我国的地球系统科学研究向何处去，本文主要内容关键词为：科学研究论文,何处去论文,地球论文,我国论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P 文献标识码：A 文章编号：1001-8166(2003)06-0837-15
从20世纪末期起，国际学术界正在经历着一场质的变化：原来分头描述地球上各种现 象的学科，正在系统科学的高度相互结合，成为揭示机理、服务预测的“地球系统科学 ”。人们发现：吹向大洋的风尘长期增多能够造成大气降温，因为会增强海洋生产力， 减少大气CO[,2]；智利岸外鱼类的大批死亡和印尼岛屿上的森林火灾同出一源，因为都 属于厄尔尼诺的效应。地球真是一个整体，牵一发足以动全身。地球科学又一场新的革 命性突破，正在来临。我国在世纪之交的地球科学战略部署中，已经十分明确地将地球 系统科学定为基础研究的总方向[1，2]。现在，在讨论制定国家科技发展中长期规划的 时候，有必要对国内外地球系统科学的研究作一次比较，在“低头拉车”的同时也来个 “抬头看路”，对学科发展的走向提出一点管窥之见，就正于同行。
1 差距在缩小还是在扩大?
近年来，“全球变化”、“地球系统科学”已经广泛列入各种有关的科学研究发展计 划，并且广泛开展，成绩卓著；有关地球系统科学的专著论文以及教材，也已经有相当 数量。可喜的是这些研究成果，不仅为我国社会的可持续发展做出贡献，而且有一部分 研究已经进入国际前沿。如果5年前我们曾经为我国地球科学国内论文数量失控、国际 论文停滞不前而忧虑[3]，那么现在真应当刮目相看，我国地学的国际论文数迅速增长 ，国际刊物上中国作者的姓名处处可见。
同时这世纪之交，也正值地球系统国际研究计划的新老交替。2003年更是个交接年： 成功地开展了“全球变化”研究15年的“国际地圈生物圈计划”(IGBP)，2003年转入二 期(IGBP-II)，并且与世界气候研究计划(World Climate Research Programme,WCRP)， 全球环境变化的人类因素计划(International Human Dimensions Programme of Global Environment,IHDP)，生物多样性计划(Biological Diversity Programme,DIVERSITAT)一起，组成四大计划联手的“地球系统科学联合(Earth System Science Partnership,简称ESSP)[4]；引导国际地学潮流35年的国际深海/大洋钻探计划(DSDP/ODP)，也已于2003年10月1日转入“综合大洋钻探”(IODP)的新阶段，按照“地球、大 洋与生命”的科学纲领，以3倍的投入向地球系统科学进军[5]。
当前国际地球系统科学进入新阶段，指向新高点的时候，又欣逢我国制定科技中长期 规划的良机。如果能够对学科的发展放眼未来、洞悉现状、抓紧时机、把握方向，必将 使中国地球科学长期受益，并且腾飞有日。不过同时也存在着另一种可能。数量上的增 加，本身并不等于质量上的提高；以“地球系统科学”为名称的项目与论文，也不一定 意味着进入了新的层次，摆脱了原有的局限性。
地球系统科学带来的种种新概念、新名词，并不等于科学家接受新思路、悟得新境界 。历经运动的中国人对于适应新名词并没有困难，困难在于如何摆脱“顺大溜”、“赶 潮流”的积习，真的“创新”起来。为了说明以上担忧并非空穴来风，不妨将国内与国 际的地球系统研究现状作一对比：
(1)国际讨论的许多重大问题，不见于国内。以2003年4月欧、美地球物理学会在法国 尼斯(Nice)联合举行万人大会为例，讨论的热点如“显生宙的大气历史”，“地球与类 地行星的岩浆发生与演化”，“大气圈与生物圈的交换：从源到汇的全面探讨”，“地 幔构造与成分：地球物理与地球化学模型的协调”等[6]，均属地球系统科学的范畴， 却都是我国不熟悉或者不太熟悉的题目。
(2)重大国际计划的学术总结，往往不见我国参与。一些国际合作计划，在实际观测和 数据采集中我国曾积极参加，大力投入；到这几年进行学术总结时，我国学者的参与却 大幅度下降。我们可以在研究计划的外圈为产生数据出力，却进入不了核心，在材料“ 组装”和理论探讨中发挥作用。
与传统的地球科学相比，地球系统科学从原始数据到科学解释之间的工序增多，“原 料”的加工变深。和国际市场经济相似，学术界也正发生着两极分化：许多国家只能输 出“原料”，只有另一些国家才能够进行原料的“深加工”。在经济上这是穷国与富国 的分野，而且有穷者更穷、富国更富的趋势；同样的趋势也在学术界出现。穷国为原料 能够出口而高兴，科学家也为其数据能为国际所用而庆幸；何况无论数据或者理论，发 表出来都是文章。不过科学进步并不是以文章的数量，而是以科学问题的解决来衡量的 。正当我国学术界热衷于计算“SCI”论文数量的时候，国际学术界却在向地球系统科 学的核心问题发起攻势。如果安于现状，只以文章数量为满足，若干年后将会发现，我 国尽管成为更大的数据输出国，而在学术水平上的国际差距却拉得更大。
对于国际合作，我们的习惯是“重在参与”，往往以“跻身”为目标，至于合作研究 最后究竟要解决什么问题，其实并不清楚，似乎也不大在乎。结果是开始投入很大，最 后总结无份；对于这种先例，我们应当引以为戒。在大型的长期国际合作研究中，播种 者不等于收成者。关键在于我们自己能不能抓住关键环节，瞄准核心问题，避免“为人 作嫁”或者“种瓜得豆”。
2 立足本国，面向全球
