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1 “复杂的地球”是怎样提出的？
对地球系统复杂性的研究将是21世纪地球科学发展中居重要战略地位的生长点。这一看法大致是从20世纪70年代开始出现的。当时，两个因素不约而同地引发了人们对复杂地球的思考，这就是对复杂性现象的揭示和研究，以及引起全球范围广泛关注甚至在一定程度上引发了人们恐慌的全球性生态问题。
坚持以自组织理论为基础揭示复杂性的本质和来源，是20世纪70年代普利高津及其追随者研究复杂性的基本手法，他们提出了复杂性是物质世界自组织运动产物的观点，而且他们甚至还做出了更为“大胆”的推断：现代科学在一切层次上都遇到复杂性，他们主张结束“现实世界简单性”这一传统信念，倡导把复杂性当作复杂性来处理，建立复杂性科学。哈肯则明确地描述了复杂系统的基本特点，认为复杂系统具有“由大量数目的部分所构成”和“具有复杂的行为”两个基本特征。钱学森先生则进一步指出，凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题。显然，这样的论述为我们深入理解地球的复杂性和研究复杂的地球问题提供了条件。
尽管人类对全球性问题或全球性生态问题的思考可以追溯到很早，但是，直到20世纪后半叶，大量人口、资源和环境问题的迅猛爆发和随之而来的对其的全球关注和讨论，以及提出了“可持续发展”的概念，才使人们真正开始了对自身行为广泛而深入的反思，并且逐渐使这一反思走出先前学者们争论的圈子而转变成为具有时代特征的人类整体行为。从20世纪70年代开始，国际学术界关于人类活动与环境关系的研究计划明显增加，如国际地圈一生物圈计划（IGBP）、全球环境变化的人力影响研究计划（HDP）、地球系统科学观测计划（ESSOP），以及进入新世纪开始设立的综合大洋钻探计划（IODP）等。2006年，一项被刘东升院士称为“当前所有学科中最有雄心和最有远见”的科学研究计划，“行星地球科学计划：地球科学面向社会”将在联合国的支持下实施，这项计划包括研究可持续利用的地下水、缩小地质灾害的危害、建立一个更安全的地球环境、保证资源可持续发展等重要内容，中国将协助有117个成员国的国际地质联合会（IUGS）推动这一计划。
以上两个因素推动了当代地球科学家从一个新的角度认识今天的地球，一个公认的结论是：地球是一个巨大的、开放的、复杂的系统，而且，在这个特殊的系统里面，包括了人和人类社会对地球和地球环境的作用、影响甚至破坏。
起先，科学家们不约而同地感受到，推进地球科学研究必须借助现代系统科学综合的和整体的思维方法，走学科交叉的道路，因为他们明显地意识到，解决现代地球科学面临的问题仅仅在传统地球科学的某个单一领域中进行是不够了，引进现代系统科学的研究成果成为推动地学研究方法和理论进步的关键。比如对于矿床学的研究，科学家在掌握了有关系统科学的理论后，“认识到成矿作用及其产物是一定地球动力背景下的复杂自然系统”，“是整个地球物质系统的一个组成部分”，由此，科学家开始运用系统科学思想进行矿床学研究，“将成矿系列研究提高到成矿系统及其演化研究”[1]。再比如对大陆岩石圈的研究，科学家意识到，必须采用多种新技术方法、多国科学家联合进行，开展大规模国际合作，才能顺利展开研究取得重大成果。新近开展的“多国多学科喜马拉雅和青藏高原深剖面及综合研究”（INDEPTH）就是如此。科学家特别指出，这一项目的特色之一是“综合”，包括项目工作的布置、结果的综合解释、给出地质学概念等环节[2]。后来，地球科学家逐渐深入到地球客体自身复杂性运动的本质和规律中寻找解决问题的出路，总结出当代地球科学研究的新方法。例如在矿床学领域中，矿床学家提出了“成矿系统演化论”，认为不同的矿床系统在其历史发展过程中经历和形成了“继承、转化、迭加、复合”的过程和关系，因此而表现出矿床系统形成过程和现今表现的复杂性。地质学家则深入研究了当前地质系统的基本问题，提出了地质系统的复杂性问题，并且概括出地质科学的复杂性理论。还有一些科学家则从地球整体的范围来思考地球的复杂性，他们希望利用新的思维方法和新的研究手段，建立关于地球复杂性研究的大学科，并希冀以其研究成果面对和解决当前复杂地球系统以及全球性的生态问题[3]。故此，地球科学界提出了系统地球科学的课题，并逐渐形成研究高潮。
