地球系统科学基本原理与应用展望

地球系统科学是一门应时代之需产生的科学,它革新了地球科学工作者的思维方式、工作范式。自地球系统科学产生以来,围绕其是否是一门科学、具有何种应用前景等一直存在争议。从地球系统科学的主要理论与基本原理视角出发,对地球系统科学的概念内涵、理论体系及与地球科学之间的关系等本质特征进行剖析,并对地球系统科学的方法技术进行了总结。针对解决的不同问题,提出了地球系统科学在地球深部过程、岩石圈与外部圈层交互作用、外部圈层交互作用3个领域的应用展望。分析认为,地球系统科学既是基于地球科学与系统论的科学观,又是一套量化研究各圈层交互作用的先进工作方法体系,是揭示地球圈层交互奥秘、解决地球宜居性的钥匙。

新质生产力开创地球系统科学高质量发展新格局

随着新质生产力的发展,传统地球科学迫切需要调试与转型以适应技术革新。地球科学科技创新为新质生产力的产生提供了源源不断的动力,同时,新质生产力的发展也为传统地球科学转型升级及地球科学科技创新提供了更广阔的空间。新质生产力与地球系统科学发展的关系具体表现为三个方面:一是新质生产力驱动地球系统科学高质量发展是科学技术发展规律的内在要求;二是新质生产力有效驱动地球系统科学高质量发展生产要素的全面提升;三是新质生产力驱动地球系统科学高质量发展是传统地学转型升级的实践遵循。

地球系统科学视角下美国湿地保护修复的经验及启示--以大沼泽地综合修复计划为例

湿地作为地球上初级生产力最高、生物多样性最丰富的生态系统,受到人类活动、气候变化等多种因素影响,正在遭遇全球性的退化危机。近几十年来,美国在地球系统科学指导下建立了全面的湿地保护法律体系、科学的生态系统修复理念、多部门分工协作机制,形成了一套较完善的湿地保护修复模式,值得中国学习和借鉴。以美国大沼泽地综合修复计划为例,对其生态修复工作模式进行了综述,通过系统对比研究,发现中国湿地保护修复工作存在管理机制待完善、理念科学性不足、调查监测体系待加强等。建议设立国家湿地生态修复大科学计划,聚焦湿地生态系统中的土壤、水文条件等关键问题,建设全国湿地监测网络,建立综合调查、实时监测、及时预警、动态调整的湿地生态修复工作模式。

特约主编致读者——地球系统科学研究范例、进展和趋势

地球科学作为自然科学六大门类之一,不仅探索地球起源、演化和发展趋势,而且为人类认识、利用和改造自然提供科学知识、认知途径和研究方法。随着科学技术的不断进步和人类社会重大需求的日益增长,当前地球科学已进入地球系统科学研究的新阶段,成为指导人类社会可持续发展的科学基础。地球系统科学是以固体地球层圈及其外部生物圈、水圈和大气圈为研究对象,研究各层圈发生.

人类世生物地球化学循环及其科学

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

地球物质科学的基本原理:固体地球科学中的热力学研究历史与展望

地球是一种物质和能量结合的存在形式。地球及其他行星的形成和运作过程实际上是物质和能量状态的演化历史。研究物质的科学是物理和化学,描述物质自然规律的语言是数学,这属于热力学的研究范畴。从19世纪中叶开尔文利用热力学理论计算地球年龄开始,热力学在地球科学领域的应用已有100多年历史,它在阐释地球和行星演化过程的基本逻辑与规律方面发挥了核心作用,引起了固体地球科学发展史中的许多重要变革。近20年来,随着物理、化学和计算机科学的不断发展,经典热力学和非平衡热力学在地球物质科学中的应用进一步发展,成为地球物质研究的基本原理体系。通过研究地球物质的形成与演化条件来揭示地球结构、动力学和演化过程的地球热力学学科已经形成。未来地球热力学的发展需要与地球物理、地球化学理论和实验相结合,在热力学数据库发展的基础上,建立合适的热力学模型来解决实际的地球科学问题。另外,地球热力学的进一步发展需要与相应的课程教学相结合、加强热力学在地球科学中的课程建设是当前的一项重要任务。热力学是地球物理、地球化学、地质学等多学科交叉研究的纽带和桥梁。如何从热力学的视角认识地球及其演变过程将会是一个永恒课题。

