地球科學(xué)前沿趨勢與挑戰(zhàn)評述 |《科學(xué)通報(bào)》

進(jìn)入21世紀(jì)以來，地球科學(xué)正從傳統(tǒng)的描述性學(xué)科向系統(tǒng)性、預(yù)測性的科學(xué)體系轉(zhuǎn)變。在這一過程中，大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等新興工具的融合應(yīng)用，極大地推動了研究方法的進(jìn)步和革新。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授鄭永飛院士于2025年12月在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表的評述文章，基于國際大科學(xué)計(jì)劃“深時數(shù)字地球”的全球調(diào)研成果，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動與專家投票相結(jié)合的方法，從2014~2023年間的地球科學(xué)研究中提煉出十大前沿方向，展現(xiàn)了地球科學(xué)在數(shù)字化、系統(tǒng)化與可持續(xù)發(fā)展背景下的新范式與新挑戰(zhàn)。這些前沿不僅體現(xiàn)了地球科學(xué)內(nèi)部“深時—深海—深空—深地—宜居地球”的多維拓展，也凸顯了學(xué)科交叉與技術(shù)融合的必然趨勢。

20世紀(jì)下半葉，板塊構(gòu)造理論統(tǒng)一了固體地球科學(xué)；隨后提出的地球系統(tǒng)科學(xué)框架，又將研究視野擴(kuò)展到全球氣候與環(huán)境變化。進(jìn)入21世紀(jì)，尤其是2010年代以來，大數(shù)據(jù)、人工智能和高性能計(jì)算呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展。地球科學(xué)本身積累了海量的觀測、實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的理論和方法在應(yīng)對氣候變化、資源緊缺等復(fù)雜系統(tǒng)問題時顯得力有不逮。學(xué)科內(nèi)部普遍認(rèn)識到，一場由“數(shù)據(jù)+智能”驅(qū)動的、從描述到預(yù)測的新范式革命勢在必行。在這個“范式轉(zhuǎn)型焦慮與機(jī)遇并存”的節(jié)點(diǎn)上，如何回答“地球科學(xué)將往何處去”的根本問題，已經(jīng)成為地學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授鄭永飛院士于2025年12月在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表的評述論文，不僅是一篇關(guān)于地球科學(xué)研究熱點(diǎn)和前沿的高層次評述性文獻(xiàn)，而且是一份深刻洞察學(xué)科發(fā)展脈搏、揭示未來研究范式的“戰(zhàn)略指南”。該文以全球首個由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際大科學(xué)計(jì)劃“深時數(shù)字地球”(Deep-time Digital Earth, DDE)的宏大數(shù)據(jù)調(diào)研與全球?qū)＜夜沧R為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地介紹了這個計(jì)劃如何遴選了2014~2023年間地球科學(xué)領(lǐng)域的30個研究趨勢和十大研究前沿(圖1)。論文指出，這十大前沿的遴選，不是簡單的研究熱點(diǎn)羅列，而是標(biāo)志著地球科學(xué)在認(rèn)識論、方法論和價值論三個維度上，正經(jīng)歷一場從“分科描述”到“系統(tǒng)預(yù)測”、從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動”到“數(shù)據(jù)智能驅(qū)動”、從“認(rèn)識自然”到“服務(wù)人類世可持續(xù)生存”的深刻范式革命。

圖1. 地球科學(xué)研究趨勢和前沿分類框圖

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構(gòu)建權(quán)威共識：方法論的創(chuàng)新與全球視野的呈現(xiàn)

論文介紹了DDE對地球科學(xué)研究前沿的遴選辦法，采用了科學(xué)、民主且具有高度公信力的方法論，而非基于單一研究團(tuán)隊(duì)或特定國家的視角，而是整合了兩種強(qiáng)大的力量：

