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编者按

地球系统科学（Earth System Science, ESS）是当代认知地球整体运行机制及人地系统耦合过程的核心科学框架。与传统地球科学（Earth Sciences）不同，ESS不仅探究大气、海洋、陆地、生物、冰冻圈等自然圈层的物质与能量循环，更着力于揭示人类活动对地球系统的深刻影响及其反馈机制。

近日，多位院士专家在梳理国际主流科学愿景的基础上，结合中国科学界的相关探索，系统阐释了ESS的科学内涵、核心方法论、社会属性及其在中国的战略发展方向。作者认为，ESS是可持续发展与生态文明建设的重要科学基石，中国推进ESS发展应重点聚焦4个方向：一是构建多尺度多时相一体化的观测与模拟体系；二是深化社会与自然耦合过程模型的研究；三是完善跨学科人才培养机制；四是加强国际合作与交流，提升我国在相关领域的国际科学话语权。

地球科学与ESS：从“部分之和”到“系统整体”

在当前学术话语体系中，ESS这一概念的表述频度显著上升，但在国内科学界与公众传播中仍普遍存在将其与传统地球科学概念混淆的倾向。二者虽渊源深厚，但在研究范式与核心议题上存在本质分野。

传统地球科学的本质是圈层解构。它以分析地球各自然圈层（岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、冰冻圈等）的结构、组成及演化历史为基石，依托地质学、气象学、水文学、生态学、海洋学、地球物理学、地球化学、地理学等学科体系，致力于揭示单一或相邻圈层的内在过程与生物地球物理化学机制。

ESS代表着研究范式的深刻转型：从各圈层的独立研究迈向整体系统的协同整合。其研究对象涵盖包括人类活动在内的驱动圈层之间的物质循环、能量传递和信息交换过程，以及由此产生的反馈机制。尤为关键的是，ESS将人类活动对整个地球系统的影响视为内生变量，聚焦于“自然-社会-经济耦合系统”的复杂行为与演化规律。在这一系统科学框架下，对地球各圈层的物理、化学与生物过程的线性认知，被跨圈层、跨尺度、非线性与多模态的系统思维所取代。

这一范式转型可追溯至上世纪70年代美国国家航空航天局（NASA）构建的“卫星观测-数值模拟-系统集成”研究架构。进入21世纪，“人类世”概念的提出进一步强化了ESS在全球变化研究中的核心地位。正如瑞德等人2010年在《科学》发表的论文中所指出的，人类活动在工业革命后已成为地球系统变化的主导驱动力，科学研究必须从对自然过程的孤立解析转向对人地系统互馈机制的整合认知，以支撑全球可持续发展的决策需求。

系统思维：ESS的核心方法论

ESS的核心在于系统思维范式转型的建立，其方法论转变体现为将大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈与生物圈等要素视为相互作用的动态网络，而非孤立实体。研究焦点由此转向跨圈层的能量转递-物质循环-信息交换、非线性反馈机制及复杂系统动力学行为。这一系统思维的转变至少在3个维度上发展了传统地球科学研究新领域。

第一，从单圈层解析到多圈层耦合研究。传统研究侧重圈层内部及其受其他圈层影响的自然过程，而ESS则将各圈层相互作用纳入统一框架。例如，青藏高原积雪-反照率反馈不仅响应全球变暖，更通过调制地表热通量驱动亚洲季风乃至全球气候变化，揭示出多圈层多层级耦合的复杂性以及可能的级联效应。

第二，从自然过程到人地系统融合研究。ESS不仅研究自然系统如何变化，更关注人类活动如何推动、放大或减缓这些变化。在地球系统模式中需耦合土地利用/土地覆盖变化、能源-经济转型、城市化动力学、海洋产业及政策干预等人类活动参数。在这里，社会系统不再是地球系统演化的外生边界条件，而是与自然系统碳循环、水循环及营养元素循环等深度耦合的子系统。

第三，从科学认知到决策支持的知识生产。系统思维要求研究成果直接服务于可操作的管理策略，如气候风险适应、灾害级联效应评估及基于自然的生态保护修复。ESS由此成为连接基础研究、情景模拟与可持续治理实践的认知接口。

