中国地球系统科学的十年展望
中国地球系统科学的十年展望
中国地球系统科学的未来发展将如何布局？近日，国家自然科学基金委员会和中国科学院联合发布了《中国地球系统科学2035发展战略》报告，为未来十年的地球系统科学研究指明了方向。
两大研究方向
地球系统科学自提出以来就有两种发展方向：一种以人类时间尺度为主，探索地球表层系统的过程；另一种将时间扩大到地球演化的长尺度，从地球内外的驱动因素探索其演化过程。两者的服务重点各不相同：前者试图直接回答当前全球变暖、温室效应的科学问题，寻求社会可持续发展的途径，具有明确的应用价值，因而设有政府支持的大型计划，也是当前世界上的主流。
然而地球系统的自然过程远远超出了人类的时空尺度，因此几十年来全球变化在理论层面的争论，至今难以平息。当然，理解地球系统的演变是个长期任务，不可能等到理论问题解决以后再来行动，但是从地球系统本身的时空尺度研究其演变机制，是揭示自然规律的唯一途径，这就是上述的后一种研究方向。
进入21世纪以来，超越人类尺度探索地球系统的研究渐趋火爆，国际学术交流和新型课程陆续出现。在中国，通过圈层相互作用全面探索地球系统的精神，已经渗透到国家科研机构的各种立项指南中，相应的研究项目、学术大会和高校课程纷纷涌现，标志着中国地球科学正在进入系统科学的新阶段。
拓宽研究视野，开展系统研究，是中国科学院学部地学部长期提倡的方向。早在1950年代就提出了“上天入地下海”的口号；2002年又进一步提出要“加强交叉学科和多学科研究，朝着地球系统科学的方向前进”。在世纪之交的展望中，地学部提出要“从地学大国走向地学强国”，提倡“地球各圈层相互作用的研究”，以“形成整体性的地球系统科学”。国家自然科学基金委员会在“全球变化及其区域响应”十年研究成果的总结中，提出要“从地球系统科学的高度、在更大的时空范围内研究变化机理，力争在基础理论上有所突破”。
在这样的大背景下，地球系统科学近十余年来在中国迅速发展，不少研究机构和高校纷纷成立地球系统研究单位，设置地球系统课程，出版地球系统专著和教材。从2010年起，在上海每隔一年举办的地球系统科学大会，参会者从每次约500人猛增到近3000人，地球系统研究已经出现燎原之势。现在中国地学界已经取得共识，地球系统科学不应当理解为各门地球科学的叠加，而是探索其圈层相互作用，整合其各种学科，将地球作为一个完整系统来研究的学问，在时间上正在从当前的全球变化向地球演化的早期推进，空间上正在将地球表层与地球内部过程连接起来研究，而这也就是“未来地球科学的脉络”。
地球科学转型
地球系统很可能就是21世纪地学革命的方向。由于历史的原因，中国错过了19世纪进化论和20世纪活动论的革命战役，我们的科学家对此愧无贡献。新世纪的地学革命正值中国改革开放、华夏振兴的黄金时期，中国地学界理应当有所作为，挑起历史性的重担。
中国拥有世界上最大的地球科学家队伍，论文数量已经位居世界前列，当前的任务是将量变转为质变，使中国的地球科学从主要提供资料数据的“原料输出型”转为找机理、出理论的“深度加工型”，而这正是地球系统科学的要求。想要成为创新型国家，就应该在国际学术界有自己的特色，有自己的学派，有自己的题目，这就需要转型。在地球科学里实现转型，就应当抓住国际机会，将地球科学提升到系统科学的高度。至今已有的科学积累和中国特有的自然条件，都起着重要的作用，而这两方面的条件应该说都是有利的。
东亚和西太平洋之间，有着地球系统里最活跃的交接带，而这正是中国地球科学的“窝”。从珠穆朗玛峰到菲律宾海沟，4000 km的水平距离居然有20000 m的落差，是地球表面最大的陡坡。这里不仅是当今世界最大的大陆和最大的大洋的交界，更是正在形成的新生超级大陆和古老超级大洋几亿年俯冲带的接口，因而也是全面理解板块运动的切入点。