技术发展和资料积累，打开了地球科学家的眼界。研究碳循环提出“从源到汇”，研 究季风提出“全球季风系统”，研究海洋提出“大洋传送带”，研究地层提出“层序地 层学”，都是从不同角度推进到宏观的新视野。尤其形象的是航天技术，使得人类能够 从太空看地球，因此有人把地球系统科学比喻为“第二次哥白尼革命”。500年前哥白 尼从地球向外看，提出科学的“日心说”替代宗教的“地心说”；如今是科学家们用与 显微镜(microscope)相反的“显宏镜”(macroscope)观察地球，方才认识到整个的地球 系统[7]。两次科学上的革命方向相反：前者的观察朝外，后者的观察向内，但都是认 识上的飞跃。这种“显宏镜”就是全球视野和系统研究，如果说原来地球科学中的每一 门学科，都尽可能贴近研究对象去认识地球中的某一部分，那么新兴的地球系统科学， 却要求离开研究对象，保持适当的距离，从宏观的视角认识地球。当然，宏观与微观“ 两极相通”，正像通过基本粒子研究宇宙问题一样，地球系统过程又恰恰是通过微观手 段来研究的，同位素地球化学和微生物就是适例。
可见，全球视野是地球系统科学的前提，遥测遥感、地理信息系统和计算技术，是其 “显宏镜”的重要部件。十几年来“全球变化”的研究令人信服地表明：当今世界的自 然条件都在变化，而这种种变化之间，又有着意想不到的相互联系。温室气体排放的后 果，不仅使大气的CO[,2]增多、全球变暖，而且造成地球表面一系列界面的抬升：海平 面抬升，20世纪以来每年平均上升1.5～2.0mm[8]；雪线上升，非洲最高峰的雪线近90 年升高数百米[9]；连大气圈对流层顶的高度也在上升，20年来平均上升200m[10]。温 室效应使对流层增温，臭氧洞使平流层减温，结果使得对流层顶升高。温室效应不仅改 变海平面，还改变着海水的化学成分：每年估计有650km[3]的融冰淡水添进大洋，使得 海水变淡[9]，比如南极的罗斯海40年来盐度下降0.1‰[11]；大气CO[,2]增多，降低海 水碳酸盐饱和度，100年来热带表层海水文石饱和度(Ω-arag)从4.6降到4.0，到了珊瑚 礁生长的下限[12]，减弱了造礁珊瑚建造骨骼的能力和浮游生物“超微化石”的钙化程 度[13]，全球的珊瑚礁到2000年已经减少27%[14]。温室效应甚至还可以间接地改变地 球重力场：冰消期以来冰盖消融、地壳反弹，地球扁率长期下降；而近期的冰雪消融使 海水质量由南大洋北移，1997年起地球的动态扁率停止下降，转为上升[15]。这一串连 锁反应，虽在意料之外，却在情理之中。
温室效应引起的变化涉及所有圈层，全球范围内无所不在；同时也只有从全球着眼， 观察到的局部变化才可理解。赤道非洲的深水大湖坦噶尼喀湖，浮游生物量25年来下降 1/3，原来是全球变暖造成上层湖水增温，水柱分层加剧，营养物不能上返，缺氧层也 从百年前的300m扩展上升到现在的180m[16]。如果不从全球出发，找不到变化的原因。 相反，就地找到的解释，其实并不见得就是真正的原因。第四纪以来海洋沉积速率加快 ，我国习惯地归因为青藏高原的隆升；但是这种加快现象遍及全球，其实是第四纪冰期 大幅度的海面升降，使沿海平原与陆架大量沉积搬运入海的结果[17]。在地球科学中， 许多现象往往先从某个地点发现，先用局部原因解释，等到更多地点、甚至到处都有发 现，才意识到是全球现象。无论“厄尔尼诺”(El Ni
o)还是“新仙女木事件”(Younger Dryas)，起先都认为是局部事件，现在才明白只有在全球系统内方能理解。季 风是一种区域现象，但是亚、非、澳三大洲的季风有着内在联系，加上美洲季风，构成 “全球季风”[18]系统，从全球系统出发才能更好理解各个子系统。
然而这并不符合中国地学界的习惯。我们习惯于就地取材、为我所用，从应用层面看 ，这本来无可非议；至于基础研究，全球问题似乎向来是发达国家的事，我们从中国的 实际出发，所得的结果能为其所用，便算成功。而这正是今天我们要大声疾呼，呼吁尽 快改变的旧习惯。无论从我国地球科学的实力和投入看，还是从我国经济与权益的国际 竞争看，都到了走出国门、面向世界的时候。应当重新考虑我国地球科学的定位，不能 以“原料输出”为满足。应当从地球系统科学出发，改变我们的研究视角：或者从全球 问题出发，用中国材料入手研究；或者从中国问题出发，在全球的高度进行分析。我国 地学的成果在国际舞台上的体现低于其实力，原因主要不在语言障碍，而在于视角过低 ，就事论事有余，“上纲上线”不足，难于引起国际兴趣。相反，凡能利用本国特色又 能针对全球问题的，便容易走上国际接轨之路，黄土高原的古环境研究便是一例。
以上所述，都是环境变化研究的全球性，其实在资源领域里情况也相类似。在一切靠 “自力更生”的社会里，资源势必属于局部问题；而对于进入全球大循环的市场经济， 资源自然具有全球性。目前我国至少在能源方面已经提出“建立全球供应体系”的问题 [19]，油气勘探也早就“冲出亚洲，走向世界”；随着1994年《联合国海洋法公约》生 效，国际海域的资源之争也已日趋尖锐。当前面向全球的问题，在海洋科学战略上格外 突出。尽管我国的地学界已经活跃在深海与两极，但当年那种“家门口还没搞清楚，走 出去干什么”的思想，还往往挥之不去，总觉得近岸浅海才是我们该去的地方。殊不知 不走出去，家门口就永远搞不清楚。水深超过2000m的深海，占地球表面60%，舍去深海 “地球系统”便无从谈起；三四十年来地球科学的许多突破都来自深海，更加证明其重 要性。当然，这决不是说可以放松近岸浅海的研究。其实在应用层面上，海岸带和陆架 无疑更有直接意义；在基础研究上，也会有更多的力量投放在近海。我们说走出国门、 走向深海，决不是说多数的人力物力舍近就远。以中国地球科学队伍之大，只要一小部 分力量走出去，直接进入国际竞争，就可以在国内产生辐射效应，促使整个地球科学界 扩大眼界、面向全球。
3 地球与生命科学交叉的新高度
近10几年“全球变化”和“大洋钻探”研究中最大进展之一，在于地圈与生物圈相互 关系认识的突破，结果是将地学与生命科学的交叉，提高到一个空前的新高度。国际学 术计划将这种交叉定为新世纪前沿的首选[5]，而在我国似乎还没有提上日程。
