科学通报 | 地球系统科学与教育专题：多圈层交叉融合的前沿探索

地球系统科学是研究地球系统整体行为的一门科学，以固体地球圈层及其外部生物圈、水圈、冰冻圈和大气圈为研究对象，研究各圈层发生、发展及其相互作用过程与机理，探索“宜居地球”形成以及地球、环境与生命协同演化等重大科学前沿。

目前，地球系统科学已经从传统的单圈层描述性研究，发展为强调圈层耦合、多尺度过程与人类活动影响的综合性科学体系。在全球气候变化加剧、极端事件频发、资源环境约束趋紧的背景下，深入理解地球系统各圈层之间的物质、能量循环与信息交换规律，已成为应对全球性挑战的科学基础。地球系统科学的观测能力和多学科融合程度已达到了前所未有的水平，而大数据、人工智能等新技术的深度渗透正深刻变革着地球科学的研究范式。与此同时，地球系统科学的快速发展对人才培养模式提出了全新的要求，跨学科融合的教育范式转型已成为地学教育改革的核心议题。

为推动地球系统科学研究的纵深发展，促进跨学科学术交流与合作，《科学通报》组织出版“地球系统科学与教育”专题。本专题收录了12篇涵盖地球系统科学多个核心方向的学术论文，多维度展现了我国地球系统科学研究的最新进展与未来方向.

1 多圈层作用下的海气耦合：极端气候事件与双碳目标

蔡文炬等人[1]从非线性动力学视角揭示了ENSO对全球变暖的响应：在“蝴蝶效应”的混沌表象下，初始ENSO变率通过整流作用系统性地调制未来响应幅度；持续增暖下ENSO变率呈先增后减的非单调变化，为减小未来预估不确定性提供了理论方向。周天军等人[2]通过六个典型案例论证了人为强迫与太平洋年代变率和大西洋多年代际变率在区域气候变化中的博弈关系——涵盖亚洲高山区降水的"双核型"变化、南亚季风年代际振荡、降水变异性增强的检测归因、中亚农业干旱和太平洋沃克环流变化等，并展示了青藏高原年代际气候预测的最新成果。张一歌等人[3]以空间模态为纽带，建立深时古气候记录与现代气候预测的对话框架，揭示平衡态与瞬态气候变化空间模态的根本差异，为筛选气候模型、约束未来长期气候变化预估提供深时参照。

2 气候变化下的人地耦合与可持续发展

夏龙龙等人[4]系统综述了稻田甲烷减排的四大技术路径——水分管理、有机物料管理、品种优化与复合种养，深入剖析减排与固碳、增产之间的权衡关系，提出固碳减排增产协同技术集成与生态补偿机制方案。付巧妹[5]通过古基因组学重建了末次冰期欧亚大陆现代人的迁徙路线与环境适应策略，揭示了气候剧变对人类遗传多样性的塑造作用。

3 气候系统与岩石圈的动态关联

司旭等人[6]将图神经网络与多源异构地球物理数据（地震目录、地下流体、形变观测数据）相结合，构建了川滇地区11个构造单元的中强地震月度预测模型，在怒江、鲜水河和龙门山等主要活动断裂带展现出显著预测效能，引入前兆观测后川西南等地区预测效果进一步提升。王瑞敏等人[7]从地球内部质量分布不均导致的真极移事件入手，限定晚埃迪卡拉纪大冰期的时空分布特征，提出包括岩石圈在内的地幔与地壳快速转动可能是维持该时期全球冰川作用的关键因素，突破了传统上仅由外部因素驱动的单一解释，为地球系统深部-表层耦合提供了新框架。

4地表物质循环过程、生物适应与反馈机制

蔡家琛等人[8]从显生宙尺度梳理了陆地植物演化对地球表生环境的深远影响，揭示植物登陆与繁盛通过改变风化速率、有机碳埋藏和大气成分，持续重塑地球气候与生物地球化学循环格局。宁嘉豪等人[9]提出了一种结合光流法和线性插值法提升数字古高程数据集时间分辨率的方法，可以快捷地为深时古气候模拟提供关键边界条件。文蝶等人[10]从深时视角回顾了纬度多样性梯度的地质历史演变，探讨了气候、构造与生物相互作用等多重驱动机制的相对贡献，为理解现代生物多样性格局及其未来变化提供深时参照。

