地球深部过程对表层地球系统的影响构成了地球系统科学研究的核心议题。通过构造运动和火山喷发等多种机制,深部过程改变了物质循环和能量传输的深浅部模式,进而对表层地球系统产生深远影响。这种影响具体表现在以下几个方面:(1)构造活动通过地形的重塑,调控了流域尺度的侵蚀-沉积过程;(2)火山活动和构造运动通过改变大气成分和环流格局,在地质时间尺度上驱动了气候变化,其中硅酸盐风化作用在调节大气中CO2浓度方面扮演了关键角色;(3)深部过程可能引发生态系统演化中的生物灭绝事件,同时也能促进生物多样性的形成;(4)在全球气候变化的背景下,地震和地质灾害通过影响社会-生态系统的稳定性,可能进一步加剧其不稳定性。随着观测技术的持续进步,地球系统科学研究将继续深入理解表层地球系统对深部过程的响应机制、量化其影响强度、预测自然灾害的演化趋势,以及增强社会-生态系统对灾害的适应能力。本文系统梳理了深部过程-表层系统-社会生态的跨尺度耦合机制,有助于理解地球系统整体演化。
构造-地貌-气候-生态系统的相互作用构成了表层地球系统的核心动力学框架。这些要素之间的内在联系和作用体现了系统科学的属性:构造运动首先塑造了大地地貌格局,并与气候和生态系统形成了相互作用系统;气候因子驱动地貌演变和生态系统变化;生态系统通过生物地球化学循环反馈于地貌和气候。构造-地貌-气候-生态系统的协同作用是表层地球系统演化的核心内容。从地质时间尺度看,板块运动和地貌重组引发了区域气候变化和生物群落更替;在现代尺度上,这种耦合关系塑造了地球表层环境的动态平衡。对构造-地貌-气候-生态系统的系统研究对揭示表层地球系统过程和功能以及服务机理至关重要。本文通过梳理构造与气候和地貌、地貌和气候与生态系统变化的耦合关系,旨在探索构造-地貌-气候-生态系统动力学和表层地球系统科学研究的系统性思路。同时,青藏高原是研究这一主题的天然实验室,其独特的构造活动、复杂的地貌形态、多样化的气候带和敏感的生态系统提供了系统研究的关键平台。围绕青藏高原构造-地貌-气候-生态系统的综合研究,将帮助解决青藏高原表层地球系统科学中的前沿科学问题,为全球环境变化研究提供借鉴。构造-地貌-气候-生态系统动力学研究发展需要注重各要素之间的定量耦合关系与协同演化,深化多学科交叉融合,利用先进的实验测试与观测/监测技术,强调大数据驱动的多尺度整合与人工智能的深度应用,构建地球系统动态耦合模型,以期达到对地球系统多圈层相互作用的深入理解,并为应对全球变化带来的挑战提供理论支撑。
土壤圈是表层地球系统中大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用的产物,在地球表层系统演变中起着关键作用。本文回顾了控制土壤形成和演化的界面过程,强调了它们复杂的相互作用和反馈机制。土壤圈的形成和演化受物理和化学风化过程、气-水-岩异质反应以及生物有机质-矿物相互作用的协同影响。这些过程在不同的地理、气候和生物条件下有所不同,导致土壤的异质性和组分多样性。本文将界面过程分为两大类:无机圈之间的相互作用和生物与无机圈之间的相互作用。无机圈之间的相互作用包括空气和水对岩石的改造、热交换、风蚀、水-岩反应和成岩作用。这些过程对母质的物理分解和化学转变至关重要。生物与无机圈之间的相互作用包括光合作用、呼吸作用和微生物降解有机物的有机碳输入和输出,以及生物转化,其中涉及生物矿物营养素的释放和矿物-有机质聚集体的形成。本文探讨了土壤圈与生物圈的关系,强调了土壤与生态系统之间的物质和能量交换及其对生态系统的支撑作用。此外,本文还讨论了土壤在生态系统服务中的作用,如生产力、生物多样性维护和气候调节。最后,本文强调了多时间和多空间尺度研究的重要性,以了解地表过程对土壤圈演化的影响,并确定未来的研究热点。总体而言,本文详细概述了驱动土壤形成和演化的界面过程,强调了它们在维持生态平衡、支持人类活动和应对全球环境挑战方面的重要性。
