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地球系统问题需要地球系统科学解决

——“两个共同体”理念与地质调查工作发展(下)

2018-10-10 8:52:18 来源:中国矿业报 作者:徐勇 吴登定 杨建锋 王尧

地球系统问题解决的理论框架

不断加速的工业化、城市化与全球化耦合在一起对地球系统产生了前所未有的影响,促使人们必须从全球尺度去认识地球系统的变化机理;同时,不同区域或国家自然资源与生态环境变化出现了明显分化,与人类相互联系最为密切的近地表圈层资源、环境与生态问题呈现显著的区域性特征,促使人们必须从近地表圈层去认识地球系统的变化机理。在问题驱动下,随着全球观测、信息等技术进步,地球科学形成了一门新的分支——地球系统科学;在地球系统科学理论指导下,聚焦近地表圈层形成了一个新兴领域——地球关键带。

近年来,我国从生态文明建设实践出发,提出了“构建人类命运共同体”和“山水林田湖草生命共同体”的理念。“人类命运共同体”的内涵是从生态、经济、政治、合作等方面构建全球治理体系,推动形成新型国际关系和国际新秩序;在生态方面强调生态环境问题无边界,保护地球系统是全人类的共同责任。“山水林田湖草生命共同体”的内涵是按照生态系统的整体性、系统性及其内在规律,统筹考虑自然生态各要素、山上山下、地上地下、陆地海洋以及流域上下游,进行整体保护、系统修复和综合治理。由此,学术界与政界在应对人类面临的地球系统问题方面高度契合,共同构成了完整的理论框架。

地球系统问题解决的理论框架

1. 地球系统科学:服务构建人类命运共同体

地球系统科学把地球看成一个由相互作用的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈等圈层构成的统一系统,重点研究各组成部分之间的相互作用,了解整个地球系统的过去、现今及未来的行为,为全球生态环境问题的解决提供理论基础与对策方案。上世纪80年代以来,地球系统科学以全球气候变化研究为重点,技术方法不断发展,研究内容不断丰富,研究体系日趋完善与成熟。

(1)以观测、机理、建模与解决方案为重点,地球系统科学研究取得重大进展

地球系统观测网不断扩展与升级,地球系统监测能力不断增强。美国NASA于1991年建立地球观测系统(EOS),利用卫星与其他手段对全球陆地表面、生物圈、地球空间、大气以及海洋进行长期观测;EOS之后,启动了地球系统任务(ESM),加深对气候系统与气候变化的认识;2017年,启动了下一代联合极轨卫星系统,用于天气预报和环境监测。美国地质调查局自1972年起陆续发射LandSat系列卫星,用于探测地球资源与环境,包括调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源,监视农、林、畜牧业和水利资源利用,监测自然灾害和环境污染等。法国国家空间研究中心自1986年开始研发SPOT系列卫星,进行土地利用/覆盖变化、植被监测、自然灾害评估等。欧盟与欧洲航天局自2005年资助地球观测计划——全球环境与安全监测系统(GMES),由遥感卫星与陆地、海洋、大气等监测传感器组成,2013年更名为“哥白尼计划”,以扩大地球观测计划在公众中的影响力。

地球系统变化与过程机理研究不断深化,揭示了地球系统要素不同时空尺度下的变化规律与影响。地球系统变化包括大气过程、海洋过程、陆地过程、冰冻圈过程等,这些过程相互影响、相互作用。由于碳循环是地球系统物质和能量循环的核心,全球碳循环及其对全球变化的响应研究一直是被广泛关注的前沿问题。人们对岩石圈、陆地生态系统、海洋、大气以及人类社会等碳库的储量、在全球碳循环中的地位及其作用机制有了深入的认识。人们认识到土地利用、覆盖变化是造成全球变化的重要原因,很多学者对土地利用变化引起的区域气候、土壤、水文、地质等因子变化及其对生态系统影响进行了大量研究。针对全球变化的生态系统影响,学者从植物群落、植物生理生态、地下生态、水生态系统、生物入侵、生物多样性等方面开展了深入研究。

先后建立了多个地球系统模拟模型,地球系统变化预测能力大幅度提升。上世纪80年代以来,很多研究机构陆续开展了大气模式、海洋模式、陆面模式、海冰模式等地球系统模拟模型的研发和应用。2000年美国NASA提出构建地球系统建模框架ESMF,包括核心框架、天气及气候建模、数据同化应用等,为地球系统建模提供了一个标准的开放资源的软件平台。ESMF发展至今,已经拥有40多个模型,包含大气圈模型、大气动力学/物理学相关模型、海洋模型、陆地和陆表模型、水文学/分水岭模型等。欧洲提出了欧洲地球系统模拟网络(ENES)计划,包括地球系统模拟集成和气候资料存储与分发两个计划,目标是建立一个高效的欧洲地球系统模拟和气候预测系统进行集成模拟研究。日本在上世纪90年代启动了“地球模拟器”计划,于2002年研制成功,并在国际上率先开展了超高分辨率的全球气候系统模式的发展和模拟研究。中国科学院开发了地球系统模式CAS-ESM,集成了大气、陆面、陆冰、海洋、海冰等分量模式。

