刘宗超

        国际地圈一生物圈计划IGBP(Internatioa— a1Geosphere-BiosphereProgramme)是国际 科学联合会(ICSU)于1983年开始筹备组织的 以全球变化为中心的一项国际合作研究，已于 1986年在ICSU第2l届大会上通过．1988年在 北京召开的IC8U第22届大会进一步明确了 IGBP的内容和任务现在已有24个国家和 地区建立了国家地圈——生物圈计划(NGBP)委 员会．中国科学家对全球变化研究高度重视， 全球气候变化被列为六大基础性研究之一． 1988年成立了中国的NGBP委员会，并强调指 出：IGBP是一个以整个地球系统及其支持生 命的独特环境为对象，研究发生在该系统内并 受人类活动影响的物理、化学、生物的相互作 用过程的多学科国际合作计划，旨在改进人类 对地球环境的认识，提高对全球环境和生命过 程重大变化的预测能力．
       一、IGBP的基本内容 IGBP秘书处于1988年底给出了该计划的 最新内容，主要是制订一系列计划来研究地 球系统的各分量(生物、陆地、海洋和大气)之 间的关系．研究的重点有所转移，最初强调加 强对陆地、海洋和大气系统基本循环的理解， 其主要焦点在于气圈和生物圈的相互作用．今 后，IGBP将更多地研究几十年到几百年中可 能发生的区域性到全球性自然过程的重要性， 尤其注重的是受人类活动干扰的自然过程．最 终目的是发展一种预测未来变化的方法．下述 的四个项目构成了IGBP赖以发展的基础：观 测和预测全球变化，观测和定向理解各主导因 子的功能，理解瞬变现象，估价全球变化对资 源的影响． 这四个项目是通过实施下述的三个 程序来完成的： (1)区域性和全球性地球系统过程的模 拟， (2)全球性关键自然现象的观测和监视， (3)与全球循环相关联的自然过程的实验 研究． 因为在建模中各分量是相互影响的且依赖 于实验结果，模型预测的有效性依赖于全球性 主导过程的观测，所以搞清楚每一个分量的作 用将有助于我们对全球变化中因果关系的理 解．模拟模型是IGBP成功的关键，因为它将 被用于检验我们的假定是否正确，同时它也将 被用于解决跨越一定时间尺度和空间范围的特 定自然现象问题。模拟的目的就是要建立一个 机制明确的模型，该模型代表着地球系统中各 分量之间的相互作用，这些分量影响着对全球 变化预测的结论． 要深入研究全球变化问题，必须建立全球 性的地圈一生物圈观测网络，观测作为某一特定 生态系统的基准点，用以校正遥感地面观测、 模拟模型以及区域性实验研究中的误差．观测 网的长期记录也将为研究全球变化提供依据． 此外，还必须进行相应的实验研究，实验结果 的诠释依赖于我们对地球系统不同分量之问联 系的深刻理解．实验研究的结果将被用于检验 人类活动和气候变化的因果性，用于确定生 物、陆地、海洋和大气在全球变化中的耦合作 用． 上述的IGBP内容还要经过专为IGBP召 开的科学评议联合会议的评议(SAC—IGBP)， 详细的计划于1989年产生，但具有明确目的的 IGBP将于1990年形成，计划一经形成其实施 将持续到本世纪末． IGBP的产生不是偶然的，全球系统的现 存状态使得IGBP的产生成为必然．当前，各 国政府和决策者都面临着一系列与全球环境有 关系的难题．自然界的变化和人类活动的影响 是导致全球变化的两个原因，在以后的年代 里，人类的影响幅度将大于自然界的影响幅 度，人类活动是再也不容忽视的因素．全球变 化的现存状态极为复杂，与人类活动密切相关 的有以下几个方面。 (1)温室气体增加．