地球系统科学三十年发展回顾与展望 - 海洋地球化学

红袖舞墨 · 发表于海洋科普 2024-4-19 17:44:52

作为一个日趋成熟的学科，地球系统科学为人类世和行星边界等概念奠定了坚实基础。国际地圈生物圈计划（IGBP）的实施和推进，与地球系统概念的形成和地球系统科学的发展密不可分。本文基于IGBP核心项目研究，梳理了其发展脉络，阐释了IGBP与地球系统科学耦合发展的关系。IGBP经历了三个阶段：1986年IGBP启动初期，工作重点是构建国际研究网络和全球数据库，这是了解认识地球系统组成部分的关键。21世纪初，IGBP首次开展合成研究，通过跨学科交叉推动了地球系统理论发展。人类活动被认为是地球系统不可缺少的一部分，人类世概念逐渐形成。近年来，IGBP加强可持续性研究，在多个层面参与了政策研究过程。经过30年实施和推进，IGBP于2015年底并入未来地球计划。30年发展历程表明：IGBP有能力及时调整其科学研究与组织架构，适应不断变化的科学技术与社会现实。IGBP的成功，为未来地球计划提供了宝贵的经验，必将有力地推进人类社会可持续发展与相关解决方案的国际合作研究。

1.

引言

地球作为一个系统的概念和以研究地球过去、现在与未来过程为主要内容的地球系统科学，目前已经作为一个分支学科在学界得以确立。1986年启动的国际地圈生物圈计划（IGBP）对于地球系统科学理念和理论的发展起到核心作用。IGBP推动高层次国际协作和合作，探求“将作为评估未来一百年地球可能变化的基础”的科学知识。这一任务要求形成并构建最重要的概念框架，描述作为一个系统的地球及其变化的响应。IGBP是在20世纪早期国际科技合作的背景下酝酿启动的，对环境问题的日益关注和全球化的快速发展驱动了国际科技合作向更高层次发展。

经过30年发展，IGBP于2015年并入未来地球计划。IGBP在2012年发起全局性综合研究，有三条主线：一是地球系统科学，二是人类世，三是核心项目记录与成就。本文是关于第一条和第三条主线的研究。本文研究的目的是：为IGBP各个核心项目合成提供一个更广泛的架构，揭示IGBP是如何促进地球系统科学和国际环境政策发展的奥秘。

IGBP与地球系统科学的共同发展，可划分为三个阶段。第一阶段，从1986年至2000年；第二阶段，从2000年至2010年前后；第三阶段，从2010年至2015年。第一阶段的重点工作是构建国际研究网络和理解地球系统各组成部分的作用过程。第二阶段从集成与综合研究入手，重点了解地球系统各组成部分之间的相互作用。人类活动被认为是地球系统不可缺少的一部分，并提出了人类世概念。第三阶段的特点是重视可持续性研究，并且大力参与政策研究。与社会科学融合、共同设计和共同协商，预示着“未来地球计划”国际合作新时代的来临。本文所运用的文献资料，来自IGBP档案、个人通信、审查过的IGBP学术出版物和在IGBP网络内部及外部机构发表的学术论文。

2.

国际地圈生物圈计划启动背景

IGBP的起源，可追溯至第一个国际地球物理年（1957年）以及国际生物计划的发起年（1964年）。国际地球物理年为地球物理学家之间的国际合作提供了新的机遇。1967年启动了全球大气研究计划。科学家、政治家和民间团体对全球环境的日益担心，在1972年斯德哥尔摩联合国人类环境大会上达到高潮。那届大会的一个成果，就是成立联合国环境规划署（UNEP），协调和推动联合国系统的环境保护活动。

20世纪70年代，气候变化开始提上政治议程。气候变化对社会的潜在影响促成了1979年第一届世界气候大会，这届大会评估了气候的知识状况，产生的一个有形成果就是在一年后设立了世界气候计划（WCP）及其研究机构———世界气候研究计划组织（WCRP）。

国际地球物理年的最初发起者———国际科学理事会（ICSU）于1985年成立了一个临时规划小组，谋划“全球化学与生物作用过程”国际研究计划。该小组第一任组长是时任国际科学理事会主席的约翰肯德鲁爵士，第二任组长是瑞典气象学家波特博林教授。“全球化学与生物作用过程”国际研究计划设想源自如下观点：传统上独立发展的大气物理学与化学、生态学、地理学、海洋学和海洋生物学等地球物理学科，需要树立地球是一个系统的理念，并在这一框架下共同发展。规划小组的成立在一定程度上受到了托马斯马龙的激励。托马斯马龙多年来一直在游说国际科学理事会认真考虑物理与生物世界及人类之间的相互作用。

