秦奇， 劉曉煌， 孫興麗， 趙瑞芬

(1.中國科學院地理科學與資源研究所 世界地理與資源研究中心，北京 100101； 2.中國地質調查局自然資源綜合調查指揮中心，北京 100055； 3.自然資源要素耦合過程與效應重點實驗室，北京 100055； 4.河北地質大學經(jīng)濟研究所，河北石家莊 050031)

0 引言

人類社會的繁榮發(fā)展依賴于地球系統(tǒng)功能的穩(wěn)定。然而，這一整套物理、化學、生物和人類相互作用的過程與系統(tǒng)已出現(xiàn)了對人類社會產生重大影響的風險危機。Steffen等[1]指出在9個調控地球系統(tǒng)穩(wěn)定性和恢復能力的指標中，有4個(氣候變化、生物圈完整性、生物地球化學流動和陸地系統(tǒng)變化)在全球尺度上已經(jīng)超過了最大風險閾值； 而水循環(huán)和非傳統(tǒng)實體(如有機污染物、放射性粒子、微塑料和納米粒子)雖然在全球尺度上未達到最大風險閾值，但在區(qū)域或中小尺度上已構成了巨大風險。這些單一風險及其相互作用所帶來的未知潛在影響將對資源開發(fā)利用、糧食與生存空間供給、自然災害防治等人類社會的發(fā)展要素構成深刻挑戰(zhàn)。資源管理者、應急管理者和政策制定者將面對比過去更為復雜的一系列問題，這需要對大量的潛在有用信息進行解釋。解決這些危機、應對潛在變化的關鍵在于： ①深入認識這些相互作用過程與系統(tǒng)耦合作用的機理； ②提升對地球系統(tǒng)發(fā)展變化趨勢的預測能力； ③為決策者提供具有明確行動指向的情報信息。

在上述背景下，中美兩國均提出了對地系統(tǒng)觀測的構想。2018 年10 月，中國自然資源部發(fā)布了《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》[2]，明確將“自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程”列為12項重大科技工程之首； 2020年5月，美國地質調查局發(fā)布了《美國地質調查21世紀科學戰(zhàn)略(2020—2030)》[3]，指導美國對地系統(tǒng)觀測工作。美國地質調查局是美國對地觀測的領導部門，理論基礎較好、技術裝備先進、觀測經(jīng)驗豐富、多維觀測尺度覆蓋全球-區(qū)域-地方，是地球系統(tǒng)科學和對地觀測研究的先進力量。研讀其對地系統(tǒng)觀測的戰(zhàn)略政策，剖析、借鑒其經(jīng)驗得失，以期取長補短，推動中國對地系統(tǒng)觀測向前發(fā)展，具有重大的科學和實踐意義。本文在分別梳理中美兩國對地系統(tǒng)觀測的戰(zhàn)略構想與實踐進程的基礎上，比較評述了兩國觀測工作的異同之處，進而闡述了對中國對地系統(tǒng)觀測工作的啟示，以便推動觀測工作更好地服務于國家生態(tài)文明建設和自然資源管理“兩統(tǒng)一”職責。

1 中美對地系統(tǒng)觀測構想與實踐的比較分析

1.1 美國對地系統(tǒng)觀測的構想與實踐

2020年，時值美國總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福委托撰寫的《科學無止境》發(fā)表75周年之際，白宮科技政策辦公室提出美國正在進入第二個科學的“大膽時代”，需要新的戰(zhàn)略指導框架[3]。美國地質調查局積極響應，希望在此進程中扮演重要角色，以服務國家為目的制定長期規(guī)劃。當前，人類深刻認識到地球系統(tǒng)各要素耦合作用引發(fā)的系統(tǒng)性自然資源與生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)。水、能礦資源、生態(tài)系統(tǒng)、自然災害和土地利用以無數(shù)種方式相互作用，引發(fā)復雜且出人意料的后果，對國家土地、水、能源礦產和生態(tài)系統(tǒng)資源的開發(fā)利用管理需要進行權衡。因此，資源管理者需要整合多學科數(shù)據(jù)、地球空間工具、預測模型和技術設備的“全面綜合地質調查”來支持決策。新技術革命為“全面綜合地質調查”提供了技術基礎： ①覆蓋空-天-地尺度的新型傳感器的應用，有利于獲取全新時空分辨率的地球系統(tǒng)基本信息； ②大數(shù)據(jù)和云計算為地球系統(tǒng)科學提供了嶄新的科學計算和分析范式； ③新興信息管理和技術能力將有效兼容歷史和實時數(shù)據(jù)流。因此，基于自然資源綜合管理需求和新興技術基礎，美國地質調查局發(fā)布了《美國地質調查21世紀科學戰(zhàn)略(2020—2030)》[3]。