2 地球有多么复杂？
伴随着对地球系统复杂性的猜想和对相关问题的初步研讨，科学家开始逐渐革除一种习惯认识：地球尽管复杂，但是我们可以用还原的方法来对待它，也就是说，从前人们赋予地球客体及其规律的最基本的信念是简单性。然而，来自多方面研究的最新进展表明，这样的看法必须改变。
（1）从地球系统的环境看地球的复杂性 地球系统的环境是指地球系统之外的，一切与其关联的事物所构成的集合。地球作为宇宙中的一个特殊星球，它与太阳系、银河系甚至宇宙共同构成了其系统与环境的关系。如果再深入到地球系统内部，考察地球子系统及其与环境的关系，例如从矿物原子到行星地球，从固体地圈（地核、地幔、地壳）、流体地圈（水圈、气圈）、生物圈到人类圈，则地球系统中各个层次的“小系统”与“硕大系统”共存，这些系统之间时刻进行着物质、能量和信息的交流，时刻进行着多种方式的耦合作用。从时间角度看，从瞬间地震到几十亿年的演化，地球系统还存在着多时间尺度共存的特征。最近30年的研究表明，地球大陆25亿年来的演化历史是板块运动及其相互作用的历史。而且，在不同的历史时期，板块的边界、大小和位置也在不断发生变化。这必然促使地球子系统与其环境的关系不断发生变化。科学家研究发现，地球物质在运移过程中，在其薄弱部位常常发生破裂，而且碎块大小的累计频率分布可以用“幂率分布”（power law distribution）来近似表示。目前，相关的研究已被纳入“碎裂作用的分形理论”之中。[4]如此看来，地球系统与环境联系方式具有广泛性、可变性和复杂性的特点，这势必会给我们进一步认识地球系统与其环境的关系提供一个更广阔的思维空间。
（2）从地球系统的成分看地球的复杂性 立足于一般常识，就会得出地球系统今天的物质组成与其以前存在着巨大差别的基本结论。然而，最新的研究成果从地球复杂性的角度解释了地球组成成分的复杂性。科学家从三个方面论证了这个问题。一是建立在“核合成理论”基础之上的，关于地球化学元素起源的研究，该项研究表明，地球上化学元素的起源具有与天体的演化相关的过程和联系，由此而进一步揭示了地球的宇宙起源。二是对地球上化学元素的自组织现象，以及元素的“岩石圈丰度”的研究，说明同种化学元素的原子数增加与多原子的耦合将导致化学元素的自组织和形成元素的“岩石圈丰度”，从而揭示了地球复杂的组成成分的形成机理。三是通过量子地球化学对化学元素的共生组合规律进行研究，表明地球上化学元素的共生和组合与矿物的晶体结构及其稳定性、矿物物理及矿物化学、相平衡和化学元素的分配等密切相关。[5]如果把地球的其他组成部分如大气圈、水圈甚至生物圈等等的组成成分与地球固体圈层统一考虑，情况就将更为复杂。
（3）从地球系统的结构和功能看地球的复杂性 地球系统的基本结构是圈层结构。20世纪70年代后期，国际地球物理联合会提出了一个地球内部结构参考模型（PREM），具体划分了地球内部的三种级别的圈层，即地壳、地幔和地核以及若干亚层次，而在地球固体圈层之外，还包括流体圈（大气圈和水圈）、生物圈和人类圈等。研究表明，地球各个圈层间的相互作用频繁、多样，呈现非常复杂的过程和结果。例如，科学家在研究地球温室气体浓度变化的原因时指出，大气成分的变化与星球母体自身的组成和演化相关，然而对有生命的地球而言，问题就更为复杂，要考虑动植物的呼吸、生死对大气成分的影响，更要考虑人类的生产和生产活动所消耗、排放的气体。而目前“最大的”环境问题之一是温室气体CO[，2]和NO[，2]等在大气浓度中的变化到底是来自地球的排气还是来自人类的活动？诸如此类的问题，仍然在困扰着科学家。研究地球圈层，特别是多个圈层间相互作用的问题，自然就成为更大的难题。