以28°C等温线为界的西太平洋暖池，是地球上表层海水温度最高的海域。暖湿的空气从这里上升，形成3个大气环流调控着季风和厄尔尼诺，因而是地球表面能量流的中心。由于地形和降水的原因，亚洲的东部和南部为世界大洋提供着70%的陆源悬移沉积物，因而是地球表面物质流的中心。亚洲东南的“东印度三角”是生物地理学“华莱士线“的所在，无论陆地还是海洋生物的多样性都在全球称冠，是生物圈辐射演化的基因流中心。面对这能量流、物质流和基因流的三大中心，中国地学界拥有研究地球系统理想的自然条件。
选择学术突破口
2019年起，国家自然科学基金委员会和中国科学院联合开展“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021~2035)”，最近出版的地球系统科学卷是其成果之一，提供了2035年前该前沿领域发展的十年展望。地球系统的范围极其广泛，圈层相互作用又无所不在，因此地球科学的任何主题几乎都可以贴上地球系统的标签。作为战略研究的任务，就是要在这众多的题材中，找出少数几个特定的方向，作为中国地球系统研究可能的突破口。选择的标准有三：国际层面的重大意义，优越的自然条件，和已有的科学积累。
为此，“地球系统科学战略组”成立伊始就集中进行选题讨论，结果决定聚焦在三大方向：(1) 重新认识海洋碳泵，(2) 水循环及其轨道驱动，和(3) 东亚-西太的海陆衔接。碳循环是地球系统研究的一个焦点，水上接大气、下联岩石圈，正是碳循环的关键所在。海洋界的重大发现是海洋生物量90%以上属于微型生物，海水有机碳90%以上属于溶解有机碳，其中>90%还具有惰性，保持几千年不参加碳循环。这项新发现刷新了海洋碳循环的传统认识，突破了碳循环的原有认识。不仅如此，在现代海洋中惰性DOC可能具有储碳的价值，在地质时期里也为重新认识海洋碳循环开辟了途径，从而揭示碳循环和生命演化的相互关系。
气候过程的能量主要来自太阳辐射，而载体主要在于水循环，其中的关键是水的三相转换。“米兰科维奇学说”发现地球轨道周期引起冰期旋回，成为地球历史定量研究的突破口，但是误以为北半球高纬区的冰盖过程决定着全球的气候变化，近年来这种主流观点遇到了挑战。尤其是中国石笋和深海新资料的发现，与这种主流观点发生了矛盾，推动中国学术界由此提出了气候变化受“低纬驱动”的新假说，而且南北半球的差异也不容忽视。科技进步使得气候的定量研究可以上溯到前寒武纪，证明气候系统是在高、低纬和南、北半球的相互作用下，发生长期演变和周期循环，因此需要在新认识的基础上重建气候演变的学说。
“东亚-西太的海陆衔接”的目标是俯冲带造成的构造演变。从大洋看，板块学说产生的基地在大西洋，重心在于大陆板块的破裂和大洋板块的扩张，而西太平洋的特色则在于大洋板块的隐没和大陆岩石圈的增生；从大陆看，当今的诸大陆主要是联合大陆崩解的产物，唯独亚洲是拼贴而成，是未来超级大陆的雏形。如此看来，板块理论研究分为上下两集，现在大西洋主演的上集逐渐告一段落，东亚-西太主演的下集正在粉墨登场，中国地学界可千万不要错过这历史的良机。
研究方向专题研讨
“中国地球系统科学发展”战略研究组，由本文5位作者担任组长，从一开始就确定：战略研究的方式本身，就应当体现学科转型的新意，需要组织别开生面的学术研讨。为此，将三大方向分解成10个专题（表1），分头组织专题研讨。在一年多的时间里，展开了多种形式的研讨，仅中小型的专题研讨会就举行了14次，先后参加研讨的专家超过500人次。研讨会一反报告人逐个宣读论文的惯用套路，采用短报告、长讨论的活跃形式，因为会议的性质并不寻常：一是与会的成员来自不同学科，往往是初次相识，讨论的共同点与研究需要磨合；二是研讨的题目比较新颖，比如“真核生物产生前，海洋有机碳能不能沉降？”、“白垩纪的暖室期，地下水位是不是高得多？”，或者“还没有边缘海时的西太平洋，如何辨识俯冲带的位置？”这里所指的“跨学科”不是并列，而是相互渗入，探讨从未涉及的问题。不少与会者反映，从来没有想过这些“怪”问题，因为研讨会开启了新的视角。
