什么是地球系统科学？

地球系统科学的产生

在全球气候变化研究的驱动下，随着地球科学的传统分支学科不断交叉融合与现代信息技术、观测技术的快速发展，地球系统科学应运而生。

地球系统科学萌芽于全球气候系统研究。针对全球气候异常研究，1980年世界气象组织和国际科学联合会理事会首次提出了气候系统的概念，初步勾画了地球系统的轮廓。1984年国际科学联合会理事会第20届大会认识到，生态系统退化、土地侵蚀加剧、生物多样性锐减、淡水资源短缺等全球性环境问题涉及地球的整体行为及其各部分之间的相互作用，应将气候系统的概念拓展到地球系统（陈泮勤，1987）。1988年美国国家航空航天局地球系统科学委员会出版了《地球系统科学》专著，正式系统地阐述了地球系统和地球系统科学的观点，强调将地球的大气圈、水圈、岩石圈、生物圈看作是一个有机联系的地球系统，标志着地球系统科学的问世。经过30多年的快速发展，地球系统科学已成为引领21世纪地球科学发展的重要方向。

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地球系统主要要素与过程示意图

虽然经过30多年的发展，地球系统科学作为一门综合性科学得以确立并不断巩固，但是其理论体系目前仍在奠基之中，不同学者之间还存在很大分歧，总体框架尚未成型。

一、地球系统的界定

地球系统科学是研究地球系统整体行为的科学，其研究对象是地球系统。对于地球系统的界定，目前还存在分歧。有的学者（例如黄鼎成、毕思文等）认为，地球系统是由地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、近地空间等组成部分构成的统一系统（黄鼎成等，2005；毕思文等，2004），地球系统不仅包括整个地球，还包括与地球相联系的行星。有的学者从全球变化的角度认为，地球系统主要包括大气圈、生物圈、冰冻圈、水圈、人类圈等近地表圈层，也就是与人类活动联系密切的圈层。考虑到地球系统科学的应用方向主要是解决人类社会所面临的资源、环境、生态、灾害等问题，而这些问题主要发生在人类活动目前所涉及的近地表圈层，将地球系统界定为上至大气层、下至地幔顶层有助于研究内容聚焦和研究成果应用。基于目前的认识，图2－4示意绘出了地球系统的概念模型。地球系统由大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、人类圈和岩石圈组成，上边界至大气圈的外大气层，下边界至地幔顶层。

地球系统概念模型示意图

地球系统通过上边界外大气层和下边界地幔顶层与外界发生作用与联系。来自太阳辐射和行星的外部动力，通过上边界对地球系统施加影响，主要表现为塑造地表形态与过程。风化、侵蚀、搬运和堆积是太阳辐射和行星作用下发生的基本的地表过程，随着地表过程持续进行，地表突出的山体、高原被剥蚀、夷平，山间、山前断陷盆地被各种松散沉积物所充填，裂谷盆地被厚层松散沉积物所掩埋，总的趋势是削平填洼，使起伏不平的地表趋平。来自地球下地幔和地核的内部动力，通过下边界对地球系统施加作用，主要表现为塑造地球系统总体框架与宏观布局。地球内部动力由于地球自转、重力和放射性元素蜕变等地球内部能量而产生，它使岩石圈变形、变位、变质，以至物质重熔而产生岩浆侵入和火山喷发。内部动力作用包括构造运动、岩浆作用和变质作用，而以构造运动为主体，岩浆作用和变质作用伴随构造运动而产生（张倬元等，1997）。

现代全球构造学说认为，地球内部放射性热能积累引起地幔热对流，促使地球表层、地壳或岩石圈产生大规模的水平运动，大陆可因张裂而出现裂谷，裂谷扩展可形成洋盆，海底扩张又可使洋盆与陆壳汇聚，在大陆边缘产生俯冲消减，大陆边缘沉积经受强烈挤压而褶皱形成褶皱造山带。全球的洋底张裂体系和古地中海－环太平洋挤压造山体系，共同构成了现今的地球表面主要构造格局。构造运动形成了地球表层的更大构造地貌形态，包括褶皱山系、隆起高原、陷落裂谷和海洋盆地。内部动力作用总的趋势是使地壳内部构造复杂化，增大地表的起伏不平。

