發布時間：2025-12-04
編者按
地球系統科學（Earth System Science, ESS）是當代認知地球整體運行機制及人地系統耦合過程的核心科學框架。與傳統地球科學（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與能量循環，更著力于揭示人類活動對地球系統的深刻影響及其反饋機制。
近日，多位院士專家在梳理國際主流科學愿景的基礎上，結合中國科學界的相關探索，系統闡釋了ESS的科學內涵、核心方法論、社會屬性及其在中國的戰略發展方向。作者認為，ESS是可持續發展與生態文明建設的重要科學基石，中國推進ESS發展應重點聚焦4個方向：一是構建多尺度多時相一體化的觀測與模擬體系；二是深化社會與自然耦合過程模型的研究；三是完善跨學科人才培養機制；四是加強國際合作與交流，提升我國在相關領域的國際科學話語權。
地球科學與ESS：從“部分之和”到“系統整體”
在當前學術話語體系中，ESS這一概念的表述頻度顯著上升，但在國內科學界與公眾傳播中仍普遍存在將其與傳統地球科學概念混淆的傾向。二者雖淵源深厚，但在研究范式與核心議題上存在本質分野。
傳統地球科學的本質是圈層解構。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）的結構、組成及演化歷史為基石，依托地質學、氣象學、水文學、生態學、海洋學、地球物理學、地球化學、地理學等學科體系，致力于揭示單一或相鄰圈層的內在過程與生物地球物理化學機制。
ESS代表著研究范式的深刻轉型：從各圈層的獨立研究邁向整體系統的協同整合。其研究對象涵蓋包括人類活動在內的驅動圈層之間的物質循環、能量傳遞和信息交換過程，以及由此產生的反饋機制。尤為關鍵的是，ESS將人類活動對整個地球系統的影響視為內生變量，聚焦于“自然-社會-經濟耦合系統”的復雜行為與演化規律。在這一系統科學框架下，對地球各圈層的物理、化學與生物過程的線性認知，被跨圈層、跨尺度、非線性與多模態的系統思維所取代。
這一范式轉型可追溯至上世紀70年代美國國家航空航天局（NASA）構建的“衛星觀測-數值模擬-系統集成”研究架構。進入21世紀，“人類世”概念的提出進一步強化了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》發表的論文中所指出的，人類活動在工業革命后已成為地球系統變化的主導驅動力，科學研究必須從對自然過程的孤立解析轉向對人地系統互饋機制的整合認知，以支撐全球可持續發展的決策需求。
系統思維：ESS的核心方法論
ESS的核心在于系統思維范式轉型的建立，其方法論轉變體現為將大氣圈、水圈、巖石圈、冰凍圈與生物圈等要素視為相互作用的動態網絡，而非孤立實體。研究焦點由此轉向跨圈層的能量轉遞-物質循環-信息交換、非線性反饋機制及復雜系統動力學行為。這一系統思維的轉變至少在3個維度上發展了傳統地球科學研究新領域。
第一，從單圈層解析到多圈層耦合研究。傳統研究側重圈層內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一框架。例如，青藏高原積雪-反照率反饋不僅響應全球變暖，更通過調制地表熱通量驅動亞洲季風乃至全球氣候變化，揭示出多圈層多層級耦合的復雜性以及可能的級聯效應。
第二，從自然過程到人地系統融合研究。ESS不僅研究自然系統如何變化，更關注人類活動如何推動、放大或減緩這些變化。在地球系統模式中需耦合土地利用/土地覆蓋變化、能源-經濟轉型、城市化動力學、海洋產業及政策干預等人類活動參數。在這里，社會系統不再是地球系統演化的外生邊界條件，而是與自然系統碳循環、水循環及營養元素循環等深度耦合的子系統。
第三，從科學認知到決策支持的知識生產。系統思維要求研究成果直接服務于可操作的管理策略，如氣候風險適應、災害級聯效應評估及基于自然的生態保護修復。ESS由此成為連接基礎研究、情景模擬與可持續治理實踐的認知接口。