地学与生命科学的结合，并不是个新命题。地质学创立伊始，就与生物学结下不解之 缘：地质年代便是以生命演化为序的。但传统的生物地层学是建立在化石形态的肉眼鉴 定基础之上，难免其片断性和表面性。世纪之交，地球科学向地球深处和地球以外发展 ，生命科学向更加深入的微观世界进军，正是在这里产生了两者交叉的新层次：地下深 处微生物的发现，在分子生物学与生物地球化学的层面上，开拓了全新的研究领域。原 来所说的许多地学过程，其实是生物活动的结果；原来探索的生命演化，其实是地学环 境变化的产物；原来分头研究无从理解的一些现象，地学与生命科学的结合提供了全新 的答案。
70年代末“Alvin”号深潜器在东太平洋发现深海热液活动和热液生物群，说明地球上 不仅有我们所习惯的“有光食物链”，还存在着“黑暗食物链”。前者依靠外源能量即 太阳能，在常温和有光的环境下，通过光合作用生产有机质；后者依靠地球内源能量即 地热支持，在深海黑暗和高温的环境下，通过化合作用(chemosynthesis)生产有机质。 现在各大洋发现这类热液生物群的地点已经数以百计，最近的在冲绳海槽[20]。黑暗食 物链的基础，是在还原条件下进行化合作用制造有机质的原核生物(Prokaryotes)，包 括细菌与古菌(Archaea)，推测与生命起源时的生物群相近。近年来发现，在数千米深 海海底下面数百米的深处，还有微生物在地层的极端条件下生存，这种“深部生物圈” 虽然都由微小的原核生物组成，却有极大的数量，据估计其生物量相当于全球地表生物 总量的1/10[21]。与热液口“自养”的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地层里 的有机物实行“异养”，从地中海底第四纪的腐泥层[22]，到美国白垩纪的有机质页岩 里[23]都有发现，它们的新陈代谢极其缓慢，但“寿命”极长。它们也可以在洋中脊的 玄武岩里生长，依靠玄武岩的蚀变为生[24]；甚至海底火山爆发也发现有超高温细菌， 引起国际学术界极大的注意。对于深部生物圈，大洋钻探早在90年代就在十几个站位进 行探测[25]，最近又组织了专题航次，而在新的“综合大洋钻探”学术计划里，已经上 升到科学目标的首项[5]。
“深部生物圈”的发现，大大拓宽了“生物圈”的分布范围，直到极地冰盖、火山热 泉和洋底地层，几乎无所不在。生物的分类，也扩展到古菌、细菌与真核生物三大类[2 6]。地球历史的85%只有前两类组成的原核生物，它们从还原到氧化环境都有分布，在 地球系统的时空坐标中占据一大片，而我们熟悉的动、植物只是真核生物中的一部分( 图1)[27]。生物圈概念的变化，带来了地学和生命科学关系的变化。真核生物的多样性 在于结构形态和行为特征；原核生物的多样性却在于新陈代谢的类型。真核生物只能以 “燃烧”氧作为能源，原核生物却能“燃烧”不同成分(SO[2-][,4]；NO[-][,3]；
NO[-][,2]等)获得能量，因而新陈代谢类型不同[28]，产生的生物地球化学效果也就多 种多样。结果在地学和生命科学之间，出现了新的交叉层面：在分子生物学和生物地球 化学层面上的交叉。
图1 生命演化示意图，表示按基因分类的生物在地质年代和环境里的分布(据文献[27 ]简化)
Fig.1 Evolution of life:A diagram showing the genetically based tree of
life in a temporal and environmental framework(simplified from[27])
同心线表示年龄，单位10亿年，外圈为现代；化学符号及图案表示生存环境
Dotted lines indicate age in billion years,periphery is the present;
chemical symbols and patterns denote enviroments
传统地质学与生物学的关系主要在于古生物学、生物地层学和古生态学，主要靠的是 具有不同形态因而得以鉴定的真核生物化石。原核生物不靠形态鉴别，现生的原核生物 也是靠生物化学、DNA序列和基因组的研究方法加以识别，它们通过生物地球化学的途 径影响地圈，改造深部和地表的沉积与岩石。对原核生物而言，要在分子水平上、而不 是生物体的水平上研究地圈与生物圈的结合，于是“地质微生物学”(
geomicrobiology)作为新兴学科应运而生[29，30]，并在近年来迅速发展。微生物在沉 积物中的生物地球化学作用，既是微生物的生态学，又是沉积地质过程的动力学，回答 着沉积物及沉积矿产研究中许多为什么的问题。从金属矿到天然气水合物，从火山口到 岩溶洞，无处不有微生物的活动，许多原来以为“无机”的地质过程，其实都是生命活 动的结果。传统地质学里生物的“主角”是大化石，其实改造地球的首先是原核生物， 它们的生态过程影响着化学元素周期表里几乎所有的元素，默默无声地“耕耘”了40亿 年，直到今天才有可能得到重新评价。生命演化史的研究很像社会历史，引人瞩目的恐 龙、鳞木固然重要，但真的要揭示机理，还非要深入到原核生物不可。全面看来，地球 生态系统的根本基础在于原核生物[31]，它们才是“真正的英雄”；而我们熟悉的大型 生物其实是生态系的顶层，相当于社会史里的“帝王将相”。寻找地球和生命系统演变 的规律，必须深入“基层”，深入到分子生物学和生物地球化学的水平，才能理解地球 系统的运作；恰如研究社会历史要深入到生产方式与社会结构，才能成为科学一样。
需要为微小生物“翻案”的不仅是海底和地下，也包括海水的表层。新技术的应用， 发现了用普通显微镜看不见的微微型浮游生物(pico-plankton，粒径＜2μm)，其中包 括能够进行光合作用的细菌，它们在贫养的开放性大洋中可以构成初始生产力的主体[3 2]。比如粒径才0.4～0.8μm的原绿球菌(Prochlorococcus)在热带、亚热带寡营养海域 可占总生产量的90%以上。而且浮游异养细菌能够吸收海水中的溶解有机碳(DOC)形成颗 粒有机碳(POC)，构成“微型生物环”(microbial loop)[33]，增加了海洋“生物泵” 的复杂性[34]。然而正是这些微型生物通过碳循环和氮循环，在很大程度上决定着海洋 在气候变化中的作用[35]。
