科技日報記者 陳曦 通訊員 趙暉

今年春季，我國多地出現(xiàn)極端天氣事件。地球系統(tǒng)科學(xué)作為一門新興交叉學(xué)科，在理解和應(yīng)對氣候變化等全球性環(huán)境問題方面的重要性愈發(fā)凸顯。日前，全國25所頂尖高校的地理學(xué)相關(guān)學(xué)院院長齊聚天津，共同簽署發(fā)布《地理科學(xué)與地球系統(tǒng)科學(xué)院長論壇·天津宣言》（以下簡稱《天津宣言》）。這標(biāo)志著我國地球系統(tǒng)科學(xué)進(jìn)入?yún)f(xié)同創(chuàng)新、服務(wù)國家戰(zhàn)略需求的新階段。

圍繞當(dāng)前生態(tài)和環(huán)境挑戰(zhàn)與學(xué)科發(fā)展，科技日報記者專訪了中國科學(xué)院院士、天津大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院創(chuàng)院院長劉叢強，與他就學(xué)科前沿突破、多學(xué)科交叉融合以及人才培養(yǎng)等話題進(jìn)行了深入探討。

應(yīng)對人地關(guān)系危機

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)是在什么背景下誕生的？這門學(xué)科要解決哪些關(guān)鍵科學(xué)問題？

劉叢強：地球系統(tǒng)科學(xué)的誕生源于人類對全球變化問題認(rèn)識的深入。20世紀(jì)后半葉，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(xué)家們逐漸意識到，環(huán)境問題具有系統(tǒng)性特征。以氣候變化為例，北極冰川融化不僅影響局部地區(qū)，還會通過改變洋流和大氣環(huán)流影響全球氣候格局。

另外，人類活動被確認(rèn)是全球變化的主要驅(qū)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(xué)獎得主保羅·克魯岑（Paul Crutzen）于2000年提出，認(rèn)為自工業(yè)革命以來，人類活動已成為影響地球系統(tǒng)的核心地質(zhì)力量，可能終結(jié)了持續(xù)1.17萬年的全新世。因此，我們亟須以系統(tǒng)科學(xué)思維研究人與自然的關(guān)系。全球變化的系統(tǒng)性和復(fù)雜性特征促使科學(xué)家突破傳統(tǒng)學(xué)科界限，從“還原論”轉(zhuǎn)向“整體論”，再加上近年來非線性科學(xué)和復(fù)雜性理論的興起，地球系統(tǒng)科學(xué)這一新興交叉學(xué)科迎來了蓬勃發(fā)展期。

目前，地球系統(tǒng)科學(xué)主要聚焦五大關(guān)鍵領(lǐng)域。首先是地球系統(tǒng)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(zhì)交換，以及關(guān)鍵反饋過程如何影響地球系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題。其次是全球變化的驅(qū)動力與臨界點的研究，認(rèn)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(tǒng)的相對貢獻(xiàn)，以及地球系統(tǒng)是否存在不可逆的臨界點及其觸發(fā)條件和預(yù)警信號。第三是地球系統(tǒng)模擬與預(yù)測的研究，提高地球系統(tǒng)模型的分辨率和可靠性，整合社會經(jīng)濟情景與自然系統(tǒng)模擬，理解全球變化如何導(dǎo)致區(qū)域尺度的極端事件。第四是人類世的科學(xué)與倫理挑戰(zhàn)的研究，確定如何定義人類世的地層標(biāo)志和起始時間、人類活動如何重構(gòu)地球系統(tǒng)的演化軌跡和提升社會—生態(tài)系統(tǒng)的韌性，以及如何在發(fā)展需求與行星邊界間取得平衡。最后是科學(xué)如何支撐可持續(xù)發(fā)展路徑，量化碳中和、生態(tài)安全等目標(biāo)的科學(xué)閾值、基于地球系統(tǒng)科學(xué)設(shè)計跨尺度（全球—區(qū)域—本地）治理策略。

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)如何幫助我們理解當(dāng)前頻發(fā)的極端天氣事件？

