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編者按

地球系統(tǒng)科學(xué)（Earth System Science, ESS）是當(dāng)代認(rèn)知地球整體運(yùn)行機(jī)制及人地系統(tǒng)耦合過程的核心科學(xué)框架。與傳統(tǒng)地球科學(xué)（Earth Sciences）不同，ESS不僅探究大氣、海洋、陸地、生物、冰凍圈等自然圈層的物質(zhì)與能量循環(huán)，更著力于揭示人類活動(dòng)對(duì)地球系統(tǒng)的深刻影響及其反饋機(jī)制。

近日，多位院士專家在梳理國際主流科學(xué)愿景的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國科學(xué)界的相關(guān)探索，系統(tǒng)闡釋了ESS的科學(xué)內(nèi)涵、核心方法論、社會(huì)屬性及其在中國的戰(zhàn)略發(fā)展方向。作者認(rèn)為，ESS是可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的重要科學(xué)基石，中國推進(jìn)ESS發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)聚焦4個(gè)方向：一是構(gòu)建多尺度多時(shí)相一體化的觀測(cè)與模擬體系；二是深化社會(huì)與自然耦合過程模型的研究；三是完善跨學(xué)科人才培養(yǎng)機(jī)制；四是加強(qiáng)國際合作與交流，提升我國在相關(guān)領(lǐng)域的國際科學(xué)話語權(quán)。

地球科學(xué)與ESS：從“部分之和”到“系統(tǒng)整體”

在當(dāng)前學(xué)術(shù)話語體系中，ESS這一概念的表述頻度顯著上升，但在國內(nèi)科學(xué)界與公眾傳播中仍普遍存在將其與傳統(tǒng)地球科學(xué)概念混淆的傾向。二者雖淵源深厚，但在研究范式與核心議題上存在本質(zhì)分野。

傳統(tǒng)地球科學(xué)的本質(zhì)是圈層解構(gòu)。它以分析地球各自然圈層（巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈、冰凍圈等）的結(jié)構(gòu)、組成及演化歷史為基石，依托地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、海洋學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科體系，致力于揭示單一或相鄰圈層的內(nèi)在過程與生物地球物理化學(xué)機(jī)制。

ESS代表著研究范式的深刻轉(zhuǎn)型：從各圈層的獨(dú)立研究邁向整體系統(tǒng)的協(xié)同整合。其研究對(duì)象涵蓋包括人類活動(dòng)在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)圈層之間的物質(zhì)循環(huán)、能量傳遞和信息交換過程，以及由此產(chǎn)生的反饋機(jī)制。尤為關(guān)鍵的是，ESS將人類活動(dòng)對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)的影響視為內(nèi)生變量，聚焦于“自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)”的復(fù)雜行為與演化規(guī)律。在這一系統(tǒng)科學(xué)框架下，對(duì)地球各圈層的物理、化學(xué)與生物過程的線性認(rèn)知，被跨圈層、跨尺度、非線性與多模態(tài)的系統(tǒng)思維所取代。

這一范式轉(zhuǎn)型可追溯至上世紀(jì)70年代美國國家航空航天局（NASA）構(gòu)建的“衛(wèi)星觀測(cè)-數(shù)值模擬-系統(tǒng)集成”研究架構(gòu)。進(jìn)入21世紀(jì)，“人類世”概念的提出進(jìn)一步強(qiáng)化了ESS在全球變化研究中的核心地位。正如瑞德等人2010年在《科學(xué)》發(fā)表的論文中所指出的，人類活動(dòng)在工業(yè)革命后已成為地球系統(tǒng)變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力，科學(xué)研究必須從對(duì)自然過程的孤立解析轉(zhuǎn)向?qū)θ说叵到y(tǒng)互饋機(jī)制的整合認(rèn)知，以支撐全球可持續(xù)發(fā)展的決策需求。

系統(tǒng)思維：ESS的核心方法論

ESS的核心在于系統(tǒng)思維范式轉(zhuǎn)型的建立，其方法論轉(zhuǎn)變體現(xiàn)為將大氣圈、水圈、巖石圈、冰凍圈與生物圈等要素視為相互作用的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，而非孤立實(shí)體。研究焦點(diǎn)由此轉(zhuǎn)向跨圈層的能量轉(zhuǎn)遞-物質(zhì)循環(huán)-信息交換、非線性反饋機(jī)制及復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為。這一系統(tǒng)思維的轉(zhuǎn)變至少在3個(gè)維度上發(fā)展了傳統(tǒng)地球科學(xué)研究新領(lǐng)域。

