地球系统科学

1．1．1　地球科学、地球系统科学、地球生物学与生物地质学

1．1．1．1　地球科学

地球科学(Earth sciences)是人类认识、利用、改造和保护自己惟一家园——地球的基础科学，它是数、理、化、天、地、生六大基础自然科学之一，其一级学科包括地质学、地理学、地球化学、地球物理(含空间物理)学、海洋科学及大气科学。每一学科又包含若干二级学科。

由于各传统次级学科的成熟，空对地的全球观测技术的发展，以及人类活动在全球变化中日益增长的作用，一种基于行星地球的新学科——地球系统科学已为国际地学界所共识。国际地学界在制订21世纪的发展战略时，一致地选择了以地球系统科学为框架的战略方针。发展并完善地球系统科学已成为21世纪初地球科学的主要方向。

1．1．1．2　地球系统科学

地球系统科学(Earth system science)是将大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、地幔和地核作为一个地球系统，研究由一系列相互作用过程(包括地球系统各组成部分之间、各圈层之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球的相互作用)联系起来的复杂非线性多重耦合系统——地球系统的运行机制(陈宜瑜等，2002)。其目标是获得对整个地球系统的全球性科学知识，了解地球的各部分相互作用及其演化，并形成对今后数十年至数世纪自然的和人类活动造成的全球变化的预测能力，以服务于人类社会的可持续发展。

1．1．1．3　地球生物学

地球生物学(Geobiology)是地球系统科学的重要组成部分。地球生物学是研究生物圈与地球系统相互作用及其规律的科学，是生命科学与地球科学的交叉学科，又可译为地生物学。它与生物地球学或生物地学的含义无明显区别，因为生命科学与地球科学是两个并列的基础科学，无主次之分。亦可以按谁服务谁的原则来分开，如以生物学知识服务于地学，可称生物地学。但Biogeology一词可译为广义的生物地学，亦可译为狭义的生物地质学。为了避免混淆，我们建议，还是按美国国家研究理事会“地球科学基础研究的机遇”报告(NRC，2001)的用法，把广义的生命科学与地球科学的交叉学科叫做地球生物学。在本文中，Biogeology一词只用于其狭义的含义，即生物地质学。

地球生物学包括三个主要学科，即地球生态学(Geoecology)、生物地质学和生物地球化学(Biogeochemistry)。

1．地球生态学地球生态学或称地生态学。它与生态地学或生态地质学(Ecogeology)含义无明显区别。它研究当代生物圈(特别是人类)与作为其生存环境的地球系统的相互作用、预测及对策(Trofimov，2001)，包括:

(1)了解和预测现代自然条件下地球作用和人类造成的地球作用过程。

(2)研究现代地球作用对于生物机体发展、演化的影响。

(3)研究在地球环境中，生物及人类活动造成的新条件下，保护环境、健康和减轻灾害的对策。

2．生物地质学研究固体地球系统与生物圈之间相互作用及其规律。它主要涉及地史时期⁽¹⁾(包括地史时期的大气圈和水圈)，但亦包括现在正在进行的生物地质作用，如生物成岩、成矿作用及在固体地球中进行的生物地球化学作用。

3．生物地球化学研究地球系统中生物和化学两大基本过程的相互作用，是生物学与地球化学的交叉学科。它与上述两个学科互相交织。其中一部分同时属于地球生态学范畴，如环境污染物的生物地球化学过程;一部分同时属于生物地质学范畴，如深海和地壳深处的深部生物圈及地史早期的生物地球化学过程;一部分兼跨上述两个学科，如生源要素(C，N，P 等)的生物地球化学循环兼跨大气圈、水圈、岩土圈;还有一些虽涉及上述两个学科，但基本上是独立过程，如海洋生物地球化学。因此本书将其单独分出，与上述两个学科并列。

1．1．1．4　生物地质学的重要性

生物地质学是地球系统科学的重要组成部分。地表四大圈层(表层岩石圈、水圈、生物圈、大气圈)的相互作用，加上地球内力和宇宙的影响，决定了地球表层的演化和发展，也决定了人类生存的资源与环境。其中，对其他圈层作用反馈最灵敏，又具有最大再生产(再循环)能力的生物圈是关键的一圈。根据它的变动划分地球演化阶段(如古生代—中生代)，在各圈层物质和能量交换中，它都起重大作用(如碳循环)，一些地学难题一经注意生物作用，往往豁然开朗，形成了新的理论(如生物灭绝→新灾变论)，认识了新的地质作用(如生物成矿作用)。

在数、理、化、天、地、生六大基础科学中，数、理、化、天均已与地质学结合，形成了蓬勃发展的数学地质、地球物理、地球化学与天文及行星地质学，惟独生物学与地质学的结合尚未臻繁荣，这是一个大有远景的交叉学科。任何时代的学科都要与占领该时代前沿的领头学科相结合，吸取其理论成就与高新技术，才能取得迅速发展。21世纪是生物学世纪，而且生命科学和地球科学均已被我国列入今后要重点发展的五大基础科学之内，因此生物学和地质学的结合是必然要发展的交叉科学领域，它孕育着地质学和生物学发展的许多新方向。但恰恰对这关键的一环，长期以来认识不足，研究较差。这关键的一环就是本学科所要研究的内容(参见图1．1)。

图1．1　生物地质学的学科位置及其内涵

说明:图中“地球层圈”指固体地球层圈及地史时期的大气圈和水圈。