劉叢強：地球系統(tǒng)科學(xué)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(fā)“北極放大效應(yīng)”，導(dǎo)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(qū)更易滯留。地球系統(tǒng)模型證實，人類活動顯著增加熱浪、暴雨等事件發(fā)生概率。如溫室氣體排放使百年一遇高溫變?yōu)槭暌挥觯缓Ｑ笊郎貏t增強水循環(huán)能量，催生更強的颶風(fēng)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(jìn)一步放大氣候異常。通過整合衛(wèi)星遙感、古氣候等跨尺度數(shù)據(jù)，地球系統(tǒng)研究可區(qū)分自然波動與人為影響，明確當(dāng)前極端事件的非自然性。基于此，地球系統(tǒng)科學(xué)不僅解析災(zāi)害鏈成因，還通過模擬不同減排路徑下的風(fēng)險閾值，指導(dǎo)氣候韌性城市建設(shè)與災(zāi)害預(yù)警體系優(yōu)化，為全球應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)錨點。

記者：能否請您具體談?wù)勀岢龅摹氨韺拥厍蛳到y(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)與全球變化”理論如何助力國家“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)？

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

首先是碳源匯動態(tài)量化。“表層地球系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)與全球變化”理論揭示了陸地生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)，為評估森林碳匯、濕地修復(fù)等生態(tài)工程的減排效能提供依據(jù)。

其次是人為干擾機制解析。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(huán)平衡，從而支撐精準(zhǔn)減排路徑設(shè)計。如揭示工業(yè)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳排放的關(guān)聯(lián)性，推動能源轉(zhuǎn)型與化肥減量的協(xié)同治理。

第三是氣候反饋預(yù)測。結(jié)合地球系統(tǒng)模型，模擬碳循環(huán)與氣候變暖的反饋效應(yīng)，預(yù)判不同減排情景下碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的可行性，規(guī)避氣候臨界點風(fēng)險。該理論可指導(dǎo)碳捕集、生態(tài)修復(fù)等技術(shù)創(chuàng)新。同時，該理論結(jié)合全球碳通量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)，可以為我國進(jìn)行國際氣候談判提供支撐。

記者：在相關(guān)領(lǐng)域，中國科學(xué)家扮演著怎樣的角色？

劉叢強：當(dāng)前，人類活動正深刻重塑地球系統(tǒng)。中國科學(xué)家正通過多維度實踐在全球科學(xué)治理中發(fā)揮關(guān)鍵作用。科研層面，我國科學(xué)家主導(dǎo)碳循環(huán)、氣候模型等研究，如提出高分辨率地球系統(tǒng)模式提升全球變化預(yù)測精度，并推動風(fēng)能、太陽能等低碳技術(shù)革新。我國科學(xué)家深度參與“雙碳”路徑設(shè)計，量化生態(tài)紅線與碳預(yù)算，支撐全球最大規(guī)模植樹造林、濕地修復(fù)等工程，助力陸地碳匯提升。國際合作中，中國學(xué)者主導(dǎo)“全球季風(fēng)計劃”，參與IPCC評估報告編寫，推動“一帶一路”氣候觀測網(wǎng)建設(shè)，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享與減排責(zé)任共擔(dān)。同時，我國科學(xué)家通過科學(xué)傳播與教育，提升公眾氣候認(rèn)知，推動社會低碳轉(zhuǎn)型。中國科學(xué)家正努力彌合發(fā)展與資源消耗的鴻溝，成為全球應(yīng)對人地關(guān)系危機的關(guān)鍵力量。

強調(diào)整體性研究

記者：《天津宣言》的核心目標(biāo)是什么？它將如何推動學(xué)科發(fā)展？

劉叢強：《天津宣言》的核心目標(biāo)是推動地理學(xué)研究范式的轉(zhuǎn)型發(fā)展。傳統(tǒng)地理學(xué)往往將自然地理和人文地理割裂研究，而《天津宣言》倡導(dǎo)的地球系統(tǒng)科學(xué)范式強調(diào)各圈層的相互作用和整體性研究。這種轉(zhuǎn)型不是否定傳統(tǒng)地理學(xué)，而是在其基礎(chǔ)上的創(chuàng)新發(fā)展。