第一，從單圈層解析到多圈層耦合研究。傳統(tǒng)研究側(cè)重圈層內(nèi)部及其受其他圈層影響的自然過程，而ESS則將各圈層相互作用納入統(tǒng)一框架。例如，青藏高原積雪-反照率反饋不僅響應(yīng)全球變暖，更通過調(diào)制地表熱通量驅(qū)動(dòng)亞洲季風(fēng)乃至全球氣候變化，揭示出多圈層多層級(jí)耦合的復(fù)雜性以及可能的級(jí)聯(lián)效應(yīng)。

第二，從自然過程到人地系統(tǒng)融合研究。ESS不僅研究自然系統(tǒng)如何變化，更關(guān)注人類活動(dòng)如何推動(dòng)、放大或減緩這些變化。在地球系統(tǒng)模式中需耦合土地利用/土地覆蓋變化、能源-經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、城市化動(dòng)力學(xué)、海洋產(chǎn)業(yè)及政策干預(yù)等人類活動(dòng)參數(shù)。在這里，社會(huì)系統(tǒng)不再是地球系統(tǒng)演化的外生邊界條件，而是與自然系統(tǒng)碳循環(huán)、水循環(huán)及營養(yǎng)元素循環(huán)等深度耦合的子系統(tǒng)。

第三，從科學(xué)認(rèn)知到?jīng)Q策支持的知識(shí)生產(chǎn)。系統(tǒng)思維要求研究成果直接服務(wù)于可操作的管理策略，如氣候風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)、災(zāi)害級(jí)聯(lián)效應(yīng)評(píng)估及基于自然的生態(tài)保護(hù)修復(fù)。ESS由此成為連接基礎(chǔ)研究、情景模擬與可持續(xù)治理實(shí)踐的認(rèn)知接口。

“人類世”概念的提出及其對(duì)ESS的影響

“人類世”概念由諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主保羅·克魯岑與生物學(xué)家尤金·施特爾默于2000年前后首次提出，旨在將人類活動(dòng)定義為影響地球系統(tǒng)演化的主導(dǎo)地質(zhì)營力。早期的地質(zhì)學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究已指出，工業(yè)化、化石燃料燃燒、森林砍伐及農(nóng)業(yè)擴(kuò)張等過程正在顯著改變大氣組分、生物地球化學(xué)循環(huán)和地球表層系統(tǒng)。保羅·克魯岑等據(jù)此判斷，地球系統(tǒng)已偏離全新世穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入以人類活動(dòng)為主要特征的地質(zhì)新紀(jì)元。主要證據(jù)包括大氣溫室氣體濃度快速攀升、生物多樣性加速喪失、海洋碳酸鹽系統(tǒng)失衡，以及沉積記錄中人工放射性核素與微塑料等“人類指紋”的廣泛出現(xiàn)。

這一概念在過去20多年間持續(xù)催化科學(xué)范式的轉(zhuǎn)型。在認(rèn)識(shí)論層面，“人類世”框架消解了“自然背景”與“人類擾動(dòng)”的二元對(duì)立，將地球系統(tǒng)重構(gòu)為人地（海）系統(tǒng)協(xié)同演化的耦合實(shí)體。這一本體論轉(zhuǎn)向直接驅(qū)動(dòng)了ESS的形成與發(fā)展——其核心強(qiáng)調(diào)自然過程與人類活動(dòng)之間的相互作用、反饋過程與非線性的耦合效應(yīng)。在治理實(shí)踐層面，“人類世”邏輯孕育了“行星邊界”（Planetary Boundaries）理論框架與“未來地球”（Future Earth）國際科學(xué)計(jì)劃，確立了將地球系統(tǒng)穩(wěn)定性作為可持續(xù)發(fā)展先決條件的共識(shí)。

ESS與傳統(tǒng)地球科學(xué)的根本分野恰在于此——并非簡(jiǎn)單地“把社會(huì)科學(xué)加進(jìn)去”，而是要求在地球系統(tǒng)模型架構(gòu)與理論建構(gòu)上內(nèi)在化人類系統(tǒng)的決定性作用，在科學(xué)模型中引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程、制度因素與文化反饋。這一認(rèn)知轉(zhuǎn)型對(duì)處于快速工業(yè)化與生態(tài)約束交織進(jìn)程中的中國，尤其具有現(xiàn)實(shí)方法論意義。