1986年5月，美国国家航空航天局出版了《地球系统科学回顾———全球变化计划》。该书由美国国家航空航天局的地球系统科学委员会编写，时任主席是气象学家弗朗西斯布雷塞顿。该书清楚地阐述了地球系统科学的目标：“加深整个地球系统在全球尺度上的理解，阐明地球系统各个组成部分及其相互作用是如何演化的，地球系统各个组成部分是如何起作用的，以及地球系统各个组成部分在所有时间尺度会如何继续演化的。”这个新兴学科面临的挑战是，开发能预测未来十年至一百年地球变化的能力，包括自然变化和人类活动引起的变化。

地球系统概念模型（图1），现在被称为“布雷塞顿图”，把“人类活动”放在图中最右边的方框中。该图是由贝里恩摩尔绘制的，他后来成为IGBP主席。“气候变化”和“陆地生态系统”方框的箭头指向这个方框。这个方框出来的箭头指向“土地使用”、“二氧化碳”和“污染物”。之后的几十年中，这个方框的位置和与这个方框的联系成为很多讨论的焦点，人们越来越清醒地认识到人类活动是地球系统变化和响应的一个因素。在IGBP发展的30年中，这个认识的提升非常明显，“人类”越来越被当作所有研究活动中不可或缺的部分。

图1　地球系统概念模型示意图

1986年9月，博林领导的委员会向国际科学理事会大会汇报：“我们需要的是一个跨学科计划”。根据临时规划委员会报告，1987年国际科学理事会大会成立了IGBP全球变化研究专门委员会，委员会主席是詹姆斯·麦卡锡，任务是进一步推动IGBP规划。1987年IGBP秘书处在斯德哥尔摩瑞典皇家科学院成立。1988年国际科学理事会总裁约翰·肯德鲁爵士说：“IGBP肯定会是国际科学理事会最有雄心的项目，范围最广泛的项目，从我们认识人类未来各个可能性影响方面来看，是国际科学理事会有史以来实施的最重要项目。IGBP宗旨是，研究这个星球上地球环境过去与未来的渐进变化；发现变化的自然原因与人为原因，并且对长期未来以及对人类福祉、甚至人类生存的危险进行预测；调查最小化可能会受到人类干预的那些危险的方式。”国际支持越来越多。1987年召开了国际北极全球变化研讨会，研讨会领导人是杰克艾迪和威廉姆法伊伏，目的是确保北极科学的各个维度在IGBP内有一席之地。这个会议推动了国际北极科学理事会的发起。1989年联合国通过了44/207号决议，建议各国政府“加强对IGBP活动的支持，包括监测大气组成和气候状况”，并且建议国际社会支持发展中国家参与这些科学活动。

3.

第一阶段：理解地球系统的各个组成部分

3.1　基本情况

1986年IGBP第一份报告十分有预见地指出：“如果从现在开始规划的话，IGBP能在20世纪90年代运行，这是预测变化的一个重要时期，在这个时期我们可以预料能观察到温室气体浓度的气候影响”。在此之前，尚没有人能够预测即将出现的系列事件。

1989年11月，柏林墙倒塌，冷战猝然终结，为迈向更大程度的全球化和数据共享铺平了道路。在副总统阿尔戈尔领导下，美国发布了冰域和厚度的海军潜艇数据。虽然航空摄影和卫星图像能够监测海冰范围，但是只有潜艇收集的数据能够追踪海冰厚度。互联网、地球观测卫星的持续改进和越来越强大的超级计算机彻底改变了科学研究方式，扩大了研究工作的可能性。IGBP是科学家研究地球系统的全球网络，所有这些对于IGBP持续发展非常重要。

关于气候变化的担心还在加剧。博林在其自传中说道：“需要加强研究工作，世界气候研究计划和IGBP正在进行规划和组织。关键问题仍未解决：科学界、利益相关方和有可能在政治上提出这个问题的政治家之间应当如何互动交流。”在联合国环境规划署（UNEP）和世界气象组织的支持下，1988年成立了政府间气候变化小组（IPCC）。UNEP主任穆斯塔法托尔巴邀请博林担任小组组长，从1988年至1997年博林一直担任组长，头两次评估是在此期间进行的。IPCC和IGBP始终保持着密切联系。

IGBP长期规划和组织的核心是过程研究、观测、全球模型、全球以往变化，最后是全球数据和通信系统。到1991年，IGBP实施了5个国际项目。这5个项目中有几个是自下而上的项目，由各个学术团体开展研究，然后被IGBP吸纳。到1995年已经有10个项目在执行。

