地球系统科学研究态势：表层地球系统

图1 表层地球系统储库之间物质和能量传输示意图

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表层地球系统基本特点

1.1 一级特点

(1) 垂直分层：表层地球系统在垂直方向上具有明显的分层结构，包括大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈。每一层都有其独特的物理和化学特性，其中岩石圈主要通过地形地貌影响地理环境。

(2) 水平分异：表层地球系统在水平方向上表现出有规律的变化和差异，不仅包括陆地与海洋之间的巨大变化，而且包括大陆气候、土壤、植被等自然地理要素的分布和变化，以及地质构造和地貌形态的差异。

(3) 相互交叉与叠置：组成表层地球系统的各个圈层在空间上并不是截然分开的，而是相互交叉、相互叠置的。例如，在大气圈、水圈、生物圈和土壤圈之间，存在着广泛的物质和能量交换。

(4) 立体交叉结构：以生物圈为例，表层地球系统的结构呈现出立体交叉的特点。生物在陆地土壤和水体、海水及其下伏的海底、高山和天空的不同高度和环境中无处不在，从而形成了复杂的生态系统网络。

(5) 多级嵌套结构：表层地球系统的各个圈层和组分之间存在多级嵌套关系。小到一个生态系统，大到一个地理区域，都可以看作是表层地球系统的一个组成部分，它们之间相互作用、相互影响，使得表层地球系统在不同尺度上表现出不同的特征和规律。

(6) 微生物活动影响：地球表层环境下存在着多样性极高、生态功能多样的庞大微生物群落，包括以前从未认知的海陆之下岩石和沉积物内部巨量的深部生物圈。这些微生物在全球碳、氮、硫、磷等生命元素循环和其他生物地球化学过程中发挥着重要作用，对理解地球系统的功能和演化具有重要意义。通过监测这些元素在全球范围内的流动和转化，可以揭示它们对气候变化和生态系统的影响。

1.2 二级特点

(1) 太阳辐射的集中与转化：太阳辐射主要集中于地球表层，太阳能的转化也主要在地球表层进行，是表层地球系统物理、化学和生命过程的主要能量来源。太阳能的转化和传递对于维持地球表层的能量、水循环和生命活动等起着至关重要的作用。

(2) 三相物质与三相圈层的界面：地球表层同时存在着气体、液体、固体三相物质和三相圈层的界面。这三相物质和三相圈层之间的相互作用和交换是表层地球系统复杂性和多样性的重要来源。

(3) 产物持续演变：地球表层的生物圈、水圈、土壤圈、地形地貌等随地球系统的扰动而不断变化，既是表层地球系统长期演变的必然结果，也是地球系统区别于其他星球系统的基本特征。

(4) 内部物理化学生物分异：地球表层存在着不同类型的内部物理、化学和生物分异，除了海陆空的分异外，还包括地形、地貌、气候、植被、土壤以及海洋分层等方面的差异。这些内部分异既是表层地球系统非均匀性和复杂性的体现，也是表层地球系统研究的重要内容。结果就是不同程度地改变了地球表层的自然状态，对气候、水资源与水循环、植被和生物活动等产生了显著影响。

1.3 其它特点

(1) 动态性：表层地球系统是一个高度动态的体系，其组成圈层在结构和成分上会发生不断变化，使得表层地球系统处于持续的动态变化之中。

(2) 开放性：表层地球系统与固体地球系统之间存在着持续的物质和能量交换，例如火山活动通过释放大量的温室气体引起强烈的气候环境波动，影响着地表生物活动。

(3) 脆弱性：尽管表层地球系统具有强大的自我调节能力，但在某些情况下，它也表现出脆弱性。例如，固体地球系统的局部扰动可能导致气候变化、水资源短缺、土地退化、海岸带侵蚀等问题，从而对表层地球系统的稳定性造成威胁。

(4) 复杂性：表层地球系统涉及多个圈层和多种因素的相互作用，其内部结构和运行机制非常复杂，使得对表层地球系统的研究和预测变得非常具有挑战性。例如，碳循环是跨越多圈层的关键过程，碳循环与气候之间的反馈是气候变化预测中最大的不确定性来源之一。

(5) 全球性：表层地球系统的各个组成部分是相互联系、相互影响的，构成一个全球性的系统。例如，大洋环流、气候变化不仅影响局部地区的天气气候，还可能对全球范围内的生态系统稳定和经济社会发展产生深远影响。

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表层地球系统研究面临的科学问题

2.1 一级问题

(1) 地表过程对全球气候变化的影响与响应：关键表层地球系统过程，例如植被-土壤动态与碳循环、水循环、土壤侵蚀与沉积等，如何响应全球气候变化，包括温度变化、降水模式改变、极端天气气候事件等，以及气候变化又如何影响上述地表过程。

(2) 陆地表层格局的形成与演化：陆地表层格局包括地形地貌、土壤类型、植被分布等空间特征。研究这些格局的形成机制、演化过程以及它们对气候和环境的响应是当前的重要课题。