众所周知，陆地植被与海洋生物的光合作用，调控着大气的CO[,2]。陆地植被生物量 大，含碳总量比海洋浮游生物高百倍，但后者的生命周期短，结果两者对现代大气CO[, 2]的影响基本持平，海洋中这些肉眼看不见的浮游生物和陆地森林一样调节着气候变化 。假如海洋的浮游植物全部死去，不出几百年就可以使大气CO[,2]增多将近一半[36]。 因此以碳循环为代表的海—陆生物地球化学(biogeochemical)过程，是“全球变化”“ 国际地圈生物圈计划”的核心，也是学术界注意的重点。当然生物地球化学作用不限于 碳循环和温室效应，比如海洋浮游生物产生的二甲基硫(DMS)[37]和陆地植物释放的非 甲烷烃类都会形成气溶胶，直接影响反照率与云量，影响大气辐射和大气化学[38]。与 此对应的是生物圈的物理作用，生物地球物理(biogeophysical)过程在地球表层系统水 循环中的重要性，也是地球系统科学的新课题。陆地植物不仅通过蒸腾作用参与水循环 ，而且可以直接影响大气圈的动力和热力结构以及云状况。举例来说，大气边界层的高 度与森林类型相关，干旱的北方树林覆盖比较稀，感热通量比较强，大气边界层高达2 ～3km；潮湿的温带树林水汽的作用活跃，辐射量主要用于蒸发，大气边界层不过千米[ 39]。亚马孙河流域世界上最大的热带雨林近年来遭受破坏，25年中仅巴西一国便减少5 0万km[2]；森林的破坏使得蒸发量减少，大气边界层增高700m[40]，同时又影响大气中 云凝结核(CCN)的浓度，导致云量减少、雨量下降[41]。
如果放眼历史，从分子和化学的高度，来考察生命演化及其与地圈的关系，“柳暗花 明”的感觉更加鲜明。分子生物学推进了基因组学的迅速发展，一方面将让我们理清生 物的和非生物的地球化学作用，揭示地球化学循环的演变过程；另一方面也为研究生命 演化提供了全新的途径[27]，基于现代生物的分子生物学、形态学与化石记录三结合的 演化“生命之树”正在出现和完善[42]。推测生命起源于还原环境下高温的热液口[43] ，而生命的出现就必然改变地球上的地球化学作用，开始了生物圈与地圈协同演化的历 程。生物圈改造着大气成分，而改变了的大气又要求生物做出响应，因此光合作用演化 和固氮作用演化，都是地球系统研究的重要内容。生物先从热液的化合作用发展到厌氧 环境下的光合作用，后来才是我们所熟悉的氧化环境下的光合作用[43，44]。4亿年前 泥盆纪时陆生植物的迅速发展导致了大气圈CO[,2]减少和含O[,2]量上升[45]；但是头3 5亿年的地球生命史，主角还是微生物，大气的改造首先应当归功于它们。纵观时空， 生物圈在还原环境下由原核生物组成，可以有多种多样的光合作用途径[29]；而真核生 物则要求氧化环境，光合作用的途径也相应减少。由于光合作用演化发生时大气CO[,2] 丰富，催化光合作用的酶Rubisco适应于CO[,2]高浓度的环境[46]。到了新生代，随着 大气CO[,2]的减少，Rubisco仍然十分保守，致使光合作用效率低下，必需另辟蹊径。 采用新的光合作用途径的C4植物在800 Ma前大为兴盛，就是适应性演化的一例[47]。至 于固氮作用，在大气中富含NH[,3]的太古代早期还提不上日程[48]，而现代海洋里固氮 作用的盛衰成为制约生产力的关键因素[49]，固氮作用的强弱也成为海洋生物泵和环境 演变的重要内容[50]。生物圈与地圈协同演化如此密切的关系，令学术界惊叹不已，因 而James Lovelock[51]提出了“盖娅”(Gaia，希腊神话里的地神)假说，认为地球犹如 有机体能够自我调节，提倡研究“地球生理学”。
反过来看，生物学的演化过程，也往往有“地圈”事件的背景。人类演化的冰期背景早 已提出，而石炭纪出现巨型昆虫，据推测是大气O[,2]浓度高达35%的后果[52]。这类假 说海洋里比陆地更多。早已发现，随着洋中脊扩张速率和海水Mg/Ca比值的变化，大洋经 历了“方解石海”与“文石海”的轮回，后来也得到了岩盐包裹体分析[53]和海胆化石 元素分析[54]的证明。科学家们提出，正是这种轮回决定了不同类型造礁生物的更替(图 2)，以及第三纪超微化石盘星类方解石骨骼的退化[55]。许多海洋浮游生物的演化产生 ，也都有着海水化学的背景。比如浮游有孔虫在侏罗纪的出现，有可能是天然气水合物 分解造成海底缺氧事件，驱使底栖有孔虫转向水层生活的结果[56]。人们也在探讨“寒 武纪大爆发”与新元古代“雪球式地球”的关系，古新世末底栖生物大灭绝与天然气水 合物事件的关系[57]等。与前述分子层面的学科交叉不同，我国在生物演化的古海洋学 背景方面，有着极好的化石基础和研究实力，应该是在较短期间便能发展和取得成绩的 重要方向。
图2 大洋海水成分与造礁生物演化关系示意图
(据文献[53～55]改画)
Fig.2 Comparison of ocean water chemistry with major reef builders in
temporal distribation
(modified from[53～55])
4 要记录更要过程，要现象更要机理
地球系统研究中，既有现象描述、采集记录的方面，又有追踪过程、探索机理的方面 。前者是基础，后者是目标，地球系统科学作为一门科学的基础理论，就寓于这机理之 中。地球系统过于复杂，不大可能用牛顿定律或者门德列也夫周期表这样简明的基础理 论加以概括，但是必然会有地球系统运行、演变的自身规律，这就需要通过现象的记录 去探索机理。这种探索，可以用厄尔尼诺和“铁肥试验”两个近年来的研究实例加以说 明。
厄尔尼诺现象早已发现，到60年代认识到这是热带太平洋海气相互作用中的重大异常 ，但是不清楚形成的机制。1985年热带大洋与全球大气计划(TOGA)开始，在太平洋赤道 两侧投放了将近70个锚系，对水文、风速、风向等连续观测10几年，追踪大气与上层海 水的变化，终于揭出西太平洋暖池次表层水温度与东太平洋上升流的关系，为预测一年 或半年后厄尔尼诺的发生提供了一种依据和初始资料[58]。随后的研究又发现，厄尔尼 诺的强弱变化多端，而且热带太平洋与大气之间这种不稳定的相互关系也见于年代际的 变化[59，60]和更长的时间尺度，同时还发现厄尔尼诺影响着全球的气候系统，并且通 过对生产力的调控，成为在年际尺度上影响全球碳循环最强的天然因素[61]。证据表明 ，热带太平洋的厄尔尼诺影响着北大西洋涛动(NAO)[62]，南极偶极子(Antarctic