3.2　研究进展

认识地球系统需要从全球视角看待地球大气层、区域和局部相互连接的海洋和陆地内部及之间的相互作用。认识地球系统的基础是，开发能记录系统关键组分时空变化的全球数据库。例如，国际大气化学项目研究人员汇编了第一批对流层活性示踪物种（一氧化二氮、氧化氮、甲烷和二甲基硫等）和气溶胶分布与排放全球数据库中的几个数据库。这项工作得到了世界各地实地测量和空中活动的支持。与此同时，利用先进的遥感技术，IGBP数据信息系统工作组编制了全球陆地覆盖分类方案，土地共分为17类，根据IGBP核心项目的要求确定类别，用于编制全球1千米陆地覆盖数据库。IGBP数据信息系统工作组与美国地质调查局、美国国家航空航天局、美国国家海洋与大气管理局、欧洲航天局积极合作。直到今天，这个分类方案仍在广泛地应用于评估森林采伐、农田、城市化和气候变化的区域乃至全球变化。IGBP举办的研讨会对土地覆盖案例研究进行综合，使得能够发现常见的驱动因素和因果关系模式。创建了通量塔自动化全球网络，测量陆地通量，标准化测量，这是认识了解全球碳通量的关键。海上项目联合全球海洋通量研究和全球海洋生态系统动态研究，十分重视数据可得性、数据存档和数据质量，促使数据处理和存档方式方法发生了根本性变化。这推动了应对气候变化和人为变化的全球海洋生态系统和生物地球化学变化的分析。联合全球海洋通量研究在绘制全球二氧化碳海洋通量地图方面取得重大进展，对于认识海洋对于气候变化的作用非常重要。

数据库建设不仅只是采集现代的数据。在热带森林采伐趋势研究的驱动下，土地项目（LUCC）重建了过去三百年的土地覆盖情况。冰核研究促使过去气候记录取得了重大进展，尤其是第四纪晚期的气候。例如，南极洲和格陵兰岛取出的冰核得到了大气组成的详细记录（尤其是二氧化碳、一氧化二氮和甲烷）。第一次洞察了气候系统的长期作用力和响应，从而使我们能够把最近的人为变化放在这个背景中观察。

生物学是IGBP计划研究的关键部分，直到今天依然是。当IGBP发起时，地球系统层面的研究主要注重于物理维度，有机物、生态系统和生物地球化学变化的作用没有充分探索。显而易见的是，IGBP的初期项目考虑了这个要素。例如，为了确定陆地植物对二氧化碳浓度提高的反应，除气候、水和养分可利用性以外，还发现了植物多样性。联合全球海洋通量研究确定了海洋和大气之间二氧化碳通量的数量，并且探索二氧化碳在海洋中生物转化过程以及最终沉入深海的过程。这个项目突出微生物对海洋碳循环的作用，之前主要归因于浮游植物和浮游动物。然而，除了有机物转化过程外，联合全球海洋通量研究项目基本上没有重视食物链组成或动态。相比而言，全球海洋生态系统动态项目重视海洋食物链结构和功能，包括了解稚鱼增长的可变性及其对气候变化的响应。这些项目得益于他们与太空机构的合作，包括美国国家航空航天局和欧洲航天局，把卫星观测与地面观测网络组合起来。

气候变化不是IGBP初期研究的重点，但是在IGBP第一个10年结束时改变了这种情形。如上所述，最近四个冰川周期大气组成和气候的循环形态让人们前所未有地认识了地球系统的响应，在1999年日本举行的IGBP代表大会上引起热烈讨论，由此组织召开了IGBP“地球系统科学下生物地球化学循环研讨会”。据前执行主任威尔斯蒂芬说，这个研讨会“增强了IGBP推进碳循环研究的立场，并且推动了与波特博林讨论IGBP如何促进IPCC的工作。”

IGBP对于IPCC土地利用、土地利用变化和林业专题报告中阐述陆地碳循环基础科学起到了重要作用。报告第一章写作团队中的大部分作者都与IGBP有关，尽管这些作者是因个人身份而受到邀请。