“人类世”概念的提出及其对ESS的影响

“人类世”概念由诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑与生物学家尤金·施特尔默于2000年前后首次提出，旨在将人类活动定义为影响地球系统演化的主导地质营力。早期的地质学与环境科学研究已指出，工业化、化石燃料燃烧、森林砍伐及农业扩张等过程正在显著改变大气组分、生物地球化学循环和地球表层系统。保罗·克鲁岑等据此判断，地球系统已偏离全新世稳态，进入以人类活动为主要特征的地质新纪元。主要证据包括大气温室气体浓度快速攀升、生物多样性加速丧失、海洋碳酸盐系统失衡，以及沉积记录中人工放射性核素与微塑料等“人类指纹”的广泛出现。

这一概念在过去20多年间持续催化科学范式的转型。在认识论层面，“人类世”框架消解了“自然背景”与“人类扰动”的二元对立，将地球系统重构为人地（海）系统协同演化的耦合实体。这一本体论转向直接驱动了ESS的形成与发展——其核心强调自然过程与人类活动之间的相互作用、反馈过程与非线性的耦合效应。在治理实践层面，“人类世”逻辑孕育了“行星边界”（Planetary Boundaries）理论框架与“未来地球”（Future Earth）国际科学计划，确立了将地球系统稳定性作为可持续发展先决条件的共识。

ESS与传统地球科学的根本分野恰在于此——并非简单地“把社会科学加进去”，而是要求在地球系统模型架构与理论建构上内在化人类系统的决定性作用，在科学模型中引入社会经济过程、制度因素与文化反馈。这一认知转型对处于快速工业化与生态约束交织进程中的中国，尤其具有现实方法论意义。

中国路径

过去30年间，ESS的形成与发展深受国际科研计划与全球治理机制的推动。以世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈－生物圈计划（IGBP）、全球环境变化人文因素计划（IHDP）和国际生物多样性计划（DIVERSITAS）为代表的“全球变化四大计划”共同奠定了ESS的整体框架；而政府间气候变化专门委员会（IPCC）则通过系统化评估，使气候、生态与社会系统的耦合过程成为全球科研和政策议程的核心议题。中国在上述计划中一直发挥重要作用，如深度参与IPCC评估报告撰写、在未来地球等国际平台承担关键任务，并以东亚季风、青藏高原等独特区域研究为全球ESS贡献了不可替代的科学认知与观测体系。这些国际合作共同推动了ESS从认识地球系统运作转向服务全球可持续发展的科学范式跃迁。

在中国科学界，推动ESS本土化范式构建已成为跨学科学者的共识，其战略定位是确立ESS为中国可持续发展研究的核心框架。这一共识的实质内涵体现为3个方面。

第一，以区域独特性贡献全球系统认知——聚焦东亚季风动力学、青藏高原多圈层相互作用、干旱区社会-生态系统脆弱性、海岸带复杂系统临界过程等关键科学问题，构建具有区域过程辨识度的观测网络与数值模拟协同体系，为全球ESS提供研究新范式。

第二，推动社会-生态系统协同演化研究——将人口动态、经济转型、制度变革及文化反馈机制融入地球系统模型，实现人文社会科学与自然科学在范式层面的深度耦合。

第三，服务国家重大战略与全球治理议程——ESS已超越纯粹学术前沿，成为“双碳”目标路径优化、生态文明建设制度设计、“一带一路”绿色发展议程的智力支撑体系。其核心愿景在于，使未来的ESS从解释地球自然过程，变成为人类社会在行星边界约束下探寻可持续发展路径提供变革性方案。这实质上确立了ESS发展的“中国范式”，即立足发展中国家转型实践，为全球环境治理和可持续发展提供系统思维与区域经验相结合的科学范式。

中国ESS的发展

基于国际前沿趋势与本土实践需求，中国ESS的深化发展急需从4个战略维度协同推进。

一是构建多圈层-多尺度观测-数据-模型闭环体系。建立覆盖大气、海洋、陆地、生态、冰冻圈及人类活动的综合立体观测网络，深度整合卫星遥感、地基-空基平台、物联网传感与人工智能驱动的数据同化技术，形成“要素监测-过程识别-机制模拟-预测预警”的全链条能力，为人地耦合过程的定量解析奠定科学基石。

