統科學特別強調人類活動對地球環境演變過程的影響。
從學科定位上講，地球系統科學是地球科學的分支學科(地質學、地理學、大氣科學、海洋科學、地球化學、地球物理學、生物學、生態學等)以及自然科學基礎學科(數學、物理、化學等)的高度交叉、深層次互相滲透和融合而形成的一門學科。
從方法論層面講，地球系統科學的研究方法可概括為：地球系統觀測，主要包括一系列地球觀測衛星、地球表面觀測系統、大洋和大陸深部觀測系統等；地球系統理論，包括認識地球系統各圈層及其與人類活動相互作用的機理；地球系統模擬，包括模擬從氣候系統逐漸演化到地球系統的模型；地球系統集成，隨著地球系統科學研究的不斷深入，在更高層次的多圈層作用融合研究。
經過多年的不懈努力，國際科學界對地球系統及地球系統科學的研究和認識有了顯著提高，對地球系統現象、組成部分、過程和規律等的認識有了質的飛躍，認識到：
▶ (1)地球系統是一個自適應系統，地球各組成部分之間的相互作用和反饋具有複雜和開放性的多尺度時空變率。
▶ (2)生物過程和物理化學過程協同影響地球系統，但生物學在保持地球環境處於可居住的極限內起著比以前所認為的更加強大的作用。
▶ (3)人類活動正在以多種方式顯著影響地球系統的功能，而且在其範圍和影響方面與某些大的自然驅動力相當；人類驅動的變化使得地球系統的變化更加複雜化；人類活動以複雜的途徑將多重相互作用和影響施加於地球系統，用簡單的因果範式不能理解全球變化。
▶ (4)地球系統動力過程具有臨界閾值和突變性特徵，地球現在正在以與地質歷史時期不同的狀態運行，地球系統變化及其變化的幅度和速率是前所未有的。
2010年，Reid等在《科學》雜誌發文，公布了國際科學理事會(ICSU)組織的基於全球科學家參與提出、討論和總結的全球變化背景下地球系統科學面臨的重大挑戰及相關優先研究方向，包括：①預測，提高未來環境預測的實用性和對人類的貢獻；②觀測，發展、改進和集成必要的觀測系統以管理全球和區域環境變化；③規劃，決定如何預見、認識、避免和管理破壞性的全球環境變化；④應對，確定什麼樣的制度、經濟和行為的改變可以有效達到全球可持續性；⑤創新，鼓勵在技術發展、政策和社會響應方面的創新(配合有效的評估機制)以實現全球可持續性。
地球系統科學發展的根本目標是地球管理，促進人類向著可持續利用地球的方向發展。國際社會正在全面落實2030年可持續發展議程，涵蓋17個可持續發展目標，其中在氣候變化、自然災害、水資源、清潔能源、農業與糧食安全、生物多樣性、海洋與海岸帶乃至社會治理等方面的多個具體目標與地球系統科學前沿直接相關。地球系統科學的成果、認識與進一步發展將有助於落實和監測這些可持續發展目標，推動全球和區域可持續發展議程。
地球系統科學研究需要從交叉科學的角度來研究整個地球系統，需要建立協同的國際計劃。全球和區域大型研究計劃成為地球系統科學研究的重要組織形式。如：「耦合模式比較計劃」(CMIP)旨在認識地球系統對外脅迫的響應以及模式系統偏差的來源和影響，評估未來氣候變化。「未來地球」(Future Earth)計劃承載了將全球環境變化研究和可持續發展行動推向新高度的歷史使命，其2025年願景指出：「使人類生活在可持續發展、平等的世界是未來地球計劃的願景」。「全球氣候觀測系統」(GCOS)國際計劃強調對氣候系統整體進行觀測，它推動、鼓勵、協調並促進不同國家、國際組織和國際機構在獲取滿足自己所需觀測的同時，通過提供一個有效的框架，集成和加強實地和空基觀測系統，觀測範圍涵蓋大氣、海洋、水文、冰雪和陸地過程及其物理、化學和生物特性。國際大洋鑽探是目前地球科學領域規模最大、歷時最久的國際合作研究計劃之一，所取得的科學成果證實了海底擴張、大陸漂移和板塊構造理論，推動了地球科學的革命，加深了人類對地球多圈層相互作用的理解。2013年開始的「國際大洋發現計劃」(IODP)的目標是打穿大洋殼，揭示地震機理，調查大洋深部生物圈和天然氣水合物等多圈層的耦合系統，揭示地球表層與地球內部的連接，研究導致災害的海底過程。我國科學家主導的「第三極環境」(TPE)及「泛第三極環境與一帶一路協同發展」國際研究計劃，強調以地球系統科學為指導思想，對資源環境宏觀格局、演變規律與機制、發展潛力與制約因素等進行深入研究，進而開展資源、環境與災害風險評估，為區域協同發展面臨的重大資源環境問題提供科學決策支持。