“地球系统科学”课程思政建设探索

课程思政融入大学专业课程是落实“立德树人”根本任务的重要举措,其实施需要以学生为中心,将思政元素融入到专业课程教育教学的全过程.“地球系统科学”是将地球作为一个完整系统来研究的学科,具有跨学科性、理论与实践并重的学科特点.在地球系统科学的课程思政建设中,注重跨学科整合的同时融入思政元素,不仅要坚持知识传授、人才培养,同时也要将思政教育贯穿始终.作为一种注重实践、跨学科整合的教育理念,STEAM教育为思政教育融入“地球系统科学”提供新的视角和手段,能较好地将专业知识传授与价值引领深度融合.此外,将成果导向教育理念(OBE)运用于“地球系统科学”课程思政的评价体系,有利于检验其实施效果,还有助于课程知识目标和技能目标的达成.

地球系统科学理念下地质数据采集趋势及启示

当前科学技术革命深刻演进,全球性气候、资源、环境等问题日益凸显,越来越多的地学机构倡导地球系统科学理念,地质工作也步入重大转型发展阶段。为了探寻新形势下我国地质数据的采集策略,本文提出了地球系统科学理念下地质数据采集需要着眼于多圈层、长时序、全属性的数据。地质数据采集工作具有自动化、实时化、智能化、集群化、立体化的趋势。新形势下,要以系统观为指导构建多元数据体系以解决具体资源环境问题;持续健全“立体式”数据采集网络以掌握全域地质、自然资源、生态等基础数据;积极研发更多智能采集技术以应对人工智能的迅猛发展;打造高集成度的数据采集工作体系以满足地质工作高质量发展的内在需求。

地球系统科学时代的海洋地质-地球物理调查展望

本文基于研究文献搜集和资料统计,总结出海洋地质-地球物理调查具有平台多样化、装备高精化、技术方法系列化、目标综合化的现状特点,并通过分析海洋地质-地球物理调查研究与地球系统科学之间的密切关联性,指出地球系统科学理念对海洋地质-地球物理调查研究范式、方向和内容、技术架构具有宏观全面的指导意义。未来的海洋地质-地球物理调查研究将在调查理念、装备技术、方法手段、合作研究、数据融合交换与共享5个方面有显著的改变和新一轮的转型升级。

第三极环境与地球系统科学论坛:为人类可持续发展贡献中国智慧

5月29日,2023中关村论坛“第三极环境与地球系统科学”论坛在北京成功举办。本次论坛由科技部、中科院主办,第二次青藏科考队承办。科技部副部长相里斌、中科院副院长张涛出席论坛并致辞,第二次青藏科考队队长姚檀栋院士主持论坛。来自十多个国家的200多名中外青藏高原研究的专家学者参加论坛。