由于大量排放CO2和 砍伐森林，降低了自净能力，许多研究者认为， 到2050年大气中CO2的含量将达到上世纪末的 2倍。此外人类活动也使大气中的微量气体 N2O、CH4和氟里昂迅速增加，预计到2050年 全球平均气温可能升高1.5～4.5℃． (2)全球变暖导致一系列严重后果．预计 到2050年，海平面将升高0.26～1.65米，将给 沿海低地平原带来多方面的危害．其次是降水 量模式及分布也发生变化，中纬度地区降雨量 可能减少，我国华北和西北地区将受影响． (3)臭氧层受到破坏．南、北极上空相继 出现臭氧层空洞，南极上空的臭氧层缩小了 50％，并继续向北扩展．． (4)酸雨已成为一个世界性的环境问题． 继北美酸雨之后，美国、加拿大、日本及我国 西南地区也相继出现酸雨． (5)由于人类活动而造成了土质恶化、水 质下降．森林过度采伐、草场过度放牧、水生 资源过度捕捞及土地的过度开垦和不合理的使 用，使得森林植被缩小、水土流失和荒漠扩展． 上述现象是我们研究和预测全球变化所必 不可少的背景材料． 我国的人口和面积在世界上占有很大的比 重，在我国开展全球变化研究对IGBP有重要 意义．首先要建立与IGBP内容相应的全国性 观测网络，同时还应优先开展一些与国计民生 有关且侧重于自然一社会一经济复合系统方面的 课题研究．例如：全球气候变化对我国主要农 业产区降水的影响；臭氧层破坏对生物及人类 生存的影响；农、林、牧生产方式对水热平衡 及气溶胶和区域气候的影响；主要大工业对 C02、N2O、CH4和氟里昂引起温室效应的贡 献以及对环境的影响；迅速发展的乡镇企业对 农村生态环境的污染；几种典型植被和海洋生 物对CO2、N20、CH4和氟里昂等温室气体的 调节作用；农业生态系统功能下降的研究等． 此外还应开展海洋一大气相互作用过程、陆面一 大气相互作用过程、地质过程等大尺度过程对 全球变化影响的专题研究。
        二、全球系统的子系统与自组织 全球系统是由地内系统、地表系统和地外 系统组成的，这三个子系统内部和相互间的 作用以及与宇宙环境的相互作用为人类及生物 进化提供了自然环境，与生物圈关系最密切的 是地表系统，地表系统向下便是地内系统， 它是地表系统的承托体，地表系统是在地内系 统上展开的且具有披覆性．地表系统向上便是 地外系统，它包括对流层之外的大气层。地表 系统是生物圈的直接环境，地内系统和地外系 统是它的间接环境． 依据非平衡态热力学中的系统分类法， 可将地表系统分为以下几类。 (1)准平衡态环境子系统．它具有相对孤 立的特征，与其他区域极少作用，很少受现代 生产力的影响，如人迹罕至的高寒区等． (2)近平衡态非线性环境子系统．它具有 相对封闭的特征，与其他区域的相互作用强度 不大，其外界能流和物流的供给仅仅起到维持 该子系统的作用，并不能使其结构更新，受现 代生产力影响不大，也没有在现代生产力发展 中起主导作用，如贫穷落后地区等． (3)远离平衡的非线性环境子系统．它具 有相对开放的特征，与其他地区的相互作用 剧烈，外界供给的能流和物流不仅补偿了该子 系统的耗散，而且还可以使结构更新，受现代 生产力影响极大，并在现代生产力中起主导作 用，如大工业区等． 以上三类系统的划分强调了人类活动这一 因素，但是要对各类系统的行为深入了解还应 将其与相应的自然条件结合起来进行分析．为 此我们引入自组织和序参量的概念． 一个系统如果按照外部指令以一定的方式 行动，则称为他组织；如果按照互相默契的某 种规则相互协调，则称为自组织．也可以认为 自组织是一个系统由组织程度低走向组织程度 高的过程．