在全球变化背景下,生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展,研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化,延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念,结合全球变化下生态水文面临的挑战以及研究范式转变,从“土壤-植被-大气”连续体(SPAC)、地球关键带以及流域等多维度探讨生态水文学过程,阐释水分、能量和物质在基岩、土壤、植被和大气界面之间的传输与交换机制以及植被生长对土壤结构和水分动态的反馈作用,论述气候变化和人类活动影响下基岩风化、土壤形成与生态水文过程的协同演变及其对水文循环和物质平衡的影响,并讨论了流域作为连接全球与局地尺度的关键中间单元的重要性。面向水-生态资源可持续利用需求,提出了在人工智能背景下生态水文研究的可能突破途径,包括多源数据融合、物理过程与机器学习结合的建模方法,以及跨学科协作的研究范式。本文旨在构建生态-水文-社会协同发展理论框架,为提升生态系统质量、保障水资源可持续利用、促进社会经济绿色发展提供科学依据和决策支持。
流域是表层地球系统中相对独立的单元或子系统,通过对流域系统性和综合性的研究能更深刻地理解表层地球系统层圈相互作用。流域物质循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,反映了表层地球系统各层圈之间的能量和物质循环状态,同时也反作用于各层圈的运行和维持。本研究综述了流域生物地球化学循环与地球层圈相互作用之间的关联机制,重点探讨了人类世以来强烈人为活动和全球气候变化对流域物质循环和生态环境的影响。首先分析了流域生物地球化学循环特征及其与全球变化的相互关联,其次剖析了流域生物地球化学循环与全球环境变化之间的互馈作用,以及人类世人为活动对流域生物地球化学循环的强烈扰动,然后解析了流域过程与全球生态系统之间的相互联系和作用机制。综合分析表明人类世以来强烈的人为活动极大地扰动/加速了地表部分物质循环,导致流域系统多个关键变量参数超过生态环境突变临界点,也极大地影响多层圈物质循环和地球系统的稳定维持。最后根据当前流域科学发展态势与挑战,提出了流域生物地球化学循环的研究前沿,通过研究范式变革、人工智能和多同位素等多学科新方法技术融合,指明了微生物等多因素驱动新机制以及构建流域动态系统模型等新方向,最终为深刻理解表层地球系统层圈作用的运行机制和人类可持续发展提供科学基础。
表层地球系统科学强调地球圈层间相互作用的整体性、动态平衡和互馈机制,为研究生态系统的结构、功能及其演变规律以及人类活动的影响提供了新的理论框架和方法体系。本文从表层地球系统科学的视角出发,探讨了生态系统科学在相关研究领域中的地位和作用,并梳理了当前的热点议题和面临的挑战。首先,讨论了表层地球系统科学与生态系统科学的关系:前者关注地球表层各圈层之间的相互作用及其整体行为,后者通过研究生态系统能量和物质流动,探究与其他圈层之间的协同演变机制。其次,探讨了表层地球系统科学对生态系统科学研究的理论革新,特别是多圈层耦合框架和复杂系统理论的引入,推动了生态系统科学从局部到全球、从静态到动态的研究范式转变。结合从局部观测到全球整合的发展趋势,本文还讨论了系统观测与数据集成、跨尺度建模技术、新兴技术和指标等在生态系统科学研究中的重要应用。从多圈层相互作用的角度出发,讨论了全球变化背景下生态系统与其他地表圈层间的关联关系,以及对全球变化的响应与适应机制等问题,表明通过整合不同圈层间的互作机制,可以为研究生态系统稳定性和服务功能等提供重要的科学基础。最后,面对人类活动加剧的全球变化,本文指出生态系统科学需要进一步整合遥感技术、大数据分析和人工智能等新兴技术,以深刻揭示人类世背景下生态系统的演变规律以及非线性响应机制和临界阈值等问题,为全球可持续发展提供科学依据和决策支持。
