以地球系統科學研究應對氣候變化挑戰

來源：科技日報

原標題：以地球系統科學研究應對氣候變化挑戰

今年春季，我國多地出現極端天氣事件。地球系統科學作爲一門新興交叉學科，在理解和應對氣候變化等全球性環境問題方面的重要性愈發凸顯。日前，全國25所頂尖高校的地理學相關學院院長齊聚天津，共同簽署發佈《地理科學與地球系統科學院長論壇·天津宣言》（以下簡稱《天津宣言》）。這標誌着我國地球系統科學進入協同創新、服務國家戰略需求的新階段。

圍繞當前生態和環境挑戰與學科發展，科技日報記者專訪了中國科學院院士、天津大學地球系統科學學院創院院長劉叢強，與他就學科前沿突破、多學科交叉融合以及人才培養等話題進行了深入探討。

應對人地關係危機

記者：地球系統科學是在什麼背景下誕生的？這門學科要解決哪些關鍵科學問題？

劉叢強：地球系統科學的誕生源於人類對全球變化問題認識的深入。20世紀後半葉，氣候變化、臭氧層空洞、生物多樣性銳減等全球性問題凸顯。科學家們逐漸意識到，環境問題具有系統性特徵。以氣候變化爲例，北極冰川融化不僅影響局部地區，還會通過改變洋流和大氣環流影響全球氣候格局。

另外，人類活動被確認是全球變化的主要驅動力之一，人類世概念也因此被提出。這一概念由諾貝爾化學獎得主保羅·克魯岑（Paul Crutzen）於2000年提出，認爲自工業革命以來，人類活動已成爲影響地球系統的核心地質力量，可能終結了持續1.17萬年的全新世。因此，我們亟須以系統科學思維研究人與自然的關係。全球變化的系統性和複雜性特徵促使科學家突破傳統學科界限，從“還原論”轉向“整體論”，再加上近年來非線性科學和複雜性理論的興起，地球系統科學這一新興交叉學科迎來了蓬勃發展期。

目前，地球系統科學主要聚焦五大關鍵領域。首先是地球系統圈層耦合與反饋機制，回答如何定量刻畫大氣、海洋、陸地、冰凍圈和生物圈之間的能量、物質交換，以及關鍵反饋過程如何影響地球系統的穩定性等問題。其次是全球變化的驅動力與臨界點的研究，認識火山活動、太陽輻射等自然變率，溫室氣體排放、土地利用等人類活動對地球系統的相對貢獻，以及地球系統是否存在不可逆的臨界點及其觸發條件和預警信號。第三是地球系統模擬與預測的研究，提高地球系統模型的分辨率和可靠性，整合社會經濟情景與自然系統模擬，理解全球變化如何導致區域尺度的極端事件。第四是人類世的科學與倫理挑戰的研究，確定如何定義人類世的地層標誌和起始時間、人類活動如何重構地球系統的演化軌跡和提升社會—生態系統的韌性，以及如何在發展需求與行星邊界間取得平衡。最後是科學如何支撐可持續發展路徑，量化碳中和、生態安全等目標的科學閾值、基於地球系統科學設計跨尺度（全球—區域—本地）治理策略。

記者：地球系統科學如何幫助我們理解當前頻發的極端天氣事件？

劉叢強：地球系統科學通過多圈層耦合視角，揭示極端天氣事件的全球性機制。全球變暖引發“北極放大效應”，導致急流減弱和波動加劇，使熱浪或寒潮等極端天氣在局部地區更易滯留。地球系統模型證實，人類活動顯著增加熱浪、暴雨等事件發生概率。如溫室氣體排放使百年一遇高溫變爲十年一遇；海洋升溫則增強水循環能量，催生更強的颶風和極端降水；同時，凍土消融、野火等反饋機制釋放溫室氣體，進一步放大氣候異常。通過整合衛星遙感、古氣候等跨尺度數據，地球系統研究可區分自然波動與人爲影響，明確當前極端事件的非自然性。基於此，地球系統科學不僅解析災害鏈成因，還通過模擬不同減排路徑下的風險閾值，指導氣候韌性城市建設與災害預警體系優化，爲全球應對氣候變化提供科學錨點。