通过过程研究和建模相结合，对于地球系统组成部分动态及其相互作用的理解不断深化。IGBP为全球气候模型中陆地和海洋碳循环生物地球化学组成部分的发展提供了支持，主要包括IPCC第一份评估报告（1990年）中气候系统的物理学组成部分。IGBP十分重视碳循环各子系统的分析。这包括模型开发和模型比较，从而大大提高了碳库和碳通量的定量化程度，加强了陆地初级生产和海洋碳循环不确定性的分析。例如，揭示了陆地生态系统和大气之间反馈过程的至关重要性；湿地和稻田对于全球甲烷排放的巨大作用和农业对于全球氨排放的巨大作用；加深了对生物圈大气相互作用影响以及对全球对流层组成作用的理解。水文循环生物圈方面研究表明：在未来数十年乃至数百年陆地生态系统是水循环、大气二氧化碳浓度变化、气候变化的重要决定性因素。全球变化与陆地生态系统的几个研究组在20世纪90年代中期制作了动态全球植被模型原型（DGVM），并在之后的十年中加以修正完善。动态全球植被模型被认为是地球系统模型不可或缺的组件，像海洋和大气一样重要。上述研究进展与同期的科技发展，推动了后期地球系统动态模型及组件的研发。

海岸地区陆海相互作用项目研究人员开创了陆地与近海生物地球化学之间联系的全球性方法，包括人口和径流的控制性作用。这涉及世界各地150多个场址的河流养分通量测量与建模和近岸海洋内部的生物和非生物转化过程。第一阶段的显著特征是促进了国际协作和学科交叉。例如，大气化学研究吸引了生物学家、生态学家、生物地球化学家和其他学科的科学家，共同深入研究地球系统中大气过程的作用。在海洋领域，物理学家、化学家、生物地球化学家和生物海洋学家开始与微生物生态学家和渔业生物学家一起合作。水文学家、气象学家和生物学家开始更密切地合作，并产生了新的视角：植被对于气候和天气确实非常重要。而且，水文循环生物圈方面项目开始涉足人类维度，促进了水资源综合管理和脆弱性概念的发展。

3.3　成果影响

到20世纪90年代末，IGBP已经形成了庞大的地球系统基础知识，为各个核心项目的合成奠定了基础。这些成为IGBP丛书的内容，许多在21世纪初出版，形成了IGBP第一阶段成果。对地球系统各个组成部分的了解比IGBP计划刚启动时，我们知道的多了许多，并且正在建设关于地球系统各个组成部分之间相互作用的知识体系。IGBP和IPCC之间的互动交流增加，与IGBP有关的许多科学家被邀请参加专题报告或章节的写作团队，而且IGBP的部分成果直接推动了IPCC头两次评估工作。我们还在人类对地球气候和环境影响的性质和强度方面获得了更大的确定性。IGBP计划范围进行大综合的时机已经成熟，这将形成一个更全面更明晰的画面。

4.

第二阶段：人类成为地球系统的组成部分

4.1　基本情况

20世纪90年代后期和21世纪头十年初期是IGBP密集产生研究成果的时期。IGBP领导层敏锐地意识到需要在计划层面开展综合研究工作，对已经开展的项目层面综合研究进行提升。在1999年科学委员会会议上，生态学家帕梅拉马特森代表临时设立的整合观察组提出了综合研究大纲，包括地球系统动态、人类在怎样改变地球系统和这些改变对地球系统的响应、后果和风险将如何显现。IGBP《全球变化新闻通讯》详细阐述了综合研究的时间安排和总体框架。

IGBP已经认识到：人类已经使环境发生改变并将持续使环境发生改变的程度。实际上，在2000年科学委员会会议记录中就提到了“人类世”。之后，时任IGBP计划副主席保尔克鲁岑和尤金斯托摩尔在IGBP《全球变化新闻通讯》的一篇文章中向学术界介绍了这一概念。由于克鲁岑在IGBP中的高级领导作用，随着IGBP核心项目推进综合研究，这一概念在整个IGBP得到快速推广，也成为计划层面综合研究的突出特点。在计划层面，研究人员采用“大加速图”的方式尝试对其进行量化。

人类世概念在科学界迅速传播的一个例子是2000年在博尔德举行的IGBP水研究组第一次会议。会议由IGBP发起，海岸地区陆地海洋相互作用影响研究组、全球以往变化研究组和水文循环生物圈方面研究组的代表参加了会议，主要研讨“人类活动和气候变化如何影响水文循环中沉积物的‘正常’供应和迁移”。人类活动的区域影响与全球影响已经成为地学界关注的重要主题之一。

与此同时，IGBP在探索新的研究组织架构。2000年和2001年科学委员会会议讨论认为需要探索更为综合的地球系统研究方法。其后，基于讨论所撰写的一篇文章，论述了实现“合成与分析方式之间的有效协同”所面临的挑战。最终，上述头脑风暴促进了IGBP第二阶段研究架构的调整，IGBP核心项目或者对应于地球系统的各个组成部分，或者对应于地球系统各个组成部分之间的界面。