(1)數(shù)據(jù)驅(qū)動的客觀洞察：通過譜聚類等算法，對過去十年間41萬余篇地球科學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，識別出407個主題簇，并精煉出30個顯著的研究趨勢。這一過程最大限度地減少了個人主觀偏好，從學(xué)術(shù)產(chǎn)出的“客觀事實(shí)”層面描繪了學(xué)科的知識圖譜。

(2)專家智慧的全球凝練：邀請來自85個國家的1100余名科學(xué)家進(jìn)行投票，最終從30個趨勢中民主選出十大前沿。這一過程將全球地球科學(xué)共同體的集體判斷與優(yōu)先考量凝聚其中，使得結(jié)果具有廣泛的代表性和國際認(rèn)同度。

這種“數(shù)據(jù)挖掘+全球投票”的雙重機(jī)制，使得DDE所獲得的前沿清單具備了罕見的權(quán)威性。它像一面鏡子，映照出全球?qū)W術(shù)界用“腳”(文獻(xiàn)產(chǎn)出)和“手”(投票選擇)共同認(rèn)定的最重要方向。這種基于全球共識的“前沿地圖”，對于各國科研機(jī)構(gòu)規(guī)劃布局、資源分配以及青年學(xué)者選擇研究方向，具有不可替代的參考價值。

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揭示范式轉(zhuǎn)型：十大前沿背后的學(xué)科演進(jìn)邏輯

對2014~2023年期間地球科學(xué)領(lǐng)域30個研究趨勢和十大研究前沿(圖1)的遴選發(fā)生在2024年，位于多維時空的匯聚點(diǎn)：(1) 在時間軸上，它處于地球科學(xué)范式智能轉(zhuǎn)型的“臨界點(diǎn)”；(2) 在問題軸上，它直面人類世最嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)；(3) 在主體軸上，它依托中國主導(dǎo)的重大國際科學(xué)計(jì)劃DDE，并展現(xiàn)其領(lǐng)導(dǎo)力；(4) 在功能軸上，它兼具學(xué)科診斷、議程設(shè)置、戰(zhàn)略宣示和社會溝通的多重角色。因此，這不僅僅是一篇學(xué)術(shù)綜述，更是一份標(biāo)志性事件文本。

通過這篇評述論文的介紹，宣告了中國地球科學(xué)界有組織地、系統(tǒng)地參與全球?qū)W科前沿界定和未來方向引領(lǐng)時代的到來。因此，這是一篇承載多重使命的“戰(zhàn)略文獻(xiàn)”，是理解當(dāng)前全球地球科學(xué)發(fā)展態(tài)勢與中國在其中戰(zhàn)略角色的關(guān)鍵文獻(xiàn)。論文不僅列出了DDE遴選出來的地球科學(xué)十大研究前沿，而且指出了其背后所代表的地球科學(xué)“三重躍遷”。

第一重躍遷：研究范式的“系統(tǒng)性”升級。

傳統(tǒng)地球科學(xué)常被劃分為地質(zhì)、地理、大氣、海洋等相對獨(dú)立的子學(xué)科。而十大前沿的分布(宜居地球4項(xiàng)，深時與地學(xué)大數(shù)據(jù)各2項(xiàng))清晰地表明，學(xué)科重心已從對單一圈層或過程的孤立研究，轉(zhuǎn)向?qū)Φ厍蛳到y(tǒng)各圈層相互作用及其整體行為的探索。例如，“過去、現(xiàn)在和未來氣候變化”研究，必須耦合大氣、海洋、冰蓋、生物和巖石圈；“全球海洋碳循環(huán)”則涉及物理輸送、化學(xué)轉(zhuǎn)化與生物泵等多過程交織。這標(biāo)志著以“地球系統(tǒng)科學(xué)”為統(tǒng)領(lǐng)的整體論思維已成為學(xué)科主流(圖2)。前沿的選擇，呼應(yīng)了從“板塊構(gòu)造”(固體地球內(nèi)部動力學(xué))到“地球系統(tǒng)科學(xué)”(全球表層圈層耦合)的歷史脈絡(luò)，并正在邁向更全面的“深部-表層”系統(tǒng)整合，正如DDE計(jì)劃所聚焦的深時、深地與表層宜居性的關(guān)聯(lián)研究。