2021年的第六届地球系统科学大会直接将上述三大方向研讨的中期小结，作为闭幕式的主要内容进行汇报。这一系列的研讨会采用新颖的科学视角，使不同领域的研究者聚首一堂，讨论着穿越时空、横跨圈层的问题，光是研讨本身就产生了丰富的成果，以专辑或者综述的形式发表。比如第3和第6两个专题，先后在《科学通报》发表了“生物泵演化与重大地质事件”和“水循环的深时地质演变”两个专辑，第5专题则发表了“从40万年长偏心率周期看米兰科维奇理论”的综述。
表1 地球系统研究的三大方向和10个专题a)
两年来的战略研讨活动，在一定范围里掀起了地球系统科学的热潮，至今方兴未艾。同时也不难看出，触动最大的是固体地球科学，尤其是深时地质的有关学科，可惜有的学科尚未能够深度卷入。这次战略研究只是个引子，期望今后有更多学科，特别是现代气候学和生物学更多同仁的积极参与。
执行举措的建议
科学发展的战略研究种类很多，所起的作用也各不相同。“地球系统科学”的发展涉及学科转型的成败，不允许误入歧途，应当为研究选题提供参考，通过管理系统和研究人员双方的努力，贯彻实现。对于如何贯彻“地球系统科学”战略研究报告的内容，我们提出以下建议：
(1)瞄准重大科学问题，推行大型研究计划。三大方向的实质，是要从地球科学的根本问题上挑战传统观点：气候系统是如何运转和演化的？海洋和大陆是如何形成和破坏的？所提出的三大方向，都孕育着重大的突破，而其实现则要求很长时间的努力。大科学要求大动作，我们建议：发挥中国“集中力量办大事”的优势，打破现有的科研立项规格，组织大规模的科学计划，加速科学突破的到来。
(2)促进大幅度的学科交叉，实现新型的合作研究。跨圈层界限、穿时间尺度的研究，既要求学科间的交叉，也要求科学和技术的合作。不少重大的科学进展，是依靠新颖技术的结果，这里提出的三大方向就有这种需求。比如在水循环的研究中，要求对水的三相转换，尤其是气态和液态的转换做进一步的观测分析；在东亚-西太的研究中，急需对深部过程作更加深入的探索。这就要求打破现有的合作模式，学习国际先进经验，创立学术驱动而不是利益驱动的合作途径。
(3)立足本国面向全球，处理好以我为主和国际合作的关系。摆脱仿效照搬的习气，促进中国学派的建立，绝不意味着削弱国际科技合作的力度。关键是增强源头创新能力，在成熟的条件下形成以我为主、探索前沿问题的国际合作。同时，积极争取将中国的新观点，及时反映在现有的国际计划和国际刊物中。这里还要充分重视国际华人科学家的作用，积极推进汉语平台的国际交流。
(4)关心人才培养，将地球系统的新观念渗透到教学中去。既然地球系统科学是学科的转型，其精神应当贯彻在地球科学各个领域，反映在地学教学的各门课程，使传统的课程都能面向系统科学的新高度，引进系统科学的新思想。为此，需要推进各种形式的教师研讨班和培训班，将“地球系统进课堂”提上教学研究的日程。
展望10年的“中国地球系统科学2035发展战略”已经出版，但这远不是我们战略研究的终点。地球系统科学必将进一步扩大视野，与天文科学、地球深部和生地结合的飞跃进展相结合，实现地球科学的升级换代，未来的岁月必将见证中国对世界地球科学与时俱增的贡献。
【致谢】感谢中国科学院学部学科发展战略研究项目(XK2019DXC002)和国家自然科学基金(L1924025)资助。
汪品先，同济大学教授，中国科学院院士。长期致力于推进我国深海科技的发展，并立足深海推动整个地球科学的系统研究。曾主持中国海首次大洋钻探，和国家自然科学基金《南海深海过程演变》重大研究计划。
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