孙九林院士_地球系统科学理论与实践

２００６年第１期
地球系统科学理
论与实践
●孙九林／中国科学院院士、
中科院地理与资源研究所研究员（１０００００）随
着人类社会谋求可持续发展的意愿不断加强，地球科学的研究需要回答诸如地球资源还能支持人类社会发展多久，人类生存环境对人类自身发展的极限承载力，全
球环境在人类活动干预下的变化趋势，以及如何规范人类活动以达到人与自然协调发展的目的等问题。

回答这些问题，需要把地球的大气圈、水圈（含冰雪圈）、生物圈、岩石圈、地幔和地核以及近地空间视作密切联系的整体，并关注人类活动的影响，理解它们相互作用的过程和机理。

一、地球系统科学的产生与发展
１．地球系统科学的定义
地球系统科学（ＥａｒｔｈＳｙｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅ）是２０世纪８０年代
初国际科学界为迎接全球环境变化的挑战而提出的一门全新的集成科学。

地球系统科学是研究地球系统在复杂的相互作用中运转的机制、地球系统变化的规律和控制这些变化的机理，从而奠定全球环境变化预测的科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。

以理解地球系统整体运行与变化为目的的地球系统科学是一个新兴的、多学科交叉的复杂性科学研究领域，是一门新兴的学科。

２．地球系统科学产生的背景
２０世纪８０年代诞生的地球系统科学，是人类社会需求和
科学发展规律所驱动，基于资源、环境、生态、灾害等一系列全球性环境问题威胁着人类的生存与发展，人类活动在导致地球环境变化中的作用日益增大，并从局部范围步入到全球影响时代，而引起人们的普遍重视。

地球的大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、地幔和地核等各个组成部分是一个具有密切联系而相互作用着的整体，是一个所有的组成要素处在相互作用之中的动态系统。

任一圈层过程都在不同程度上与其它圈层不同时空尺度过程存在着相互影响和制约，任一圈层的结构、功能和行为都是地球系统在局部的反映；其中某一成分的变化都会引起其它成分的响应，往往又是其它成分共同作用的结果。

科学技术突飞猛进，传统学科自身的成熟，促进了学科之间的联系和依赖。

面临复杂的科学难题，为了取得实质性进展，每一学科的专家都需要从其它学科吸取知识及其最新的研究成果。

如物理海洋学研究需要有关海气相互作用、陆海相互作用、极冰的范围、海洋生物群落分布和生产力方面的知识。

空间技术的发展，使人类有能力对地球进行整体观测，对地观测技术的发展，特别是卫星遥感技术，提供了对地球整体行为进行长期、立体监测的手段；计算机技术的发展为收集、处理、分析海量的有关地球的信息，开展复杂的数学分析与数值模拟提供了工具。

３．地球系统科学产生的思想基础
＊地球系统科学思想的产生是科学发展的必然产物，不同
圈层之间的相互作用过程和机理实际上是地球系统科学思想的核心。

（如图１）
＊板块理论面临的困难使人们意识到，理解地球岩石圈演化必须研究地幔与地核。

＊固体地球的演化对水圈和大气圈演化有着重要影响。

＊大气圈演化对岩石圈构造运动有重要作用。

＊水圈演化对大气圈演化具有关键作用。

＊岩石圈演化导致生物圈重大变革。

＊宇宙和行星演化对地球系统有着深刻影响。

＊人类活动是地球演化最重要的营力之一。

４．地球系统科学的形成过程
地球系统概念的诞生源于全球环境问题的挑战。

将地球作为一个行星来认识，体现了地球系统科学的整体观，在学术上经历着一场质的变化：原来各自描述自己所涉猎地球上各种现象的学科，正寻求在地球整体的高度相互交叉融合，以期揭示地球系统的不同时空尺度的过程，以服务于预测。

１９７８年在世界气象组织（ＷＭＯ）和国际科学联合会理事
会（ＩＣＳＵ）的联合支持下，诞生了第一个以全球气候问题为研
究对象的世界气候研究计划（ＷＣＲＰ），第一次提出了“
气候系统”的概念。