記者：能否請您具體談談您提出的“表層地球系統生物地球化學循環與全球變化”理論如何助力國家“雙碳”目標實現？

劉叢強：“表層地球系統生物地球化學循環與全球變化”理論通過解析碳、氮、水等關鍵元素在地球表層，如陸地、海洋、大氣中的循環機制及其與人類活動的耦合關係，助力國家“雙碳”目標實現。這具體體現在三方面。

首先是碳源匯動態量化。“表層地球系統生物地球化學循環與全球變化”理論揭示了陸地生態系統和海洋的碳吸收潛力，揭示植被光合作用、土壤有機碳分解等過程對碳中和的貢獻，爲評估森林碳匯、溼地修復等生態工程的減排效能提供依據。

其次是人爲干擾機制解析。研究化石燃料排放、氮沉降等人類活動如何打破自然碳循環平衡，從而支撐精準減排路徑設計。如揭示工業系統和農業系統碳排放的關聯性，推動能源轉型與化肥減量的協同治理。

第三是氣候反饋預測。結合地球系統模型，模擬碳循環與氣候變暖的反饋效應，預判不同減排情景下碳達峰碳中和目標的可行性，規避氣候臨界點風險。該理論可指導碳捕集、生態修復等技術創新。同時，該理論結合全球碳通量監測網絡提供的數據，可以爲我國進行國際氣候談判提供支撐。

記者：在相關領域，中國科學家扮演着怎樣的角色？

劉叢強：當前，人類活動正深刻重塑地球系統。中國科學家正通過多維度實踐在全球科學治理中發揮關鍵作用。科研層面，我國科學家主導碳循環、氣候模型等研究，如提出高分辨率地球系統模式提升全球變化預測精度，並推動風能、太陽能等低碳技術革新。我國科學家深度參與“雙碳”路徑設計，量化生態紅線與碳預算，支撐全球最大規模植樹造林、溼地修復等工程，助力陸地碳匯提升。國際合作中，中國學者主導“全球季風計劃”，參與IPCC評估報告編寫，推動“一帶一路”氣候觀測網建設，促進數據共享與減排責任共擔。同時，我國科學家通過科學傳播與教育，提升公衆氣候認知，推動社會低碳轉型。中國科學家正努力彌合發展與資源消耗的鴻溝，成爲全球應對人地關係危機的關鍵力量。

強調整體性研究

記者：《天津宣言》的核心目標是什麼？它將如何推動學科發展？

劉叢強：《天津宣言》的核心目標是推動地理學研究範式的轉型發展。傳統地理學往往將自然地理和人文地理割裂研究，而《天津宣言》倡導的地球系統科學範式強調各圈層的相互作用和整體性研究。這種轉型不是否定傳統地理學，而是在其基礎上的創新發展。

《天津宣言》將通過三個路徑推動學科發展：一是促進學術共同體形成共識，明確發展方向；二是建立協作機制，推動資源共享和優勢互補；三是構建交流平臺，促進思想碰撞和方法創新。我們相信，這種協同創新的模式將加速地球系統科學的發展。

記者：《天津宣言》提出要推動學科交叉與數據共享。這一倡議將如何具體落實，可能面臨哪些挑戰？

劉叢強：我們仍在全面思考和設計相關計劃，將來在具體落實時，我們計劃採取以下措施：通過建立統一的數據標準和共享平臺，解決數據異構性問題；制定收益分配機制，保障數據貢獻者的權益；開展方法培訓，提高數據使用效率。同時，我們也將推動課程共享、設備共享等多方面合作。

面臨的挑戰主要包括：不同單位的數據質量標準不一致；部分數據的性質影響共享；學科文化差異影響協作效果等。針對這些挑戰，我們需要建立有效的激勵機制和協調機制，在保護知識產權的前提下促進開放共享。

