【摘要】全球气候变化已从单一的温度上升演变为地球多圈层协同响应的系统性危机，传统以大气圈等表层圈层为核心的应对范式，难以解释气候异常、生态退化与灾害频发的深层机理。立足地球系统科学视野，聚焦地球圈层相互作用与生态气候环境灾害之间的因果关系，理解地球内外圈层耦合对气候演变、生态格局与灾害发育的驱动机制，才能基于地球系统科学思维提出治理路径。地核—地幔—地壳构成的内部圈层，通过深部碳循环、构造运动与火山活动为气候演化提供长周期基底；生物圈作为最活跃的调节器，通过碳-水-能量反馈实现短尺度气候响应，同时生态脆弱性显著放大内外动力叠加的灾害链效应；大气和海洋环流导致地球表面扰动与气候临界点级联风险，可能将气候变化推向生态失衡的危险境地。当前治理体系仍主要建立在单一圈层认知之上，亟需从地球表层末端治理转向地球圈层系统治理。未来应深化地球内外圈层耦合机理和效应的定性和定量研究，推进内外圈层相互作用的地球系统模式迭代，强化生态系统的防灾减灾功能，构建气候临界点预警与适应体系，推动全球圈层治理协同共治。
【关键词】地球系统 圈层耦合 相互作用 气候环境 内部扰动 生态响应
【中图分类号】P3 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2026.20.004
郑永飞，中国科学院院士，中国科学技术大学教授，发展中国家科学院院士，《中国科学：地球科学》主编。研究方向为同位素地球化学与化学地球动力学、汇聚板块边缘地球系统科学，主要著作有《稳定同位素地球化学》（合著）、《化学地球动力学》（主编）、《汇聚板块边缘地球系统科学》（编著）等。
全球气候变化深刻影响人类生存与发展，是关系人民福祉、民族未来和地球家园前途命运的重大课题。气候变化给我国自然生态系统带来重大影响，并不断向经济社会系统蔓延渗透。习近平主席指出“人与自然和谐共生是中国式现代化的鲜明特点”，强调“绿色转型是应对气候变化的必由之路，也是经济社会发展的新引擎”。[1]党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央以前所未有的力度推进生态文明建设，把促进人与自然和谐共生纳入中国式现代化的本质要求，作出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、努力争取2060年前实现碳中和的重大战略决策，擘画建设美丽中国、共建清洁美丽世界的宏伟蓝图。
《国家适应气候变化战略2035》提出新时期我国适应气候变化工作的指导思想、基本原则和主要目标，明确重点领域、区域格局和保障措施。党的二十大报告强调，必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展。“十五五”规划纲要专章部署加快经济社会发展全面绿色转型、建设美丽中国，将协同推进降碳、减污、扩绿、增长，改善生态环境质量，筑牢生态安全屏障纳入美丽中国建设总体布局。《美丽中国建设“十五五”规划》进一步明确积极稳妥推进和实现碳达峰、主动适应气候变化、提升应对气候变化基础能力等目标任务。这些重大战略部署，对深入认识地球系统演化规律、科学应对气候变化和生态气候环境灾害，提出新的更高要求。
“表层应对”走向“系统认知”
全球气候变化已从孤立的温度上升演变为多要素交织、多灾种并发、多尺度联动的地球表层系统性危机。[2]极端天气事件日趋频繁，生物多样性急剧丧失，海洋酸化加剧，陆地生态系统退化——这些现象不再是大气圈的专属议题，而是地球系统各圈层协同响应的综合表征。地球是一个由内部圈层（地核、地幔、地壳）与外部圈层（大气圈、水圈、土壤圈、生物圈）共同构成的复杂动力系统。[3]圈层之间的物质迁移、能量传递与动力反馈，是塑造全球气候格局、调控生态系统功能、孕育自然灾害的根本性物理和化学动力。[4]