(3) 海洋界面过程与物质循环效应：这些包括海-气、海-陆和洋流-基底相互作用过程、海洋负排放机制、碳等生源要素循环，以及相关资源环境问题、生命起源和演化问题、气候变化问题、可持续发展问题。

(4) 地表系统与生态系统服务：生态系统服务是指自然生态系统为生物活动提供的各种惠益，如气候调节、水源涵养、土壤保持等，不仅受地表过程的影响，而且两者之间存在可持续相互作用，是当前的研究热点。

(5) 地表系统的模拟与预测：随着计算机技术的发展，地表系统的模拟与预测能力得到了大幅提升。利用模型模拟地表系统的动态过程、预测未来变化趋势以及评估不同管理策略的效果是当前研究的重要方向。

(6) 地表系统数据集成与共享：由于地表系统的复杂性和多学科性，数据集成与共享成为了一个关键的研究领域。如何有效地整合不同来源、不同尺度的数据，构建统一的数据平台，并促进数据的开放共享是当前的重要挑战。

(7) 地表系统观测与实验技术：发展新的观测与实验技术，以获取更准确、更精细的地表系统数据，是推动地表系统研究的重要手段。包括遥感技术、地面观测站网、实验室模拟等多个方面。

2.2 二级问题

(1) 地表侵蚀与沉积过程：研究地表岩石的风化、侵蚀、搬运和沉积作用，探讨这些过程对地表形态和地貌特征的影响，分析不同环境 (如河流、海洋、冰川等) 下的侵蚀和沉积机制，以及这些机制如何塑造地表景观。

(2) 地表系统的界面过程：关注地表系统中不同介质 (如大气、水、土壤、生物等) 之间的界面过程 (包括物质交换、能量流动和信息传递) ，研究这些界面过程如何影响地表系统的稳定性、功能和演化。

(3) 地表生物多样性与生态系统功能：探索地表生物多样性变化和分布格局、形成机制和演化趋势，分析生物多样性对生态系统功能 (如生产力、养分循环、抗干扰能力等) 的影响，以及生态系统功能对生物多样性的反馈作用。

(4) 地表系统的恢复力与适应性：研究地表系统在受到干扰 (如自然灾害、人类活动等) 后的恢复能力和适应性，分析不同地表系统的恢复机制和适应策略，为生态修复和可持续管理提供科学依据。

(5) 地表系统与人类健康：探讨地表系统 (如空气质量、水质、土壤污染等) 对人类健康的影响，研究如何通过改善地表系统环境来促进人类健康，以及人类活动如何影响地表系统的健康状态。

(6) 地表系统的多尺度研究：从微观到宏观的不同空间尺度上以及从短期到长期的不同时间尺度上研究地表系统的结构和功能，揭示跨尺度过程和相互作用，发展多尺度整合的方法和模型，以全面理解地表系统的复杂性和动态性。

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表层地球系统研究面临的挑战

(1) 表层地球系统的复杂性：表层地球系统各个组成部分之间相互作用、相互影响，形成了复杂的系统。这种复杂性使得对表层地球系统的研究需要综合考虑多种因素，增加了研究的难度。

(2) 变化的快速性和不确定性：表层地球系统的变化非常快速，且具有不确定性和非线性。例如，气候变化、水资源短缺、生物多样性丧失等问题都在不断演变，它们在受地球外部系统影响的同时还受到地球内部系统的影响，导致未来的变化趋势难以准确预测。这种快速性和不确定性给研究带来了很大的挑战，需要不断更新数据和改进地球系统模型以适应新的情况。

(3) 观测和数据获取的困难：表层地球系统的观测和数据获取面临着很多困难。一方面，表层地球系统涉及的空间范围广泛、空间异质性很大，需要大量的观测站点和设备来覆盖整个区域，但是当前有限观测存在较大的误差; 另一方面，一些关键陆表过程和参量往往难以直接观测，需要通过遥感、模拟等手段反演和估计，这增大了数据获取的不确定性和误差。

(4) 模型和模拟的局限性：为了理解和预测表层地球系统的行为，业已研发了各种模型和模拟工具。然而，这些模型和模拟工具往往存在一定的局限性，例如对某些过程的简化处理和作用机制不明、参数和边界条件的不确定性等，这可能导致模拟结果的偏差和不确定性。

(5) 生物活动与环境变化的互馈：表层地球系统的变化受到多种自然因素的干扰，对生物活动产生了强烈影响。生物活动与环境变化的交织和互馈使得对表层地球系统的研究需要综合考虑各种自然因素，增大了研究的复杂性。

(6) 人类活动对全球变暖的效应：曾经假设人类活动诱发全球变暖，例如温室气体排放和气溶胶排放、土地利用和土地覆盖变化、资源和能源利用。与自然因素相比，人类活动可能不是扰动表层地球系统的主导因素。因此，人类世这个概念最好用来表征生态事件而不是地质时代，否则有可能夸大人类活动对全球气候环境的影响。不过，认识和理解生物活动与地球系统之间的相互作用，以及这种相互作用如何影响人类社会的发展，依然是表层地球系统研究需要关注的一个重要方面。