該戰(zhàn)略提出美國地質調查局的主要任務是監(jiān)測、分析和預測復雜的人類與自然地球系統(tǒng)相互作用的現(xiàn)狀與動態(tài)過程，為決策者提供在相關尺度和范圍內具有明確行動指導性的情報信息。其發(fā)展愿景是領導美國21世紀自然資源的綜合研究、評價和預測，加深對地球資源與生態(tài)環(huán)境的了解，向公眾提供數(shù)據(jù)和地圖產品，服務國家，確保人民的安全與福祉。實現(xiàn)任務和愿景的理論基礎是地球系統(tǒng)科學。隨著地球物理、化學、生物科學及其分支學科的不斷進步，人類對地球系統(tǒng)內部的諸多過程有了更深入的了解，越來越認識到需要進行多學科整合，推動學科之間的交叉探索，將地球看做一個統(tǒng)一的系統(tǒng)進行綜合考察。

實施“美國地質調查21世紀科學戰(zhàn)略”包括5個相互關聯(lián)的實踐路徑： ①以“地球監(jiān)測、分析與預測(EarthMap)”工程為抓手，發(fā)展全局性、綜合性和預測性的科學能力； ②以任務為導向，在已有大氣、海洋和地表物理、化學、生物過程的觀測基礎上，推動跨學科交叉綜合研究； ③廣泛應用21世紀的新興信息技術進行支撐； ④建立廣泛的伙伴關系，整合地球系統(tǒng)科學的相關組織和人員，包括實地和遠程的觀測團隊、從事建模與預測的研究人員、從事新興信息技術的開發(fā)人員以及資源決策管理者； ⑤優(yōu)化內部組織結構，發(fā)展員工隊伍，提升設備水平。

1.2 中國對地系統(tǒng)觀測的構想與實踐

1.2.1 提出背景

我國野外觀測工作有著較為堅實的基礎。中國科學院、農業(yè)農村部、自然資源部、教育部等單位建有各類生態(tài)綜合觀測站700余座，主要圍繞生態(tài)環(huán)境和科學家興趣開展觀測研究，部分環(huán)境監(jiān)測站(不含氣象、水文、地震等部門的專項監(jiān)測站)保存了 40～50 a的連續(xù)觀測記錄。觀測研究為國家生態(tài)文明建設、糧食安全、環(huán)境修復、災害防治、應對氣候變化、國家天然林保護、退耕還林還草還濕、三北防護林工程、塔克拉瑪干沙漠公路、青藏鐵路等重大工程建設及國防科技發(fā)展作出了重要貢獻。

十八大以來的治國理政理念和方略標志著我國開啟了新時代生態(tài)文明建設和資源、環(huán)境、生態(tài)統(tǒng)一管理的序幕。2018 年10 月，肩負著自然資源管理“兩統(tǒng)一”職責的自然資源部發(fā)布《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》[2]，明確將“自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程”列為12項重大科技工程之首。2019 年10 月，自然資源部正式啟動“自然資源要素綜合觀測”科學工程，由原武警黃金部隊轉隸組建的自然資源部中國地質調查局自然資源綜合調查指揮中心負責實施。

1.2.2 理論基礎及構想

山水林田湖草是生命共同體，在一定空間區(qū)域內各自然資源要素通過水(礦物)、化學元素和能量循環(huán)聯(lián)結為有機整體，在垂向上形成大氣資源、地表覆蓋資源、土壤資源和地下資源(水、地熱)的物質能量循環(huán)，在地表平面上形成一定的森林、草原、耕地、冰川、荒漠和水資源等覆蓋資源的耦合結構配比，維系著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡和良好的自然環(huán)境狀態(tài)。要遵循自然規(guī)律開展自然資源統(tǒng)一管理、國土空間統(tǒng)一規(guī)劃和生態(tài)保護修復，就需要空-天-地-井-網(wǎng)立體的對地觀測研究，重點要做好5項工作： ①獲取高質量的資源-環(huán)境-生態(tài)觀測數(shù)據(jù)； ②探究自然資源要素間、資源與環(huán)境-生態(tài)間的耦合作用機理； ③開展自然資源-環(huán)境-生態(tài)的時空演變與趨勢模擬； ④進行空間分析與動態(tài)區(qū)劃、資源承載力與資產核算、國土空間優(yōu)化與適宜性評價等綜合分析與評價； ⑤提出資源-環(huán)境-生態(tài)安全的對策與建議。