《天津宣言》將通過三個路徑推動學(xué)科發(fā)展：一是促進(jìn)學(xué)術(shù)共同體形成共識，明確發(fā)展方向；二是建立協(xié)作機制，推動資源共享和優(yōu)勢互補；三是構(gòu)建交流平臺，促進(jìn)思想碰撞和方法創(chuàng)新。我們相信，這種協(xié)同創(chuàng)新的模式將加速地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展。

記者：《天津宣言》提出要推動學(xué)科交叉與數(shù)據(jù)共享。這一倡議將如何具體落實，可能面臨哪些挑戰(zhàn)？

劉叢強：我們?nèi)栽谌嫠伎己驮O(shè)計相關(guān)計劃，將來在具體落實時，我們計劃采取以下措施：通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和共享平臺，解決數(shù)據(jù)異構(gòu)性問題；制定收益分配機制，保障數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者的權(quán)益；開展方法培訓(xùn)，提高數(shù)據(jù)使用效率。同時，我們也將推動課程共享、設(shè)備共享等多方面合作。

面臨的挑戰(zhàn)主要包括：不同單位的數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一致；部分?jǐn)?shù)據(jù)的性質(zhì)影響共享；學(xué)科文化差異影響協(xié)作效果等。針對這些挑戰(zhàn)，我們需要建立有效的激勵機制和協(xié)調(diào)機制，在保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的前提下促進(jìn)開放共享。

記者：《天津宣言》對提升中國在地球科學(xué)領(lǐng)域的國際話語權(quán)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(xué)家積極發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)和參與全球環(huán)境治理的堅定決心；二是中國在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。這將在三個方面提升國際話語權(quán)：首先是增強我們在國際學(xué)術(shù)組織中的影響力；其次是有利于中國方案被國際社會采納；最后是提升中國科學(xué)家在國際大科學(xué)計劃中的參與度。

具體來說，中國科學(xué)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(xué)概念獲得國際認(rèn)可、分享中國在生態(tài)文明建設(shè)方面的經(jīng)驗等方式，不斷提升國際影響力。這是一個漸進(jìn)的過程，但方向是明確的。

推動學(xué)科交叉融合創(chuàng)新

記者：今年恰逢天津大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院成立十周年，作為國內(nèi)該領(lǐng)域的主要推動和發(fā)展單位之一，學(xué)院在學(xué)科建設(shè)和科學(xué)研究方面取得了顯著成就。地球系統(tǒng)科學(xué)涉及多學(xué)科交叉，這種交叉性給科研組織帶來了哪些挑戰(zhàn)？天津大學(xué)采取了哪些創(chuàng)新舉措來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？

劉叢強：學(xué)科交叉確實帶來了科研組織方式和研究范式的深刻變革。大學(xué)一般是按照學(xué)科門類來設(shè)置院系，但這種組織結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)地球系統(tǒng)科學(xué)的研究需求。我們在學(xué)院內(nèi)部創(chuàng)新性地設(shè)立了9個問題導(dǎo)向的研究中心，每個中心都聚焦一個系統(tǒng)性的多圈層、多要素、多尺度和多過程的科學(xué)問題。比如地氣界面科學(xué)中心就是整合了水文學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科力量，研究陸地—大氣界面的物質(zhì)能量交換過程和通量變化及其氣候和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

這種組織模式的最大優(yōu)勢是打破了學(xué)科壁壘，讓不同學(xué)科背景的科研人員能夠圍繞共同科學(xué)目標(biāo)開展合作。在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)這種模式不僅能產(chǎn)出創(chuàng)新成果，還能培養(yǎng)研究人員的系統(tǒng)思維和交叉學(xué)科研究能力，這正是解決復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境問題所需要的關(guān)鍵能力。

記者：在建立了跨學(xué)科研究團(tuán)隊后，如何將科研成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用？