然而，既往的气候变化研究与应对实践，多聚焦大气、海洋、陆地等地球表层系统，[5]长期忽视地核、地幔、地壳构成的地球内部系统的基底驱动作用。[6]这种“表层中心主义”的研究范式，导致对气候演化长周期机理、生态系统阈值跃变规律、灾害链生机制的认知存在显著短板。[7]板块俯冲引起的地幔对流及其衍生的岩浆作用，已经对地球表面气候环境产生了不可估量的影响。[8]
本文立足地球系统科学视野，聚焦地球圈层相互作用与生态气候环境灾害之间的因果关系，系统评述地球内外圈层耦合对气候演变、生态格局与灾害发育的驱动机制，梳理当前研究进展与治理瓶颈，展望未来多圈层融合的研究方向与实践路径，为气候变化系统性治理提供科学支撑。
圈层耦合：地球系统的“内部-表层”联动本质
内部圈层：地球演化的动力基底。地球内部圈层由地核、地幔、地壳构成，是地球系统演化的内生动力核心。地核通过核幔热交换释放地热能量，驱动地幔对流运动并维持地球磁场，为地球表层提供热力边界与辐射防护屏障；地幔是物质与能量交换的核心载体，其对流运动、板块活动与岩浆上涌，主导着地壳升降、火山喷发与构造形变；地壳作为内外圈层的过渡界面，其地形地貌、岩性结构与断裂系统直接控制区域水文格局、土壤发育与生态栖居条件。
地球内部圈层过程及其地表灾害效应在时间尺度上存在很大差别（如图1所示）。如果以人的寿命为参照系，内部过程具有周期长、尺度大、惯性强的特征（见图1右），主导了百万年至亿年尺度的大地构造事件、全球气候旋回与宏观生态格局。与其相反，地表效应可通过局部构造活动（如断层蠕动、地热异常）发生在短时间尺度上（见图1左），产生不同类型的局地灾害事件，影响气候环境与生态稳定性。
外部圈层：环境载体与生态响应终端。地球外部圈层依托地壳表层发育，包含大气圈、水圈、土壤圈与生物圈，是人类与多数生物赖以生存的直接环境。大气圈调控全球热量与水汽再分配，塑造气候带与天气模式；水圈通过海陆循环缓冲温度波动，驱动生物地球化学循环；土壤圈作为岩石圈、大气圈、水圈与生物圈的交汇带，提供养分基底与生态过滤系统。
生物圈在其中扮演着最为活跃的角色——通过光合作用、呼吸作用、固氮作用与有机碳埋藏等过程，深度参与碳、氮、水、能量循环，调控大气组分、地表反照率与蒸腾散发，从而反向影响气候系统。外部圈层过程具有响应快、变幅大、联动强的特征，既承接内部圈层的物质能量输入，又受太阳辐射与人类活动的强烈干扰，是气候异常、生态退化与极端灾害频发的直接策源地。
双向耦合：深部驱动与生态反馈的闭环。地球内外圈层并非独立运行，而是存在“深部驱动—表层响应—生物反馈—构造活动”的双向耦合机制。内部圈层通过地幔对流、火山喷发、地热释放与深部碳循环等过程，向外部圈层输送物质与能量，重塑地表环境基底；外部圈层通过地表风化、水体沉积、生态固碳与负荷变迁等浅表过程，反向影响地壳应力状态与圈层平衡。
在这一闭环中，生物圈同时扮演着“加速器”与“缓冲器”的双重角色。一方面，生物过程可迅速放大或抑制圈层之间的物质通量——植被变化改变蒸腾散发与反照率，影响气候反馈。另一方面，生态系统通过多样性与功能冗余提供缓冲，但一旦跨越阈值，则会急剧放大灾害链效应。这种双向、多级、非线性的耦合，正是生态气候环境灾害系统性演化的根本动力。
构造—地貌—气候—生态系统的协同作用，构成了表层地球系统演化的核心内容——从地质时间尺度看，板块运动与地貌重组引发了区域气候变化与生物群落更替；在现代尺度上，这种耦合关系塑造了地球表层环境的动态平衡。
地球圈层耦合驱动的气候演变与生态格局