地球系統科學是21世紀地球科學發展的前沿方向。地球系統科學的整體觀決定了其前沿問題的跨時空特徵。主要包括生物地球化學循環、水循環和深部物質循環、人類活動與全球變暖、地球系統模擬、可持續發展、地球與行星的比較研究及地外生命的探索等。
中國地球系統科學發展應著眼於多圈層、多尺度、定量化、跨學科、集成化的研究手段，揭示全球資源生態環境社會多要素協同過程與機理，為我國可持續發展與生態文明建設及全球生態環境保護提供科學支撐。
▋1.適應全球變化與人類世的地球系統科學發展戰略
在全球變暖、人類活動劇烈改變地球的大背景下，中國科學家和全球科學家一樣，需要認真研究經濟社會的發展所面臨的礦產和能源資源消費量龐大、水土資源問題嚴峻、環境汙染加劇、生態系統退化、自然災害頻發等資源生態環境方面的巨大壓力，為經濟和社會的可持續發展以及人民群眾的健康和安全服務。
應對這一形勢，應推進適應全球變暖與人類世的地球系統研究，定位於構建生態環境可持續性體系。在中國要重點發展典型陸地生態退化機理與生態恢復技術、生態系統對全球氣候變化響應與應對方案、典型汙染物與複合汙染物分異規律及淨化治理新技術、可持續發展調控與決策支持系統、山水林田湖草系統治理的技術體系、「綠色中國」生態環境可持續性的系統解決方案等。
▋2.從區域到廣域和全球的地球系統科學發展戰略
地球系統科學發展需要建立從區域到廣域和全球的地球系統研究戰略，以地球系統科學為指導思想，對資源環境宏觀格局、演變規律與機制、發展潛力與制約因素等進行深入研究，基於科學認識開展資源、環境與災害風險評估，為區域協同發展面臨的重大資源環境問題提供科學決策支持，服務於國家科技外交和全球化大局。「一帶一路」是我國面對世界發展新格局提出的一個具有突破性、全局性、長遠性的21世紀國家重大倡議，地球系統科學要服務這一國家戰略需要。
地球系統科學研究要定位於構建從區域到廣域和全球的資源生態環境保護利用的科技體系、重點發展區域構造域地質演化與資源時空分布規律、重點國家和重點地區的資源環境問題、資源勘查開發利用過程中的生態環境保護、全球可持續發展路徑、資源生態環境大數據平臺、三大構造域形成演化動力學機制及其資源環境效應、深地資源勘查利用的技術和方法體系、從區域到廣域和全球發展的環保技術與方法體系。
要定位於構建三極空地海綜合觀測體系，揭示三極多圈層相互作用與氣候變化機理，發展地球系統科學理論，提高預測和預估三極環境與氣候變化的水平，形成適應和減緩並重的引領全球應對氣候變化的新理念，為全球生態環境保護做出貢獻。
▋3.從深部到海洋和陸表的多圈層相互作用地球系統科學發展戰略
從深部到海洋和陸表包含著地質、動力、生物和化學等不同時空尺度的各種過程。深部和海洋不但是資源開發利用和戰略基地，也是了解地球深部層圈的構成和動力學過程的基本平臺。揭示內陸地質過程和淺表地質作用對資源形成、環境演變和自然災害的控制具有重要意義。從深部到海洋和地表多圈層相互作用的科學研究是國家長期可持續發展的必然需求。
要定位於保障能源安全，為「向地球深部進軍」提供技術、理論支撐。要重點建立深部立體觀測體系信息共享與監測平臺，透視地球、拓展空間；發展深遠海生物資源與礦產資源開發技術，為社會可持續發展提供保障。
要研究深部生命現象及其與環境系統的演化過程，推動人與地球和諧發展。
▋4.從觀測到模擬和仿真的綜合集成地球系統科學發展戰略
在新技術新手段下以全新的地球系統科學方法論，發展從觀測到模擬和仿真的綜合集成戰略，建設地基、空基、星基、月基構成的密集立體網絡化觀測系統，發展地球大數據科學平臺，建設地球環境數值模擬裝置，建立三極新型探測技術體系，建成全球資源環境要素的無縫監測、高精度模擬和動態分析能力。建設並高質量運行大科學裝置集群，建成支撐重大資源環境研究的技術平臺。揭示地球系統從深部到海洋到地表的多圈層相互作用，預測地球系統未來變化，為人類發展服務。
【參考文獻】參考著作見文後，其餘文獻略.
