地球系统科学是当今世界最具挑战性的前沿科学领域之一。《科技导报》邀请南京大学教授、中国科学院院士符淙斌，总结分析了近半个世纪以来，国际科学理事会（ICSU）主导实施的一系列全球变化国际大科学计划，探讨了在这些计划的推动下，地球系统科学的发展过程及其对促进人类社会可持续发展的贡献；指出了中国参与国际大科学计划具有提升国际影响力等重要意义，并提出了开辟专门经费渠道等具体建议。
被称为“第二次哥白尼革命”的地球系统科学已经经历了半个多世纪的发展过程。它已经成为当今世界最富挑战的前沿科学领域之一，并成为人类社会可持续发展的最重要科技支撑之一。国际科学理事会（ICSU）的主要任务是确定未来科学和社会发展中面临的最重要的问题，鼓励和促进全球科学家之间的交流与合作，并努力把最新的科学知识输送到社会，服务于人类社会的可持续发展。从20世纪80年代以来，我们直接参与了ICSU主导的一系列与地球系统科学相关的全球变化国际大科学计划的提出与组织实施及相关科学研究工作。我们根据经历与体会，阐明国际大科学计划在地球系统科学形成和发展中的重要作用。
1、全球环境问题催生全球变化国际大科学计划
20世纪70年代开始，全球气候变化和环境问题日益加剧，引起了全社会的高度关注。1972年，联合国首次在斯德哥尔摩（Stockholm）召开了人类环境大会，会议聚焦于真正国际层面上的环境问题，并且强调地球气候变化对人类的重要影响。
以此为起点，ICSU会同世界气象组织（WMO）和联合国环境规划署（UNEP）等国际组织召开了气候的物理基础及其模拟的国际研讨会。为时2个星期的会议完成了30多万字的总结报告“The physical basis of climate and climate modeling”。这个报告最重要的意义是突破了把气候仅仅看作大气问题的传统认识，第一次提出了“气候系统”的概念。这是地球科学发展史上具有里程碑意义的进展。
2、世界气候研究计划
世界气候研究计划（WCRP）是地球系统科学发展中的第1个全球变化国际大科学计划。“物理气候系统”包括5个物理组成部分，即大气、海洋、冰雪圈、陆地表面和生物体。很显然，物理气候系统的概念尚未形成地球系统圈层的完整概念。同时，它主要集中于地球系统的物理过程，尚未涉及物理过程、
化学过程和生物过程的相互关联。WCRP的主要目标是确定地球气候在多大程度上可以预报，以及人类对地球气候的影响程度。围绕这个目标，WCRP确定了3项任务：
（1）建立时间尺度为1~2个月的天气异常预报的物理基础；
（2）预测最长为几年的全球气候变化；
（3）确定未来几十年气候变化的特点，评估地球气候对自然或人类的影响，例如大气二氧化碳浓度增加的影响。
WCRP这个大科学计划已经运行45年了，至今仍在继续，为地球气候的预测发挥了重要作用。该计划还不断调整任务，与随后实施的全球变化邻域的大科学计划合作，为地球系统科学的发展作出新的贡献。
3、国际地圈−生物圈计划
国际地圈−生物圈计划（IGBP）是ICSU组织实施的第2个全球变化领域的国际大科学计划。
1984年，ICSU将实施这个大科学计划的构想提交第20届大会审议。我们作为大会筹备组成员参与了在莫斯科召开的预备会，加深了对这个科学计划以及ICSU在发起国际大科学计划、推动世界科学发展中作用的认识。当年9月24—28日，ICSU第20届大会在加拿大渥太华召开，全球一大批各学科的顶尖科学家出席会议。可以说，这次大会在地球系统科学发展中是一次十分重要的里程碑式的事件。
在这次大会上，叶笃正和我们提出，全球变化研究优先考虑的时间尺度应该是几十年到百年。这是因为：
（1）这个时间长度是直接关系到当今人类社会可持续发展，也是人们最关心、最容易得到支持的；
（2）时间长度不能太短，要允许地球系统各圈层之间有足够的时间实现物理、化学和生物过程之间的相互作用，以及人类社会与它们之间的相互作用。
这个意见受到会议的高度关注，被写进IGBP。这个观点受到与会科学家，特别是生态学家的支持。其后也被后续的许多研究所证实。
1986年9月，在瑞士Bern召开ICSU的21届大会上，通过了立即实施IGBP的决定，明确提出：IGBP的目标和任务是：描述和理解调节整个地球系统的物理、化学和生物交互过程，它为生命提供独特环境，该系统中发生的变化，以及这些变化受人类行为影响的方式。