dipole)[63]等，说明热带过程可以影响所有的纬度[64]；相反，中高纬区也影响着热 带过程，如亚热带水下沉到热带温跃层上涌，使得厄尔尼诺本身受到热带/亚热带海水 交换的调控[65]。热带和外热带通过这种“大洋隧道”和“大气桥梁”相互交换、相互 影响[66]，构成了地球气候系统的实际过程。进入到地质时间的长尺度，珊瑚记录表明 厄尔尼诺的频率与强度有20ka的周期，反映出岁差驱动[67]；数值模拟同样得出有千年 等级与轨道周期的变化，当岁差驱动微弱时，厄尔尼诺可能停息几百年[68，69]。厄尔 尼诺的研究，通过现代观察、测试与古代记录的分析，揭示出热带过程影响全球气候系 统的重要途径，是地球系统科学的成功之举。
机理探索的另一实例是“铁肥试验”，是指在大洋里添加二价铁提高初始生产力的现 场试验。全球变化研究的直接推动力来自CO[,2]的追踪：人类活动排放的CO[,2]远超过 大气中的增量，而在追踪“丢失了的CO[,2]”时大洋“生物泵”首当其冲。确实，海洋 中细微的浮游植物，承担着今天地球上光合作用的一半任务，调控着大气CO[,2]的浓度 变化。针对赤道东太平洋、南大洋等海区“高养低能”(HNLC，指营养盐高而生产力低) 的怪现象，80年代美国John Martin[70]提出了“铁假说”，认为海水中铁元素的缺乏 ，限制了浮游植物的生长，因为海洋浮游植物的生长必须有微量的铁，而铁在现代氧化 环境下的海水中极难溶解。冰期时风尘大作，为大洋带来铁元素、提高生产力，从而降 低大气CO[,2][71]，正好解释了极地冰芯中温室气体(CO[,2]，CH[,4])的浓度、大气降 尘的浓度与冰盖体积一起变化的记录[72]。为了检验“铁假说”，近年来在东太平洋[7 3]和南大洋[74]先后进行了“铁肥试验”，从船上将二价铁倾入海中，果然诱发出藻类 勃发，生产力增加高达数十倍，证明了铁的确是大洋生产力的限制因素，而且风尘增加 可能是冰期中大气CO[,2]减少的原因，也证明了陆地—海洋—生物—大气之间环环相扣 的因果关系。但是，此类海区的沉积记录并没有展现冰期生产力的增加。而风尘带给大 洋的不仅有Fe，也还有Si等其他元素，Si却是硅藻繁盛的前提。现代大洋CO[,2]“生物 泵”的效率与浮游生物的组成关系密切：硅藻的骨骼是蛋白石(SiO[,2]·nH[,2]O)，只 会吸收碳向海底输送；颗石藻的骨骼是方解石(CaCO[,3])，除了吸收碳(形成有机质)之 外还会放出碳(形成碳酸钙)[75]，因而硅藻/颗石藻的比例影响着浮游生物将大气CO[,2 ]送入海底的能力，也就是大洋生物泵的效率。而硅藻/颗石藻的比例很大程度上取决于 Si的供应，冰期时风尘搬运加强，带给大洋的Si增多，助长了硅藻的勃发和硅藻/颗石 藻比例增高，使得沉降带海底的有机碳/无机碳比例升高，使表层海水pH的和碱度上升 ，导致大气CO[,2]含量下降。这便是所谓“硅质碱度泵”假说[76，77]，它并不要求冰 期时生产力增高，只要求浮游植物的种类变化，可能更加符合地质记录。目前虽然冰期 旋回中大气CO[,2]浓度变化的原因远未查明，但是Fe、Si通过海陆物质交换，通过生物 圈与地圈的相互作用影响冰期旋回中地球系统的变化[78]，已经十分明显。
以上两例，都是从现象出发，通过穿越不同圈层的“顺藤摸瓜”，追索机理；都是通 过现代过程，寻找地质记录中历史变化的原因。前者说的是热带过程在全球气候系统演 变中的作用，后者说的是陆源元素对海洋生产力、从而对碳循环的影响，都是涉及地球 表层系统演变中的核心问题：“冰”与“碳”的问题[79]；两者的研究很可能将会展示 ：热带风化作用通过对海洋Si的输送和硅藻/颗石藻比例的控制，是调控冰期旋回周期 性的重要因素[80]。这一类的探索，是地球系统理论研究的重点所在。2003年“全球变 化”研究转入二期(IGBP-II)的时候[4]，十分明显地展示出向两极的分化：一方面更加 贴近应用，朝着决策和管理的需要靠拢；另一方面则更加深入基础理论的探讨，探求地 球系统运作的基本原理。和其他基础理论的学科一样，地球系统科学也是由众多的机理 和规律和整体“组装”的总规律构成。地球系统变化的整体性规律，就是不同时间尺度 上的地球系统运行模态(mode)，及模态转换的条件和形式。科学是通过比较认识事物的 ，但是地球只有一个，比较的途径只能是与其他星球、尤其是类地行星系统的横向比较 ，或者与地球的过去作纵向比较。由于类地行星至少目前还不知道有生物，只能和地球 演化的早期相比，因此对现代地球系统来说，最有效的还是纵向的历史比较。
纵观历史，地球系统在不同时间尺度里经历了不同的模态，而且追溯的时间愈长，变 化的幅度愈大，而这正是揭示地球系统变化机理、获得预测能力的研究途径。人类习惯 于当前的处境，总以为今天才是地球系统的标准状态。殊不知恰恰相反：地球历史的85 %是在还原性大洋里记录的，属于陆上没有生物的荒凉世界；剩下的15%，也大都处在两 极无大冰盖的“暖室期”，是环流迟缓、变化较弱的平静世界；近30Ma前出现南极冰盖 、进入了“冰室期”，但3Ma前方才出现北极冰盖，所以今天这样两极都是冰盖的时期 只占1/10；再说这3Ma中，北半球高纬区被冰川覆盖的“冰期”占多数，今天这种“间 冰期”又属少数。这一方面警告我们决不能一叶障目，误以为今天就是地球系统的标准 [81]，另一方面也在时间里展现了地球系统的多样性。地球的历史留下了丰富多样的模 式供我们参考对比，恰如社会历史是政治家学习的宝库一样。