地球系统行为所引起的、对地球系统环境中某些事物甚至整个环境持续发生的积极作用，称为地球系统的功能。地球系统功能的概念同样适用于地球子系统，而地球子系统间时时以各种方式与环境发生相互作用，构成复杂的作用链。最具代表性的是生态系统。生态系统是地球上生物群落及与其生存的自然环境所共同构成的统一体。生态系统通过生物群落来实现生物生产、能量流动和物质循环等基本功能。地球上生态系统的大小相差悬殊，大的如生物圈，而小的如一滴水及其中的微生物。如果从动态和相互作用的角度看地球各种各样的生态系统，就可以十分清楚地感受到这种相互作用的复杂性。
（4）从地球系统的行为看地球的复杂性 地球系统的行为是相对于地球系统与其环境的变化而言的。地球系统的行为发生于系统自身，但这种行为又时时与地球系统的环境密切相关，并表现出非常复杂的样态。例如，一般认为，大规模地壳的变形主要受强大的造山运动的作用，这种作用的结果，势必对原有的地貌产生影响而与此同时，新生地貌还时时受地表环境变化的作用和影响，所以，任何大规模地壳变动的结果都不仅仅是单一造山运动所能给予的。在这个传统地质学认识的基础上，科学家发现，这个过程的复杂性在于地壳变形过程中出现了所谓“地球物质碎裂的分形现象”和“混沌地质构造”，这使得我们对地球系统行为的认识出现了新的内容。此外，地球系统行为的表现也是多样的，同一系统在不同情况下表现为不同的行为，例如，大气系统变化的多样性和复杂性以及地球不同圈层物质交换的广泛性和复杂性说明了这一点。所以，从地球系统的行为看，地球系统与环境、地球系统自身的变化、地球系统变化的广泛和多样性，都表现了地球的复杂性。
（5）从地球系统的演化及其过程看地球系统的复杂性 地球系统的复杂性与其具有的演化特性密切相关，科学家甚至指出，地球系统的演化性是地球系统复杂性的真正原因，因为，“地球多组成和多种广义地质学（地质学、地球物理和地球化学）过程各自之间和相互之间的非线性相互作用，在时间和空间多重标度上持续迭加，引发了自组织过程所涌现的地球系统整体性状、结构与动力学行为的复杂性和自组织临界性”，并且发生了“复杂适应系统向混沌边缘的演化”的作用过程。[6]例如，在自然地理环境的变化中，气候变化始终是一个重要的因素，不仅地球历史中曾经多次出现大规模冰期和暖期的交替，影响了地貌的演变和生物的演化，而且，在这些大范围、大尺度冷暖交替的气候变化中，还交替和重叠发生着小范围、小尺度的气候变化。在与人类的起源和演化密切相关的第四纪冰期旋回中，科学家已经至少识别出长短不一的24个气候旋回，反映了地球历史上曾经发生过的间冰期频繁交替的现象。如果从整体范围看地球，整个系统多圈层、多时段和多方式的相互耦合、相互作用，以及这种耦合和作用的历史迭加和演化，构成了地球系统真正的复杂特征。
（6）从“人类世”的出现看地球的复杂性 2001 年，荷兰大气化学家PaulJ.Crutzen和美国密西根大学大湖及水研究中心的Engene Stoermer继20世纪初俄国学者维尔纳茨基提出“整个人类正在成为强大的地质力量”的观点之后，又联合提出了“人类世”（arthropocene）的概念，以其表示地球上已经和正在发生的一个新的地质时代。他们认为，自工业革命开始的这个时代的最重要的特征是人作为一种地质营力对地球产生的巨大影响，比如环境问题、温室效应、海洋平面升高、自然资源减少和水土流失等，这种影响正在加剧侵袭着人类赖以生存的地球系统，并极大地妨碍了可持续发展的步伐。“人类世”的提出为我们进一步认识和研究现代地球的复杂性提供了新视角，人类对地球岩石圈和土壤圈的作用、人类的生物地球化学作用、人类对大气圈、生物圈、水圈的作用，以及这种作用与地球自身长达几十亿年的运动及其结果的叠加，更加表现出地球的复杂性。在谈到这个问题时，刘东升院士深刻地指出，地球系统是非常复杂的，我们对她的认识还远远不够，而且，“我们已经知道的要比我们需要知道的要少得多”[7]。