从地球系统科学角度浅析中国地貌若干问题研究的新进展

以地球系统中各圈层的相互作用为主线,分析总结了我国沙漠地貌过程、流水地貌过程、冰川地貌过程及风沙地貌过程等领域研究的部分进展。由于我国沙漠地理位置的特殊性,其形成和演变与岩石圈构造变动即青藏高原隆升有着紧密的联系,所以,对我国沙漠形成、演变的研究能为探讨青藏高原隆升历史提供重要佐证。近30年来,有关我国沙漠形成时代的认识更新较快。新的沉积记录显示,我国西北地区的沙漠在中新世时就已经出现了,但沙漠沙丘大规模扩展可能是在中更新世才开始的。既使在晚更新世以来,我国沙漠地区的气候也有过明显波动、沙漠地貌的特征也发生过显著变化。沙漠通过为沙尘暴提供物源,对全球变化产生驱动作用。从地表过程来看,风沙地貌的形成演变不仅受风力作用,而且受流水、湖泊等多种地貌动力过程的影响,地貌类型是各种动力过程共同作用的缩影。古冰川地貌曾是最早发现的第四纪气候变化的证据。随着新的测年技术的出现,学术界对我国第四纪古冰川地貌演化过程有了较系统、全面的认识。流水地貌过程应该是地球上作用区域最广的一种地貌动力过程,对流水地貌过程的认识目前正在向微观和宏观深入。

基于XML Schema地球系统科学数据的元数据扩展机制

概述目前国内外地学数据共享中元数据的应用,分析地球系统科学数据的学科特点:数据量大、学科复杂、元数据标准多,从而论证在地球系统科学数据共享网的开发和研究中元数据扩展的必要性,论述元数据扩展的基本方法、抽象模型和基本原则,总结地球系统科学数据共享网核心元数据的多学科扩展表达,最后,论述地球系统科学数据共享网中元数据扩展机制的实现,以及利用XMLSchema文档的可扩展性,阐述基于XMLSchema地球系统科学数据的元数据扩展机制,实现地球系统科学数据元数据的多学科扩展。

地球系统科学数据共享网络平台的设计和开发

“地球系统科学数据共享网”是国家科学数据共享工程的试点之一,同时也是国家科技基础条件平台的组成部分,其目的是为地球系统科学的基础和前沿研究提供数据支撑服务。该系统平台(GEODATA)是一个分布式的数据交换体系,总体设计思路是利用元数据整合分散的地学数据资源,通过业务逻辑的技术封装提供地学数据的网络共享。设计的GEODATA体系是一个五层结构,即门户层、共享业务层、核心服务层、资源管理层和网络平台层,具体的业务逻辑处理功能被分解为13个功能模块。GEODATA的研发技术路线包括总中心和分中心两大部分,其中总中心采用“地学数据超市”理念进行功能组织;分中心基于Web Services技术,采用分布式数据管理的模式进行设计。两者的业务逻辑基于元数据的生命周期被串联成一个有机的整体。GEODATA原型系统利用J2EE开发,实现跨平台部署。应用实践表明这种平台构架模式非常适用于地球系统科学的学科特点。

地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心建设

地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心通过虚拟现实、对地观测系统、地理信息系统、人机交互等技术,构建高度仿真的地球系统科学虚拟实验环境和实验对象,不仅解决了诸多地学现象的高风险、不可见、不可达,而且也解决了地球科学野外实习受经费、设备等条件的限制。经过多年的建设,中心软硬件设施齐全,虚拟仿真实验教学资源丰富,管理运行措施得力,实验教学效果明显,在地理学、地质学、大气科学、海洋科学等地球科学创新人才培养的过程中发挥了积极作用。

地球系统科学虚拟仿真实验研发

虚拟仿真实验为地球系统科学提供了一种新的教学手段,它与野外观测、真实实验相互补充。然而,地球系统科学虚拟仿真实验教学资源匮乏,虚拟仿真实验难以真实地反映地学过程,难以支撑学生深入学习地学过程、机理。该文探索了虚拟仿真实验体系设计、问题驱动的实验情境设计,并以尾矿库监测为例,开展了地球系统科学虚拟仿真实验研发与实践。研发实践表明,地球系统科学虚拟仿真实验教学,需要地理信息技术、虚拟仿真技术与地学定量分析方法更紧密、更高效地融合。