地球系统的历史，无非是旋回与事件的叠加。地球各个子系统的变化速率并不相同， 质量越轻的圈层变化越快，而由各大圈层共同决定的气候系统，便反映出从年际变化到 百万年以上各种各样的时间周期、准周期以及振荡。从气候系统内部造成的如3～7年的 El Nino与La Nia事件，天文因素驱动的11～900年的各种太阳周期，大约10ka的“ 半岁差周期”，20ka的岁差周期，40ka的斜率周期，100ka和400ka的偏心率周期，以及 原因不完全明白的，如1～2ka的Dansggar/Oeschger(即D/O)周期[82，83](图3)，以至 百万年以上的长周期，都在地球系统的历史上相互叠加、相互干扰，增添了记录解读的 难度。周期变化与振荡带来了气候系统的不同格局，短的如El Nio与La Nia的两 种气候格局，长的如冰期与间冰期的交替。周期短的差别小，周期长的差别大。这些格 局、模态的区别至关重要，因为在不同格局下地球系统内的能流与物流各不相同，人类 生存环境也有不同的边界条件；然而对于地球系统科学说来，更为重要的是研究不同模 态之间的转变。
图3 地球系统多种时间尺度的变化周期(只示出百万年以内的周期)
Fig.3 A spectrum of time scales of cyclic variations in the Earth System(
only those below 1 Ma are shaum)
古环境研究早就发现：地球系统存在着不同的稳定状态。今天的间冰期是一种，20ka 前的冰期是另一种，从大气、大洋的环流，到碳、氮循环的格局都不相同。两种模态之 间的过渡期，变率最大，往往呈现为灾变。距今15～8ka的“冰消期”间，北美与北欧 的冰盖消融，海面上升，海岸线从冲绳海槽一直退到如今的华北平原，平均每天后退0. 4m，实际有些时段还要快得多，具有明显的灾变性质。地球系统近2～3Ma经历了许多次 冰期，但是冰期与冰期并不相同，起初北半球的冰盖增长幅度不大，一次冰期40ka便告 融化，到后来增幅加大，一次冰期的冰盖要到100ka才化，这种从4ka转到100ka周期的 “转型”便是地球系统演变的关键，“转型”机理也就是地球系统科学研究的重点。
地球系统不同模式的转换，不一定要到万年尺度，事实上眼前就在发生。在格陵兰和 北欧之间的表层海水由于变冷而下沉，所形成的北大西洋深层水(NADW)被认为是全球“ 大洋传送带”温盐流的源头，NADW生产的停止可能会导致全球变冷[84]。冰期的记录表 明，北大西洋北部的融冰事件可以导致表层水变淡以至NADW停产，当前人为因素引起的 全球变暖，确实可以造成表层海水变淡，减少NADW生产的势头[85]。科学家们分析，如 果NADW的生产减少到一定程度，就可能使“大洋传送带”停运，甚至引起部分洋流的逆 转，使地球系统跳跃到另一种模态，引起全球性灾变。这里重要的便是把握这种模态跳 跃的临界值。地球是一个高度非线性的系统，只在一定变化范围内才呈线性关系，超过 一定“阈值”后就会发生突变，转换到另一种模态。在长时间尺度上看，地球系统“运 作”的不同模态，以及不同模态转换的动力与机制，正是地球系统科学的核心理论问题 。一旦掌握了模态转换的控制因素和转换机理，地球的历史就不再是现象的堆砌，而是 环环相扣因果关系的体现。人类生存环境变化趋势的预测，也就不再是科幻式的猜谜， 而是通过数值计算的逻辑推理。
一旦进入到探索机理、追溯过程的新层次，地球科学就成为引人入胜、动人心弦的事 情，内中情趣决不下于侦探案件。8～6亿年前的地球，是不是真的成了太空中的“雪球 ”，冰盖扩展到了赤道区?假如真是如此，是什么力量扭转乾坤，不仅全球解冻，还引 来了“寒武纪大爆发”[86，87]?距今超过7ka前，上涨的地中海水突然从百米高处灌进 当时低凹的黑海湖盆，这是不是就是圣经里诺亚方舟大洪水的原型[88，89]?地球在20 亿年前大气圈就出现自由氧气，为什么要到将近10亿年前才出现多细胞生物?这中间是 不是也和人类文明史一样，经历了一个大洋表层之下充塞硫化氢，以致生物演化停滞、 生产力低迷的“中世纪”[90，91]?地球系统充满了丰富多彩的待破案件和未解之谜， 它们不仅是科幻作品的绝妙素材，更足以吸引科学界的有志之士去贡献自己的聪明才智 。
总括起来，无论是圈层之间的相互作用，或者是地球系统的模态转换，都要求透过记 录看到过程，通过描述追索机理。在进行观察测量、采集数据资料的基础上，提出工作 假说，进行理论探讨。一方面针对假说，有目的地开展现代过程的观测与试验，另一方 面通过数字模拟，检验和发展理论假说。前述“铁实验”，就是针对大洋生产力变化的 “铁假说”设计的；针对“碱度假说”，也正在进行颗石藻勃发的人工试验[92]。至于 数值模拟，更是地球系统研究的基本手段。只有通过定量计算和模拟，才能把定性的概 念模型变为定量模型。这在国际学术界已经广泛展开，不少简单的观测通过模拟而成为 重大成果。但是在国内目前只引起一部分学科的注意，另一些学科依然满足于原来的定 性研究。值得指出的是整个地球系统的统一模拟，由于过分复杂，目前或者用日本、美 国那样特大规模的“地球模拟器”，或者像欧洲那样联网[93]，或者采用“中等复杂程 度”的模拟方法[94]。我国由于对机理追索不够重视，数值模拟在这方面的应用很少提 上日程，但这是发展地球系统科学的必由之路，应当十分注意。换句话说，从现象到机 理、从记录到过程的追索，既要研究思路的改变，也要研究方法的更新，只有借助新的 方法，才能取得理论上的进步。
5 地球深部与表层系统的结合
以上所述，全是地球系统的表层。人类生活在地球表层，首先关心和比较了解的都只 是表层。但是“由表及里”是认识的规律，近年来越来越多的证据表明地球表层看到的 现象，根子在深部；缺了深部，地球系统就无法理解，越是大范围、长尺度，越是如此 。
