编者按
《中国科学：地球科学》2024年10期发表了题为“地球系统科学研究态势”的评述文章，对地球系统科学的发展历史、基本特点及研究进展进行总结，并对未来研究方向展开讨论。

这篇论文是中国科学家关于地球系统科学的白皮书，在内容和形式上具有三个突出特点：（1）将地球系统科学从表层地球系统向下扩展到地球内部系统，向上扩展到日地空间系统；（2）采用生物活动涵盖人类活动对地表环境的影响，将人类世看作为一个生态事件而不是一个地质时期；（3）强调地球层圈之间在物理、化学和生物上的相互作用，特别是能量和物质跨越界面的传输。现简要介绍其中总论部分的内容，以飨读者。

地球系统科学是一门综合性的学科，它在空间上涵盖了从地球内部经地壳、水圈和大气圈到地球外层空间的广阔范围，在时间上包括从地球形成经超大陆形成到现在的历史长河，致力于研究地球系统整体行为及其组成部分之间的相互作用和相互影响。如何认识表层地球系统、固体地球系统和日地空间系统之间的相互作用，实现对地球系统组成部分在结构和成分及其动力学上的全面认识，需要不同学科领域专家的交流合作，从整体上揭示地球圈层内部及其相互之间演化的行为、规律和机制，以及地球系统扰动对生态环境和生物活动的影响等。

1 历史回顾

1.1 萌芽时期
地球系统科学的萌芽可追溯至18世纪后半叶。早在1795年，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿(James Hutton)在《地球理论》一书中，便提出了地球是一个系统，“所有事物组成一个复合系统，形成一个动态变化的世界”的长期地质演化的思想，不仅为现代地质学奠定了基础，而且为后续地球系统科学的形成提供了理论支持。

到了19世纪，德国地理学家亚历山大·冯·洪堡(Alexander von Humboldt)提出的“自然是一个有机的整体”的理念，为地球系统科学中系统论的发展提供了思想源泉。

在20世纪，随着科学技术的飞速发展，人类对地球的认识逐渐深入。然而，面对日益复杂的全球环境问题，传统的分门别类的研究方式显得力不从心。于是，人们开始寻求一种能够综合研究地球各组成部分之间相互联系、相互作用的新方法。

1.2 建立时期
自20世纪70-80年代以来，板块构造理论的建立及其应用使固体地球科学得到迅猛发展，对表层地球科学提出了严峻挑战。为了应对这个挑战，表层地球科学家明确提出地球物质过程与生物活动之间相互作用的观点，进而形成了地球系统科学的思想。因此，地球系统科学的概念最早是由美国国家航空航天局(NASA)于1983年提出的。

1988年，NASA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、生物圈、岩石圈看作是一个有机联系的地球系统。进入20世纪90年代，这一观点逐渐成为表层地球科学界共识，美国、德国、英国和日本等国纷纷制定相关研究计划，从而促使这一学科蓬勃发展起来。

德国联邦政府教育与研究部和德国科学基金会(DFG)共同策划制定了一个15年(2000~2015年)的超大型研究计划“地球工程学”，并于2000年3月正式定稿和招标实施。英国自然环境研究委员会(NERC)于2002年12月提出了一项地球系统科学研究计划“量化并理解地球系统(QUEST)计划”，并于2004年7月发布了该计划的科学计划和实施计划。

1.3 中国行动
中国气象学家叶笃正等以地球系统科学为指南，从整体的角度出发，从1987年开始开展了中国的全球变化预研究。国家自然科学基金委地球科学部于2002年3月提出了21世纪初的地球科学战略重点，拟定了“以地球系统各圈层的相互作用为主线，从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标”的优先资助领域战略。

为了制定中国学科及前沿领域发展战略(2021~2035)，中国海洋地质学家汪品先等领衔撰写并于2024年出版了《中国地球系统科学2035发展战略》一书，提出了3个可能成为突破口的研究方向：（1）海洋碳泵的重新认识；（2）水循环及其轨道驱动；（3）东亚—西太平洋地区的海陆衔接。这些研究方向体现了我国自然环境的特色和已有的科学积累，旨在寻找中国地球系统科学突破的重点，有望促进中国学派的形成。