3 地球系统科学：破解地球复杂性的科学尝试
（1）“地球系统科学”的出现 如何认识和研究复杂的地球？20世纪80年代，美国科学家首先提出了“地球系统科学”（earth system science）的概念。以Bretherton博士为主席的美国“地球系统科学委员会”（ESSC）于1987年提交了题为“地球系统科学”的报告。1992年，W.A.Nierenberg主编了长达1800多页的《地球系统科学百科全书》。2001年8月，英、美地质学会在英国的爱丁堡联合召开了“地球系统的过程”（earth system process）国际大会，将地球系统科学研究推向了新的发展阶段。自20世纪80年代末起，我国学者叶笃正、黄秉维、陈述彭、孙枢等分别结合地球系统科学的思想，从各自的研究领域探讨了中国大气全球变化、地球系统科学与可持续发展、地球系统科学与地球信息科学、地球活动构造与气候、活动构造与自然灾害等若干重大问题。2002年，毕思文、许强编著出版了《地球系统科学》。
（2）对“地球系统科学”的不同解读 地球系统科学出现的时间虽然不长，但很快就形成了研究热潮。然而，与历史上一些新思想、新观点出现时引起理论界广泛兴趣和热烈讨论相似，当前对“地球系统科学”也有着多种认识和解读。甚至可以说，人们几乎是在建立地球系统科学一致的倡议声中各行其是：地质学家把全球构造和全球变化研究当作建立地球系统科学的基础，认为“地球系统科学”是说明和解释地球动力、地球演变和全球变化的学问，它以对组成地球系统的各部分、各圈层相互作用机制进行综合研究为己任，重点研究地球各个组成部分之间的相互作用，从而推动地球的动力学、地球的演化和全球变化的研究。地理学家在提出认识和研究具有复杂性和综合性特征的地球表层的课题中，把现代地理学与地球系统科学联系到了一起，他们认为，现代地理学包括了自然、社会、经济和人文成分，是一门“站在现代科学前沿的综合科学”，而且，有的科学家还提出，地球系统科学研究的最佳切入点是对海岸带的研究。大气科学家则认为，以研究大气现象的演变规律为宗旨的大气科学是地球系统科学的有机组成部分，“气候系统”和“地球系统”本身就具有包容的关系，通过对地球气候系统的研究可以揭示地球系统的基本规律。由此可见，对“地球系统科学”内涵的界定正处于“百家争鸣”的时期，而如何理解这一概念，关系到对地球系统科学研究的走向[8]。
出现以上现象的原因可能有多种，但核心是地学实践的整体水平有待提高，特别是需要当代科学技术的支持和先进的哲学思维的引导。从目前的情况来看，科学家还不能站在更加综合的角度准确把握复杂的地球巨系统以各种方式所展示的深层本质，在科学家眼里，“复杂性”、“庞杂性”、“非线性”、“自组织”、“非平衡”和“不可逆”等已发现的地球系统的特性相互交织在一起，对地球系统的整体性的认识尚没有一个总体清晰的理论作指导。人们对地球系统的认识工具尚没有彻底更新，通过什么手段和思维方法把握系统且复杂的地球，还有待进一步探索。传统的以部分之和等同于整体的还原式的研究思路还在起作用，传统思维的定式，特别是源自近代直到20世纪上半叶流行于地学研究领域的地学分散或分门别类的思维习惯还在影响着人们。由此可知，新世纪地球科学发展首先面对的将是思维方式的转变和更新。
4 地球科学系统思维方式：对地球复杂性的哲学思考