劉叢強：科研成果轉(zhuǎn)化、服務(wù)社會—自然系統(tǒng)的可持續(xù)協(xié)同發(fā)展是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)。地球系統(tǒng)科學(xué)研究成果的轉(zhuǎn)化需通過“技術(shù)集成—政策耦合—社會嵌入”三層次路徑實現(xiàn)。在技術(shù)開發(fā)與工程示范方面，跨學(xué)科團(tuán)隊整合遙感、大數(shù)據(jù)與工程技術(shù)，開發(fā)智能監(jiān)測系統(tǒng)（如城市熱島調(diào)控、碳匯精準(zhǔn)核算）和低碳解決方案（如濱海濕地修復(fù)、綠色建筑），通過示范工程驗證技術(shù)可行性。在政策模擬與決策支撐方面，利用地球系統(tǒng)模型量化生態(tài)安全閾值，為國土空間規(guī)劃、災(zāi)害韌性建設(shè)提供動態(tài)情景分析，例如結(jié)合天津海岸帶特點設(shè)計“藍(lán)色海灣”綜合治理方案。在公眾參與與產(chǎn)業(yè)聯(lián)動方面，構(gòu)建科學(xué)傳播平臺，將復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化工具，推動企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型與社區(qū)氣候行動。

在上述方面，天津大學(xué)的獨特優(yōu)勢首先體現(xiàn)在工科技術(shù)錨點上：依托化工、建筑、環(huán)境等優(yōu)勢學(xué)科，將地球系統(tǒng)理論與工程技術(shù)深度融合，例如開發(fā)高效碳捕集材料、近零能耗建筑技術(shù)。其次是濱海地域特色研究與治理方面：針對環(huán)渤海區(qū)域環(huán)境問題（如地面沉降、海岸侵蝕），開展陸海統(tǒng)籌研究，支撐京津冀生態(tài)協(xié)同發(fā)展。三是學(xué)科交叉平臺構(gòu)建方面：依托“表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院”等平臺，聯(lián)合管理、法學(xué)等學(xué)科，設(shè)計“科學(xué)—工程—治理”一體化解決方案（如智慧生態(tài)城市標(biāo)準(zhǔn)體系），強化成果落地效能。

記者：在數(shù)字時代，AI和大數(shù)據(jù)等技術(shù)正在深刻改變科研范式。這些新技術(shù)為地球系統(tǒng)科學(xué)研究帶來了哪些變革？

劉叢強：數(shù)字技術(shù)確實為地球系統(tǒng)科學(xué)帶來了革命性變化。我將其歸納為三個方面的突破：首先是觀測能力的飛躍，通過空天地海一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，我們可以獲取前所未有的海量數(shù)據(jù)；其次是分析能力的提升，AI算法能夠從復(fù)雜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以識別的規(guī)律；最后是模擬預(yù)測能力的增強，基于高性能計算的地球系統(tǒng)模型可以模擬多圈層相互作用。

我們正在建設(shè)的地球系統(tǒng)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(shù)據(jù)技術(shù)，模擬不同情景下的地球系統(tǒng)演變。這種模擬能力對于預(yù)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(shù)字技術(shù)正在重塑地球系統(tǒng)科學(xué)的研究方法。

創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式

記者：地球系統(tǒng)科學(xué)的交叉性對人才培養(yǎng)提出了新要求。學(xué)院在課程體系設(shè)計方面是如何體現(xiàn)這種跨學(xué)科特點的？

劉叢強：我們在課程設(shè)計方面進(jìn)行了系統(tǒng)性創(chuàng)新。這主要體現(xiàn)在三個方面。首先是基礎(chǔ)課程強化數(shù)理化生基礎(chǔ)，因為地球系統(tǒng)的所有過程最終都與這些基礎(chǔ)學(xué)科的原理相關(guān)；其次是專業(yè)課程采用問題導(dǎo)向的設(shè)計，強調(diào)整體性，比如“全球變化水文學(xué)”就整合了水文學(xué)、氣候?qū)W和生態(tài)學(xué)的內(nèi)容；最后是實踐環(huán)節(jié)注重系統(tǒng)性思維訓(xùn)練，通過綜合性實驗和野外考察培養(yǎng)學(xué)生的整體觀。