圖2. 深時數(shù)字地球(DDE)系統(tǒng)工作框架示意圖

第二重躍遷：方法論的“智能性”革命。

“機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析”被單獨(dú)列為前沿，且其精神滲透于幾乎所有其它前沿領(lǐng)域(如遙感、災(zāi)害預(yù)測、三維結(jié)構(gòu)反演、礦產(chǎn)勘查)，這昭示著一場方法論的根本性變革。地球科學(xué)正從以觀測、實(shí)驗(yàn)和基于物理定律的解析模型為主的傳統(tǒng)方法，轉(zhuǎn)向以人工智能、大數(shù)據(jù)分析和超級計(jì)算為核心的數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)新范式。深度學(xué)習(xí)用于氣候降尺度預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于礦物自動識別、知識圖譜用于地學(xué)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)推理——這些并非錦上添花的工具改進(jìn)，而是正在重塑提出問題、分析數(shù)據(jù)和驗(yàn)證假設(shè)的整個科研流程。論文指出的“用深時數(shù)據(jù)模擬億年板塊運(yùn)動”與“難解十年尺度氣候變化”之間的張力，恰恰揭示了這一轉(zhuǎn)型的復(fù)雜性：技術(shù)賦予了前所未有的模擬能力，但地球系統(tǒng)的復(fù)雜性與人類活動的強(qiáng)干預(yù)，對模型的真實(shí)性和預(yù)測能力提出了更高要求。

第三重躍遷：價值取向的“人本性”回歸。

十大前沿的選題，強(qiáng)烈地體現(xiàn)了地球科學(xué)研究的時代使命——服務(wù)于人類社會的可持續(xù)發(fā)展與安全。“關(guān)鍵礦產(chǎn)”直指綠色能源轉(zhuǎn)型與資源安全戰(zhàn)略；“碳捕獲與封存”瞄準(zhǔn)碳中和核心路徑；“自然災(zāi)害與極端地震”關(guān)乎防災(zāi)減災(zāi)與公共安全；“能源資源”聚焦未來能源體系的構(gòu)建；“氣候變化”更是全人類生存與發(fā)展的最大背景板。這表明，當(dāng)代地球科學(xué)的研究議程已深度融入“人類世”的敘事，其核心目標(biāo)不僅是理解地球，更是為了在這個星球上實(shí)現(xiàn)安全、繁榮和可持續(xù)的人類未來。學(xué)科的價值導(dǎo)向，從未像今天這樣與人類的共同命運(yùn)緊密相連。

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聚焦核心前沿：內(nèi)涵解讀與戰(zhàn)略意義分析

論文對每個前沿的概述雖然簡練，但是都抓住了要害。這可以通過解讀其中幾個具有樞紐意義的前沿得到驗(yàn)證。

-地球三維結(jié)構(gòu)：這是理解所有固體地球過程和資源分布的“底盤”。從地核振蕩新模式到全球巖石圈模型(如LITHO1.0)，其進(jìn)展依賴于最先進(jìn)的地球物理成像技術(shù)與超算能力。該前沿的深化，是揭示成礦規(guī)律、地震孕育機(jī)制和地球演化動力的基石。

-機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析：這是驅(qū)動其他前沿進(jìn)步的“引擎”。其挑戰(zhàn)不在于算法本身，而在于如何與地球科學(xué)領(lǐng)域的先驗(yàn)知識(物理定律) 相結(jié)合(發(fā)展物理信息機(jī)器學(xué)習(xí)或混合模型)，以及解決地學(xué)數(shù)據(jù)特有的異構(gòu)性、稀疏性和多尺度性問題。它的成熟將決定地球科學(xué)預(yù)測能力的上限。