深部碳循环与长周期气候基底。气候系统的演化是地球内部圈层长周期基底调控与外部圈层短尺度动态响应的协同结果。板块构造运动改变海陆分布与洋流路径，在百万年尺度上直接驱动冰期-间冰期旋回；火山活动释放气溶胶与温室气体，引发数年至数十年尺度的辐射强迫变化。
深部碳循环在其中扮演着关键角色。地幔脱气与俯冲带碳埋藏调控大气CO2的本底浓度，奠定气候演化的化学边界。岩石圈的板块运动、大气圈的温室气体变化、水圈的海平面变化以及生物圈的生产力波动，共同控制了气候与碳循环的长期演化。硅酸盐的化学风化作用在调节大气CO2浓度方面发挥着重要作用——构造抬升加速新鲜岩石暴露，促进化学风化固碳，形成“构造驱动风化、风化调控气候”的负反馈回路。地球内部过程（地幔对流与火山喷发）与外部过程（地壳风化与海水酸化）驱动地球历史上幕式气候降温演变，为深部过程调控表层气候提供了地质学证据。
生物圈反馈与短尺度气候响应。在年际至十年尺度上，地球外部圈层的水汽、云量、海冰变化与生物圈的生理生态过程形成快速反馈。植被物候变化、光合效率波动与土壤呼吸强度的调整，共同调节地表能量平衡与碳收支。
生态系统反馈的非线性阈值特征，尤其值得警惕。当气候变暖超过特定幅度时，北方森林与冻土带的碳释放会显著放大增温，形成“气候—生态—碳循环”正反馈回路。土壤圈作为地球生态系统的重要组成部分，其多要素非线性联动与跨圈层耦合对全球气候、水文循环及生态安全具有深刻影响。青藏高原土壤-大气热耦合的广泛减弱揭示了陆-气相互作用对气候变化的动态与非均匀响应。
生态格局的深部约束与生物调控。生态系统的空间分布、功能多样性与稳定性，深受地球内外圈层耦合的约束。内部圈层塑造的地貌格局、土壤母质与地下水文条件，决定了区域生态系统的本底类型与承载力；外部圈层的水热组合、大气沉降与扰动频率，进一步刻画出植被带、湿地系统与海洋生态区的精细格局。
地球深部过程对生态系统演化具有双重影响——既可能引发生物灭绝事件，也可能促进生物多样性的形成。构造运动通过地形重塑调控流域尺度的侵蚀—沉积过程，进而影响土壤发育与植被分布。在青藏高原这一“天然实验室”中，独特的构造活动、复杂的地貌形态、多样化的气候带与敏感的生态系统，为研究构造—地貌—气候—生态系统的协同演化提供了关键平台。
更为关键的是，大型生态系统（如亚马逊雨林、北方针叶林）的蒸腾作用可影响区域降水模式，改变地表荷载与孔隙压力，从而间接影响浅层构造稳定性。这种“生态—构造—气候”的跨圈层互动，在人类活动的背景下有时会被急剧放大。
圈层耦合与灾害链：从单灾种到系统风险
灾害的圈层本质：内外动力叠加。自然灾害是地球内外圈层耦合失衡最剧烈、最直观的表现。当代重大灾害——尤其是复合型、链式灾害——均为地球内部构造动力与外部气候动力叠加作用的结果。
从根本机理看，地壳断裂活动、板块运动与深部应力调整等内部过程，直接触发地震、火山喷发与山体失稳等原生地质灾害，构成区域灾害发育的地质背景。而全球变暖、极端降水与干旱风沙等地球外部圈层异常，改变地表岩土含水率、土体稳定性与冰川冻土状态，大幅降低地质灾害触发阈值，诱发滑坡、泥石流、崩塌与地面沉降等次生灾害。
巨型地质灾害链的本质是地球圈层之间物质与能量的再分配过程，核心机制是物质与能量的跨界面传输。地质灾害-环境灾害链在时间上依次连接、空间上相互关联，由一致的动力驱动。
生态脆弱性：灾害链的放大因子。生态系统状态在灾害链形成与演化过程中起着关键的调适与放大作用。植被退化削弱坡面固土能力，加剧水土流失与崩塌风险；湿地萎缩降低洪水的调蓄功能，使洪峰流量剧增；珊瑚白化与海草床损失削弱海岸防护能力，放大风暴潮与海岸侵蚀的危害。