5大数据驱动的地球系统科学研究与教育

李忠海等人[11]系统阐述了计算地球系统动力学的学科内涵与技术挑战，深入讨论了多物理场耦合、跨尺度计算和高性能并行算法等核心问题，前瞻性地展望了地球内部和表层系统耦合建模的未来发展模式和路线图。王成善等人[12]聚焦数字时代技术变革背景下国内外地球科学教育的现状，指出高校地学体系重构、学生培养方式革新、学校数字化管理模式等正在深刻重塑地学知识的获取与创造方式。同时，呼吁构建"数据驱动+问题导向+跨学科融合"的新型地学教育范式，推动课程改革与虚拟仿真、数字孪生等新技术的深度融入，培养适应地球系统科学需求的复合型人才。

总体而言，本专题12篇文章覆盖了从海气耦合到地表过程、从深时演化到现代观测、从基础研究到教育实践的广阔维度，充分展现了地球系统科学多圈层交叉融合的学科特质。受篇幅所限，部分同样重要的议题如冰冻圈变化、海洋生物地球化学等未能涵盖。衷心希望本专题为相关领域研究者提供启发与交流平台，推动我国地球系统科学研究走向深入，并为地球科学教育改革贡献智慧。最后，诚挚感谢所有作者、审稿人和编辑人员在专题组织过程中的辛勤付出与宝贵贡献。

王艳芬中国科学院大学教授，中国科学院院士，中国生态学学会副理事长。长期从事地理与生态学研究，绘制了首张青藏高原1：50万草地植被图，构建了表征生态系统稳态转换的生态能量学模型，发展了“以氮促碳”和“适度利用”草地适应性管理新模式。

专题文章列表

编者按：王艳芬. 地球系统科学与教育: 多圈层交叉融合的前沿探索. 科学通报, 2026, 71: 4945–4947

1 蔡文炬, 耿涛, 吴硕, 等. 从非线性角度理解ENSO对全球变暖的响应. 科学通报, 2026, 71: 4959–4964

2 周天军, 江洁, 胡帅, 等. 区域气候变化: 人为强迫和自然变率的作用. 科学通报, 2026, 71: 4965–4978

3 张一歌, 刘小庆. 从空间模态看气候变化: 深时古气候与现代预测的对话. 科学通报, 2026, 71: 5066–5081

4 夏龙龙, 杨靖睿, 遆超普, 等. 稻田甲烷减排技术、挑战与策略. 科学通报, 2026, 71: 4979–4992

5 付巧妹. 现代人在末次冰期环境下的迁徙、演化与适应. 科学通报, 2026, 71: 4993–5005

6 司旭, 伍新明, 胡峰, 等. 基于图神经网络多信息融合的川滇地区地震预测初探. 科学通报, 2026, 71: 5082–5097

7 王瑞敏, 刘鹏, 温斌, 等. "晚埃迪卡拉纪大冰期"的地球内部驱动. 科学通报, 2026, 71: 5006–5017

8 蔡家琛, 鞠鹏程, 刘牧, 等. 陆地植物深时演化的环境效应. 科学通报, 2026, 71: 5033–5045

9 宁嘉豪, 刘永岗, 贺志霖, 等. 提升数字古高程数据集时间分辨率的方法探究. 科学通报, 2026, 71: 5098–5106

10 文蝶, 樊隽轩. 深时视角下的纬度多样性梯度: 机制与挑战. 科学通报, 2026, 71: 5018–5032

11 李忠海, 王艳芬, 石耀霖, 等. 计算地球系统动力学的思考. 科学通报, 2026, 71: 5046–5065

12 王成善, 姚翰威. 数字时代背景下地球科学教育的若干展望. 科学通报, 2026, 71: 4948–4958

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