事实上，地表系统中准平衡态环境 子系统、近平衡态非线性环境子系统和远离平 衡的非线性环境予系统组成了一个自组织过程 序列。一个系统是自组织系统的判据为 l(1)式中S是系统的熵，S。；是系统的最大 熵．地表系统及其子系统的自组织过程不仅有 量的变化，也有质的变化——自组织过程中的 广义相变．依据协同学的观点，可认为全球 系统中各分量的耦合出现了各种复杂的全球变 化现象，似乎有一只无形的手在驱动着，而这 只安排一切的手就是序参量． 全球变化过程是在内部调节和外部约束下 展开的，在变化的每一步上都体现出对“历史” 和约束的依赖．如果这种约束是缓慢的且允许 全球系统进行调整协同而适应，就可认为是自 ：组织，如地球公转、自转及月球绕行等就是一 种有规则的周期性外部约束．有些外来约束是 突发性的且强变极大，使全球系统发生急剧变 -化．突发事件的强硬性使全球系统完全处于被 动地位，如强烈的火山喷发、地震、太阳黑子 一等．正是这种突发性的外部约束使全球系统发 生他组织，可以说他组织是全球系统的一种不 “自愿”行为．全球变化是在他组织背景之下所 展开的自组织行为，其自组织过程可分为以下 三类． (1)原始性自组织过程．它是以利用地球 物质的放射性生成能为主、太阳辐射能为辅作 为主要特征的．放射能是当时全球系统自组织 的动力，该自组织过程的序参量较少，主要是 地球物质的放射性生成能和太阳入射能这两个 序参量的竞争．该自组织过程仅仅具有地质学 上的意义． (2)生物性自组织过程．它是以有机合成 为主要特征的．由异养生物向自养生物的转变 使生物大规模地参与全球系统的建造，这不仅 提高了地表固定太阳能的效率，而且也改变了 大气的成分和结构，形成了矿物燃料层、土壤和 生物圈．在这种以种群数量为序参量的自组织 过程中，序参量发生竞争，序参量支配权的不断 变换使全球生物变得复杂多样，物种分布格局 不断变化．该自组织过程具有生态学上的意义． (3)智能性自组织过程．它是全球系统自 组织的高级阶段，是以人类智能这一序参量起 支配作用为特征的．全球系统极大地受到了人 类的干预，人类是智能性自组织过程中最活跃 的因素．正是人类的非线性作用才使得全球系 统向更有序更复杂的方向上发展，因为人类和 生物起着麦克斯韦妖的作用，其反熵活动使 进入全球系统的负熵流中本来要耗散掉的那部 分转化为固定形态，并用于产生和维持有序系 统．但人类在智能性自组织过程中对全球系统 的作用具有二律背反性：在本体论意义上，人 类是地球的“儿子”；在社会意义上，人类是地 球的主宰，并力图控制全球系统，但作为普通 意义上的生物体又与全球系统并存，所以人类 征服自然的过程同时也应该是自然征服人类的 过程． 以上三种自组织过程存在以下的逻辑关 系：在全球系统的生物性自组织过程中，原始 性自组织过程并未中断；同样，在智能性自组 织过程中，生物性自组织过程和原始性自组织 过程仍在进行着．这三种自组织过程的同时作 用才使得全球系统出现了现在这种社会性与自 然性相耦合的复杂世界格局．因此，IGBP的 宗旨就明确体现了这种辩证统一的关系．
       三、全球变化的不可逆性与复杂性 全球变化的现存状态是业已经历的一系列 变化的目前阶段，它是继承历史状态而演变来 的，同时也是即将经历未来演变的起点，因此 应该从它的产生过程来理解其结构和功能． 地表系统和地外系统的能量主要来自太阳 辐射，地面吸收短波辐射，发射长波辐射，并 加热大气．大气从地面(288K)携带的热量Q为 77．1kcal/cm2t·a，到大气外层(255K)放热， 其热炳值为0．1137Q，这就是地表系统和地 外系统进行各种变化的能量总和．