二是实现当前主要针对自然过程的地球系统模式与社会系统的双向耦合。社会系统不仅仅包括实体部分，还应包括制度、法律等意识形态部分，需突破传统气候-生态模式的单向驱动框架，将社会经济、能源转型路径、治理体系演化动态及行为反馈机制内嵌为地球系统模式的内生模块，构建能够模拟“自然-社会-经济”协同演化与非线性复杂过程的耦合平台，为气候适应、碳中和路径及可持续发展目标提供动态决策支持。

三是重塑跨学科人才培养与组织范式。在有条件的高校与科研机构设立建制化的“地球系统科学学院”或“全球可持续发展学院”，乃至进一步考虑设立“中国可持续发展大学”或与联合国合作创办“联合国可持续发展大学”，系统性打破学科壁垒，设计涵盖地球科学、社会科学及人文科学的复合型课程体系，培养具备系统思维与政策理解能力的复合型人才。

四是加强国际合作与全球治理贡献能力建设。在未来地球计划等国际计划中发挥核心科学引领作用，积极主导跨国观测网络建设、数据共享标准制定与联合模拟实验设计，通过推介基于中国区域实践的理论创新与技术方案，提升在全球气候治理与可持续发展政策议程中的科学影响力与政策贡献度。

从科学到行动：ESS服务可持续未来

ESS的终极价值不仅体现在认知范式的革新，更在于其对治理实践的基础性支撑。直面全球变暖、生物多样性丧失、环境退化与极端事件频发的复合风险，中国ESS研究可以在四大领域中为可持续未来作出更大贡献。

第一，气候变暖风险评估与适应科学。构建气候预测、暴露度量化与脆弱性诊断的整合框架，为区域气候风险治理提供从情景模拟到政策响应的闭环支撑。

第二，碳循环与碳中和路径优化。超越自然碳汇的单一维度，系统解析能源结构转型、技术创新机制与消费行为变迁对碳-气候系统的级联反馈机制，识别碳中和转型的非线性约束与突破点。

第三，生态系统服务与人类福祉耦合。应用复杂系统方法，揭示不同时空尺度下的生态系统利用、保护和修复系统方案，维护人类的粮食安全、资源安全、生态安全、公共健康与气候韧性（恢复力）的协同/权衡关系，探索人与自然和谐共生的可持续发展及生态文明建设路径。

第四，地缘环境科学与南南合作。依托ESS框架构建“一带一路”共建国家共享的环境-发展数据库，通过开展国际合作为发展中国家应对生态环境问题提供科技支撑，通过科学外交与联合评估机制，推动基于证据的绿色发展议程与公平气候治理。

ESS理应成为可持续发展和生态文明建设的理论支柱与方法论基石。其系统思维与耦合视角能够突破学科壁垒，揭示地球物理、化学和生物过程与社会-制度变迁之间的互馈机制，为实现“人与自然和谐共生”的中国式现代化提供可操作的科学路径与变革治理方案。

迈向“以人为本”的新地球科学

ESS并非传统地球科学的延伸，而是一场科学范式变革。它要求以人地（海）系统整体思维重构人居地球运行逻辑——不再将各圈层视为孤立实体，而是解析其跨圈层、跨尺度非线性互馈与临界转变机制；以自然-社会-经济耦合框架重铸人类世定位——将人类活动内化为地球系统的双向内生驱动而非外部扰动；以行星边界约束重塑科学使命——使研究目标从自然系统本身转向为人类可持续发展提供可操作的安全路径。

在21世纪全球科学治理新格局中，中国ESS的发展路径须实现双重超越：既要扎根于东亚区域特殊的人地耦合过程，如季风-经济高强度协同演化、高速发展的沿海经济带与海岸带的快速协同演化，构建基于本土实际的新理论范式；也要加强全球视野，在未来地球计划、IPCC等全球议程中实现从参与者向引领者的转变，提供基于中国实践的智慧与方案。唯其如此，ESS方能从学术前沿升华为引领人类文明转型、实现人与自然和谐共生的核心知识体系。