“人類世”概念的提出及其對ESS的影響
“人類世”概念由諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑與生物學家尤金·施特爾默于2000年前后首次提出，旨在將人類活動定義為影響地球系統演化的主導地質營力。早期的地質學與環境科學研究已指出，工業化、化石燃料燃燒、森林砍伐及農業擴張等過程正在顯著改變大氣組分、生物地球化學循環和地球表層系統。保羅·克魯岑等據此判斷，地球系統已偏離全新世穩態，進入以人類活動為主要特征的地質新紀元。主要證據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。
這一概念在過去20多年間持續催化科學范式的轉型。在認識論層面，“人類世”框架消解了“自然背景”與“人類擾動”的二元對立，將地球系統重構為人地（海）系統協同演化的耦合實體。這一本體論轉向直接驅動了ESS的形成與發展——其核心強調自然過程與人類活動之間的相互作用、反饋過程與非線性的耦合效應。在治理實踐層面，“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）國際科學計劃，確立了將地球系統穩定性作為可持續發展先決條件的共識。
ESS與傳統地球科學的根本分野恰在于此——并非簡單地“把社會科學加進去”，而是要求在地球系統模型架構與理論建構上內在化人類系統的決定性作用，在科學模型中引入社會經濟過程、制度因素與文化反饋。這一認知轉型對處于快速工業化與生態約束交織進程中的中國，尤其具有現實方法論意義。
中國路徑
過去30年間，ESS的形成與發展深受國際科研計劃與全球治理機制的推動。以世界氣候研究計劃（WCRP）、國際地圈－生物圈計劃（IGBP）、全球環境變化人文因素計劃（IHDP）和國際生物多樣性計劃（DIVERSITAS）為代表的“全球變化四大計劃”共同奠定了ESS的整體框架；而政府間氣候變化專門委員會（IPCC）則通過系統化評估，使氣候、生態與社會系統的耦合過程成為全球科研和政策議程的核心議題。中國在上述計劃中一直發揮重要作用，如深度參與IPCC評估報告撰寫、在未來地球等國際平臺承擔關鍵任務，并以東亞季風、青藏高原等獨特區域研究為全球ESS貢獻了不可替代的科學認知與觀測體系。這些國際合作共同推動了ESS從認識地球系統運作轉向服務全球可持續發展的科學范式躍遷。
在中國科學界，推動ESS本土化范式構建已成為跨學科學者的共識，其戰略定位是確立ESS為中國可持續發展研究的核心框架。這一共識的實質內涵體現為3個方面。
第一，以區域獨特性貢獻全球系統認知——聚焦東亞季風動力學、青藏高原多圈層相互作用、干旱區社會-生態系統脆弱性、海岸帶復雜系統臨界過程等關鍵科學問題，構建具有區域過程辨識度的觀測網絡與數值模擬協同體系，為全球ESS提供研究新范式。
第二，推動社會-生態系統協同演化研究——將人口動態、經濟轉型、制度變革及文化反饋機制融入地球系統模型，實現人文社會科學與自然科學在范式層面的深度耦合。
第三，服務國家重大戰略與全球治理議程——ESS已超越純粹學術前沿，成為“雙碳”目標路徑優化、生態文明建設制度設計、“一帶一路”綠色發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，變成為人類社會在行星邊界約束下探尋可持續發展路徑提供變革性方案。這實質上確立了ESS發展的“中國范式”，即立足發展中國家轉型實踐，為全球環境治理和可持續發展提供系統思維與區域經驗相結合的科學范式。
中國ESS的發展
基于國際前沿趨勢與本土實踐需求，中國ESS的深化發展急需從4個戰略維度協同推進。
