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今年春季，我国多地出现极端天气事件。地球系统科学作为一门新兴交叉学科，在理解和应对气候变化等全球性环境问题方面的重要性愈发凸显。日前，全国25所顶尖高校的地理学相关学院院长齐聚天津，共同签署发布《地理科学与地球系统科学院长论坛·天津宣言》（以下简称《天津宣言》）。这标志着我国地球系统科学进入协同创新、服务国家战略需求的新阶段。
围绕当前生态和环境挑战与学科发展，科技日报记者专访了中国科学院院士、天津大学地球系统科学学院创院院长刘丛强，与他就学科前沿突破、多学科交叉融合以及人才培养等话题进行了深入探讨。
应对人地关系危机
记者：地球系统科学是在什么背景下诞生的？这门学科要解决哪些关键科学问题？
刘丛强：地球系统科学的诞生源于人类对全球变化问题认识的深入。20世纪后半叶，气候变化、臭氧层空洞、生物多样性锐减等全球性问题凸显。科学家们逐渐意识到，环境问题具有系统性特征。以气候变化为例，北极冰川融化不仅影响局部地区，还会通过改变洋流和大气环流影响全球气候格局。
另外，人类活动被确认是全球变化的主要驱动力之一，人类世概念也因此被提出。这一概念由诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑（PaulCrutzen）于2000年提出，认为自工业革命以来，人类活动已成为影响地球系统的核心地质力量，可能终结了持续1.17万年的全新世。因此，我们亟须以系统科学思维研究人与自然的关系。全球变化的系统性和复杂性特征促使科学家突破传统学科界限，从“还原论”转向“整体论”，再加上近年来非线性科学和复杂性理论的兴起，地球系统科学这一新兴交叉学科迎来了蓬勃发展期。
目前，地球系统科学主要聚焦五大关键领域。首先是地球系统圈层耦合与反馈机制，回答如何定量刻画大气、海洋、陆地、冰冻圈和生物圈之间的能量、物质交换，以及关键反馈过程如何影响地球系统的稳定性等问题。其次是全球变化的驱动力与临界点的研究，认识火山活动、太阳辐射等自然变率，温室气体排放、土地利用等人类活动对地球系统的相对贡献，以及地球系统是否存在不可逆的临界点及其触发条件和预警信号。第三是地球系统模拟与预测的研究，提高地球系统模型的分辨率和可靠性，整合社会经济情景与自然系统模拟，理解全球变化如何导致区域尺度的极端事件。第四是人类世的科学与伦理挑战的研究，确定如何定义人类世的地层标志和起始时间、人类活动如何重构地球系统的演化轨迹和提升社会—生态系统的韧性，以及如何在发展需求与行星边界间取得平衡。最后是科学如何支撑可持续发展路径，量化碳中和、生态安全等目标的科学阈值、基于地球系统科学设计跨尺度（全球—区域—本地）治理策略。
记者：地球系统科学如何帮助我们理解当前频发的极端天气事件？
刘丛强：地球系统科学通过多圈层耦合视角，揭示极端天气事件的全球性机制。全球变暖引发“北极放大效应”，导致急流减弱和波动加剧，使热浪或寒潮等极端天气在局部地区更易滞留。地球系统模型证实，人类活动显著增加热浪、暴雨等事件发生概率。如温室气体排放使百年一遇高温变为十年一遇；海洋升温则增强水循环能量，催生更强的飓风和极端降水；同时，冻土消融、野火等反馈机制释放温室气体，进一步放大气候异常。通过整合卫星遥感、古气候等跨尺度数据，地球系统研究可区分自然波动与人为影响，明确当前极端事件的非自然性。基于此，地球系统科学不仅解析灾害链成因，还通过模拟不同减排路径下的风险阈值，指导气候韧性城市建设与灾害预警体系优化，为全球应对气候变化提供科学锚点。
记者：能否请您具体谈谈您提出的“表层地球系统生物地球化学循环与全球变化”理论如何助力国家“双碳”目标实现？
刘丛强：“表层地球系统生物地球化学循环与全球变化”理论通过解析碳、氮、水等关键元素在地球表层，如陆地、海洋、大气中的循环机制及其与人类活动的耦合关系，助力国家“双碳”目标实现。这具体体现在三方面。
首先是碳源汇动态量化。“表层地球系统生物地球化学循环与全球变化”理论揭示了陆地生态系统和海洋的碳吸收潜力，揭示植被光合作用、土壤有机碳分解等过程对碳中和的贡献，为评估森林碳汇、湿地修复等生态工程的减排效能提供依据。