围绕地球系统中物理过程与生物地球化学过程的相互作用这一核心科学问题，IGBP设计了8个核心计划：国际全球大气化学研究计划（IGAC）、全球海洋通量联合计划（JGOFS）、过去全球变化研究计（PAGES）、全球变化与陆地生态系统（GCTE）、水分循环的生物学问题（BAHC）、海岸带的海陆相互作用（LOICZ）、全球海洋生态系统动力学（GLOBEC）和土地利用与土地覆盖变化（LUCC）。同时，设计了3个支撑计划，包括：全球分析、解释与模（GAIM），全球变化分析、研究和培训系统（START）和IGBP数据和信息系统（IGBP−DIS）。这个核心计划后来更名为AIMES（Analysis，Integration and Modeling of the Earth System），直到2007年。这个核心计划承担着地球系统科学问题集成研究的任务，同WCRP之间建立了很好的合作关系。
作为IGBP计划启动的主要参加国家，在参与IGBP计划的国际组织和推动工作的同时，我们也积极推动国内的工作。先后在国家攀登计划、国家重点研发计划以及国家基金委基础研究重大项目等框架内组织实施了一批全球变化领域的研究项目和国际合作计划，取得了许多重要成果。
4、生物多样性计划和国际全球环境变化人文因素计划
生物多样性计划（Biological Diversity Program，DIVERSITAS）是在1991年由ICSU的环境问题科学委员会（SCOPE）、国际生物科学联合会（IUBS）、国际微生物学会联合会（IUMS），以及联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）的人和生物圈项目（UNESCO−MAB）共同发起的，其目的是联合生物学、生态系和社会科学，开展与人类社会相关的研究，推动生物多样性科学集成化发展，为更好认识全球环境变化影响下，生物多样性减少问题提供科学基础，并为制定生物多样性保护的政策提供建议。
为了进一步推动、协调与全球环境变化和人类作用相关的自然科学和社会科学的交叉研究活动，1996年，ICSU与国际社会科学理事会（ISSC）共同发起实施国际全球环境变化人文因素计划（IHDP），其主要任务是描述、分析和认识人类在全球环境变化中的作用，更好地规划人类在地球系统中的活动，实现人和环境协调发展。它设有6个核心科学计划：全球环境变化与人类安全（GECHS）、全球环境变化的制度因素（IDGCEC）、产业转型（IT）、海陆带−陆海相互作用（LOICZ，与IGBP联合）、城市化与全球环境变化（UGEC），以及全球陆地计划（GLP，与IGBP联合）。
这2个计划进一步加强了地球系统中人类圈和生物圈作用的研究。至此，完整的地球系统的图像基本构成。
5、地球系统科学联盟（2001—2010年）
2001年7月，为了总结全球变化国际大科学计划实施以来近19年的研究成果，ICSU在阿姆斯特丹召开了第1次全球变化科学大会，名称为“变化地球的挑战”。会议的主要目的是总结正在实施的4大计划的主要研究成果，特别是科学界关于自然和人为引起的行星地球变化的最新认识，评估这些变化对人类社会和生活的影响，探索未来的发展前景，并且提出了涉及政策层面的一系列重大命题。
大会最后发布了具有重大影响的“全球变化阿姆斯特丹宣言”：要求各国政府、公立和私立的研究机构及全世界人民共同努力，建立地球系统管理体系和战略及相应的全球环境科学的新系统。
作为实施宣言的一个主要部署是，在正在执行的4大科学计划的基础上组建地球系统科学联盟（ESSP）。ESSP的主要目标是在继续执行原有4大计划对地球系统运行的基本规律和机制研究外，实施为全球可持续发展服务的由4大计划支持的联合计划：全球碳计划（GCP）、全球水系统计划（GWSP）、全球环境变化与食物系统计划（GECAFS）和全球环境变化与人类健康（GECHH）。同时，ESSP还联合START共同提出了全球变化区域集成研究（IRS）计划。
IRS不同于通常所谓全球变化的区域问题研究，具有6个特点：
（1）把区域作为一个整体（holistic entity）来研究，必须是跨学科边界的研究，包括自然科学与社会科学的边界；
（2）IRS要为定量认识区域与全球的关系，以及预测这些联系的变化后果作贡献；
（3）要运用观测试验，遥感监测和数值模拟等研究手段进行集成研究；
（4）IRS要把过去、现在和未来变化结合起来；
（5）要为区域可持续发展提供科学支撑；
（6）IRS主要由本区域的科学家来推动，并开展全球合作，包括同ESSP各科学计划的密切合作。
2002年，基于阿姆斯特丹会议的精神，在叶笃正的支持下，我们向中国科学院提出了由中国发起组织季风亚洲区域集成研究（MAIRS）计划的建议。2003年6月，获ESSP正式批准。这是地球系统科学领域第1个由中国科学家提出并组织实施的国际大科学计划。