1.2.3 研究進展

自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程啟動以來，初步形成了個體、景觀、區(qū)域、全球等不同尺度下空-天-地-井-網(wǎng)一體化的自然資源要素綜合觀測體系框架[4]： ①提出了自然資源分類框架，明確了3個一級類、15個二級類、53個三級類觀測對象[5]； ②構建了自然資源觀測指標體系，涵蓋51個一級指標、124個二級指標和514個三級指標[6]； ③首次完成了1990—2018年長時序動態(tài)的全國自然資源區(qū)劃，并以此為基礎底圖進行分層抽樣，搭建了覆蓋全國的三級觀測站網(wǎng)架構，包括一級觀測站點8個、二級56個、三級106個[7]； ④編制了包含5個大類、25個小類的觀測站網(wǎng)標準規(guī)范體系[8]。同時，利用現(xiàn)有觀測站網(wǎng)基礎，融合共建觀測站點，順利推進了青藏高原、黃河流域、黑河流域重點區(qū)域的試點項目。

1.3 中美兩國對地系統(tǒng)觀測進展的比較與評述

美國地質調查局提出的對地觀測體系由觀測獲取數(shù)據(jù)、模型構建和模擬預測、情報支撐3部分組成； 中國自然資源部提出的自然資源要素綜合觀測(即資源-環(huán)境-生態(tài)觀測體系)則由觀測數(shù)據(jù)、資源-環(huán)境-生態(tài)耦合機理研究、模型模擬、綜合評價分析及決策建議5部分組成，其中我國對地觀測體系組成的資源-環(huán)境-生態(tài)耦合機理研究、模型模擬、綜合評價分析對應了美國對地觀測體系組成的模型構建和模型預測。由此可見兩國都提出了構建對地觀測體系，在構建理念和思路上基本一致，但也存在一些差異，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.3.1 兩國觀測體系的共同點

(1)同時注意到對地系統(tǒng)觀測的前瞻性和創(chuàng)新意義，都在近期提出了戰(zhàn)略構想，并進入初步探索階段，爭取對地系統(tǒng)觀測的領先地位。

(2)都在集中力量打造示范性的觀測工程及其數(shù)據(jù)產品，并以此為抓手，推動對地系統(tǒng)觀測戰(zhàn)略的實施。

(3)都以地球系統(tǒng)科學為理論基礎，探索自然資源系統(tǒng)(地下資源、地表覆蓋資源、氣候資源)各資源要素之間的耦合作用規(guī)律及其對人類的影響路徑。

(4)觀測系統(tǒng)的基本結構和功能一致，都分為數(shù)據(jù)的獲取與管理、建模與預測、支持決策3個功能板塊。

(5)都強調創(chuàng)新技術的支撐作用，廣泛應用物聯(lián)網(wǎng)、新型傳感器、人工智能、機器學習、云計算等前沿技術。

(6)都辨析了監(jiān)測與觀測的區(qū)別與聯(lián)系： 觀測是對地自然現(xiàn)象長期、連續(xù)、多尺度的科學觀察與記錄并解析地球系統(tǒng)要素耦合作用機理，監(jiān)測則是為達到特定目標、目的利用觀測手段監(jiān)督、檢測或評價系統(tǒng)的目標、目的與系統(tǒng)運行的匹配程度。

1.3.2 兩國觀測體系的差異

(1)服務對象不同。中國的觀測體系服務于國家生態(tài)文明建設、自然資源管理“兩統(tǒng)一”職責，致力于支撐自然資源資產化、國土空間規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護修復等工作； 美國的觀測體系服務于多元對象，既有聯(lián)邦、州等各級資源管理者，也有學術機構、私人企業(yè)、非政府組織等。

(2)美國觀測體系的空間范圍較廣，例如它提出關注全球尺度下能礦資源的位置、可得性、供應鏈危機等態(tài)勢； 中國的觀測目前主要聚焦于國內。

(3)中國綜合觀測體系框架設計已基本成型，制定了分類標準、觀測指標體系、自然資源區(qū)劃、全國站網(wǎng)布設架構和規(guī)范標準，開展了試點項目，而美國的相關工作尚未有效展開。

2 對中國對地系統(tǒng)觀測工作的啟示

2.1 國際對地觀測研究歷史及發(fā)展動態(tài)