１９８４年在ＩＣＳＵ召开的第２０届大会上，组织了一次广泛
的全球性环境问题的讨论，达成了以下共识：这些重大的全球性环境问题的研究和解决，已经远远超过了单一学科所涉猎的范围。

全球范围内发动的全球变化研究的重要计划———国际地圈生物圈计划（ＩＧＢＰ）。

１９８３年，出现在美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）顾问委员会
领导下的地球系统科学委员会（ＥＳＳＣ）的内部文件中。

１９８８年出版了专题报告《
地球系统科学》一书，正式系统地阐述了地球系统和地球系统科学的观点。

５．地球系统科学的主要科学问题（ＩＧＢＰ定义了以下七个
主要科学问题）
本刊专稿
４
图１
２００６年第１期本刊专稿
５
——
—全球大气化学过程是如何被控制的？
——
—海洋生物地球化学过程是如何影响和响应大气的？
——
—土地利用如何影响海岸带资源？海面和气候变化怎样改变海岸生态系统？
——
—植被与物理过程和水循环的相互作用？
——
—全球变化如何影响陆地生态系统？
——
—过去发生了什么重大气候、环境变化？原因是什么？
——
—怎样将知识集成到具有预测能力的数学框架中？
基于以上七个主要科学问题，１９８８年国际地圈生物圈计划（ＩＧＢＰ）组织了８个核心计划和２个框架活动。

二、地球系统科学基本理论与方法
１．地球系统科学的理论基础
地球系统科学要在信息论和系统论理论指导下研究：
——
—地球系统圈层间信息传递的产生机理、表达方式
——
—圈层间信息流的形成、传递、存储、管理理论
——
—圈层间信息开发、应用的理论
——
—圈层间信息的价值理论，圈层间信息共享的理论
——
—圈层间信息流调控物质流和能量流的理论基础
——
—圈层间信息融合的理论和方法
——
—圈层间信息的整合、集成理论等
２．地球系统科学的研究对象
地球系统科学以认识地球系统组成部分间的相互作用与变化为关注焦点；其终极挑战在于把不同学科中的科学发现综合成大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和近地空间耦合系统的一种整体表现；耦合的地球模型是预测地球系统未来变化及趋势的最佳工具。

地球系统科学的目标是：在地球系统这一动力框架下，描述和认识控制地球系统的关键的、相互作用的物理、化学和生物学过程；描述和认识生命支持系统——
—无生命的地球环境；描述和认识人类活动诱发的重大全球变化。

全球变化是地球系统科学的研究对象，但从谱分析的角度看，发生在地球系统中的各种变化具有很宽的时间和空间尺度谱，包括从微米到行星轨道的空间尺度，从毫秒到数十亿年的时间尺度上的物理、化学、生物过程及其相互作用。