2 当前形势

经过40多年的发展，地球系统科学已经成为引领21世纪地球科学发展的重要方向之一。实际上，在水圈和土壤圈之下有固体地球系统，在大气圈之上有日地空间系统。因此，地球系统由三大部分组成，即固体地球系统、表层地球系统和日地空间系统(图1)。

图1 地球系统结构和组成示意图

进入21世纪以来，国内外对地球系统科学的研究基本上聚焦在表层地球系统。因为表层地球系统是人类生存、活动和发展的自然环境，所以人类活动与地表环境之间的物理化学相互作用曾经是地球系统科学创立的初衷和强调的要点，并且将此概括为三个方面：人类活动、临界要素和圈层边界。

不过，从整个生物圈来看，人类活动也是生物活动的一部分，而且人类活动相对于自然过程对表层地球系统的影响还是次要的，这样采用生物活动这个术语可以有效涵盖人类活动这个初衷和要点。实际上，生物活动包括碳-氮-氧-磷循环在内的的生物地球化学过程、物种灭绝、温室气体排放、水资源消耗、土壤侵蚀等多个环境要素。

根据当前的发展态势，可将地球系统视为一个复合的、叠加的非线性系统，在系统和圈层之间存在不同类型的物理、化学和生物相互作用(图2)，对其进行研究的宗旨就是认识和理解其结构和组成以及运行机制和变化过程等自然规律。

图2 地球系统科学三大组成部分及其作用要素示意图

3 发展进程

地球系统科学以全球性和统一性以及整体观、系统观和多时空尺度为特征，不仅着眼于地球内部和外部各圈层之间在物理、化学和生物上的相互作用，而且以此来研究地球整体及其圈层之间的性质、行为、过程和机制(图3)。

图3 引起地球圈层相互作用的主导因素

总体来说，地球系统科学的发展进程大致可以概括为以下5个阶段：

(1) 理论框架的构建：通过整合地质科学、大气科学、海洋科学、生态科学等学科的研究成果，提出了地球系统各组成部分之间相互联系、相互作用的机制。同时，随着观测技术和数值模拟技术的不断进步，研究手段也日益丰富和完善。

(2) 跨学科合作的加强：国际科学界纷纷成立了各种跨学科的研究机构和项目，包括早期的国际地圈-生物圈计划(IGBP)和世界气候研究计划(WCRP)以及21世纪以来的地球系统科学合作伙伴计划(ESSP)和未来地球计划(Future Earth)等，这些机构和项目的实施为地球系统科学的发展提供了重要的支持和保障。

(3) 观测网络的建立：建立了全球性的观测网络，覆盖了大气、海洋、陆地、生物等多个领域，通过遥感卫星、浮标、气象站等多种手段进行观测和数据采集以及数据的积累和分析，为地球系统科学的研究提供了宝贵的第一手资料。

(4) 模拟与预测能力的提升：利用数值模拟技术，构建了各种地球系统模型，能够模拟地球系统的各种物理、化学和生物过程，并预测其未来变化趋势。

(5) 内涵和外延的拓展：通过深化对地球系统科学内涵和外延的认识，有关研究从表层地球系统向内拓展到固体地球系统、向外拓展到日地空间系统，进一步强调地球系统扰动对全球环境变化乃至生物活动的影响(图4)。

图4 地球内部系统扰动对地球表层环境影响示意图

4 重要研究进展

经过30多年来的努力，人们对地球三大系统的结构和组成及其相互作用有了更加深入的认识，在地球系统科学研究领域也取得了一系列重要进展，不仅深化了人们对地球系统及其组成部分的理解，还为应对全球环境变化提供了科学依据. 这些重要进展主要体现在如下10个方面：