以青藏高原及周边地区为例，深部构造活跃叠加气候暖湿化，导致冰川退缩、冻土退化与湖泊扩张，而高寒草甸退化进一步降低土壤抗蚀性，使得泥石流与冰湖溃决频率显著上升，形成“构造—气候—生态”三维驱动的灾害链。2021年印度查莫利冰岩崩—碎屑流—洪水灾害链，正是地球圈层物质与能量跨界面传输效应的典型案例。
跨圈层传导：从地质到气候再到生态的连锁反应。地球内部圈层构造活动主要包括板块运动和地幔对流（如图2所示），在地壳层次引起地震、火山喷发、山体滑坡、地面裂缝、山脉隆起、裂谷等。这些活动不仅改变了地球内部的物质分布和能量状态，而且通过物质和能量的交换对地球表层气候环境和生态系统产生显著影响。地球圈层联动的风险放大效应远不止于灾害类型的叠加。单一圈层扰动可通过跨圈层传导，实现灾害的跨类型、跨区域升级。
火山喷发（内部圈层活动）释放大量硫化物与气溶胶，经大气环流（外部大气圈响应）引发区域酸雨沉降与辐射强迫变化，破坏森林与淡水生态系统，进而影响农业与供水安全。地震引发的次生地质灾害可能阻断河流、形成堰塞湖，溃决后引发洪水灾害，同时破坏生态栖息地，形成“地质—水文—生态”复合型灾害链。这种跨圈层传导机制，使得当代极端灾害的防控难度呈指数级上升。
随着全球气候波动在灾害的频度和强度方面的影响持续增加，自然灾害已呈现出更加多样化、更高频率、更强强度与更大时空重叠的发展趋势。灾害风险科学亟需突破传统单灾种研究的局限，从地球内外圈层相互作用视角探索灾害链的形成机制。
生物活动效应：生态失衡与临界点风险
行星边界的突破：生态失衡的量化证据。生物活动已经在局地尺度显著改变了地球表层的生态气候环境。2025年行星健康检查报告显示，生物活动已突破9个行星边界中的7个——气候变化、生物圈完整性、土地利用变化、淡水利用、生物地球化学流、新实体污染与海洋酸化均已进入危险区。气候变化进入红色高风险区，生物多样性丧失速率已达每年每百万物种100至1000种，远超可接受的10种上限。有关数据表明，生物活动导致的地球表层生态失衡已不再是理论推演，而是可观测、可量化的现实。
气候临界点的级联效应。更令人警惕的是，气候临界点之间的级联效应。地球表层系统正逼近多个“气候临界点”——包括主要气候、海洋、生态子系统——它们可能发生突变且难以逆转。最大的风险不仅在于单个系统的临界突破，而且在于它们相互触发、形成“多米诺骨牌”式级联效应的潜力。从地球圈层相互作用视角来看，这些临界点往往并非孤立存在，而是通过物理过程、生物地球化学循环及人类活动相互耦合，可能引发跨圈层、跨尺度的级联失稳效应。
治理困境：认知滞后于变化。当前应对气候变化的治理体系，仍主要建立在单一圈层（大气圈）的认知框架之上。地球系统与生物活动之间的相互关系是个重要命题，人类的经济社会发展范式亟需转向生态文明发展范式，以使人类发展与地球生命支持系统的稳定性、韧性相协调。这一判断深刻揭示了从“地球表层治理”走向“地球系统治理”的紧迫性。
治理路径：基于圈层系统思维的行动框架
从地球系统科学的视角审视，当前的治理实践仍较多聚焦于碳排放这一单一指标，对生态系统服务功能恢复、深部地质安全、灾害链防控等跨圈层议题的系统性统筹仍有待加强。面向未来，应对气候变化亟需从地球表层末端治理转向地球圈层系统治理，重点推进以下五个维度的协同。
第一，深化地球圈层耦合机理的定量研究。构建空天地海深部一体化观测体系，整合深部地质探测、地表环境监测与卫星遥感数据，精准解析地幔对流、板块运动、深部碳循环等内部过程与表层气候、生态、灾害的耦合机制。突破地球内外系统时空尺度差异性的关键瓶颈，采用弱耦合或强耦合方式进行跨圈层地球系统建模。
