中图分类号:X144;P901 1 引言 地球系统科学是以地球系统为研究对象,重点研究各圈层、各要素以及自然和人为现象之间相互作用关系的科学,是在科学技术自身发展和社会需求共同推动下发展起来的新兴学科领域。地球系统科学概念是为了解决全球性的资源和环境问题而提出的,这标示着地球科学的发展已经开始由传统地球科学向综合集成方向的重大转变[1,2]。地球系统科学强调其研究思路必须将地球的各组成部分和各圈层作为有机联系的系统,综合集成性地研究全球尺度的各种物理、化学和生物学现象与各种复杂过程的相互关系[3,4]。目前在地球系统科学思想的指导下,在全球规模上已经组织了一系列重要的国际联合研究计划,企图组织全球的科学家协作推动地球科学的发展[5,6]。 地球系统科学的研究离不开强大的对地球系统各要素和各圈层的物理、化学和生物过程综合观测工作的支持,各种类型的观测工作是发展地球系统科学的主要数据来源和重要的基础工作[7]。自20世纪80年代以来,一些国家、国际组织和国际合作项目都纷纷建立了国家、区域甚至全球尺度的观测、监测和信息共享网络[8]。生态系统观测研究网络是自20世纪80年代开始建设的全球地球表层过程观测网络之一,其目的是对全球的不同类型生态系统开展联网式动态观测研究,在区域性的生态、环境和资源问题的监测和研究中发挥了重要作用。生态系统观测研究网络的主要研究内容集中在对某些特定生态过程或现象,如生态系统演替、气候变化、干扰、火灾等长期处于动态的、周期性的过程和现象的变化及其生态环境效应等科学问题的长期研究[9]。本文从发展地球系统科学的新高度和社会需求的角度,重点讨论生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用,探讨中国生态系统研究网络(CERN)以及中国国家生态系统观测研究网络(CNEN)科学观测的发展思路和重点方向。 2 地球系统科学的发展、研究内容及其手段和方法 2.1地球系统科学的概念提出与发展 人类社会的可持续发展是地球科学所面临的当前最为严重的挑战性问题,目前人类所面临的各种环境问题实质上是地球各圈层相互作用的结果。在20世纪80年代中后期,科学家们就已普遍地认识到,要解决全球性的生态环境问题必须把整个地球作为一个由各圈层或子系统间相互作用的复杂系统开展研究工作,并提出了地球系统科学的概念[10]。地球系统科学是以地球系统为研究对象,综合研究地球系统的各圈层、各要素以及自然和人为现象之间相互作用关系的新兴科学,是地球科学自身发展和紧迫的社会需求共同推动的产物。地球系统科学概念的提出,标示着地球科学的发展已经由传统的地球科学系统阶段[11],经过系统的地球科学阶段[12],进入了一个地球系统科学的新阶段[10,2],它标示着地球科学研究工作重点向综合集成方向的重大转变[1,13,14]。 地球系统科学研究需要有效的国际合作和各国科学家的协作,需要以全球性的科学研究计划来推动。目前在地球系统科学思想的指导下,已经在全球组织了一系列重要国际联合研究计划,包括由国际地球系统科学联盟(ESSP)发起的四大全球环境变化研究计划、由美国国家科学基金(NSF)、日本教育文化体育科学技术部(MEXT)联合发起的综合大洋钻探计划(IODP)、由国际大洋中脊协会(InterRidge)发起的全球大洋中脊研究计划(Inter-Ridge)、以及由联合国教科文组织(UNESCO)发起的国际地球科学计划(IGCP)、国际行星地球年和UNESCO联合发起的国际水文计划(IHP-Ⅶ)等(见表1)。
2.2地球系统科学的主要研究内容 地球系统科学的方法学基础是系统论,它试图用现代系统论的思维方式和科学观,把地球系统作为一个有层次结构,在社会环境系统中不断进化的极其复杂的自组织系统,并将这样一个复杂的自组织系统直接作为科学研究的对象。地球系统科学作为服务于全球可持续发展规划与对策的科学基础,它既要完成全球可持续发展中紧迫问题的研究任务,又要开展地球系统长期变化及其效应的基础理论研究,其主要研究内容包括以下几个方面。 (1)地球系统的各组成部分及其各圈层之间的相互作用:主要研究地球系统中的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈之间的物理、化学、生物过程及物质能量传递过程,及其相互作用的反馈与负反馈机制。 (2)地球系统变化的动力学特征及其起源和演化:主要研究地球的起源与演化,地球表层系统与生物圈的相互作用与反馈(生物反馈、化学反馈)关系[2]。 (3)地球生命系统的进化与生物多样性维持:主要研究地球生命的起源和进化,地球生命系统与地球环境变化的相互作用及其协同进化,多样的生物之间及其与环境之间的相互作用关系,生物多样性的演变及其维持机制,生物多样性变化对全球地球生命系统发展的意义。 (4)全球气候变化及其减缓和适应:主要研究地球气候系统的历史变化过程和变化趋势,人类活动对全球气候系统的影响,温室气体、大气污染对全球气候系统的影响。人类通过温室气体减排等措施以减缓气候变化的措施和政策,人类适应全球气候变化的生态途径、措施和社会行为。 (5)全球环境变化与可持续发展:主要研究由于全球环境变化而引发的全球性的资源与环境问题及其对人类可持续发展的影响,并在全球环境变化的背景下研究可持续发展的思路和发展模式、以及人类如何设计在全球变化条件下可持续生物圈管理计划、从而达到人类社会与资源、环境的协调发展。