(1) 气候系统研究：发现气候系统是一个复杂的物理化学系统，主要受控于地球外部圈层之间的相互作用。

(2) 全球变化研究：发现全球变化是一系列复杂的物理、化学和生物过程的结果，涉及多个尺度和多个方面的变化。

(3) 地球微生物学的发展：发现微生物和表层地球系统之间存在着相互依赖和共生的关系。

(4) 深海和极地的探索：发现深海和极地生态系统中的生物面临着极端的生存条件(如高压、低温、低氧等)，认识到它们独特的适应机制，为研究生命起源及其如何在极端环境中生存和繁衍提供了重要信息。

(5) 地球内部结构和组成研究：发现地壳和地幔的分层结构和成分在时间和空间上存在不均一性。

(6) 板块构造与地幔对流研究：发现板块边缘的结构组成和动力学是揭示板块运动规律和机制的关键。

(7) 磁层-电离层-热层耦合过程的揭示：发现磁层-电离层-热层耦合系统是一个动态平衡的系统。

(8) 空间天气监测和预警系统的完善：通过全球分布的地面和太空观测设备，能够实时监测太阳风、高能粒子、磁场等空间环境参数的变化，并预测其对地球空间环境的影响，为卫星通信、导航和电力传输等提供了重要保障。

(9) 地球观测技术的进步：随着卫星遥感、雷达探测、大地测量和地震学等地球观测技术的不断发展，能够以前所未有的精度监测地球表面和内部的变化。

(10) 表层地球系统数值模型的研发：将不同学科的知识和方法集成到一个统一的框架中，整合大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈等多个领域的数据和信息，建立针对气候和生态环境等关键要素的模型，帮助人们更好地理解地球系统的各个组成部分如何在热能和物质上发生相互作用，以及这些相互作用如何影响全球环境变化。

5 机遇与挑战

地球科学发展经历了从学科越分越细到相互结合、集成为对整个地球系统及其各组成部分之间相互作用的研究，从定性研究发展到定量化研究。随着地球科学各分支学科的迅速发展、学科之间以及与相关学科交叉融合的不断深入，在地球系统科学领域已经取得一批创新性强、交叉特色鲜明的突出成果。如何就地球系统科学的重点问题展开研讨，以期实现不同学科前沿内容的交流、思想的碰撞，提出新的假说或科学问题，推进地球系统科学的发展，为有效解决资源环境灾害方面的问题提供科技支撑，已经成为国内外地球科学界关注的焦点。

(1) 原始创新的广阔空间：随着观测技术的不断进步和数据处理能力的显著提升，能够以前所未有的精度和广度监测地球系统的变化，这为原始创新提供了丰富的素材和可能。

(2) 集成创新的协同效应：在地球系统科学领域，集成创新体现在多个方面，既包括多学科交叉融合，也包括观测数据的集成共享，还涉及模型与数据的深度融合。

(3) 方法创新的技术突破：随着科技的不断发展，新的观测技术、模拟技术和数据分析方法不断涌现，为地球系统科学的研究提供了强有力的技术支持。

(4) 观念创新的思维变革：传统科学观念往往将地球系统分割为孤立的子系统进行研究，忽略了各子系统之间的相互作用和反馈机制。而地球系统科学则强调从整体和系统的视角出发，将地球视为一个有机整体进行研究。这种观念上的转变不仅要求重新审视地球系统的运行规律，也促使改变传统的思维方式和工作方法。

(5) 引进消化吸收再创新的国际合作：在地球系统科学领域，国际合作不仅体现在科研项目的共同开展和科研成果的共享上，还体现在人才培养、技术交流、政策对话等多个方面。通过加强国际合作与交流，可以借鉴国际先进经验和技术手段，促进地球系统科学的快速发展和广泛应用。

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郑永飞, 郭正堂, 焦念志, 穆穆, 朴世龙, 傅绥燕, 杨顶辉, 朱茂炎. 2024. 地球系统科学研究态势. 中国科学: 地球科学, 54(10): 3065–3090

来源: 《中国科学》杂志社