2006年11月，第2次ESSP全球大会上，我们代表MAIRS介绍了计划的筹建情况和科学计划的核心内容，并召开了科学计划发布会。最后，ESSP大会宣言称：基于区域问题特殊性的认识，北京会议正式启动MAIRS，以查明全球变化对该区域社会经济和生态系统的威胁。除了MAIRS外，亚马孙河流域大尺度生物圈−大气圈试验（LBA）、地中海计划（ProMed）和非洲季风多学科研究计划（AMMA）也可以归属于这一类计划。
2004年，MAIRS在北京召开科学大会，总结了10余年来科学计划取得的进展。2006年，经未来地球计划的评估，MAIRS正式成为该计划的一个子计划，简称MAIRS−FE。
需要特别指出，由全球变化各大计划的主席和执行主任组成的ESSP科学委员会，经过反复认真的讨论给出了关于地球系统和地球系统科学的新的定义。地球系统是由物理、化学、生物和社会分量、过程和相互作用构成的统一体。这些分量、过程和相互作用决定了行星地球（包括生物和人类）的状态和动力学。地球系统科学就是研究地球系统的科学，重点是观测、认识和预测由陆地、大气、水、冰、生物圈、社会、技术和经济的一系列相互作用过程导致的全球环境的变化。我们认为，这是迄今为止对地球系统和地球系统科学最确切的定义。
6、未来地球的可持续发展研究计划（2013—）
2008年，ICSU开始研制2012—2017年的发展战略规划。2010年，ICSU明确提出：地球系统的研究已经到达了一个转折点。过去20多年，我们的重点是认识地球系统是如何运行的，以及人类对这个系统的影响。未来10年，全球科学界必须评估人类社会面对全球变化的挑战，并且有效地应对危险的变化和适应那些不可避免的变化。
正是基于这样的共识，ICSU组织ESSP及下属各全球变化科学计划，以及国际社会科学联盟（ISCSSU）科学家起草了“未来地球的可持续发展研究”，简称“未来地球研究计划”（图1、图2）。2011年，在罗马召开的ICSU第30届大会的主要任务之一就是讨论并通过这个计划的科学报告。2012年，在里约举行的联合国可持续发展大会上，该计划被正式批准实施。迄今这个计划已经执行10多年了。
图1未来地球计划与可持续发展综合信息图
图2 未来地球计划实施的基本要素构成
7、中国参与国际大科学计划重要意义及建议
从20世纪70年代末开始，ICSU联合多个国际科学团体，组织实施一系列全球变化国际大科学计划，已经有半个世纪。ICSU通过组织国际大科学计划，推动地球系统科学的形成与发展，这反映了ICSU“科学造福人类社会”的宗旨。
当今世界，制定和实施交叉科学的重大国际计划已经成为推动科学技术发展的一项重要举措，但是，这些重大科学计划往往都由发达国家的科学家提出并主持，并通过设在这些国家的国际项目处（IPO）具体组织实施。近年来，中国科学家在提出并主持实施国际大科学计划方面得到明显的改善。但是，仍然不能适应当今中国科学技术事业的发展和国际形势的需要。领衔提出并组织实施国际大科学计划将大大提升中国在国际科学舞台上的地位，也是对中国科学家驾驭国际重大科学领域发展方向能力的检验。有选择地在某些优势领域提出并组织实施一批国际重大科学计划，是促进中国科学技术事业发展的一项重大战略措施。
最后，就中国领衔实施国际大科学计划的工作提出5点具体建议：
（1）进一步发挥中国科学院和中国工程院作为国家科学技术方面最高咨询机构的作用，鼓励和支持两院院士中的战略科学家，认真分析国际科学发展的动向和人类社会发展面临的重大需求，凝练相关的重大科学问题，联合相关领域国内外科学家，共同提出具有战略意义的大科学计划的框架设想，并组织可行性研究。
（2）国家科技发展的主管部门，如科技部和国家自然科学基金委员会等，开辟专门经费渠道，支持国际大科学计划的预研究。
（3）中国科协要通过国际科学理事会及相关的学术团体，为中国科学家领衔提出和实施国际大科学计划提供畅通的国际合作渠道。
（4）一旦计划被国际科学理事会批准，国家要为项目实施提供符合国际标准的服务，例如，在中国设立国际项目办公室，聘用外籍科学家参与项目的管理工作，并提供相应的运行经费等。
（5）同国际科学理事会一起，争取国际财团和各类基金组织及各国政府对项目研究经费的支持。
来源：（科技导报）
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责任编辑：李欣然
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