３．地球系统科学的方法论
地球系统科学将地球视为一个整体，这种研究方法首先需要描述作用于地球系统的力及其响应。

其次是关注地球系统内部，以了解其内部变化的原因——
—构成系统的各部分之间复杂的相互作用。

必须从复杂系统的科学理论出发，在综合分析的高度上，研究地球系统在驱动力作用下演变的整体行为的新规律和新机制。

在地球科学研究执行战略中，需要构建地球系统过程和状态的跨学科研究框架，一个高度交叉整合集成的研究框架。

研究地球系统过程的三大主题：
——
—地球系统的联系：探讨大气圈、水圈、生物圈与人类活动、岩石圈及近地空间之间是如何相互作用和相互联系。

——
—地球系统的演化：探讨自４５亿年前地球形成以来，控制地球特征的过程是如何变化。

——
—预测地球系统的未来，规范人类活动的行为。

＊观测、研究和模拟相结合是地球系统研究的基本方法，对地观测技术是推动地球系统科学进步的引擎。

——
—在地球过程的所有时空尺度的研究中，地球系统科学侧重于行星（或全球）尺度、几十年到百年时间尺度的变化。

当然，任何时间尺度的变化都包含了发生在地球系统过程的各种尺度的相互作用，也不能被忽视。

获取科学数据的新型观测技术、数据转化、处理、压缩技术和大量复杂模型计算技术以及科学数据、资料共享的信息系统至关重要。

地球系统各种基本过程的综合全面分析和模型的建立，是整体研究的集成。

用数学模型描写各子系统相互适应的关系，描写各种循环（水、碳、生物地球化学循环等）和各种过程的内在联系，最终达到定量模拟和预测未来地球环境变化的目的。

地球系统科学的研究方法是对全球变化进行观测、理解、模拟和预测。

将全球变化用一些基本变量来描述，并通过全球范围的长期、持续、同步的观测（卫星和地面观测），以建立全球变量信息库来实现。

地球系统科学尤其重视开展“过程研究”。

信息方法：在探讨地理系统科学的研究方法时，离不开具有普遍意义的方法论体系，即信息方法。

信息方法是一种从整体出发，用联系的、转化的观点综合系统过程的研究方法。

步骤如下：
——
—将实体系统变成信息流系统
——
—对抽象出来的信息流系统进行定性定量化研究
——
—在上述分析的基础上，建立各种信息模型
——
—针对所建立的模型进行研究
——
—检验模型的研究结果
——
—信息反馈（反馈信息可以使得研究结果不断进行修改，最终达到预期的目标）
４．地球系统科学的研究方法
（１）信息综合分析法：指从信息的观点出发，抓住事物的信息特征，分析事物之间的相互联系，在此基础上综合揭示事物的运行机制或运行系统，从而实现一定工作目标的方法。

其特点是：把认识问题和解决实际问题有机结合起来，使人类更加有效地去认识世界和改造世界。

（２）黑箱方法：指从行为的观点出发，以行为的相似性为基础，从功能上模拟事物或系统对环境相互作用的方法。

黑箱是：既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统。

设计一个系统，在同样输入的作用下，它的输出和所模拟对象的输出相同或相似，就可以实现模拟的目标。

（３）系统整体优化法：指从系统的观点出发，着重从整体与部分之间、整体与外部环境之间的相互联系中综合观察对象，以达到全面最佳的解决问题的方法。

对任何一个系统进行信息分析和综合时，一方面要抓住功能的相似性，另一方面又要抓住系统的全局性，使整体效益大于各部分之和。

地球系统经过相关信息的输入、处理、输出和反馈，在适应外部环境的条件下，通过各子系统的作用，求得动态的整体优化。

（４）描述方法和推断方法：描述方法指在对事物进行实证分析的基础理论上，排除主观意志干扰，客观陈述事实及其发展过程方法。

推断方法指以现有的客观事实为基础，推断事物运动的一般规律和原理。

由于人们获得信息是为了解决未来行动的针对性，因而推断方法是提高信息使用价值的重要手段。

（５）定性分析和定量分析法：定性分析法指根据已获得的大量信息，对事物进行科学概括或分类整理，以揭示事物本质或运动规律。

对人们正确认识事物的规律性，准确把握
２００６年第１期
谈开放性试题和地理思维能力评价的整合
●冯丹／广州华南师范大学附属中学
（５１０６３１）●张哲江／广州华南师范大学地理科学学院
（５１０６３１）发
展地理学科能力和培养科学地理思维方式是最为重要的，也是最难达成的，但难以达成性正是广大教师的困惑所在。

这种学科能力和思维方式通常在学习
过程中反复强调，但是其最终的达成在终结性考试中应以什么形式呈现，过程性评价和终结性评价之间是否可以相互渗透。

笔者认为可以尝试开放性试题的设置以及改变常规的试题评价方法来完成这个整合。

一、地理思维能力评价的现状与改革
思维能力包括概念形成、判断和推理的能力。

通过分析、综合、比较、抽象、概括等过程形成概念，再用许多概念组成判断，然后用判断来进行推理，产生思想。

思维能力是智力发展的核心，是获得新知识的必由之路。

假如在思维能力前面加上限定词“地理”两字，代表的内容就和上述表达有了很大的区别，它的含义中地理学科特征就非常明显。

这里我们把对其评价分成两个含义：一个是地理思维过程评价；一个是地理能力水平评价。

当前的现状是对地理学科能力目标的达成高度重视，而对地理思维过程的评价难以有效实施。

高中地理课程标准（以下简称“标准”）明确提出：地理学科能力是地理学习能力、地理信息意识和能力，主动探究地理问题的意识和能力，理性思维（能力）、地理概念理解能力、提出（地理）假设的能力。