应对全球变化提出了系列减缓、适应方案,服务制定政策、编制规划和措施决策。基于地球系统观测、机理研究与模型模拟预测,开展全球变化的适应与可持续发展研究是地球系统科学研究的重点之一。2015年,《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》,将所有国家都纳入了呵护地球生态确保人类发展的命运共同体当中,目标是把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内努力。越来越多的研究强调通过人类自身行为的改变,主动适应地球系统变化;通过土地系统和景观的重新设计,协调生态系统服务和人类福祉之间的相互关系;通过社会-经济-环境可持续性的综合协同,降低地球系统变化的风险。

地球关键带研究的调查-监测-研究循环体系框架

(2)促进自然科学与人文科学融合和推进更加平衡的多学科集成,成为地球系统科学发展的未来趋势

国际科学理事会(ICSU)于2010年提出了面向全球可持续发展地球系统科学面临的5大挑战:一是如何提高对未来环境条件及其影响预测的实用性;二是如何发展、增强和集成必要的观测系统用以管理全球和区域环境变化;三是如何预见、识别、避免与管理破坏性全球环境变化;四是采取什么样的制度、经济和行为变化以迈入全球可持续发展路径;五是如何在技术研发、政策制定与社会响应中鼓励创新来实现全球可持续性。

面临这些重大挑战,地球系统科学将会从自然科学主导的研究转变为有广泛的科学和人文领域参与的研究,从单学科主导的研究转为更加平衡的多学科集成研究。“未来地球计划”未来10年将集中在3个方面:动态行星地球——观测、解释、了解和预测地球、环境和社会系统趋势、驱动力和过程及其相互作用;全球发展——获得管理食物、水、能源、材料、生物多样性和其他生态系统功能和服务所需要的知识;可持续性转型——了解转型过程与选择,评估跨部门和跨尺度的全球环境治理与管理战略。

中国所提出的构建人类命运共同体理念,得到了国际社会的高度认可。这一理念被联合国纳入相关决议,与“未来地球计划”等一起共同引导与推进全球生态文明建设。

2. 地球关键带理论:服务构建山水林田湖草生命共同体

地球关键带是指异质的近地表环境,岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用,在调控着自然生境的同时,决定着维持经济社会发展所需的资源供应。地球关键带科学为近地表圈层地球系统研究提供了一个整体框架,在此框架内开展全面、系统、持续、深入的跨学科研究。可以说,地球关键带科学是地球系统科学在近地表圈层的具体实现,为地球系统科学提供区域理论基础并服务于区域与全球可持续发展。

(1)融合地质、水文、土壤、生态等学科,地球关键带科学快速发展

通过探索,地球关键带科学形成了一条整合研究的技术框架:循环上升的调查-监测-研究体系。通过调查、监测和研究的循环进行,不断深化对关键带及其过程时空变化规律的认识;在此基础上,通过对图件、数据和成果集成分析,针对管理者、科学家、社会公众等服务对象生产各种产品,将关键带研究成果最大程度地传递给社会。

调查是了解地球关键带组成与结构的基础,也是部署监测和开展建模的基础。2012年,美国地质调查局发布了其核心科学体系科学战略(2013~2023),明确将地球关键带作为其研究的核心靶区,提出针对关键带的结构和过程进行调查,建立关键带3D/4D地质框架模型。针对土壤侵蚀、盐渍化、有机质减少和滑坡等土壤环境问题,欧盟委员会发布了土壤保护主题战略,将传统的1~2m深的土壤层扩展到地表至基岩之间的未固结土层进行调查和研究。关键带调查的主要目标之一是回答“关键带如何形成与演化”这一基本科学问题。欧盟资助的欧洲流域土壤变化项目选择了代表土壤形成不同阶段的4个地区进行调查研究,分析确定关键带形成演化的影响因素和关键带生态服务的可持续性。

监测是了解地球关键带随时间变化的基础,为建模提供所需的输入数据和校正数据。美国国家科学基金会于2007年启动了关键带观测计划,先后建立了10个关键带观测站,以流域为单元,对关键带各种要素进行长期观测。德国亥姆霍兹联合会于2008年启动了陆地环境观测建设项目,先后建成了4个陆地环境观测站,为区域尺度气候变化研究提供地下水、包气带水、地表水、生物和大气的基础观测数据。法国则通过提升现有的“河流盆地网络”所属的观测站,建设关键带观测设施,以流域为单元对关键带要素进行观测。欧盟委员会于2009年启动了“欧洲流域土壤变化”项目,选择4个典型地点建立了地球关键带观测站,将土壤监测作为长期观测的重点。