随着全球变化加剧,地-气界面作为地球系统中关键的物质与能量交换界面,成为理解气候变化、生态演变以及地球系统反馈机制的重要窗口。地-气界面过程涉及大气与陆地、海洋之间的能量与物质交换,是陆地和海洋生态系统动态变化的核心,直接影响地球系统的演变。地-气界面科学研究对于深入理解地球系统的动力学过程至关重要,是地球系统科学中的重要前沿问题之一。本文首先概述了地球系统科学视角下的地-气界面科学研究,总结了地球系统结构中的地-气界面及其作用,以及地-气界面物质与能量交换过程与全球变化的关系。其次,综述了地-气界面过程对大气环境的影响,地-气界面过程对生态系统的碳、氮等元素循环、水循环及其功能服务的影响,以及陆-海-气系统作用与全球气候变化。最后,提出了地-气界面科学研究的前沿与挑战,包括建设地-气界面科学的多尺度跨学科研究体系,如天-地-空立体观测系统优化、地-气界面过程的模式研究与多尺度耦合机制、人工智能时代的地-气界面科学研究等,极地、高山和滨海等生态和气候敏感区的地-气界面过程及影响等。地-气界面科学研究将在气候变化应对、生态环境保护和可持续发展等领域发挥更加重要的作用。
社会-生态系统科学在“人类世”背景下,为应对全球可持续发展挑战提供了重要理论指导与实践路径。本文首先从社会、经济、环境与生态四个维度分析当前全球可持续发展目标面临的主要挑战;其次,梳理了社会-生态系统科学的理论框架及历史演进,阐明了这一跨学科整合框架在全球变化背景下的应用前景;第三,本文聚焦社会-生态系统科学在促进跨部门协作、优化资源配置和推动政策创新中的核心作用,揭示了其在推动全球可持续发展目标实现中的关键意义;最后,本文展望了社会-生态系统科学的未来研究方向,特别强调了跨学科合作、系统建模与技术创新在实现可持续发展目标中的决定性作用。
地球系统模式是理解和预测全球变化的核心工具,近年来取得了显著进展。其性能提升体现在圈层耦合过程的精细化发展,以及圈层内复杂物理和化学过程的逐步引入。不确定性的降低则得益于新方法和新技术的发展和应用。然而,地球系统模式仍面临诸多挑战,包括对复杂交互过程的表征能力不足、社会-生态系统过程模拟的局限性,以及区域极端事件模拟能力的提升需求。未来的发展需深化跨学科协作,借助新技术强化数据获取与模型预测能力,同时聚焦社会-生态系统过程及其影响机制的研究,以增强对区域极端事件的模拟与预测能力,构建完善的陆-海-气-人相互耦合的新一代地球系统模式,为人类社会的可持续发展及全球变化的应对和预测提供更科学的支撑。
地球系统是由地质圈、生物圈和人类圈构成的一个有机整体,研究这一复杂系统各圈层内部和圈层之间的物质能量交换及其动力学机制是地球系统科学研究的核心内容。圈层之间的物质能量交换主要受控于水和主微量元素生物地球化学循环。因此,元素的生物地球化学循环是联系地球系统各圈层的物质基础和制约或影响全球变化的关键机制。此外,在社会经济高速发展背景下,人类活动正深刻改变着元素生物地球化学循环,使地球系统发生前所未有的变化。如何精准刻画元素生物地球化学循环、揭示其动力学机制、预测其未来演变趋势及其对生态系统的影响,已成为地球系统科学前沿研究任务和面临的根本挑战。而同位素可有效追踪物质的跨圈层迁移转化和生物地球化学循环,在圈层相互作用和全球变化研究中发挥着不可替代的作用。本文回顾了近年来传统和非传统稳定同位素在示踪圈层相互作用和全球变化方面的研究现状,总结了地球系统各圈层典型同位素组成分布,阐述了圈层界面过程同位素分馏机制,追踪了人类活动对地球环境-生态系统的影响,梳理了地球系统科学框架下同位素地球化学研究面临的挑战和前沿科学问题。未来,应该在进一步完善同位素地球化学方法和理论基础上,在地球系统框架下开展同位素与地理学、生态学、分子生物学、地球系统模拟、人工智能和大数据等前沿领域交叉融合研究,完善示踪复杂地球系统多圈层、多过程、多要素耦合条件下元素生物地球化学循环的同位素分馏理论框架,突破原有应用范式,获得对圈层相互作用、人类活动与全球变化、环境与生命协同演化等领域前沿科学问题的创新认知。