该过程的熵 值．3S为一34．6cM／deg·cm。·a，4剐、于零，地 表系统和地外系统获得的是负熵流．正是这种 负熵流才使地表系统和地外系统维持着各种变 化，而诸变化是在这部分负熵流的范围内进行 的． 作为全球系统的外环境，宇宙环境对全球 系统的外界持续作用有两种：其一是地球及月 球系统在运行中相对于太阳的各种变化及地 球、月球系统自身的变化；其二是太阳的发光 度随时间的推移而增强，太阳产生的热量比生 命起源以前增多l／4】．仅根据前一种作用的 周期性以及太阳发光度的变化，我们对于地球 系统中出现的周期性冰川循环是可以理解的． 根据气候模式： 其中，T为气候系统的温度，C为热容量， 厶为太阳常数，μ为，0的变化率，α为地球反 射率，ε为发射率因子，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼 常数，可得出气候系统的三个定态解：其中一 个定态解是不稳定的且介于两个稳定态解之 间，两个稳定态解分别对应于一种冰期气候和 当前气候.但若用(2)式研究气候系统的 行为，时间一旦超过16．5年就会出现混沌现 象． 在全球变化研究中，我们遇到的却是如下 事实：虽然在短期内太阳供给全球系统的能量 没有明显变化，但是全球的气候系统却有着瞬 息可变的万千气象且具有非平衡不可逆性，这 就提出了一个复杂性问题． 首先地球系统是一个远离平衡的开放系 统，而地球的气候系统确实被保持在远离平衡 的位置上．由于太阳能在地球纬度方向分布的 不均匀，赤道和两极问的子午温度梯度得以形 成，并且由于继续吸收太阳辐射能而得以维持． 另外，地球向日球面和背日球面也形成了类似 的温度梯度．Benard对流是一种在一定温度 梯度下的流体层所产生的宏观卷筒式的环流现 象，它从分子混乱运动状态突然变成有规律盼 自组织状态，而且最后过渡到混沌．这里的环 流起着序参量的作用，这种运动方式一旦在流 体中的部分领域形成，其他部分也被吸引进 来，而最初的环流完全是由涨落引起的[1们．事 实上，地球系统的大气运动、海洋运动和上地幔 运动中广泛存在着这种Benard对流，这种运动 方式代表了一大类全球变化中的自组织现象． 其次，全球系统的形成过程不是如热寂说 所预言的那样始终增加无序，而恰恰相反，各 种自组织过程的序参量把原来无序的全球系统 的各子系统吸引到已经存在的有序状态中来， 并且在行为上支配它们．序参量的支配作用是 安排全球系统自组织集体行为有序的根源。在 全球系统中，这样的序参量往往有一组，且 相互竞争，获胜且占主导地位的只有少数，但 这种“统治更替”是不规则的，这就是导致混沌 现象的原因．越来越多的研究表明，地球的 气候系统是一个初值敏感的系统，瞬时不可预 测，有不确定性．只要气候系统相差极其微小 的两组初值，随着时间推移而差异增大，运动 就会经历完全不同的过程，且该过程会混沌地 进行．这主要因为在临界点处，环境条件的初 值差异被放大，引起了完全新的序参量或序参 量组，例如气象中E．N．Lorenz方程所描述。 的混沌现象． 最后，智能性自组织过程中人类的大规模 生产活动和生物性自组织过程中生物活动对于 自然界的影响也是值得重视的，因为这些活动 不仅影响局域生态系统的序参量组，而且对全 球系统的序参量组也有影响．J．洛夫洛克提出 的盖娅假说把地球系统看作是与有生命的有 机体和无生命的地球的进化紧密配合的一个巨 大的能自动调节的有机体，甚至认为地球系统 本身就是一个有机生命体．虽然这个观点很难 完全被人们接受，但它对于帮助人类重新安排 重点而致力于地球系统的调节是有意义的．