地球科学家不约而同地提出了要站在更高的层次考虑当前地球系统科学研究中面对的问题，从地学哲学的角度看，“地球科学系统思维方式”提供了这种可能。
地球科学系统思维方式（geoscientific fashion of system thinking）是当代科学家以系统思维的方法认识、理解和把握地球客体本质和规律，并形成系统地球科学理论的基本思维模式，是地球科学和地学哲学、科学哲学在当代的最新结合和哲学抽象，是人们了解和研究地球客体的重要的思维背景。[9]地学系统思维方式在认识和解决当前地球系统科学遇到的问题时，提出了若干新的主张。
（1）在地球观方面，地学系统思维方式主张把地球当作一个复杂巨系统来对待，而且，它认为这是决定我们如何认识地球，建立什么样的地球科学的关键 地学系统思维方式认为，地球系统科学所面对的客观对象是复杂的地球巨系统，这个复杂的巨系统至少有以下几个方面的特征：一是复杂性。复杂性的地球以规模巨大、组分差异显著、层次众多、对环境开放等为地球系统的动力学特征，我们前面已经从地球系统与环境、地球系统的成分、结构与功能、行为、演化过程，以及新出现的“人类世”等不同方面论述了这个问题。二是巨系统。复杂的地球巨系统，绝非仅仅是“大空间”的概念。此处的“巨”还包含了在地球系统中，地球各组分（或子系统）之间存在着复杂而众多的关联方式（或者如哈肯所说的“行为”），如多组分的耦合和相互作用、开放和耗散、非线性、不确定性、模糊性及物质结构的连续与离散等，由此而更加突出了地球系统复杂性的巨大而广泛。三是整体性。地学系统思维方式更加强调把地球当作一个行星，从行星整体的运动变化上揭示其基本规律。同时，地学系统思维方式还把人与地当作一个整体，认为两者的相互作用及其结果，直接影响到了当今的地球。承认地球是一个复杂的巨系统将关系到对地球认识的理论和研究方法的创新。
（2）从地球科学观方面，地学系统思维方式把地球系统科学当作研究和揭示地球复杂巨系统的科学，认为地球科学的新发展将是地球系统科学的不断完善 地学系统思维方式认为，应当转变传统地球科学以个别分支学科之和等同于对地球整体的认识模式，即转变把“地球科学”等于地质科学、地理科学、大气科学、海洋科学等学科的线性叠加的思维模式，建立新的地球系统科学的理论体系。当今的地球系统科学与以往地球科学的根本不同在于，地球系统科学开始重新对“地球及其基本规律最终是简单的”传统理念进行定位，既肯定传统地球科学的作用和价值，又在新的地学认识中，把地球当作复杂对象，建立地球系统科学，从更深的层面实现对地球的存在、运动和演化的整体性、系统性和复杂性的系统认识。
从目前来看，地球系统科学的建立和发展，至少应具备以下几个必要条件：一是丰富而完整的地球系统的立体信息，没有或缺少既覆盖全球，又穿越地球各个圈层的第一手资料，地球系统科学便难以完竣。因此，一些科学家主动把地球系统科学研究与数字地球甚至因特网联系起来。[10]二是要强化理论模型和计算机模拟技术的创建和使用，而且在思维方法上要强化对系统及系统各组成部分关联性的认识，树立系统、整体、复杂、开放、作用等观念，积极引进当代复杂性科学的研究成果。三是在统一的科学共同体精神指导下，建立多学科交叉、具有合作精神和团队精神的研究队伍，培养多学科专业知识的新型人才。
（3）从方法论的角度看，地学系统思维方式提出，当今地球科学研究首先涉及到的是基本思路转变的问题，即从线性、还原式的研究模式向非线性、复杂性的研究模式转变 地学系统思维方式认为，当今地球科学在方法论上的最新革命，是把地球当作复杂巨系统，非线性、系统性、复杂性等是认识地球本质和运动规律的最基本的思维模式，主张把复杂的地球真正当作复杂的地球来对待，并且在地球科学新的发展中建立关于复杂地球的科学研究方法。应当看到，传统的线性、还原式的思维习惯仍然深深地影响着当今的地学，转变这种思维习惯成为推进地学方法进步的关键。