在近几年的闭卷测试考试中，我们发现考试的重点已经由单纯的考查记忆力发展到考查学生的学科能力，特别是学生的读图能力、空间想象能力。

近年来在高考中还结合各种地理现象增加了体现考查学生描述、归纳、概括和比较、分析、评价等能力的题目，但是在实际评卷操作过程中遇到的问题却非常明显和难以解决。

以例１为例，可反映出当前学生在终结性考试中出现的问题。

例１：读《人类活动对地下水资源影响示意图》图１，分析其因果关系，并回答：该图反映的问题是什么？
这是一道读图分析题，以流程图的形式说明人类在改造、利用环境的过程中遇到的问题。

学生在做这道题时必须具备良好的因果关系推导能力和按箭头指示的方向根据事物内在的逻辑关系进行判断的能力。

学生在回答该题时有如下几种答案（见表１）。

仅从字面上找学生的答案和标准答案的差异肯定可以迅速地得出其分值，但是如果从学生的思维能力层次来分析学生的这五种答案，结论是不一样的。

因此，题目答案的设置结果如何，完全可以从不同的侧面反映学生的知识或能力水平，假如仍一味地用传统的评价方法在终结性考试中评价学生，用“采点法”模糊学生思维能力水平的差别是不符合新课程改革背景下的评价理念的。

二、ＳＯＬＯ评价理论和开放性试题
“ＳＯＬＯ”是英文“ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＯｆｔｈｅＯｂｓｅｒｖｅｄＬｅａｒｎｉｎｇ
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６
答案种类
答案一：水资源枯竭的问题
答案二：人类生产活动对水资源的破坏
答案三：地下水资源被破坏引发了多种问题
答案四：人与环境相互作用的过程中，人类对待自然的态度和行为，会得到环境不同的响应
答案五：人们为了满足人口增长和工农业生产的需要，开挖新井扩大地下水资源的开采，导致的结果是地面下沉；水资源的枯竭等环境问题出现，工农业经济效益减少，人类生产生活陷入恶性循环
反映该学生对这个问题认知能力水平试图说明从某一个因果推导出某一个环境问题
不知道他从何处得出这个结论
试图从多个因果关系推导出多个环境问题的产生，但不知道从何处得到结论从理论的高度来概括问题的核心，但是欠缺事实论据
体现该学生一定的思维过程：
１．人们为什么要不断地破坏水资源２．人们通过什么方式扩大开采地下水资
源的力度
３．这种方式会带来什么负面影响？这些影响
在短期内能消除吗
４．过度开采地下水资源会根本解决问题吗
表１
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事物发展，科学识别和搜集信息有重要的指导意义。

定量分析法指根据已获得的数据信息，运用数学模型，在物质的规定性范围内进行量比较研究，或对研究事物的数量界限进行分析，或是推测事物的发展变化趋势，使人们对事物有一个比较正确的认识方法。

（６）多维信息环境法：地球系统圈层间信息传递是研究的关键，所获取的信息越丰富，对事物的认识越深刻，对
事物本质和运动规律把握越准确。

对于若干事物，人们很难接近或无法深入现场，利用现代计算机的模拟技术和虚拟技术对实际环境进行模拟或者建立多维信息的虚拟环境进行研究，从而使人们从不同角度获取描述事物本质和运动过程的信息进行分析研究。

将研究结果，采用计算机模拟或虚拟技术进行可视化显现出来，验证研究结果的准确性。

（待续）
图１。