第一章 绪论
地球是人类赖以生存的星球，地球环境（包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈）的变化对人类现在和未来的生存与发展有直接或潜在的影响，而人类的存在本身也影响着地球环境。
20世纪以来，全球环境以前所未有的速度发生变化。一系列的全球性重大环境问题对人类的生存和发展构成严重威胁。 20世纪 70年代，人类学家*早提出了“全球变化”（global change）一词。 20世纪 80年代，自然科学家借用并拓展了“全球变化”的内涵，将其概念延伸至全球环境，即将地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的变化纳入“全球变化”范畴，用以强调地球系统的变化（曲建升等， 2008）。全球性重大环境问题超越了传统自然科学分支学科的界限，也超越了自然科学和社会科学的界限，从而衍生出“地球系统”和“地球系统科学”的概念。本章将介绍地球系统科学及各圈层的基本特征和相互作用特点，以及全球变化研究中的地球系统科学理念和方法。
第一节 地球系统科学
一、地球系统与地球系统科学
（一）地球系统
“系统”在现代汉语词典（第 7版）里的解释是：同类事物按一定的关系组成的整体。这些事物相互连接、关联或依存，集合或组合形成一个复杂的统一体，或者按某种方案或计划有序排列组成整体。系统*基本的特性是整体性，其功能是各组成要素在孤立状态时所没有的。
Steffen等（2006）指出地球的运作是一个系统，在这个系统里海洋、大气和陆地以及有生命和无生命的所有一切都相互关联。地球上的环境条件，包括气候，是由物理的、化学的、生物的以及人类相互作用对物质和能量的传输和转化而决定（Jickells et al.， 2005）。地球系统就是由相互作用的物理、化学和生物的过程构成，这些过程使得地球上的物质和能量发生运动和变化，从而为地球上的生命提供必要生存条件。地球系统是一个复杂整体，其典型特征是各部分之间存在多种非线性响应和临界阈值（Stewart，2009）。
（二）地球系统科学
地球系统科学的概念有狭义和广义两种解释（毕思文， 2004）。从狭义角度讲，地球系统科学是为了解释地球动力、地球演变和全球变化，对组成地球系统各组成部分、各圈层相互作用机制进行综合研究的一门科学。地球系统则是由地核、地幔、岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互作用而组成的统一体。从广义角度讲，地球系统科学跨越一系列自然科学与社会科学。它把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈（包括人类社会）和行星系统等构成的统一系统。
地球系统科学是地球科学各分支深入发展的必然。例如，数十年来大气科学的发展，就日益介入海气相互作用、陆气相互作用、冰川及冰盖变迁、大气痕量气体的化学过程及气候效应等。海洋与陆地及大气间淡水交换等过程的重要性及相应研究日益得到重视。地球科学各分支研究越来越多介入其他分支。但需要注意的是，地球系统科学不是各门地球科学的简单叠加，而是探索其圈层相互作用，将地球作为一个完整系统来研究的学科。
另外，20世纪 60年代以来空间技术和信息技术的突飞猛进开阔了人类的眼界，大大提高了人类认识地球的能力（Stewart，2009）。地球系统科学是建立在遥感技术、计算技术和许多观测实验基础上的新学科。全球视野和系统研究是地球系统科学的重要前提和基本思路（汪品先， 2014）。
（三）地球系统科学的研究目标和主要科学问题
地球系统科学的目标是描述地球系统各部分相互作用机理，以及在各种时间尺度上各部分间将如何持续发展，从而在全球尺度上对整个地球系统给出科学的认识（Earth System Science Committee，1986）。
地球系统科学所要回答的主要科学问题是全球如何变化以及全球变化会对地球生物造成什么样的影响，可概括为五个基本概念（张兰生等， 2017）。
（1）变化（variability）：地球系统是怎样变化的？
（2）驱动力（force）：地球系统变化的主要驱动力是什么？
（3）响应（response）：地球系统对自然变化和人类变化是如何响应的？
（4）后果（consequence）：地球系统变化的结果对人类的影响与人类的响应是什么？
（5）预测（prediction）或评估（projection）：如何预测地球系统未来的变化？
作为研究地球系统整体行为的一门科学，地球系统科学的目的是了解地球系统是如何工作和运转的，研究其过去、现在和未来的变化规律以及控制这些变化的原因和机制，从而建立地球系统预测的科学基础，为对策研究提供科学依据（林海， 1988）。
二、地球系统科学的构建与进展
（一）形成背景
1. 古代对环境变化的认识
人类很早就认识到环境是变化的。我国古代有“东海三为桑田”的传说，《圣经》中有大洪水的描述，这些远古的神话或宗教信仰在一定程度上反映了人类对环境变化的认识。更多地，人类通过对周围自然环境的观察与总结，认识到环境的演变。公元前 8世纪，我国古代第一部诗歌总集《诗经》的《小雅 .十月之交》中就有“高岸为谷，深谷为陵”的描述（李仲均， 1998）。公元前 5世纪，古希腊的克塞诺芬尼注意到陆地上存在海洋蚌壳，从而提出海陆变迁思想。亚里士多德也认为海陆是按着一定规律呈周期性变化的（张兰生等， 2017）。我国古人追求天人和谐、与自然共生，在自然环境变化及人与环境关系方面给出了诸多有借鉴意义的成果。比如被国际气象界誉为中国第五大发明的“二十四节气”的系统概念在西汉时已完成，是指导传统农业生产和日常生活的重要历法补充。
2. 近代地球科学认识
19世纪以来，与地球科学相关的地质学、气象学、海洋学、生态学等各学科建立并发展，人们试图通过逐一解剖地球各圈层的每一细节而认识整个地球。