對地觀測是探尋自然規(guī)律、認識和掌握地球演化對人類生存發(fā)展影響的主要手段，世界各國都高度重視對地觀測研究工作。近代最早的對地觀測是英國1843年為觀測研究土壤肥力與肥料效益開展的長期定位試驗，已持續(xù)近180年。目前世界上持續(xù)觀測80年以上的長期定位試驗站有30多個，主要集中在歐洲、俄羅斯、美國、日本、印度等國家。伴隨著衛(wèi)星遙感、通訊、網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、觀測設備等技術的不斷發(fā)展，世界對地觀測的發(fā)展大體分為4個階段。

第一階段，站點尺度的單資源生態(tài)系統(tǒng)觀測研究。1979年，美國開始部署長期生態(tài)研究計劃，在全球掀起了以森林、草原、海洋、淡水、農田、凍原、濕地、城市等生態(tài)系統(tǒng)站點尺度的觀測研究，主要成果有美國生態(tài)網(wǎng)(Long Term Ecological Research Network，LTER)、關鍵地帶網(wǎng)(Critical Zone Observatory，CZO)、英國環(huán)境網(wǎng)(Environmental Change Network，ECN)、加拿大生態(tài)網(wǎng)(Ecological Monitoring and Assessment Network，EMAN)； 1984年美國配合全球地震臺網(wǎng)計劃提出了大陸巖石圈流動測震臺陣研究計劃(Portable Array Seismic Studies of the Continental Lithosphere，PASSCAL)，開始立體觀測外動力和內動力地質作用。我國地球物理觀測臺網(wǎng)建設始于20世紀60年代； 1988年中國科學院開始建立野外生態(tài)系統(tǒng)研究站； 1991年中國農業(yè)科學院開始建立土壤肥力和肥料效益監(jiān)測站； 1992年國家林業(yè)局開始建立森林生態(tài)站； 1993年生態(tài)環(huán)保部門開始建立生態(tài)監(jiān)測地面站。

第二階段，全球尺度專項觀測研究。20世紀90年代，隨著氣候變化等全球性重大問題的出現(xiàn)，不同國家和國際組織啟動了全球尺度的多學科交叉、多站點聯(lián)網(wǎng)、空-天-地一體化協(xié)同觀測研究，主要有全球綜合觀測協(xié)作體(Integrated Global Observing Strategy，IGOS)、全球大氣監(jiān)測網(wǎng)(World Meteorological Organization/Global Atmosphere Watch，WMO/GAW)、冰凍圈監(jiān)測網(wǎng)(Global Cryosphere Watch，GCW)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(Global Environmental Management Systems，GEMS)、國際生態(tài)網(wǎng)(International Long-Term Ecological Research Network，ILTER)、通量網(wǎng)(FLUXNET)等。

第三階段，景觀、區(qū)域尺度的科學研究。進入21世紀，各國開始將觀測站聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一觀測，開啟了標準化、規(guī)范化、自動化和網(wǎng)絡化的區(qū)域、景觀尺度的觀測研究。1999—2001年，中國科學技術部建成了國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(Chinese National Ecosystem Research Network,CNERN)； 2003年，林業(yè)部建成了中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(Chinese Forest Ecosystem Research Network，CFERN)。2010—2019年，美國建成了國家生態(tài)觀測網(wǎng)絡(National Ecological Observatory Network，NEON)； 2009年，澳大利亞建立了澳大利亞陸地生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(Terrestrial Ecosystem Research Network，TERN)。

第四階段，資源-環(huán)境-生態(tài)一體化觀測和多目標監(jiān)測研究。2019年，中國自然資源部為實現(xiàn)統(tǒng)一管理自然資源、國土空間規(guī)劃和生態(tài)保護修復，按照“山水林田湖草是生命共同體”和“生態(tài)環(huán)境問題歸根到底是自然資源開發(fā)問題”的管理理念，啟動了自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程，開啟資源-環(huán)境-生態(tài)一體化觀測和多目標監(jiān)測研究。

2.2 美國對地系統(tǒng)觀測對中國的啟示

(1)兩國均啟動了對地系統(tǒng)觀測工程，間接證明了以“山水林田湖草是生命共同體”理念為指導、以地球系統(tǒng)科學為理論基礎的中國自然資源要素觀測工程的前瞻性和創(chuàng)新性。兩國的對地系統(tǒng)觀測同處于起跑階段，我國需要加大投入、扎實推進，爭取對地系統(tǒng)觀測的國際話語權，打造中國自然資源品牌并向世界提供資源數(shù)據(jù)產品。

(2)兩國的對地觀測經(jīng)驗表明，科學理論發(fā)展和信息技術進步是支撐對地系統(tǒng)觀測的兩個支柱。在未來工作中，要推動自然資源學、地球系統(tǒng)科學、生態(tài)學、水文學等相關學科的交叉融合，積極探索自然資源要素耦合作用機理及其對人類的影響路徑，夯實理論基礎； 重視新興信息技術，推動數(shù)據(jù)的獲取與管理、模擬與預測以及支撐決策等工作。