中國路徑

過去30年間，ESS的形成與發(fā)展深受國際科研計(jì)劃與全球治理機(jī)制的推動(dòng)。以世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）、國際地圈－生物圈計(jì)劃（IGBP）、全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃（IHDP）和國際生物多樣性計(jì)劃（DIVERSITAS）為代表的“全球變化四大計(jì)劃”共同奠定了ESS的整體框架；而政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）則通過系統(tǒng)化評(píng)估，使氣候、生態(tài)與社會(huì)系統(tǒng)的耦合過程成為全球科研和政策議程的核心議題。中國在上述計(jì)劃中一直發(fā)揮重要作用，如深度參與IPCC評(píng)估報(bào)告撰寫、在未來地球等國際平臺(tái)承擔(dān)關(guān)鍵任務(wù)，并以東亞季風(fēng)、青藏高原等獨(dú)特區(qū)域研究為全球ESS貢獻(xiàn)了不可替代的科學(xué)認(rèn)知與觀測(cè)體系。這些國際合作共同推動(dòng)了ESS從認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)運(yùn)作轉(zhuǎn)向服務(wù)全球可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)范式躍遷。

在中國科學(xué)界，推動(dòng)ESS本土化范式構(gòu)建已成為跨學(xué)科學(xué)者的共識(shí)，其戰(zhàn)略定位是確立ESS為中國可持續(xù)發(fā)展研究的核心框架。這一共識(shí)的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵體現(xiàn)為3個(gè)方面。

第一，以區(qū)域獨(dú)特性貢獻(xiàn)全球系統(tǒng)認(rèn)知——聚焦東亞季風(fēng)動(dòng)力學(xué)、青藏高原多圈層相互作用、干旱區(qū)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)脆弱性、海岸帶復(fù)雜系統(tǒng)臨界過程等關(guān)鍵科學(xué)問題，構(gòu)建具有區(qū)域過程辨識(shí)度的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)值模擬協(xié)同體系，為全球ESS提供研究新范式。

第二，推動(dòng)社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同演化研究——將人口動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、制度變革及文化反饋機(jī)制融入地球系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)人文社會(huì)科學(xué)與自然科學(xué)在范式層面的深度耦合。

第三，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略與全球治理議程——ESS已超越純粹學(xué)術(shù)前沿，成為“雙碳”目標(biāo)路徑優(yōu)化、生態(tài)文明建設(shè)制度設(shè)計(jì)、“一帶一路”綠色發(fā)展議程的智力支撐體系。其核心愿景在于，使未來的ESS從解釋地球自然過程，變成為人類社會(huì)在行星邊界約束下探尋可持續(xù)發(fā)展路徑提供變革性方案。這實(shí)質(zhì)上確立了ESS發(fā)展的“中國范式”，即立足發(fā)展中國家轉(zhuǎn)型實(shí)踐，為全球環(huán)境治理和可持續(xù)發(fā)展提供系統(tǒng)思維與區(qū)域經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)范式。

中國ESS的發(fā)展

基于國際前沿趨勢(shì)與本土實(shí)踐需求，中國ESS的深化發(fā)展急需從4個(gè)戰(zhàn)略維度協(xié)同推進(jìn)。

一是構(gòu)建多圈層-多尺度觀測(cè)-數(shù)據(jù)-模型閉環(huán)體系。建立覆蓋大氣、海洋、陸地、生態(tài)、冰凍圈及人類活動(dòng)的綜合立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，深度整合衛(wèi)星遙感、地基-空基平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)傳感與人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)同化技術(shù)，形成“要素監(jiān)測(cè)-過程識(shí)別-機(jī)制模擬-預(yù)測(cè)預(yù)警”的全鏈條能力，為人地耦合過程的定量解析奠定科學(xué)基石。

二是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前主要針對(duì)自然過程的地球系統(tǒng)模式與社會(huì)系統(tǒng)的雙向耦合。社會(huì)系統(tǒng)不僅僅包括實(shí)體部分，還應(yīng)包括制度、法律等意識(shí)形態(tài)部分，需突破傳統(tǒng)氣候-生態(tài)模式的單向驅(qū)動(dòng)框架，將社會(huì)經(jīng)濟(jì)、能源轉(zhuǎn)型路徑、治理體系演化動(dòng)態(tài)及行為反饋機(jī)制內(nèi)嵌為地球系統(tǒng)模式的內(nèi)生模塊，構(gòu)建能夠模擬“自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”協(xié)同演化與非線性復(fù)雜過程的耦合平臺(tái)，為氣候適應(yīng)、碳中和路徑及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供動(dòng)態(tài)決策支持。

三是重塑跨學(xué)科人才培養(yǎng)與組織范式。在有條件的高校與科研機(jī)構(gòu)設(shè)立建制化的“地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院”或“全球可持續(xù)發(fā)展學(xué)院”，乃至進(jìn)一步考慮設(shè)立“中國可持續(xù)發(fā)展大學(xué)”或與聯(lián)合國合作創(chuàng)辦“聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展大學(xué)”，系統(tǒng)性打破學(xué)科壁壘，設(shè)計(jì)涵蓋地球科學(xué)、社會(huì)科學(xué)及人文科學(xué)的復(fù)合型課程體系，培養(yǎng)具備系統(tǒng)思維與政策理解能力的復(fù)合型人才。