其次是人为干扰机制解析。研究化石燃料排放、氮沉降等人类活动如何打破自然碳循环平衡，从而支撑精准减排路径设计。如揭示工业系统和农业系统碳排放的关联性，推动能源转型与化肥减量的协同治理。
第三是气候反馈预测。结合地球系统模型，模拟碳循环与气候变暖的反馈效应，预判不同减排情景下碳达峰碳中和目标的可行性，规避气候临界点风险。该理论可指导碳捕集、生态修复等技术创新。同时，该理论结合全球碳通量监测网络提供的数据，可以为我国进行国际气候谈判提供支撑。
记者：在相关领域，中国科学家扮演着怎样的角色？
刘丛强：当前，人类活动正深刻重塑地球系统。中国科学家正通过多维度实践在全球科学治理中发挥关键作用。科研层面，我国科学家主导碳循环、气候模型等研究，如提出高分辨率地球系统模式提升全球变化预测精度，并推动风能、太阳能等低碳技术革新。我国科学家深度参与“双碳”路径设计，量化生态红线与碳预算，支撑全球最大规模植树造林、湿地修复等工程，助力陆地碳汇提升。国际合作中，中国学者主导“全球季风计划”，参与IPCC评估报告编写，推动“一带一路”气候观测网建设，促进数据共享与减排责任共担。同时，我国科学家通过科学传播与教育，提升公众气候认知，推动社会低碳转型。中国科学家正努力弥合发展与资源消耗的鸿沟，成为全球应对人地关系危机的关键力量。
强调整体性研究
记者：《天津宣言》的核心目标是什么？它将如何推动学科发展？
刘丛强：《天津宣言》的核心目标是推动地理学研究范式的转型发展。传统地理学往往将自然地理和人文地理割裂研究，而《天津宣言》倡导的地球系统科学范式强调各圈层的相互作用和整体性研究。这种转型不是否定传统地理学，而是在其基础上的创新发展。
《天津宣言》将通过三个路径推动学科发展：一是促进学术共同体形成共识，明确发展方向；二是建立协作机制，推动资源共享和优势互补；三是构建交流平台，促进思想碰撞和方法创新。我们相信，这种协同创新的模式将加速地球系统科学的发展。
记者：《天津宣言》提出要推动学科交叉与数据共享。这一倡议将如何具体落实，可能面临哪些挑战？
刘丛强：我们仍在全面思考和设计相关计划，将来在具体落实时，我们计划采取以下措施：通过建立统一的数据标准和共享平台，解决数据异构性问题；制定收益分配机制，保障数据贡献者的权益；开展方法培训，提高数据使用效率。同时，我们也将推动课程共享、设备共享等多方面合作。
面临的挑战主要包括：不同单位的数据质量标准不一致；部分数据的性质影响共享；学科文化差异影响协作效果等。针对这些挑战，我们需要建立有效的激励机制和协调机制，在保护知识产权的前提下促进开放共享。
记者：《天津宣言》对提升中国在地球科学领域的国际话语权有何意义？
刘丛强：《天津宣言》的签署向国际社会传递了两个重要信号：一是中国科学家积极发展地球系统科学和参与全球环境治理的坚定决心；二是中国在地球系统科学领域的创新能力。这将在三个方面提升国际话语权：首先是增强我们在国际学术组织中的影响力；其次是有利于中国方案被国际社会采纳；最后是提升中国科学家在国际大科学计划中的参与度。
具体来说，中国科学家可以通过牵头或参与国际研究计划、推动中国提出的科学概念获得国际认可、分享中国在生态文明建设方面的经验等方式，不断提升国际影响力。这是一个渐进的过程，但方向是明确的。
推动学科交叉融合创新
记者：今年恰逢天津大学地球系统科学学院成立十周年，作为国内该领域的主要推动和发展单位之一，学院在学科建设和科学研究方面取得了显著成就。地球系统科学涉及多学科交叉，这种交叉性给科研组织带来了哪些挑战？天津大学采取了哪些创新举措来应对这些挑战？
刘丛强：学科交叉确实带来了科研组织方式和研究范式的深刻变革。大学一般是按照学科门类来设置院系，但这种组织结构难以适应地球系统科学的研究需求。我们在学院内部创新性地设立了9个问题导向的研究中心，每个中心都聚焦一个系统性的多圈层、多要素、多尺度和多过程的科学问题。比如地气界面科学中心就是整合了水文学、土壤学、生态学等多学科力量，研究陆地—大气界面的物质能量交换过程和通量变化及其气候和生态环境效应。
这种组织模式的最大优势是打破了学科壁垒，让不同学科背景的科研人员能够围绕共同科学目标开展合作。在实践中，我们发现这种模式不仅能产出创新成果，还能培养研究人员的系统思维和交叉学科研究能力，这正是解决复杂系统环境问题所需要的关键能力。
记者：在建立了跨学科研究团队后，如何将科研成果转化为实际应用？