記者：《天津宣言》對提升中國在地球科學領域的國際話語權有何意義？

劉叢強：《天津宣言》的簽署向國際社會傳遞了兩個重要信號：一是中國科學家積極發展地球系統科學和參與全球環境治理的堅定決心；二是中國在地球系統科學領域的創新能力。這將在三個方面提升國際話語權：首先是增強我們在國際學術組織中的影響力；其次是有利於中國方案被國際社會採納；最後是提升中國科學家在國際大科學計劃中的參與度。

具體來說，中國科學家可以通過牽頭或參與國際研究計劃、推動中國提出的科學概念獲得國際認可、分享中國在生態文明建設方面的經驗等方式，不斷提升國際影響力。這是一個漸進的過程，但方向是明確的。

推動學科交叉融合創新

記者：今年恰逢天津大學地球系統科學學院成立十週年，作爲國內該領域的主要推動和發展單位之一，學院在學科建設和科學研究方面取得了顯著成就。地球系統科學涉及多學科交叉，這種交叉性給科研組織帶來了哪些挑戰？天津大學採取了哪些創新舉措來應對這些挑戰？

劉叢強：學科交叉確實帶來了科研組織方式和研究範式的深刻變革。大學一般是按照學科門類來設置院系，但這種組織結構難以適應地球系統科學的研究需求。我們在學院內部創新性地設立了9個問題導向的研究中心，每個中心都聚焦一個系統性的多圈層、多要素、多尺度和多過程的科學問題。比如地氣界面科學中心就是整合了水文學、土壤學、生態學等多學科力量，研究陸地—大氣界面的物質能量交換過程和通量變化及其氣候和生態環境效應。

這種組織模式的最大優勢是打破了學科壁壘，讓不同學科背景的科研人員能夠圍繞共同科學目標開展合作。在實踐中，我們發現這種模式不僅能產出創新成果，還能培養研究人員的系統思維和交叉學科研究能力，這正是解決複雜系統環境問題所需要的關鍵能力。

記者：在建立了跨學科研究團隊後，如何將科研成果轉化爲實際應用？

劉叢強：科研成果轉化、服務社會—自然系統的可持續協同發展是地球系統科學研究的重要環節。地球系統科學研究成果的轉化需通過“技術集成—政策耦合—社會嵌入”三層次路徑實現。在技術開發與工程示範方面，跨學科團隊整合遙感、大數據與工程技術，開發智能監測系統（如城市熱島調控、碳匯精準覈算）和低碳解決方案（如濱海溼地修復、綠色建築），通過示範工程驗證技術可行性。在政策模擬與決策支撐方面，利用地球系統模型量化生態安全閾值，爲國土空間規劃、災害韌性建設提供動態情景分析，例如結合天津海岸帶特點設計“藍色海灣”綜合治理方案。在公衆參與與產業聯動方面，構建科學傳播平臺，將複雜數據轉化爲可視化工具，推動企業綠色轉型與社區氣候行動。

在上述方面，天津大學的獨特優勢首先體現在工科技術錨點上：依託化工、建築、環境等優勢學科，將地球系統理論與工程技術深度融合，例如開發高效碳捕集材料、近零能耗建築技術。其次是濱海地域特色研究與治理方面：針對環渤海區域環境問題（如地面沉降、海岸侵蝕），開展陸海統籌研究，支撐京津冀生態協同發展。三是學科交叉平臺構建方面：依託“表層地球系統科學研究院”等平臺，聯合管理、法學等學科，設計“科學—工程—治理”一體化解決方案（如智慧生態城市標準體系），強化成果落地效能。

記者：在數字時代，AI和大數據等技術正在深刻改變科研範式。這些新技術爲地球系統科學研究帶來了哪些變革？

劉叢強：數字技術確實爲地球系統科學帶來了革命性變化。我將其歸納爲三個方面的突破：首先是觀測能力的飛躍，通過空天地海一體化監測網絡，我們可以獲取前所未有的海量數據；其次是分析能力的提升，AI算法能夠從複雜數據中發現傳統方法難以識別的規律；最後是模擬預測能力的增強，基於高性能計算的地球系統模型可以模擬多圈層相互作用。