一是構建多圈層-多尺度觀測-數據-模型閉環體系。建立覆蓋大氣、海洋、陸地、生態、冰凍圈及人類活動的綜合立體觀測網絡，深度整合衛星遙感、地基-空基平臺、物聯網傳感與人工智能驅動的數據同化技術，形成“要素監測-過程識別-機制模擬-預測預警”的全鏈條能力，為人地耦合過程的定量解析奠定科學基石。
二是實現當前主要針對自然過程的地球系統模式與社會系統的雙向耦合。社會系統不僅僅包括實體部分，還應包括制度、法律等意識形態部分，需突破傳統氣候-生態模式的單向驅動框架，將社會經濟、能源轉型路徑、治理體系演化動態及行為反饋機制內嵌為地球系統模式的內生模塊，構建能夠模擬“自然-社會-經濟”協同演化與非線性復雜過程的耦合平臺，為氣候適應、碳中和路徑及可持續發展目標提供動態決策支持。
三是重塑跨學科人才培養與組織范式。在有條件的高校與科研機構設立建制化的“地球系統科學學院”或“全球可持續發展學院”，乃至進一步考慮設立“中國可持續發展大學”或與聯合國合作創辦“聯合國可持續發展大學”，系統性打破學科壁壘，設計涵蓋地球科學、社會科學及人文科學的復合型課程體系，培養具備系統思維與政策理解能力的復合型人才。
四是加強國際合作與全球治理貢獻能力建設。在未來地球計劃等國際計劃中發揮核心科學引領作用，積極主導跨國觀測網絡建設、數據共享標準制定與聯合模擬實驗設計，通過推介基于中國區域實踐的理論創新與技術方案，提升在全球氣候治理與可持續發展政策議程中的科學影響力與政策貢獻度。
從科學到行動：ESS服務可持續未來
ESS的終極價值不僅體現在認知范式的革新，更在于其對治理實踐的基礎性支撐。直面全球變暖、生物多樣性喪失、環境退化與極端事件頻發的復合風險，中國ESS研究可以在四大領域中為可持續未來作出更大貢獻。
第一，氣候變暖風險評估與適應科學。構建氣候預測、暴露度量化與脆弱性診斷的整合框架，為區域氣候風險治理提供從情景模擬到政策響應的閉環支撐。
第二，碳循環與碳中和路徑優化。超越自然碳匯的單一維度，系統解析能源結構轉型、技術創新機制與消費行為變遷對碳-氣候系統的級聯反饋機制，識別碳中和轉型的非線性約束與突破點。
第三，生態系統服務與人類福祉耦合。應用復雜系統方法，揭示不同時空尺度下的生態系統利用、保護和修復系統方案，維護人類的糧食安全、資源安全、生態安全、公共健康與氣候韌性（恢復力）的協同/權衡關系，探索人與自然和諧共生的可持續發展及生態文明建設路徑。
第四，地緣環境科學與南南合作。依托ESS框架構建“一帶一路”共建國家共享的環境-發展數據庫，通過開展國際合作為發展中國家應對生態環境問題提供科技支撐，通過科學外交與聯合評估機制，推動基于證據的綠色發展議程與公平氣候治理。
ESS理應成為可持續發展和生態文明建設的理論支柱與方法論基石。其系統思維與耦合視角能夠突破學科壁壘，揭示地球物理、化學和生物過程與社會-制度變遷之間的互饋機制，為實現“人與自然和諧共生”的中國式現代化提供可操作的科學路徑與變革治理方案。
邁向“以人為本”的新地球科學
ESS并非傳統地球科學的延伸，而是一場科學范式變革。它要求以人地（海）系統整體思維重構人居地球運行邏輯——不再將各圈層視為孤立實體，而是解析其跨圈層、跨尺度非線性互饋與臨界轉變機制；以自然-社會-經濟耦合框架重鑄人類世定位——將人類活動內化為地球系統的雙向內生驅動而非外部擾動；以行星邊界約束重塑科學使命——使研究目標從自然系統本身轉向為人類可持續發展提供可操作的安全路徑。
在21世紀全球科學治理新格局中，中國ESS的發展路徑須實現雙重超越：既要扎根于東亞區域特殊的人地耦合過程，如季風-經濟高強度協同演化、高速發展的沿海經濟帶與海岸帶的快速協同演化，構建基于本土實際的新理論范式；也要加強全球視野，在未來地球計劃、IPCC等全球議程中實現從參與者向引領者的轉變，提供基于中國實踐的智慧與方案。唯其如此，ESS方能從學術前沿升華為引領人類文明轉型、實現人與自然和諧共生的核心知識體系。
《中國科學報》 (2025-12-04 第1版 要聞