刘丛强：科研成果转化、服务社会—自然系统的可持续协同发展是地球系统科学研究的重要环节。地球系统科学研究成果的转化需通过“技术集成—政策耦合—社会嵌入”三层次路径实现。在技术开发与工程示范方面，跨学科团队整合遥感、大数据与工程技术，开发智能监测系统（如城市热岛调控、碳汇精准核算）和低碳解决方案（如滨海湿地修复、绿色建筑），通过示范工程验证技术可行性。在政策模拟与决策支撑方面，利用地球系统模型量化生态安全阈值，为国土空间规划、灾害韧性建设提供动态情景分析，例如结合天津海岸带特点设计“蓝色海湾”综合治理方案。在公众参与与产业联动方面，构建科学传播平台，将复杂数据转化为可视化工具，推动企业绿色转型与社区气候行动。
在上述方面，天津大学的独特优势首先体现在工科技术锚点上：依托化工、建筑、环境等优势学科，将地球系统理论与工程技术深度融合，例如开发高效碳捕集材料、近零能耗建筑技术。其次是滨海地域特色研究与治理方面：针对环渤海区域环境问题（如地面沉降、海岸侵蚀），开展陆海统筹研究，支撑京津冀生态协同发展。三是学科交叉平台构建方面：依托“表层地球系统科学研究院”等平台，联合管理、法学等学科，设计“科学—工程—治理”一体化解决方案（如智慧生态城市标准体系），强化成果落地效能。
记者：在数字时代，AI和大数据等技术正在深刻改变科研范式。这些新技术为地球系统科学研究带来了哪些变革？
刘丛强：数字技术确实为地球系统科学带来了革命性变化。我将其归纳为三个方面的突破：首先是观测能力的飞跃，通过空天地海一体化监测网络，我们可以获取前所未有的海量数据；其次是分析能力的提升，AI算法能够从复杂数据中发现传统方法难以识别的规律；最后是模拟预测能力的增强，基于高性能计算的地球系统模型可以模拟多圈层相互作用。
我们正在建设的地球系统模拟中心就是一个典型例子。该中心将整合超级计算、AI和大数据技术，模拟不同情景下的地球系统演变。这种模拟能力对于预测气候变化影响、评估安全缓解措施效果都具有重要价值。可以说，数字技术正在重塑地球系统科学的研究方法。
创新人才培养模式
记者：地球系统科学的交叉性对人才培养提出了新要求。学院在课程体系设计方面是如何体现这种跨学科特点的？
刘丛强：我们在课程设计方面进行了系统性创新。这主要体现在三个方面。首先是基础课程强化数理化生基础，因为地球系统的所有过程最终都与这些基础学科的原理相关；其次是专业课程采用问题导向的设计，强调整体性，比如“全球变化水文学”就整合了水文学、气候学和生态学的内容；最后是实践环节注重系统性思维训练，通过综合性实验和野外考察培养学生的整体观。
这种课程体系与传统地理学专业有很大不同。我们不是简单地在原有课程基础上增加内容，而是重构了整个知识体系。从实施效果看，这种培养模式使学生既掌握了扎实的基础知识，又具备了解决复杂系统问题的能力。
记者：在新工科建设背景下，地球科学人才培养如何融入工程技术思维？这种融合会带来哪些优势？
刘丛强：培养工程技术思维是我们教学改革的重要方向。具体做法包括：在理论教学中增加工程案例分析，让学生了解科学原理如何转化为实用技术；开设工程实践课程，如环境修复技术、碳捕集与封存技术等；组织学生参与实际工程项目，培养解决实际问题的能力。
这种融合培养的优势很明显。一方面，学生毕业后能够更快适应工作岗位的需求；另一方面，他们在科研中会更注重成果的转化应用。我们的一些毕业生已经在环保工程、气候变化应对等领域发挥了重要作用，这正是工程思维培养成效的体现。
记者：面向国家“双碳”目标等重大战略需求，学院在人才培养方面有哪些针对性的调整和布局？
刘丛强：为服务国家战略需求，我们在人才培养方面着重三方面内容：首先是增设“碳循环与气候变化”等特色课程，系统讲授“双碳”相关的科学原理和技术路径；其次是加强与产业界的合作培养，比如与环保企业共建实践基地，让学生参与真实的碳核算、碳汇评估项目；最后是强化政策素养培养，通过案例教学让学生了解科学研究如何支撑政策制定。
这些调整的核心目的是培养既懂科学、又懂工程和政策应用的复合型人才。从就业反馈来看，这种针对性培养确实使学生更能适应“双碳”领域的工作需求。未来我们还将根据国家战略需求的变化，动态优化培养方案。
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