在来自地球外部和内部动力共同作用下，地表形成了“山水林田湖草”生态系统。地表之下的岩石圈构成了山水林田湖草系统的基础，为自然资源提供了物质来源和赋存空间，对自然资源分布与开发格局具有框架性的制约作用。耕地、矿产、水等自然资源在空间上呈不连续片状、块状、条带状等形式分布在岩石圈实体中，森林、草原等自然资源在空间上呈不连续片状分布在岩石圈的上界面―――地表。山水林田湖草系统的保护与开发利用需要顺应地质规律，人地和谐共生是人与自然和谐共生的基础与重要内容。

与人类联系最为密切的近地表部分，称为地球关键带。2001年，美国国家研究委员会明确提出，地球关键带是指异质的近地表环境，岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用，在调控着自然生境的同时，决定着维持经济社会发展所需的资源供应。在横向上，关键带既包括已经风化的松散层，又包括植被、河流、湖泊、海岸带与浅海环境。在纵向上，关键带自上边界植物冠层向下穿越了地表面、土壤层、非饱和的包气带、饱和的含水层，下边界通常为含水层的基岩底板（图2－5）。关键带的风化层厚度在不同的地点变化很大，基岩 *** 区一般厚度很薄，平原区厚度可达数百至上千米。作为与人类联系最密切的地球圈层，地球关键带对于维持和支撑经济社会发展具有不可替代的重要作用。

关键带作为经济社会发展的空间依托，在一定程度上决定着人类生活生产的空间布局和发展规模。关键带提供了植物生长的物质基础，为经济社会供应了粮食、植物纤维和生物能；作为碳、氮存储、运移和转化的载体，参与调节着大气中温室气体的浓度变化；承载着社会经济发展所排放的工农业废弃物，通过储存、过滤、吸附和化学作用，减轻污染物的负面效应；储存、输送土壤水和地下水，控制和影响着经济发展所需的水资源数量和质量等。

目前，人类所能开发利用的大部分自然资源，主要取自地表至地下10千米深度的岩石圈部分。水资源主要赋存在地表和地下5千米深度范围内的含水层，随着埋藏深度减小，越靠近地表，岩石的空隙往往越大越多，富水性往往越好。浅层地热能主要赋存在恒温层至200米的深度，水热型地热能资源主要赋存深度在3千米以内，干热岩型地热赋存深度通常在3~10千米。矽卡岩金属矿床的形成深度通常为1.5~12千米，斑岩型矿床的深度往往在1~6千米（张德会等，2011）。

图2－5　地球关键带及其构成示意图

二、地球系统科学的内涵

地球系统科学将大气圈、冰冻圈、水圈、生物圈、人类圈、岩石圈等作为一个系统，通过大跨度的学科交叉，构建地球系统的演变框架，理解当前正在发生的过程和机制，预测未来几十到几百年的变化，认识地球系统是如何运行的，全球环境变化的自然和人为触发机制是什么，未来变化的趋势是怎么样的，从而规范、控制和调整人类自身的行为。

与传统学科比较，地球系统科学包含以下理念：

（1）全球系统观：从全球尺度上认识地球系统的结构、过程与变化，把区域性和全球性统一起来，把区域系统置于全球框架中进行考察。

（2）整体与相互作用观：地球系统是各圈层相互作用和相互关联组成的不断演化的整体动力系统，地球系统的各种过程和演化是有关因素相互作用的综合结果。

（3）动态变化观：地球系统的结构、状态、特性、行为、功能等随着时间的推移在发生变化（毕思文，2009）。不同的过程涉及的时间尺度不一样，从数十亿年至数百万年、数十万年至数千年、数百年至数十年、数个季度至数天等。

（4）多学科交叉集成观：地球系统科学是地球科学各学科在系统学的高度结合与集成。板块构造假说、地质力学理论、水循环理论、自然资本理论、气候变化科学等由不同学科发展起来的理论构成了地球系统科学理论发展的基础。