-關(guān)鍵礦產(chǎn)：這是一個典型的 “科學(xué)-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-政治”復(fù)合型前沿。它超越了傳統(tǒng)礦床學(xué)，延伸到高效綠色提取技術(shù)、二次資源回收、全生命周期環(huán)境評估、以及全球供應(yīng)鏈地緣政治分析。對這一前沿的把握，直接關(guān)系到國家在新能源時代的戰(zhàn)略自主權(quán)。

-全球海洋碳循環(huán)：這是地球系統(tǒng)碳循環(huán)與氣候反饋的核心環(huán)節(jié)，也是當(dāng)前預(yù)測不確定性最大的部分之一。對生物泵、微型生物碳泵、海洋酸化及其與氣候變率關(guān)系的深入研究，對于精確評估碳中和路徑、預(yù)測未來氣候態(tài)至關(guān)重要。

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DDE計(jì)劃：作為新范式實(shí)踐載體的戰(zhàn)略平臺

論文花費(fèi)了相當(dāng)篇幅介紹DDE計(jì)劃，說明DDE是論文所倡導(dǎo)的新研究范式的實(shí)體化載體和前瞻性實(shí)驗(yàn)。它旨在構(gòu)建一個整合全球46億年地球演化數(shù)據(jù)的“數(shù)字孿生”平臺，其愿景完美體現(xiàn)了上述三重躍遷：

-系統(tǒng)性：致力于打通深部過程與表層系統(tǒng)、地質(zhì)歷史與現(xiàn)今過程的數(shù)據(jù)壁壘。

-智能性：核心驅(qū)動力是AI與大數(shù)據(jù)，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的知識發(fā)現(xiàn)。

-人本性：最終目標(biāo)是為資源勘探、災(zāi)害預(yù)警和氣候變化應(yīng)對提供科學(xué)支撐。

DDE在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(FAIR原則)、平臺建設(shè)(Deep-time.org)、國際合作網(wǎng)絡(luò)等方面的實(shí)踐，正是在為未來全球尺度、數(shù)據(jù)驅(qū)動的地球科學(xué)研究鋪設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施和制定游戲規(guī)則，構(gòu)建地球系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)識圖譜(圖3)。它的進(jìn)展與挑戰(zhàn)，本身就是觀察地球科學(xué)范式轉(zhuǎn)型進(jìn)程的絕佳窗口。

圖3.深部地球系統(tǒng)知識層次示意圖

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冷峻的反思：前沿光環(huán)下的挑戰(zhàn)與隱憂

論文在展示宏大前景的同時，也隱晦或直接地點(diǎn)出了潛在危機(jī)，這是其思想深度的體現(xiàn)。結(jié)合論文內(nèi)容，可以系統(tǒng)梳理出幾大核心挑戰(zhàn)：

(1) “技術(shù)樂觀主義”的認(rèn)知陷阱：算力與算法的飛躍容易使人產(chǎn)生“一切皆可模擬”的幻覺。然而，地球系統(tǒng)，尤其是在人類活動強(qiáng)烈干預(yù)下，充滿了非線性、突變和未知的反饋機(jī)制。對歷史數(shù)據(jù)的完美擬合，未必能保證對未來，特別是對超越歷史經(jīng)驗(yàn)范圍的“臨界點(diǎn)”的準(zhǔn)確預(yù)測。模型的可解釋性、不確定性量化，仍是AI應(yīng)用于地學(xué)的阿喀琉斯之踵。

(2)數(shù)據(jù)整合的“巴比倫塔”難題：全球地學(xué)數(shù)據(jù)在格式、標(biāo)準(zhǔn)、年代框架、質(zhì)量控制上高度異質(zhì)。DDE推動的標(biāo)準(zhǔn)化是正確方向，但政治意愿、商業(yè)利益、學(xué)術(shù)壁壘使得完全意義上的“數(shù)據(jù)大同”任重道遠(yuǎn)。數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)與成果分享的利益平衡機(jī)制，是國際大科學(xué)計(jì)劃成功的關(guān)鍵。

