地球系统科学：演变、方法、新理论和未来挑战

在2020年的全国地质调查工作会议上，钟自然局长再一次强调，地质调查工作的指导理论由传统地质科学向地球系统科学转变。本期推送文章为大家介绍地球系统科学的发展演化、方法手段、新的理论和面临的挑战。

经过近40年的发展，地球系统科学（ESS）经历了1970年代前的萌芽阶段、1980年代的学科建立、21世纪初的走向全球和2015年后的当代发展四个阶段；形成了观测与实验、地球系统模拟和评估与综合研究三大研究方法；催生了人类世、翻转成员和行星边界框架三大新的理论；目前面临两大挑战：研究地球系统的稳定性和认识人类社会对地圈-生物圈-人类圈的影响。

一、ESS的发展历史：四个阶段

阶段一：萌芽期（1970年代以前）

ESS的诞生有如下三个方面背景：

一是20世纪中叶地球科学开始国际化。以1957—1958年的国际地球物理年（IGY）活动为标志，这项前所未有的研究整合了67个国家的研究工作，提高了对地球圈层系统的综合认识。

二是20世纪60年代和70年代，科学界和一般公众对于环境问题的认知不断加强。以蕾切尔·卡逊的《寂静的春天》、罗马俱乐部发表的《增长的极限》以及阿波罗17号飞船拍摄的“蓝色星球”图像为代表，突出了应将地球视为一个整体进行研究，并且强调了地球系统的脆弱性。

三是地球科学研究受到了极大的重视。20世纪下半叶，在冷战背景下，地球和环境科学发生了重要变化，地球物理学由于军事领域经费的支持（非地球科学传统资金来源），获得了前所未有的发展。全球环境调查和监测成为一项战略要务，也为之后当代ESS提供了有用的信息。

该阶段的重要成果是1972年洛夫洛克提出的盖亚假说，产生了一种思考地球的新方式：认识到生物群对全球环境的重要影响，以及地球系统主要组成部分之间相互关联和相互反馈的重要性。

图1 20世纪中期以来地球系统科学发展脉络

阶段二：学科的建立（1980年代）

由于逐渐认识到人类活动导致了臭氧层损耗和气候变化等全球变化，20世纪80年代，科学界呼吁建立一门新的“地球科学”。这些呼声所基于的认识是：如果要建立新的学科，就必须以将地球视为一个统一整体（即地球系统）这一新认知为基础。

NASA将这项新的科学探索命名为“地球系统科学”，NASA地球系统科学委员会于1983年成立，通过观测、建模和过程研究，帮助推动ESS的发展，并支持地球观测系统卫星和相关研究。

图2 NASA布雷瑟顿地球系统结构图

NASA领导的研究项目开发了布雷瑟顿结构图（图2），该结构图是地球系统的第一个系统-动力学展示，通过一系列复杂的外部条件和反馈将物理学的气候系统与生物-地球-化学循环耦合在一起，将连接地球系统各组成部分相互作用的物理、化学和生物过程可视化，并且认识到人类活动是系统变化的重要驱动力。

鉴于ESS跨学科和国际性的特点，1986年，国际科学理事会设立国际地圈-生物圈计划（IGBP）解决国际合作和学科融合问题。

阶段三：走向全球（1990年代-21世纪初）

除了资源迅速消耗和气候变化的影响日益显著，全球变化的人类驱动因素以及生态系统变化并未引起关注。然而，一系列研究都表明了生态研究对气候变化、生物多样性和可持续发展的重要性，在这些研究的推动下，1991年，创立了国际研究方案：国际生物多样性计划（DIVERSITAS），用以研究全球生物多样性的丧失和变化，补充了IGBP关于陆地和海洋生态系统机能方面的研究。

世界气候研究计划（WCRP）、IGBP、DIVERSITAS和国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）等国际研究计划的全球体系为全球不同学科科学家的协作提供了“工作空间”，对ESS的发展至关重要。

2001年，国际性会议“变化中的地球挑战”召开，由上述四个国际性的全球变化研究计划共同主办，来自105个国家的1400名代表参会，发布了阿姆斯特丹宣言，启动了地球系统科学联盟（ESSP）。

阶段四：当代地球系统科学（2015年以后）

到2015年，ESS已比较成熟，开始在更高层次整合的基础上进行重大机构重组和跨学科研究。IGBP、IHDP和DIVERSITAS在2015年被合并到新计划“未来地球”中，旨在通过研究和创新加速向全球可持续性研究转变。该计划以早期全球变化方案的研究为基础，但从一开始就与管理部门和私营企业更为密切地合作，共同设计和研究面向更加可持续未来的新知识。

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