第三届IGBP大会“地球系统的连通性”在英国班芙市召开，大会审查了IGBP第二阶段的新方向与实施路径。大会认识到“IGBP必须识别出能为人类活动所改变的地球系统的主要因素和功能，并确定人类所能承受与不可承受的改变。”

IGBP热衷于与全球变化研究的世界气候研究计划（WCRP）、国际生物多样性计划和国际全球环境变化人文因素计划等计划建立更加密切的合作伙伴关系。建立“综合性地球系统科学计划”的愿望最终使得地球系统科学伙伴计划和联合项目的启动实施。地球系统科学伙伴计划的成立（2001年）意味着碳、水、粮食安全和健康开始由4个国际全球变化研究计划联合开展调查研究。IGBP认识到自然科学家和社会科学家之间加强交流的重要性，并与国际全球环境变化人文因素计划成为IGBP两个项目的共同发起人。

2001年在阿姆斯特丹举行的全球变化开放科学大会，是IGBP第二阶段初期的一个重要事件。大会由IGBP与其他全球变化研究计划联合召开。会议突出了各个计划研究所取得的科研成果以及IGBP首次综合研究成果。全球变化开放科学大会探讨了未来十年地球系统科学研究路线。全球变化开放科学大会最令人难忘的或许是《阿姆斯特丹宣言》。宣言明确指出，人类活动“在范围和影响方面可与自然的一些巨大力量相提并论”。宣言还呼吁制定“地球系统管理全球职责和战略道德框架”。乌尔奎斯特解释了这个宣言，并强调地球系统是地学研究和全球治理的核心对象。

4.2　研究进展

第二阶段研究主要基于这个日益加深的认识：人类活动是地球行星变化的主要驱动力。理解人类世需要更加综合的地球系统研究方法，因而更加强调跨学科交叉研究。在项目内部研究和项目之间互动方面都突出了跨学科研究。人类维度在研究中更加明确，利益相关方的参与更为充分。气候成为很多项目研究议题更加突出的内容。

学科交叉是全球土地项目（GLP）新一轮研究的一个重要特征。社会科学、经济科学、地理科学和自然科学的科学家参与研究陆地系统变化及其社会经济、生物物理驱动因素之间的相互作用。中国与其他国家在非洲获取土地的分析表明：粮食生产体系和决策在空间上与其自然资源基地、生产链需求侧不断拉大距离。人类占用陆地净初级生产的全球分析表明，对人类之外其他物种所减少的营养能量占全球陆地净初级生产量的24％。进一步的研究为采取降低人类活动对生态系统压力的预防措施提供了基础信息。

2002年，在国际氮倡议（INI）的号召下，“氮”科学家、产业代表、政府和从业人员成立了研究团队，成为IGBP第一个阶段发包模式项目。其核心目标是“优化氮在可持续粮食生产中的有益作用，最小化粮食和能源生产对人类健康和环境造成的负面影响”。全球氮通量和问题的初步评估表明，有必要加强区域尺度到全球尺度各相关方的沟通与联系。沟通工具的发展有助于增强关于生物地球物理作用与社会作用之间反馈的政治与社会意识。例如，氮可视化工具是一个在线互动工具，用户能调查食品结构改变或使用更多化石燃料对世界环境或全球饥荒的影响。

IPCC第四次评估报告明确认可了IGBP对IPCC的贡献。“此次评估大大受益于国际气候科学界的高度合作和世界气象组织世界气候研究计划（WCRP）和国际地圈生物圈计划（IGBP）的协调”。气候变化持续出现在许多核心项目的研究议程上。IPCC在2007年举办了一个综合研讨会，参会人员既有从事气候、化学、碳循环、陆地和土地利用的模型研究科学家，又有从事排放、经济学、政策、薄弱性和影响的社会科学家。地球系统分析、综合与建模工作组是这个成果的重要贡献者，这个成果成为下一代气候仿真的新策略，为IPCC第五次评估模型试验研究奠定了基础。2007年，全球碳项目（GCP）发布第一个全球碳预算，之后每年通过了解碳循环人类活动的新进展而更新全球碳预算。

21世纪头十年中期，海洋酸化成为一个重要的全球变化问题。生物学家开始了解海洋酸化对许多带壳有机物和珊瑚的潜在负面效应，从而对渔业和社会造成潜在的负面影响。这个课题吸引了全球以往变化学界的注意，IGBP和海洋研究科学委员会共同发起了一个阶段发包模式项目，分析过去的海洋酸化过程，以帮助解释现代海洋酸化的性质与影响。