本文摘編自《2018科學發展報告》（中國科學院. 北京：科學出版社，2018.12）一書，有刪減。
2018科學發展報告
ISBN 978-7-03-060356-2
作者：中國科學院
出版時間：2018.12
本報告是中國科學院發布的年度系列報告《科學發展報告》的第二十一部，旨在全面綜述和分析2017年度國際科學研究前沿進展動態，研判和展望國際重要科學領域研究發展趨勢，揭示和洞察科技領域創新突破及快速應用的重大經濟社會影響，報導和介紹我國科學家具有代表性的重要研究成果，觀察和綜述國際主要科技領域研究進展及科技戰略規劃與研究布局，概括和介紹我國科學研究整體發展狀況，並向國家決策部門提出有關中國科學的發展戰略和科技政策諮詢建議，為國家促進科學發展的宏觀決策提供重要依據。
21世紀中國地球科學發展戰略報告
ISBN 978-7-03-022242-8
作者：中國科學院地學部戰略研究組
出版時間：2009.01
本書基於對國內外地球科學發展歷史與現狀的總結，從21世紀國際地球科學發展的大背景和大趨勢出發，從我國地球科學發展的國家戰略需求著眼，深刻闡述了國際地球科學發展的特點與前沿趨勢，系統思考了我國地球科學發展的戰略方向，提出了至2020年我國地球科學發展的目標與戰略定位、系統凝練和提出了我國地球科學應當重點研究的8個重大科學領域——行星地球的物理、化學、生物過程及其協同演化，海洋的物理和生物地球化學過程及其資源環境效應，陸面地表過程、資源環境、人類活動與可持續發展，天氣、氣候系統和空間天氣的變化與趨勢預測，全球變化與地球系統科學，礦產資源和能源的形成機制、勘查新技術與可利用性，水資源與可持續發展，自然災害與防治等，闡述了這些領域的研究內容與研究方向，指出了我國地球科學發展的條件平臺與能力建設等方面的問題及實現途徑。
未來10年中國學科發展戰略・地球科學
ISBN 978-7-03-032981-3
作者：國家自然科學基金委員會,中國科學院
出版時間：2012.03
「未來10年中國學科發展戰略」叢書是國家自然科學基金委員會和中國科學院學部歷時兩年多聯合開展研究的重要成果，凝聚著600多位院士、專家的智慧和心血,對廣大科技工作者洞悉學科發展規律、了解前沿領域和重點方向及開展科技創新等有重要的參考價值，對促進我國學科均衡、協調、可持續發展必將發揮積極作用。《未來10年中國學科發展戰略・地球科學》全面總結了近年來地球科學的研究現狀和研究動態，客觀分析了學科發展態勢.從學科的發展規律和研究特點出發，前瞻性地思考了學科的整體布局，提出了地球科學的重要科學問題、前沿方向及我國發展該學科領域的政策措施等。
冰凍圈科學概論（修訂版）
ISBN 978-7-03-0586223
作者：秦大河
出版時間：2018.09
本書系統地介紹了冰凍圈科學，其內容涵蓋冰凍圈組成各要素的形成發育、演化和研究方法，冰凍圈與氣候系統其他圈層及人類圈的相互作用，涉及社會經濟可持續發展和地緣政治等熱點問題。
地球系統與演變
ISBN 978-7-03-057604-0
作者：汪品先等
出版時間：2018.06
三十年來「全球變化」的研究，把地球科學推上了一個新臺階。地球上的大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈連成一個完整的系統，牽一髮而動全身，甚至地球內部和表層的物質和能量交換，也在影響著人類享用的環境與資源，而這就是地球系統科學的研究對象。本書是在二十年教學科研實踐基礎上編寫而成，前五章介紹各圈層的構成與來歷，後五章討論不同時間尺度的地球系統演變，最後兩章介紹地球系統科學的研究方法和理論。全書以圈層間相互作用為主題，重點突出機理追究和問題探討，不以灌輸知識為目的。
（本文編輯：劉四旦）
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