水循环和碳循环是贯穿地球表层系统的“红线”，其实两者都深入到地球内部。只是 在地球深部循环的速度比在表层系统中慢得多，往往不被注意；而在百万年以上的长时 间尺度里，地球系统碳循环的主角就是地幔和地壳。造山作用使岩石圈抬升并遭受剥蚀 ，岩石圈主要成分硅酸盐的化学风化相应加剧，消耗大气中的CO[,2]；岩石圈随板块俯 冲到地幔深处，在高温高压下发生变质作用放出CO[,2]，通过火山活动又回到大气。这 种岩石圈和大气间的碳循环周期，长达千万年以上[95]。由深部排出的CO[,2]通量，与 洋中脊扩张、大洋壳生成的速率成正比。据此，Berner等[96]在20年前首次计算了1亿 年来的碳酸盐/硅酸盐地球化学循环，提出了著名的BLAG模型，探讨碳循环和大气CO[,2 ]浓度的演变。地球深部向表层输出CO[,2]，一方面由地幔物质在洋中脊排气[97]，另 一方面又由俯冲到深处的碳酸盐岩变质脱碳，产生CO[,2]从火山口排出[98]，这类深部 成因的温室气体可以对地球表层系统产生重大的气候效应。距今50Ma前后的始新世，是 新生代以来气温最高的时段，据分析当时大气CO[,2]浓度是现在的数倍，源自变质作用 的排放。至于排放CO[,2]的源区，先是认为是喜马拉雅山脉和喀喇昆仑山脉区[99]，后 又改称是北美西部克迪勒拉造山带[100]，地区虽然各异，原理并无二致。此类研究尽 管还在假说阶段，却和晚新生代高原隆升加剧风化作用导致全球变冷的假说[101]一样 ，揭示的都是表层变化的深部根源。
地球深部的水循环，是近年来研究的热点。水在岩浆作用中的重要性，已经得到公认[ 102]，然而这类认识仅仅处在起步阶段。最直观的是大洋中脊的热液系统：海水沿着海 底的裂隙下渗，到4～5km深处与熔岩接触，升温到300～400℃后重返海底，将深部物质 与能量带到表层，造成特殊的成矿作用和生命系统[103]。在俯冲带，大洋板块带着水 下沉到地幔深处。实验表明，玄武岩和安山岩的大洋壳可以含1%～2%的水，深入到俯冲 带200km以下[104]；而最近的研究提出，整体上97%的水在俯冲过程中脱失，参加到岛 弧的岩浆作用中去，只有很少的一部分进入下地幔[105]。然而正是这少量的水可以影 响地幔中岩浆的分馏[100]，可以改变某些层位的物理性质，产生地震震波传速不连续 面[106]。大洋壳和大洋沉积物的俯冲，一方面产生大陆壳并排放气体，另一方面又为 地幔带来表层物质，比如地质历史上带入地幔的水，就可能相当现在大洋海水总量的1/ 4。鉴于俯冲带这种重大的“加工”作用，获得了“俯冲工厂”(subduction factory) 之称[107]。然而这些还都不是主体。纵观地球史，最早形成地球的物质中有2%的重量 是水，而今天表层系统中的水只占地球重量的0.02%，除去逸失者外，其余应当留在地 球的深部。据估计，下地幔中储存的水就相当于全大洋总量的50倍之多[108]。如此说 不谬，我们对整个地球“水圈”的认识，还差一两个数量级!水的分布与赋存状态，看 来是认识地球深部的关键所在。长期以来，地球化学界认为地下660km上下的地幔物质 性质不同，地幔对流只能分层进行；地球物理界根据地震资料，认为地幔是整体对流， 反对分层模式[109]。最近提出的假设认为，地球化学上的分层可能是全地幔对流中， 由脱水导致局部熔融，产生过滤作用的结果，其中水就是解决矛盾的关键[110，111]。
占地球半径一半以上的地幔，是地球本身最大的圈层。三维空间里的地幔环流，虽然 速度缓慢，却是在长时间尺度上地球系统变化的决定因素。板块“飘移”，无非是地幔 环流的表层现象；板块俯冲，也只是环流中的一段[112]。由于地幔环流的缓慢性质， 对表层系统的影响动辄会有数百、数千万年的迟到效应，比如俯冲下去的板块并不迅速 消失，还会在长时期里影响地面的构造运动。冈瓦纳大陆早已瓦解消散，而当年冈瓦纳 —太平洋边缘俯冲下去的板块，白垩纪时处于澳大利亚的下方，造成当时澳洲大陆的升 降与全球趋势相反[113]；而早年处于冈瓦纳大陆中心的南非一带，至今还处在隆升状 态[114]。已经从地球表面消失的板块“阴魂不散”，通过重力场仍然影响着现代升降 运动，这是应用高分辨率地震层析成像技术后的发现，也是大陆动力学研究的重点之一 。深部过程对表层系统影响最具戏剧性的，莫过于地幔柱造成巨型玄武岩省的事件。百 万年间突然有大量地幔物质涌出地面，形成溢流玄武岩(flood basalt)，极大地改变了 地球表层的环境[115]。最突出的一例是白垩纪的西太平洋翁通—爪哇海台(Ontong-
Java Plateau)[5]，总共溢出的玄武岩体积多达3600万km[3]，如堆在中国大陆上可达
4km厚；大体同一时期形成的还有南大洋凯尔盖朗(Kerguelen)海台，溢出的岩浆体积与 之相近[116]。当时产生的全球环境后果不堪设想，推测白垩纪中期的极端“暖室”环 境和磁宁静期均应与之相关。在陆地上，规模最大的当推古生代末的西伯利亚玄武岩， 总面积可达390万km[2][115]，值得注意的是我国的峨眉玄武岩年龄是否与之相近，以 及古生代末的生物大灭绝是否与之相关。上述种种，不仅解释了从地球表层本身无法理 解的现象，而且展示了地球深部对表层环境影响的规模与程度。
即便是离我们最远的地核，也通过地磁场影响着地球表层。现在的地核分固态的内核 与液态的外核两部分，外核内的对流正是产生地磁场的原因，即所谓“地核发电机”(
Geodynamo)。迄今为止，人类只能通过地球物理的手段结合试验模拟来认识地核，知道 无论外核内部，或是核幔界面和内外核界面，都存在着物质对流，内核还以每年1mm的 速度在增大；地核引起的地磁场强度，也不断地发生变化[117]。由于地磁场是太阳风 和低频宇宙射线的屏障，因而地核的变化对于空间气候有着重要影响[118]。地核是早 期物质分异的产物，推测地磁场在地球形成的早期出现[117]，此前的地球暴露在各种 宇宙射线的作用下，不利于生物圈的发展。直到现在，地磁场的强弱决定着地面宇宙核 素的产量，因此冰芯中的[36]Cl[119]或者深海沉积中的[10]Be[120]都记录了地球内部 的信息。对地球表层环境至关重要的，是万年至百万年尺度上的磁极倒转和漂移。近来 已经证明地磁场在转换期间减弱[121]，如果失去地磁场对宇宙射线的屏蔽，就有可能 造成生物的绝灭。但是迄今为止无论是磁极转换的原因[122]，还是转换的环境后果， 依然属于学术上的“悬案”。地球深部的研究，比表层更为困难。