在地质学、地理学方面， 1830年莱伊尔出版《地质学原理》，提出地质渐变理论； 1837年阿加西提出大冰期理论，将冰川的进退与全球性的气候变化及生物变化有机地联系起来；1909年彭克提出四次冰期模式，证明了全球性的气候变化曾发生多次；1915年，魏格纳提出了关于地壳演化的大陆漂移学说，该学说于 20世纪 60年代发展为板块运动理论；1920年米兰科维奇提出冰期天文成因理论。
在生物学、生态学方面， 1825年居维叶发表《地球表面灾变论》，发现地球发生多次巨变和物种毁灭，提出了环境变化的突变论； 1859年达尔文在其著名的《物种起源》中阐述了以渐变论为指导思想的生物进化论，揭示了生物演化的规律； 1866年海克尔定义了生态学概念， 1935年坦斯利提出了生态系统概念； 1926年，维尔纳茨基提出了生物圈的概念，指出地球表层*强的化学营力发生在地球的生物圈内。
在物理、化学方面，1896年，贝可勒尔发现铀盐能使封闭的照相底片感光；1898年居里夫妇发现放射性更强的钋元素，在此基础上发明放射性同位素测年法； 1896年马可尼发明了无线电； 1901年跨大西洋无线电通信开通； 1924年阿普尔顿证实了高空电离层的存在； 1896年，阿累尼乌斯指出地质年代中的 CO2对地球气候有调节作用，并从温室效应的原理出发首次做出了如果大气 CO2浓度加倍将使得地球温度升高的气候预估； 1913年法布里提出臭氧层概念； 1930年卡普曼提出臭氧层学说。
在气象学、海洋学方面， 1872～1876年“挑战号”全球航行，为海洋学建立奠定了基础；1904年皮叶克尼斯尝试天气预报； 1922年理查德森开始网格化数值天气预报； 1950年在冯纽曼牵头下有了第一个成功的数值天气预报； 1958年查尔斯基林发现了著名的大气 CO2浓度变化的基林曲线（Keeling曲线）；1960年第一张全球卫星图片诞生，开始利用气象卫星从太空监测海洋； 1978年发射了海洋卫星。
各分支学科和新技术的发展，为全球变化和地球系统科学研究奠定了基础。尤其是 20世纪中叶以来，以 1957～1958年的国际地球物理年（international geophysical year， IGY）活动为标志，地球科学开始国际化。同时，科学界和一般公众对环境问题的认识不断加强，地球科学研究也受到各国政府的极大重视。 1972年，洛夫洛克提出了“盖亚假说”，强调生物圈对全球环境的调节作用。科学家也逐渐认识到地球主要组成部分间相互关联、相互反馈的重要性，地球系统科学开始萌芽。
3. 当前全球性的重大问题
近半个世纪以来，由于人类社会生产力的高速发展及人口数量的急剧增加，人对环境作用的规模也在不断扩大，由此所产生的各种环境问题也应运而生。其中，大气污染、温室气体排放、气候变暖、臭氧层破坏、土地退化、海洋环境恶化、森林锐减、物种濒危、垃圾成灾和人口增长过快是目前全球范围内产生的与环境有关的十大问题（朱诚等， 2017）。这些问题与人类不可持续利用自然资源有关。其中一个主要问题就是 CO2以及其他温室气体等向大气的排放不仅造成了全球污染、酸雨、臭氧空洞，还引起了全球温度和气候变化。对自然资源的过度开发，导致森林、水源、生物栖息地被破坏，许多物种灭绝。反过来，不安全的水源和污染的空气，也造成了人类的疾病和死亡。这些全球性问题，超越了传统自然科学分支学科的界限，也超越了自然科学和社会科学的界限，亟须从地球系统科学角度通过国际合作共同解决。
（二）地球系统科学的构建
如前所述，地球科学的发展和人类面临的挑战促使地球系统科学构建（毕思文， 2003）。1983年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）建立了地球系统科学委员会，并于 1986年将地球系统科学作为一个专有名词提出。1988年 NASA出版了《地球系统科学》，提出了著名的布雷瑟顿地球系统结构图。如图 1.1所示，该图展示了地球各系统间物理、化学和生物过程的相互作用，一系列复杂的外部条件和反馈将物理气候系统与生物 —地球—化学循环耦合在一起，人类活动也是该系统的重要驱动力。《地球系统科学》首次将人类作为与太阳和地球内能并列的、能引发地球系统变化的第三驱动力。
图1.1 布雷瑟顿地球系统结构图（王斌等，2008；据美国 NASA地球系统科学委员会）
20世纪 90年代地球系统观点逐渐成为地学界的共识，美国、英国、日本、中国等国家相继制定研究计划，更促使了这一学科的蓬勃发展。在 1979年创立的世界气候计划（World Climate Program，WCP）和 1987年的国际地圈生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Program，IGBP）基础上， 1990年和 1991年又分别开展了国际全球环境变化人文因素计划（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP）和国际生物多样性计划（DIVERSITAS）。与此同时，多个国家的大学将地球系统科学教育纳入课程之内，联合国的《 21世纪议程》也将地球科学作为可持续发展战略的科学基础之一。
进入 21世纪，2001年，WCP、IGBP、IHDP和 DIVERSITAS四大计划共同主办了国际性会议“变化中的地球挑战”，发布了阿姆斯特丹宣言，启动了地球系统科学联盟（Earth System Science Partnership，ESSP）。2012年在巴西里约热内卢召开的联合国可持续发展大会上，提出了“未来地球计划”（Future Earth）（2014～2023年）国际科学计划， 2015年 IGBP、IHDP和 DIVERSITAS合并到 Future Ea
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