(3)學(xué)科深度的“稀釋”風(fēng)險：在追逐跨學(xué)科、系統(tǒng)性和技術(shù)應(yīng)用的同時，一些需要長期坐冷板凳的基礎(chǔ)性、機(jī)制性研究(如高溫高壓實(shí)驗(yàn)礦物物理、微量同位素分析技術(shù)、基礎(chǔ)古生物分類等)可能被邊緣化。沒有這些“深”功夫，系統(tǒng)模型將成為無本之木、無源之水。

(4)從科研到治理的“最后一公里”：即使科學(xué)上取得了突破性認(rèn)知(如更精準(zhǔn)的地震概率預(yù)測、關(guān)鍵礦產(chǎn)成礦遠(yuǎn)景區(qū))，如何將其轉(zhuǎn)化為有效的政策、商業(yè)決策和公眾行動，是截然不同的挑戰(zhàn)。科學(xué)溝通、風(fēng)險交流和社會接受度，是前沿成果實(shí)現(xiàn)其社會價值的必備環(huán)節(jié)。

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結(jié)論：邁向一個更智慧、更負(fù)責(zé)任的地球科學(xué)時代

鄭永飛院士的這篇評述論文，描繪了地球科學(xué)在進(jìn)入21世紀(jì)之后的“行動軌跡”。這個軌跡的核心特征是：以地球系統(tǒng)科學(xué)思想為引領(lǐng)，以大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)為引擎，以解決科學(xué)認(rèn)知宜居地球面臨的重大挑戰(zhàn)為使命。該文的意義遠(yuǎn)超一篇學(xué)術(shù)進(jìn)展綜述。它宣告了地球科學(xué)已經(jīng)從一門主要關(guān)注“過去”和“自然”的描述性歷史科學(xué)，演變?yōu)橐婚T密切關(guān)注“現(xiàn)在”和“未來”的系統(tǒng)性、預(yù)測性科學(xué)。它也是一份國際合作與競爭的議程表，其中DDE計(jì)劃彰顯了中國科學(xué)家從跟隨到引領(lǐng)、積極參與乃至塑造全球科學(xué)態(tài)勢的雄心與能力。

展望未來，地球科學(xué)的發(fā)展將在前沿所指引的方向上深化和發(fā)展。我們期待看到：更成熟的“科學(xué)定律+人工智能”混合模型，在氣候、災(zāi)害預(yù)測上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破；真正互聯(lián)互通的 全球地學(xué)數(shù)據(jù)空間初步形成；在資源和能量等領(lǐng)域涌現(xiàn)出顛覆性的綠色技術(shù)；地球科學(xué)成果更有效地融入從全球變化到國土規(guī)劃的多層次知識體系。

道路已然清晰，挑戰(zhàn)依然巨大。論文介紹的關(guān)于DDE通過文獻(xiàn)集中調(diào)研和科學(xué)家投票的方式獲得的地球科學(xué)研究熱點(diǎn)和前沿，也許會如同一座燈塔，不僅照亮了前十年的研究軌跡，而且指引著地球科學(xué)共同體帶著對技術(shù)的熱忱與對復(fù)雜性的敬畏，一起共同駛向那個理解地球、珍愛家園、保障人類可持續(xù)發(fā)展的光明未來。在這個意義上，本文的價值將隨時間流逝而愈發(fā)凸顯。

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鏈接：鄭永飛. 地球科學(xué)研究前沿. 科學(xué)通報(bào), 2025, 70(36): 6188–6203; doi: 10.1360/CSB-2025-5248

Zheng Y F. Research forefronts in Earth science (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70(36): 6188–6203, doi: 10.1360/CSB-2025-5248