(3)美國的對地觀測體系提出了多部門、跨學科的聯(lián)合觀測研究和多目標的情報服務構建理念。我國于2018年3月組建的自然資源部代表國家對土地、礦產、海洋、森林、草原、濕地、水資源等實行統(tǒng)一管理，這些自然資源是對地觀測的主要內容和對象。因此，自然資源部可以參照美國對地觀測構建理念，牽頭聯(lián)合其他部委和科研院所，利用自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程，整合全國觀測資源和力量，構建起我國的對地觀測體系，促進自然-環(huán)境-生態(tài)的協(xié)調發(fā)展，大力推進我國生態(tài)文明建設和中華民族的永續(xù)發(fā)展。

2.3 我國資源-環(huán)境-生態(tài)系統(tǒng)觀測-預測-監(jiān)測體系

按照觀測-監(jiān)測的學術內涵，結合國家對自然資源、生態(tài)、環(huán)境的觀測、監(jiān)測體系建設要求和我國現(xiàn)有觀測-監(jiān)測站網(wǎng)體系架構，根據(jù)“山水林田湖草是生命共同體”和“生態(tài)、環(huán)境問題歸根到底是自然資源開發(fā)利用問題”理念，在全國自然資源要素綜合觀測體系的基礎上，提出我國對地觀測-預測-監(jiān)測體系，即資源-環(huán)境-生態(tài)系統(tǒng)觀測-預測-監(jiān)測體系(Observation-Prediction-Monitoring System,OPMS或“三測體系”，圖1)。

圖1 對地系統(tǒng)觀測-預測-監(jiān)測體系

(1)統(tǒng)一觀測系統(tǒng)。在全國統(tǒng)一部署開展全要素、多過程、多尺度的綜合系統(tǒng)對地觀測和試驗模擬，獲取統(tǒng)一對象、統(tǒng)一內容、統(tǒng)一指標、統(tǒng)一方法、統(tǒng)一標準的對地觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括3部分： 一是內動力地質作用的地應力、地磁場、地電場、地殼變形和地殼運動等觀測數(shù)據(jù)； 二是外動力地質作用的風、降雨、輻射等氣候資源數(shù)據(jù)，森林、草原、濕地、地表水文、土壤、冰川、荒漠等地表覆蓋資源與生態(tài)數(shù)據(jù)，地下水、地熱、地下洞穴等地下資源數(shù)據(jù)； 三是專項加密觀測(環(huán)境-災害)數(shù)據(jù)，在內外地質作用觀測站網(wǎng)的基礎上，根據(jù)具體目標和任務需要，加密相關的觀測站點，遴選少量的觀測指標，開展專項觀測。

(2)模擬預測系統(tǒng)。利用觀測站網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)結合其他外部數(shù)據(jù)，通過野外試驗模擬和計算機數(shù)據(jù)模型模擬技術方法，開展預設場景下的模型試驗，進行科學預測，預判資源-環(huán)境-生態(tài)-災害等演變發(fā)展趨勢和未來狀態(tài)，為重大決策提供科學技術支撐。

(3)評價監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)不同的監(jiān)測目標任務，選取相關觀測數(shù)據(jù)，采用相應的評價方法技術，進行綜合評價分析和監(jiān)測預警。

3 未來展望

本文通過比較分析中美兩國對地系統(tǒng)觀測的構想與實踐，提出構建我國對地系統(tǒng)觀測-預測-監(jiān)測體系(即資源-環(huán)境-生態(tài)系統(tǒng)觀測-預測-監(jiān)測體系)。近期內，加強對地系統(tǒng)觀測-預測-監(jiān)測體系建設是優(yōu)先選項，依據(jù)觀測數(shù)據(jù)揭示自然資源要素間的相互作用規(guī)律，預測自然資源演化趨勢，為自然資源管理(監(jiān)測)提供有效的信息情報，服務于自然資源資產化和國土空間規(guī)劃等自然資源統(tǒng)一管理職責。中長期目標是破解自然資源-環(huán)境-生態(tài)耦合作用機理，為“山水林田湖草是生命共同體"理念注解，為自然資源可持續(xù)開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護修復工作的協(xié)同發(fā)展提供理論依據(jù)。相信這一體系的建設實施必將為地球系統(tǒng)科學理論發(fā)展、自然資源管理“兩統(tǒng)一”職責和國家生態(tài)文明建設實踐作出貢獻。