对 于地圈一生物圈来说，虽然太阳发光度增加了， 但生物从空气中固定CO2的作用已使大气中 CO2。的含量降低到生命起源时的千分之一，减弱 的温室效应抵消了相应的增温，从而使地球系 统维持着适宜的温度．人类的活动不仅使CO2 含量增加，而且农、林、牧活动改变了下垫面的 反射率，改变了局域性Benard对流的格局，进 而影响了气候系统的序参量组．虽然只有那些 在全球系统的时空耦合中能够引起宏观相变的 特征量在临界点处才容易被放大而成为现实， 但是各种大规模的人类活动都有可能作为涨落 被放大而成为控制全球变化模式的“统治者”． 因此，智能性自组织的目的不是控制全球变化 而是参与全球变化，不是影响自然界而是与自 然界合作．
       四、建立全球模式的可能性与困境 建立全球模式所遇到的首要问题是我们对 地圈一生物圈之间的复杂依赖关系的了解是否 可靠，这种可靠性程度对于提高我们对因果关 系的鉴别能力和对经济与环境之得失的预测能 力是非常重要的．尽管我们需要了解大自然对 紊乱的人类活动将如何进行报复，但是要作出 可信赖的预报还有困难．即使我们对全球系统 的作用方式有了充分的了解，并且对人类活动 影响也有一定的认识，也很难作出精确预报． 这是因为还存在一个全球系统可能出现的混沌 现象问题．由于全球系统经历着一系列负熵流 过程，并被驱使着愈来愈远离平衡态，因此， 全球系统必然沿着自然界不可逆过程的“单行 道”进行着自组织过程，出现一些永不重复的新 格局．这主要是因为全球气候系统的不可逆性 决定着初始信息必然在有限时间后失去，该系 统不可能经历一个完整的庞加莱循环．除了 自然过程之外，智能性自组织过程的非线性作 用使全球系统更加复杂化，很小的涨落往往在 临界点处被放大而波及全球，而这诸多人类活 动形成的涨落是难以观控的一这就是建模中的 困难之一． 全球变化的综合研究涉及下述两个问题． 其一是描述的层次性．全球系统是由地圈， 生物圈、水圈、气圈、冰雪(冻土)圈组成的，甚至 有人又提出智力圈的新概念．各圈层又依据 时空的不同而体现出明显的区域差异和时间周 期，各圈层内部又可分为区域层次、垂直分异层 次和工质层次，各圈层又具有渗透性，在各种 级别不同的层次上体现出交叉性．可以认为全 球系统的描述层次有宏观、中观和微观之分，在 不同层次上看同一对象可得完全不同的结论． 其二是全球系统描述的指标体系完备性． 能否像描述气体系统那样对全球系统进行完备 的描述呢?这实质上是一个层次性指标体系的 思维经济问题，它决定于人类对全球系统的认 识深度以及调控能力．而认识深度和调控能力 是不断提高的，但我们的描述和决策是在当前 水平上进行的，往往会因为这种表面上的“完 备”而给全球系统酿成灾难．尤其在对自然界 有重大影响的大工程设计中更应注意这一点． 当然，这并不意味着人类对全球变化束手 无策，进行全球系统建模还是有一定基础的． 近几十年来遍及全球的地学观测网的建立，航 天和太空遥感技术的发展为及时掌握全球变化 提供了技术手段．已开展和正在开展的全球性 计划，如人与生物圈计划(MAB)、全球大气计 划(GARP)、世界气候计划(WCP)、国际水 文计划(IHP)、地球物理年(IGY)、日一地物 理计划等为IGBP的全球建模提供了前期工 作基础．大型计算机为资料的收集、传递和高 速处理提供了必要的条件．系统科学的发展和 备专门学科的深化为学科的发展提供了基础． IGBP是智能性自组织过程实施的对全球 系统的监督系统，表现出人类对自身生存环境 的全球性关切，它必将为人类生存和延续作出 伦理学意义上的贡献．