多重压力下气候变化研究不断增加。国际全球大气化学工作组着重于空气污染与气候之间的联系。海岸地区陆地海洋相互作用影响工作组与北极理事会等伙伴合作，描绘了一张全面的现状图景，以及北极敏感海岸地区气候和其他力引起的当前变化和未来变化。这个项目还把三角洲看成是变化的热点。对世界各地33个三角洲进行了分析，结论是绝大多数正在发生沉降，除了气候变化引起海平面上升的原因以外，还包括沉积泥沙减少、城市化、水和矿石开采、土地利用变化和流域修建大坝等原因。

陆地－大气研究揭示了极端气候中本地和区域因素的作用。研究发现土地覆盖在2003年－2006年欧洲热浪期间对地区酷热天气起到了关键作用。草地地区的最高气温高于森林地区的最高气温，这归因于草地地区的土壤水分亏缺。

同时，海洋和大气界面研究，除了开展大气物质（铁和氮）供给影响研究，还加强了二氧化碳、一氧化二氮和二甲基硫（DMS）等气候相关气体的研究。海洋学家、大气学家、化学家、生物学家和物理学家越来越加强合作。结合新技术和一代又一代的新化学传感器，我们对大气海洋界面生物地球化学的认识、界面物质交换和模型开发的不确定性减少了。海洋表面低层大气研究工作组联合发起了学科交叉研讨会，大气与海洋学的科学家汇聚一堂，认为大气人为氮沉降对辽阔海洋的影响现在正在达到与生物氮类似的水平，固氮对净初级生产量有影响。认识到铁作为一些海洋地区初级生产量限制养分的重要作用，促使IPCC使用的一些全球海洋生物地球化学模型中更明确地考虑了氮、硅、磷和铁循环。对用铁或其他养分使海洋表面水域变得更肥沃有潜力作为一种气候工程方式增加生物碳泵的兴趣，促使联合国教科文组织国家海洋学委员会委托海洋表面低层大气研究工作组为政策制定者编写一个关于海洋肥沃化科学认识了解的摘要报告。

所有这些研究合在一起推动了区域到全球模型的发展，地球系统各子系统模型之间的联系不断增强。地球系统模型在将碳循环反馈融入气候系统和陆地生态系统－大气交换过程方面，取得了重要进步。

把生物地球化学与食物链联系起来的端对端模型已经出现，并且将在第三阶段继续发展。使用中等复杂程度地球系统模型简化了地球系统古代动态随时间变化的方程，并且通过全球分析整合与建模，中等复杂程度地球系统模型不断发展，许多模型开发需要与世界气候研究计划和其他伙伴密切合作。

4.3　成果影响

21世纪头十年，人类世概念得到IGBP研究人员的广泛接受。基于地球系统新理念，IGBP进行重新架构，人类维度更加明确。气候科学以及与IPCC、联合国气候变化框架公约的互动交流持续增强，开发很多产品推进科学传播，促进了决策者的科学理解。

2009年，国际科学理事会和国际资助机构集团发布了IGBP评估报告。评估组在认可IGBP对科学与政策做出重大贡献的同时，建议IGBP最大程度影响科学、政策与实践。评估组强调说“在确定IGBP相关活动的未来优先重点时，找到实际问题的解决方案必须比IGBP迄今为止开展的活动更重要。”

评估报告还间接指出全球环境变化研究的日益复杂性。评估组特别指出“各个计划之间、各个计划和地球系统科学伙伴计划之间的安排越来越复杂且难以控制、令人困惑。”评估组指出“为本次评估提供证据的大多数人认为从现在起的十年不应该有四个独立的全球地球系统研究计划。”国际科学理事会发起了一个“地球系统愿景”工作，目标是制定一个应对全球可持续性研究挑战的十年工作计划。

2010年，IGBP修订其愿景，呼吁加强自然科学、社会科学与政策领域的整合研究。IGBP继续鼓励发展中国家和经济转型国家的科学家参与计划相关委员会、项目、研讨会和其他活动。

2007年及之后的IGBP内部评估、国际科学理事会和国际资助机构集团的外部评估等共同促进IGBP在第三阶段朝着增强政策互动、更加重视交流沟通和专注于解决方案与可持续性的方向迈进。人类世概念引导了越来越多的研究活动。社会科学家的参与不断深入。虽然新的科学发现还有待出版，但是越来越需要表明它们对解决社会问题的关联性。各个计划正在修订科学规划，越来越重视政策相关性、相关利益方参与、共同设计与共同实施。国际合作正在进入一个新时代：新的未来地球计划。

5.