四是加強(qiáng)國際合作與全球治理貢獻(xiàn)能力建設(shè)。在未來地球計(jì)劃等國際計(jì)劃中發(fā)揮核心科學(xué)引領(lǐng)作用，積極主導(dǎo)跨國觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)制定與聯(lián)合模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過推介基于中國區(qū)域?qū)嵺`的理論創(chuàng)新與技術(shù)方案，提升在全球氣候治理與可持續(xù)發(fā)展政策議程中的科學(xué)影響力與政策貢獻(xiàn)度。

從科學(xué)到行動(dòng)：ESS服務(wù)可持續(xù)未來

ESS的終極價(jià)值不僅體現(xiàn)在認(rèn)知范式的革新，更在于其對(duì)治理實(shí)踐的基礎(chǔ)性支撐。直面全球變暖、生物多樣性喪失、環(huán)境退化與極端事件頻發(fā)的復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)，中國ESS研究可以在四大領(lǐng)域中為可持續(xù)未來作出更大貢獻(xiàn)。

第一，氣候變暖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與適應(yīng)科學(xué)。構(gòu)建氣候預(yù)測(cè)、暴露度量化與脆弱性診斷的整合框架，為區(qū)域氣候風(fēng)險(xiǎn)治理提供從情景模擬到政策響應(yīng)的閉環(huán)支撐。

第二，碳循環(huán)與碳中和路徑優(yōu)化。超越自然碳匯的單一維度，系統(tǒng)解析能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制與消費(fèi)行為變遷對(duì)碳-氣候系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)反饋機(jī)制，識(shí)別碳中和轉(zhuǎn)型的非線性約束與突破點(diǎn)。

第三，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉耦合。應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)方法，揭示不同時(shí)空尺度下的生態(tài)系統(tǒng)利用、保護(hù)和修復(fù)系統(tǒng)方案，維護(hù)人類的糧食安全、資源安全、生態(tài)安全、公共健康與氣候韌性（恢復(fù)力）的協(xié)同/權(quán)衡關(guān)系，探索人與自然和諧共生的可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)路徑。

第四，地緣環(huán)境科學(xué)與南南合作。依托ESS框架構(gòu)建“一帶一路”共建國家共享的環(huán)境-發(fā)展數(shù)據(jù)庫，通過開展國際合作為發(fā)展中國家應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境問題提供科技支撐，通過科學(xué)外交與聯(lián)合評(píng)估機(jī)制，推動(dòng)基于證據(jù)的綠色發(fā)展議程與公平氣候治理。

ESS理應(yīng)成為可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的理論支柱與方法論基石。其系統(tǒng)思維與耦合視角能夠突破學(xué)科壁壘，揭示地球物理、化學(xué)和生物過程與社會(huì)-制度變遷之間的互饋機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)“人與自然和諧共生”的中國式現(xiàn)代化提供可操作的科學(xué)路徑與變革治理方案。

邁向“以人為本”的新地球科學(xué)

ESS并非傳統(tǒng)地球科學(xué)的延伸，而是一場(chǎng)科學(xué)范式變革。它要求以人地（海）系統(tǒng)整體思維重構(gòu)人居地球運(yùn)行邏輯——不再將各圈層視為孤立實(shí)體，而是解析其跨圈層、跨尺度非線性互饋與臨界轉(zhuǎn)變機(jī)制；以自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)耦合框架重鑄人類世定位——將人類活動(dòng)內(nèi)化為地球系統(tǒng)的雙向內(nèi)生驅(qū)動(dòng)而非外部擾動(dòng)；以行星邊界約束重塑科學(xué)使命——使研究目標(biāo)從自然系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)向?yàn)槿祟惪沙掷m(xù)發(fā)展提供可操作的安全路徑。

在21世紀(jì)全球科學(xué)治理新格局中，中國ESS的發(fā)展路徑須實(shí)現(xiàn)雙重超越：既要扎根于東亞區(qū)域特殊的人地耦合過程，如季風(fēng)-經(jīng)濟(jì)高強(qiáng)度協(xié)同演化、高速發(fā)展的沿海經(jīng)濟(jì)帶與海岸帶的快速協(xié)同演化，構(gòu)建基于本土實(shí)際的新理論范式；也要加強(qiáng)全球視野，在未來地球計(jì)劃、IPCC等全球議程中實(shí)現(xiàn)從參與者向引領(lǐng)者的轉(zhuǎn)變，提供基于中國實(shí)踐的智慧與方案。唯其如此，ESS方能從學(xué)術(shù)前沿升華為引領(lǐng)人類文明轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的核心知識(shí)體系。

《中國科學(xué)報(bào)》 (2025-12-04 第1版 要聞