這種課程體系與傳統(tǒng)地理學(xué)專業(yè)有很大不同。我們不是簡單地在原有課程基礎(chǔ)上增加內(nèi)容，而是重構(gòu)了整個知識體系。從實施效果看，這種培養(yǎng)模式使學(xué)生既掌握了扎實的基礎(chǔ)知識，又具備了解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的能力。

記者：在新工科建設(shè)背景下，地球科學(xué)人才培養(yǎng)如何融入工程技術(shù)思維？這種融合會帶來哪些優(yōu)勢？

劉叢強：培養(yǎng)工程技術(shù)思維是我們教學(xué)改革的重要方向。具體做法包括：在理論教學(xué)中增加工程案例分析，讓學(xué)生了解科學(xué)原理如何轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)；開設(shè)工程實踐課程，如環(huán)境修復(fù)技術(shù)、碳捕集與封存技術(shù)等；組織學(xué)生參與實際工程項目，培養(yǎng)解決實際問題的能力。

這種融合培養(yǎng)的優(yōu)勢很明顯。一方面，學(xué)生畢業(yè)后能夠更快適應(yīng)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(zhuǎn)化應(yīng)用。我們的一些畢業(yè)生已經(jīng)在環(huán)保工程、氣候變化應(yīng)對等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，這正是工程思維培養(yǎng)成效的體現(xiàn)。

記者：面向國家“雙碳”目標(biāo)等重大戰(zhàn)略需求，學(xué)院在人才培養(yǎng)方面有哪些針對性的調(diào)整和布局？

劉叢強：為服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，我們在人才培養(yǎng)方面著重三方面內(nèi)容：首先是增設(shè)“碳循環(huán)與氣候變化”等特色課程，系統(tǒng)講授“雙碳”相關(guān)的科學(xué)原理和技術(shù)路徑；其次是加強與產(chǎn)業(yè)界的合作培養(yǎng)，比如與環(huán)保企業(yè)共建實踐基地，讓學(xué)生參與真實的碳核算、碳匯評估項目；最后是強化政策素養(yǎng)培養(yǎng)，通過案例教學(xué)讓學(xué)生了解科學(xué)研究如何支撐政策制定。

這些調(diào)整的核心目的是培養(yǎng)既懂科學(xué)、又懂工程和政策應(yīng)用的復(fù)合型人才。從就業(yè)反饋來看，這種針對性培養(yǎng)確實使學(xué)生更能適應(yīng)“雙碳”領(lǐng)域的工作需求。未來我們還將根據(jù)國家戰(zhàn)略需求的變化，動態(tài)優(yōu)化培養(yǎng)方案。

【觀點聚焦】

全球變化的本質(zhì)是人類活動與自然過程相互作用下地球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變，其核心矛盾在于地球系統(tǒng)有限的承載力與人類無限的發(fā)展需求之間的沖突。圈層相互作用是驅(qū)動全球變化的關(guān)鍵機制。地球系統(tǒng)科學(xué)通過系統(tǒng)思維和跨學(xué)科研究，為解析圈層相互作用、揭示全球變化的深層機制、評估地球系統(tǒng)突變風(fēng)險以及設(shè)計可持續(xù)發(fā)展路徑提供了關(guān)鍵的方法論和理論框架。

展望未來，地球系統(tǒng)科學(xué)需進(jìn)一步專注于多尺度和精細(xì)化的圈層耦合機制、突變過程與臨界點預(yù)警、人工智能驅(qū)動的研究范式以及科學(xué)—政策—行動的協(xié)同創(chuàng)新等研究領(lǐng)域，設(shè)計和實踐可持續(xù)發(fā)展路徑，從而為應(yīng)對全球變化的挑戰(zhàn)、推動人與自然的協(xié)同發(fā)展提供堅實的科學(xué)理論支持。

——劉叢強