第三阶段：迈向可持续性

5.1　研究实施与主要进展

在第三阶段，IGBP继续研究地球系统过程，但更加重视研究的实用性和相关性。IGBP呼吁联合国更全面更综合地审视联合国环境相关的500多个国际条约和公约。除了继续重视《联合国气候变化框架公约》和IPCC外，IGBP还把大量工作投入到沟通交流和科学与政策界面，跟踪联合国可持续发展大会、《生物多样性公约》和《联合国可持续发展目标》进展。IGBP编写了许多政策简报，尤其是通过各种会议和参加国际海洋酸化参考用户组促进决策者对海洋酸化的认识。IGBP通过用户友好工具向公众传播知识。例如，氮足迹计算器，个人和机构能用氮足迹计算器计算他们的氮足迹，影响氮足迹的活动，以及如何减少氮足迹的措施。IGBP与全球碳项目密切合作，以确保尽可能广泛地传播全球碳项目年度碳预算计算2010年IGBP举办了第二届全球变化大会“承压的行星”。这是IGBP历史上规模最大、最雄心勃勃、参与最广泛的会议。IGBP秘书处与合作伙伴付出前所未有的努力，组织全世界各领域的科学家、政策制定者和管理者参会。这届大会2012年在伦敦举办，现场与会者3000多人，还有3000人以在线方式参会。IGBP为全球可持续性研究未来地球计划提供了核心思想。联合国秘书长潘基文在大会上致辞时说他已经准备好与科学界一起实施这个新计划。与阿姆斯特丹大会一样，“承压的行星”大会产生了一个宣言———《行星状态宣言》。《行星状态宣言》确认地球上相互联系的社会、经济和环境系统变化迅速，遍及全球，“呼吁采取更综合、更国际化和面向解决方案的新研究方法”。大会还提出了一些复杂挑战，尤其是传统地球系统科学技术面临的挑战，这些挑战后来被迈克劳帕赫总结在他为IGBP全球变化杂志写的文章中。鉴于地球系统变化和驱动力知识的不全面、保持公平和不同价值观的重要性、高风险和行动的紧迫性，劳帕赫指出“地球系统科学不能继续保持‘价值中立’和对政策漠不关心。”

2010年，IGBP启动了对特定主题的综合研究。在综合范围与方法上，这与21世纪头十年初期IGBP计划层面的综合是不相同的。这次综合主要集中在IGBP科学委员会、其他国际全球变化研究计划、IPCC等相关方共同确定的主题方面。并且这次综合工作邀请了很多IGBP之外的科学家、政策研究者等相关人员参加。综合研究的广泛参与取得了明显成效，推动了IPCC第五次评估报告重视氮与气候的关系，推动了地质工作的生态系统影响评估，推进了全球环境变化对最不发达国家社会经济影响与响应的评估等。大气污染与气候之间联系的综合研究还推动了国际全球大气化学工作组发起大气污染、健康和气候之间联系的多学科研究倡议。

许多核心项目承担了不同主题的综合研究工作。城市地区是大气污染数据合成的重点。认识到对人类健康和生态系统的持久负面影响，国际全球大气化学工作组发起了第一次全球对流层臭氧评估。全球以往变化工作组进行了一次大综合，书面记录了过去两千年世界各个地区的气温与降水。海洋表面低层大气研究工作组与国际海洋碳协调项目一道，继续编制全球地表水二氧化碳分布和二甲基硫排放数据库：这些数据用于模型比较、海洋碳汇定量化及其时空变化。多种气候与地球系统模型正在研发之中，为IPCC第五次评估报告做准备的一项重要工作是模型比较，以增进对气候与地球系统模型不确定性的了解。模型比较需要与世界气候研究计划以及其他伙伴密切合作。

生物地球物理过程与社会驱动力相互作用的研究不断深化。环境变化与管理响应研究让人们加深了对拉布拉多、纽芬兰和巴伦支周边海域鳕鱼业崩溃与恢复模式的理解。气候驱动的有利环境条件与渔业管理的及时响应，使得巴伦支海鳕鱼恢复和复原；而在纽芬兰和拉布拉多周边海域，由于环境条件差，减少捕鱼压力反应迟缓，大量鳕鱼死亡，导致鳕鱼存量骤减。