从以上分析可以看出，地球系统科学具有三个明显的特点：一是在研究对象上，强调地球系统的整体性，重点研究大气圈、冰冻圈、水圈、生物圈、人类圈和岩石圈六大圈层及其演化过程的驱动机理和运行规律；二是在理论研究上，强调学科交叉与集成，推进地球科学的各个分支学科相互之间以及地球科学与其他自然科学、人文社会科学之间的交叉融合；三是在研究 *** 上，强调观测、机理与模拟，利用观测数据和过程机理建立地球系统模拟模型，预测未来变化。

三、地球系统科学主要研究内容与方向

经过几十年的发展，地球系统科学从全球气候变化领域不断拓展，发展成为涵盖资源、环境、生态、灾害等领域的综合性科学。从研究内容和方向来说，地球系统科学包括两个层面：应用研究与基础研究。近年来，基础研究与应用研究越来越融为一体，基础研究往往瞄向实际问题的解决，应用研究往往依赖于对基础机理认识的提升，科学与政策联系越来越密切（表2－1）。

表2－1　地球系统科学主要研究内容与方向

应用研究方面，主要围绕全球性、区域性重大问题开展。主要方向包括：Ａ.全球变化应对，研究气候和环境变化对人类的影响，提出适应与缓解全球变化负面效应的对策措施；Ｂ.国土空间管理，研究土地利用与覆被变化，提出国土空间开发利用的方案与对策；Ｃ.自然资源开发，调查评价自然资源数量与质量，为社会经济发展提供所需的水、能源、矿产等自然资源；Ｄ.生态环境保护，调查评价生态环境质量和经济发展对生态环境的影响，推进环境治理与生态改善；Ｅ.地质灾害防治，调查评价地质灾害分布与风险，提出地质灾害防治对策。

基础研究方面，主要围绕地球系统物质运移与各种过程发生的机理开展。主要方向包括：Ⅰ.人地交互过程，理解人类活动与地球系统其他圈层之间的相互作用机制；Ⅱ.圈层动力过程，理解地质―人类尺度地球各个系统变化的过程与机制；Ⅲ.圈层相互作用，研究海―陆―气相互作用、水―土―气相互作用、人―地耦合与相互作用，理解地球时空演变；Ⅳ.内部物质循环，理解地球物质的运动规律；Ⅴ.地球深部过程，理解地球运行的驱动机制。

四、地球系统科学研究范式

循环上升的调查评价―观测探测―建模预测体系为研究复杂、非均质、动态的地球系统提供了一条整合研究的技术框架（图2-6）。通过调查评价、观测探测和建模预测的循环进行，不断深化对地球系统及其过程随时间和空间变化规律的认识，积累越来越多的图件、数据和成果。在此基础上，通过对图件、数据和成果的集成与分析，针对管理者、科学家、社会公众等不同的服务对象生产各种产品，将地球系统研究成果更大程度地传递给社会。调查评价、观测探测、建模预测三者相辅相成、循环上升、互为促进。

图2－6　地球系统研究的调查―监测―建模体系框架示意图

调查评价是了解地球系统组成与结构的基础，也是观测探测和建模预测的基础。地球系统在空间展布上的高度非均质性和在垂向上的分层性，要求采用各种技术手段对不同尺度的地球系统进行调查，获取地球系统各种要素的物理和化学参数，为建立地球系统框架模型提供基础数据，包括地质框架、水文框架和生态框架等。

观测探测是了解地球系统随时间变化的基础，为建模预测提供所需的输入数据和校正数据。地球系统由大气圈、冰冻圈、水圈、生物圈、人类圈、岩石圈组成，需要监测的内容应涵盖各圈层各种要素。针对建模需求，观测探测内容应包含模型运行需要输入的相关数据。在区域尺度上，可采用遥感技术进行观测探测；在微观尺度上，可采用传感器技术和测量技术进行观测探测。

建模预测是开展地球系统过程机理研究的重要手段，也是开展地球系统定量评价、预判地球系统变化的重要工具。建模将调查评价所获得的空间数据与观测探测所获得的时间数据整合在一起，对地球系统中所发生的水文过程、生物地球化学过程、生态过程等各种过程进行数学模拟，以探求隐藏在表象之下的自然规律。