建模对于深化对关键带形成、运行与演化的科学认识具有重要的作用,始终是关键带科学研究的重要领域之一。例如,美国关键带观测计划的重要目标之一是建立能够描述关键带生态过程、生物地球化学过程和水文过程的系统模型,定量预测气候变化、地质作用和人类活动下关键带结构和功能的响应。关键带过程模型大致可分为两类:一类是描述单个过程的数学模型,一类是描述多个过程叠加的耦合过程的数学模型。对于前者,目前已建立了较为成熟的模拟模型;而对于后者,是关键带建模的重点和难点,尽管近年来做了很多探索工作,耦合模型还远不成熟,仍在不断发展中。

(2)随着地球关键带科学的形成与发展,或将促使地球表层研究发生科学变革

地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为区域资源、环境和生态问题研究提供一个完整的系统框架。地球关键带科学研究尚处于探索阶段,近年的进展表明地球关键带科学有潜力促使地球表层研究发生科学变革,为经济社会面临的气候变化、生态系统管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。未来地球关键带科学研究发展方向包括4个方面:开发一个统一的地球关键带演化理论框架;开发耦合的系统模型来探究地球关键带服务;开发一个集成的数据和测量框架并进行验证;建立多学科集成的地球关键带观测站。

从国内生态文明建设的实践中,我国提出了“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念。在内涵上,地球关键带与山水林田湖草异曲同工,前者侧重理论,后者侧重实践,目标均是推进区域生态环境治理。地球关键带科学是山水林田湖草系统治理的理论基础,后者则是前者与实践相结合的应用体现。地球关键带科学与山水林田湖草生命共同体理念共同构成了区域生态环境治理的理论框架,共同推进区域可持续发展。

对地质调查工作的思考

地球系统问题得到了政府与学术界的高度关注。在社会治理层面,围绕人类社会持续发展需求形成了“两个共同体”理念——人类命运共同体与山水林田湖草生命共同体。在学术层面,随着全球观测、信息等技术的进步,以问题为导向,地球科学形成了新的分支——地球系统科学,聚焦近地表圈层衍生了“地球关键带”新领域。由此,政府与学界在应对地球系统问题方面高度契合,共同构成了完整的理论框架。地质调查工作应树立人类命运共同体与山水林田湖草生命共同体理念,以地球系统科学理论为指导,以地球关键带为重点,加强调查、监测与机理研究,加强综合评价,服务和支撑生态文明建设。

一是以地球关键带为重点加强综合调查评价。将地球关键带作为地质调查工作的重点靶区。按照统一的技术规范和标准,开展不同尺度的专业性基础性地质调查,充分反映地质框架的成土条件、成矿条件、水文条件等多种属性,建立地球表层三维地质框架模型。充分利用现代信息、网络、大数据等技术,加强区域问题综合评价,形成基础扎实、数据可靠、形式多样的综合评价产品,服务区域生态治理与自然资源综合管理。

二是以服务生态保护修复为目标加强生态地质调查。根据自然资源管理与生态保护修复需要,选择典型地区探索开展生态地质调查,形成生态地质调查技术规范。根据自然资源勘查开发的源头保护、利用节约与破坏修复全过程需要,推进不同尺度生态地质调查,提出生态保护修复地质解决方案。

三是以服务全球资源治理为重点加强全球问题合作研究。以“一带一路”倡议为抓手,加快推进矿产资源勘查开发国际合作,加强产能合作,促进全球资源优化配置。立足我国优势,在前沿与关键领域,策划实施地学大科学计划,以全球岩溶动力系统资源环境、地球化学调查、青藏高原特提斯演化与资源-环境效应等为重点,推进国际地学大计划合作。

四是以资源环境要素为重点加强地球系统探测与监测。采用卫星遥感、航空遥感等对地观测技术,定期采集全球与区域资源环境要素数据。协调、整合、新建观测站点,形成地球关键带综合监测网。开展区域自然资源数量、质量与生态综合监测,及时提出预警。围绕深部资源勘查开发与灾害防治需要,加强地壳深部探测。

五是以提升自然资源管理决策支撑能力为重点加强地质大数据建设。整合现有地质、资源、环境、生态等调查数据,构建地质大数据核心数据库体系。建立资源环境要素数据动态更新机制,实现地质大数据与自然资源管理需求在时空上的契合。与经济、管理、社会等相关基础数据无缝链接,为自然资源管理与资源环境治理提供全方位支撑。

六是以过程机理研究为基础加强综合评价。基于三维地质框架模型,加强地球系统物理过程、化学过程、生物过程的机理研究,建立地球系统或地球关键带模拟模型。基于机理模型,考虑不同社会经济发展情景,对所面临的问题进行综合评价,有针对性地提出地质解决方案。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局发展研究中心)

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