人类世和遥相关等概念的重要性不断增加。全球土地项目的研究人员越来越关注驱动因素和影响之间的反馈、适应行为、社会系统与生态系统之间的相互影响、世界各个地区、城市和乡村之间的远距离遥相关。IGBP计划秘书处发起的研讨会“人类世行星管理”汇聚了自然科学家、社会学家以及联合国与世界银行的专家。对城市化和城乡远距离遥相关的重视突出了城市体系对推动全球可持续性起到的核心作用。

全球变化研究组织架构方面的变化，意味着共同设计、共同实施等概念是在第三阶段出现的。全球土地项目开始建设土地变化科学共同实施/共同设计知识库。海岸地区陆地海洋相互作用影响工作组继续推动自然科学和社会科学的合作研究，制定了海岸带生态系统社会－生态动态管理和生态系统变化治理评估的概念框架。为了响应政策制定的需要，国际全球大气化学工作组与世界气候研究计划SPARC项目合作，对黑碳的气候影响进行了一次重要的综合研究。研究发现黑碳是仅次于二氧化碳的气候作用力。国际氮倡议继续推动氮相关环境与社会问题的综合，并且开发与相关方的通信工具，促进政治与社会意识的提高。欧洲氮评估是这类合作的成果。通过与世界自然基金会等组织合作，他们所撰写的研究简报能及时传播到世界自然基金会网络。综合海洋生物地球化学与生态系统研究的人类维度工作组开发了一个综合评估框架，框架的基础是从过去应对全球变化的经验学到的知识。这个框架使政策制定者、科研人员、管理者等相关人员能够评估把资源最有效地分配到哪些地方才能降低脆弱性和增强海岸人民和社会对全球变化的复原力。

2012年，IGBP启动了最后一次综合研究工作。IGBP核心项目在总结历史与研究成果的同时，为并入未来地球计划做好准备。本文的目的是展示IGBP对地球系统科学发展所起到的重要作用。通过刊载于《全球环境变化》专刊的一系列论文，IGBP综合研究突出了人类世的理念。这些论文力图使我们的认识超越人类世概念的生物物理范畴，向各个层面延伸，促进更深刻细致的认识。IGBP综合研究还更新了“大加速图”，并将1950年以后的变化细分成经济合作与发展组织成员国（OECD）和非OECD国家。

5.2　研究展望

回顾IGBP过去30年发展历程，一个值得深思的问题是，IGBP是像它的发起者所期望的那样发展的吗?当时的想法有创新精神、雄心勃勃、勇气可嘉。例如，“物理与生物学界和人文之间的相互作用”，把地球系统的各个组成部分融合成一个更综合的认识；认识自然和人类原因引起的地球过去和未来变化；调查最小化这些风险的方式；IGBP对IPCC评估做出重要贡献。在这30年中，IGBP构建了新的国际合作网络，汇集了来自发达国家和发展中国家的数千名科学家。除了遍布全球外，IGBP还把传统上不在一起工作的学科汇聚在一起，从而能够更加综合地研究地球系统。IGBP全球数据库的建立、过程研究和地球系统建模为地球系统组成及相互作用的深入研究奠定了基础。IGBP影响的一个表现是，近五年仅是核心项目在《自然》上就发表了144篇论文。IGBP以人类世的概念描述了人类活动对于地球系统变化与响应的核心与主导作用。

IGBP的贡献不局限于科学领域。随着时间的推移，IGBP对政策制定的贡献不断加大。IGBP根据决策者的需要撰写了海洋酸化、大气化学等新环境问题的研究概要，其中有一部分报告是决策者和联合国机构直接要求的。IPCC在其多个评估报告中对IGBP核心项目和计划倡议提供的大量科学资料表示感谢。为了保持全球变暖气温控制在不高于工业化前气温2℃，在联合国二十一届缔约方大会上世界各国领导人签署了里程碑性的协定，IGBP通过为IPCC工作做出的贡献，为签订这个协定的科学基础做出了显著贡献。

与30年前一样，IGBP的初衷在今天依然有效。但是，世界发生了很大变化。经济大规模全球化，技术进步，资源利用增加，人口增长，财富增长，经济差距扩大。人类世让人们能透视社会过程和生态过程之间的相互联系。新时代的这些挑战需要各个学科、各相关方更加紧密的协作，需要发展中国家更大程度地参与，而这是IGBP难以胜任的。地球系统科学的研究、传播与应用需要新的模式，这也是启动未来地球计划的部分理由。未来地球计划的成功与否将取决于出资人和现有学术群体能接受和适应研究组织新模式的程度。

来源：自然资源之声

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地球系统科学三十年发展回顾与展望 - 海洋地球化学

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