我們正在建設的地球系統模擬中心就是一個典型例子。該中心將整合超級計算、AI和大數據技術，模擬不同情景下的地球系統演變。這種模擬能力對於預測氣候變化影響、評估安全緩解措施效果都具有重要價值。可以說，數字技術正在重塑地球系統科學的研究方法。

創新人才培養模式

記者：地球系統科學的交叉性對人才培養提出了新要求。學院在課程體系設計方面是如何體現這種跨學科特點的？

劉叢強：我們在課程設計方面進行了系統性創新。這主要體現在三個方面。首先是基礎課程強化數理化生基礎，因爲地球系統的所有過程最終都與這些基礎學科的原理相關；其次是專業課程採用問題導向的設計，強調整體性，比如“全球變化水文學”就整合了水文學、氣候學和生態學的內容；最後是實踐環節注重系統性思維訓練，通過綜合性實驗和野外考察培養學生的整體觀。

這種課程體系與傳統地理學專業有很大不同。我們不是簡單地在原有課程基礎上增加內容，而是重構了整個知識體系。從實施效果看，這種培養模式使學生既掌握了紮實的基礎知識，又具備瞭解決複雜系統問題的能力。

記者：在新工科建設背景下，地球科學人才培養如何融入工程技術思維？這種融合會帶來哪些優勢？

劉叢強：培養工程技術思維是我們教學改革的重要方向。具體做法包括：在理論教學中增加工程案例分析，讓學生了解科學原理如何轉化爲實用技術；開設工程實踐課程，如環境修復技術、碳捕集與封存技術等；組織學生參與實際工程項目，培養解決實際問題的能力。

這種融合培養的優勢很明顯。一方面，學生畢業後能夠更快適應工作崗位的需求；另一方面，他們在科研中會更注重成果的轉化應用。我們的一些畢業生已經在環保工程、氣候變化應對等領域發揮了重要作用，這正是工程思維培養成效的體現。

記者：面向國家“雙碳”目標等重大戰略需求，學院在人才培養方面有哪些針對性的調整和佈局？

劉叢強：爲服務國家戰略需求，我們在人才培養方面着重三方面內容：首先是增設“碳循環與氣候變化”等特色課程，系統講授“雙碳”相關的科學原理和技術路徑；其次是加強與產業界的合作培養，比如與環保企業共建實踐基地，讓學生參與真實的碳覈算、碳匯評估項目；最後是強化政策素養培養，通過案例教學讓學生了解科學研究如何支撐政策制定。

這些調整的核心目的是培養既懂科學、又懂工程和政策應用的複合型人才。從就業反饋來看，這種針對性培養確實使學生更能適應“雙碳”領域的工作需求。未來我們還將根據國家戰略需求的變化，動態優化培養方案。

人物檔案

劉叢強，中國科學院院士，天津大學地球系統科學學院創院院長，中國地質學會、地理學會和生態學會會士，《地球化學學報》（Geochemica Acta）主編，中國礦物岩石地球化學學會名譽理事長，天津市科協副主席。目前主要從事濱海社會—生態系統結構、過程和功能變化及可持續發展的科學研究。

觀點聚焦

全球變化的本質是人類活動與自然過程相互作用下地球系統的結構性轉變，其核心矛盾在於地球系統有限的承載力與人類無限的發展需求之間的衝突。圈層相互作用是驅動全球變化的關鍵機制。地球系統科學通過系統思維和跨學科研究，爲解析圈層相互作用、揭示全球變化的深層機制、評估地球系統突變風險以及設計可持續發展路徑提供了關鍵的方法論和理論框架。

展望未來，地球系統科學需進一步專注於多尺度和精細化的圈層耦合機制、突變過程與臨界點預警、人工智能驅動的研究範式以及科學—政策—行動的協同創新等研究領域，設計和實踐可持續發展路徑，從而爲應對全球變化的挑戰、推動人與自然的協同發展提供堅實的科學理論支持。

——劉叢強

（記者 陳 曦 通訊員 趙 暉）