总之，地球系统科学决不能局限于表层系统，在长时间尺度上尤其如此。地球深部的 地核、地幔，和表层系统中的地壳、水圈、大气圈和生物圈一样，都是地球系统中的基 本环节，只不过变化速度一般比较低，人类又至今不能直接探测，因此不如表层系统那 样受人注意罢了。其实，正是在表层与深部的结合上，酝酿着新的突破。我国现行的学 科分界过于严谨，研究深部的必要手段又十分缺乏，尤其缺乏高温高压等模拟手段，不 利于地球系统的深入探索。除深部之外，地球低层大气之外的日地空间也有类似的情况 。原先不在视域之内的磁层、电离层和中高层大气，随着人类社会空间与通信技术的发 展都变得与我们休戚相关，已经成为地球系统中不容忽略的部分[1，2]。这里说的是学 科发展的努力方向，人类真正理解从地核到日地空间的整个地球系统，恐怕只能是未来 的长远目标。
6 针对系统科学的系统措施
综上所述，80年代晚期以来地球系统科学成绩辉煌，其中最大的努力是去揭示地球系 统中的碳循环。然而3年前学术界对现代和近40万年来碳循环的认识进行总结时，仍然 不得不承认“我们的知识还不足以说明地球系统中各个成分间的关系，说明碳循环与其 他生物地球化学和气候过程间的关系”[123]。可见地球系统科学尽管前程辉煌，但是 摆在面前的路程还很长。我们常说，中国对于19～20世纪的地学革命愧无贡献，那是由 于历史的原因；地球系统科学将是新世纪地学革命的突破口，如果中国还无贡献，那就 只能是我们主观的原因，地学界同仁难辞其咎。
进入新世纪的中国，正处在经济与社会大发展，数百年不遇的大好时机。地球科学作 为社会可持续发展的理论基础，在国家需求上具有充分的驱动力。除去各门学科共性的 问题如体制、投入、政策等外，地球科学的发展很大程度上还取决于学术指导思想和研 究方向。现在，以地球系统科学作为方向已经取得共识；而作为一门系统科学的发展， 还要求有系统的措施。根据上面的讨论，至少可以提出以下3点建议：
首先，随着经济的发展和进入国际大循环，要求我们立足本国、面向全球，重新考虑 我国地球科学的国际定位。无论从地球系统科学的性质，或者从我国的国际竞争的需求 出发，我国地球科学研究都应当改变只限于国内的习惯；而从当前我国地球科学的实力 和投入看，也已经是走向全球的时候。国际学术界早已在探讨中国经济发展对全球环境 系统的影响，比如美国学者提出，中国汽车的普及将会导致大气中臭氧的增加和太平洋 初级生产率的上升[124]，我国学术界反而无动于衷，是没有理由的。不仅宏观环境的 研究必须面向全球，连资源和能源也已经走向国际。以石油为例，我国已经有1/3的原 油来自国外，已经到15个国家勘探开发，面临着“全球战略”和建立“全球供应体系” [19]，闭关自守式的地球科学已经不再适应。地球系统本来不以国士为界，虽然应用科 学有明确的国土界限，海洋的应用也以近岸浅海更为直接，但基础研究决不应以此为界 。我们既要搞清“家门口”，也要“走出去”，“走出去”才能更好搞清“家门口”。 建议有一小部分精干力量“冲出亚洲，走向世界”，直接进入国际竞争；同时通过国内 的辐射效应，推动整个地球科学扩大眼界、面向全球。以期在国内研究项目中有全球意 识，在参加国际合作时也有自己的本国目标。
中国要进入地球系统科学的核心理论研究，而不只是追随国外走向，就必须分析我国 独特的自然条件，根据实际的研究力量和科学积累，选择有突破前景的重大课题，通过 记录、模型与观测三结合，实现既有本国特色又与国际接轨的全国和长期性的大型研究 计划。一个突出的例子便是“中国宏观自然环境格局及其演变趋势”，可以将青藏高原 、季风气候、边缘海盆等一系列环境特色的内在联系、形成机理与演变方向，进行系统 研究，而不只是分别参与国际合作；一旦实现，必将在基础理论和实际应用两方面取得 突破性成果。另一个例子是前新生代的全球变化，国外主要依靠稳定同位素分析推测大 气与海水的演化[125]，而我国具有澄江、热河等化石群特殊保存条件的优势，应当通 过古生物宝库与地层的地球化学分析相结合，探索古代“冰室期”与“暖室期”转换以 及生命演化等重大问题，力争有重大突破。
同时，还应当全力推进地学和生命科学在分子水平上的结合。“深部生物圈”、“黑 暗食物链”和“微型生物环”等一系列发现，大幅度扩展了地球上“生物圈”的范围； 分子生物学、微生物生态学和生物地球化学的进展，创造了地球与生命科学在分子水平 和化学层面上结合的新方向。我国应采取强有力的措施，组织微生物学、有机地球化学 等方面的力量，在地微生物学、演化基因组学等方面参加国际新前沿的研究。鉴于目前 该交叉领域在国际尚属起步阶段，我国应当不失时机、及早部署，建议一方面促进两大 学科的联合交流、讨论，另一方面建立相应的新型实验室和研究机构，并及早招募力量 、着手筹建。总而言之，要瞄准地球系统科学的核心问题，开展追踪过程、探索机理的 研究。上面说过，我国的地球科学长期以现象和记录为对象，难以进入国际合作研究的 核心问题。只有在取得高质量记录的同时，有目的地开展现代过程观测与试验，积极推 进理论模型的数值模拟工作，才能从现象描述推进到机理探索，切实开展理论研究。与 此同时，建议组织中国的“地球系统科学大会”系列，出版反映科学前沿的综述文集或 专辑，举办地球系统科学讲座，在国际学术界的高度推动国内的学科交叉。相信在地球 系统科学的征途上，中国的学术界将在国内迎来新的春天，在国际做出新的贡献。
致谢：承蒙孙枢、孙贤鉥、丁一汇、魏国彦、林海、肖佐、杨洪、李前裕、郑洪波、 孙湘君等各位对文稿提出宝贵意见，徐建协助作图，特此致谢。
收稿日期：2003-10-09
修回日期：2003-10-30
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