生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用

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。地球系统科学概念的提出是为了解决全球性的资源和环境问题的需要,是地球科学向综合集成方向转变的重要阶段。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。地球系统科学发展离不开对地球系统要素和圈层的物理、化学和生物过程的综合观测工作的支持。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。国际长期生态研究网络(ILTER)自20世纪80年代开始建设,其目的是对生态过程进行长期的监测,研究各种生态因子的相互作用及生态过程,从而揭示出生态系统和环境的长期变化,为生态系统评价及管理提供科学依据。中国生态系统研究网络(CERN)始建于1988年,在中国生态系统动态观测、科学研究和试验示范方面发挥了重要作用,2005年在CERN的基础上,由国家科技部组织开始建立中国国家生态系统观测研究网络(CNEN),目前已经遴选出了53个台站,开始对农田、森林、草地(含荒漠)和水体(湖泊和海湾)的动态进行观测研究,该网络必将成为全球地球观测系统(GEOSS)的重要组成部分,在我国地球系统科学发展的历程中发挥重要作用。本文主要从发展地球系统科学角度,讨论生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用。

地球系统科学与地球信息科学

地球系统科学不是脱离社会而存在的一门科学，不是纯自然的科学。研究地球系统科学应该始终如一贯穿“顶天立地”的统一性原则：“顶天”即研究全球变化，“立地”则面向区域持续发展。区域模型和宏观调控信息系统依次作为两个中间层次，有机地将全球变化研究和区域持续发展联系起来，构成地球系统科学体系；时代进步和社会发展要求：地球系统科学研究要运用空间信息技术工具和手段，以服务区域持续发展为最终目标。区域持续发展要依靠宏观调控，宏观调控则依靠信息。地理信息系统作为空间信息技术组成部分，直接参与实现区域持续发展，成为地球系统科学的一个重要支柱。

地球系统科学创新人才培养模式探索与实践

为适应地学学科发展和创新人才培养需要，2000年以来，南京大学地学院以强化“大理科”与“大地学”学科基础，以培养创新精神和创新能力为教学改革的总体指导思想，依托综合大学学科齐全，基础研究实力雄厚的优势，引入“地球系统科学”的理念，整合南京大学的国家地质学理科基地、地理学理科基地和校内大气科学理科基地为南京大学“大地学人才培养基地班”，创建了以“三层次”课程体系、“三元结构”教学模式和“一整套创新训练机制”为特征的“三三一”地球系统科学创新人才培养模式。

加强地球系统科学教育 培养一流地学人才

南京大学的地学教育发挥学科齐全之优势，以地球系统科学理论为指导，突破学科界限，强化基础，注重实践创新，培养适应“人地和谐发展”需要的交叉学科人才。历经9年的“大地学”教学改革实践，设置了地球系统科学的重要基础课，加强实验室实践教学，建立野外认知、定点观测与系统分析的实习基地，拓展国际教学实践交流，切实加强了大学生的早期科研训练。通过系列教学活动，培养了一批具有宽基础和创新能力的大学本科毕业生，为实现南京大学建设国际一流大学的目标，起到了积极推进作用。

Gaia理论与地球系统科学

本文简要介绍了Gaia理论的提出背景、科学内涵,及其最初验证模型———雏菊世界。Gaia理论将地球与生物当作一个可以自我调节的整体,强调生物圈对全球环境的调节作用。在此基础上,文章着重分析Gaia理论在全球变化、地质事件、生物进化研究中的应用,指出在进行地球系统科学研究过程中,应以Gaia理论为指导,不能把生物仅仅作为环境的附属产品,而片面强调环境对生物进化的制约。同时也要认清生物在自身进化的同时,也积极地调节着全球环境,使之更有利于生物进化。生物圈是地球具有生命的直观体现,同时也是联系地球各圈层的关键环节。正确认识生物圈对于全球环境演化的调节作用,不仅帮助我们认识地球系统的全貌,更可以推动地学研究深入发展,对全面研究全球变化有积极意义。Gaia理论正处于发展期,理论需要进一步发展与完善,在实际应用中,应该对现有的学科进行更为广泛的综合。我国地学工作者应该抓住这一科学方向,为地球系统科学理论做出应有的贡献。