第二，推进多圈层耦合的地球系统模式迭代。地球系统模式是理解和预测全球变化的核心工具，其性能提升体现在圈层耦合过程的精细化发展以及圈层内复杂物理和化学过程的逐步引入。需构建完善的陆—海—气—生物相互作用的新一代地球系统模式，实现长周期地质演化、短尺度气候波动与生物扰动过程的一体化模拟。
第三，强化生态系统的防灾减灾功能。将生态恢复措施（植被重建、湿地修复、红树林保护）纳入灾害防控预案，发挥自然生态系统的消能、固土、调洪功能。基于生态防灾减灾的规划理念，需从“单灾种应对”转向“多灾种复合风险防控”。
第四，构建气候临界点的预警与适应体系。精准识别地球系统脆弱圈层与关键临界要素，评估各临界要素之间的级联效应及其对“安全公正边界”框架的冲击。建立涵盖多圈层参数的动态风险评估平台，提升对复合型、突发性灾害的预判能力。
第五，推动全球圈层治理的协同共治。积极参与“未来地球”等国际计划，推动圈层系统科学成果向气候公约、生物多样性公约与仙台减灾框架的转化。在维护全球气候治理多边体系的基础上，贡献基于系统思维的中国方案。
结语
全球气候变化、生物多样性锐减、极端灾害频发与资源环境退化，已从单一问题演变为相互交织的系统性风险。当代科学共识表明，这些现象并非孤立发生于地表，而是地球内部深部动力与外部表层过程协同耦合的结果。地球系统的运行本质，在于地核、地幔、地壳所构成的内部圈层，与大气圈、水圈、土壤圈、生物圈所构成的外部圈层之间持续的物质、能量与信息交换，二者通过双向反馈共同决定地球的宜居性演化轨迹。
地球的生态气候环境与灾害本质，是内部圈层与外部圈层非线性互馈的产物。深部动力提供基底能量与物质，表层过程塑造即时环境，而生物圈作为最活跃的调节器，既能缓冲也能放大这种耦合效应。当前全球面临的生态退化、气候异常与巨灾频发，与地球圈层相互作用和地球系统反馈失衡之间的关系密不可分。
传统的地球表层思维已无法应对系统性危机。应对气候变化，不能止于减排这一“表层”手段，必须树立全圈层、全链条的系统观——将深部地质过程、表层环境变化、生态响应与灾害防控置于统一的理论框架与治理体系之中。唯有如此，才能真正理解气候变化的深层机理，精准评估地球系统的突变风险，设计切实可行的可持续发展路径。
中国正站在从“气候行动者”向“地球系统治理引领者”转型的历史节点。将地球系统科学的前沿认知转化为治理实践，推动降碳、减污、扩绿、增长与生态安全、灾害防控的协同增效，是实现人与自然和谐共生现代化的必由之路，也是为全球气候治理贡献中国智慧的科学根基。
（本文系教育部基础学科和交叉学科突破计划项目“长江流域地球系统科学”的阶段性成果，项目编号：JYB2025XDXM911）
注释
[1]习近平：《共迎时代挑战 携手推进全球气候治理——在气候和公正转型领导人峰会上的致辞（2025年4月23日）》，《人民日报》，2025年4月24日，第2版。
[2]马丽娟、袁佳双、徐源：《气候临界点与我国气候安全新挑战》，《气候变化研究进展》，2025年第2期；郑永飞：《地球系统扰动与全球环境变化》，《学术前沿》，2025年第15期；C. Heinze; V. Eyring; P. Friedlingstein et al., "Climate Feedbacks in the Earth System and Prospects for Their Evaluation," Earth System Dynamics, 2026, 10(3)。
[3]T. Lenton, Earth System Science: A very Short Introduction, Oxford: Oxford University Press, 2016；W. Steffen; K. Richardson; J. Rockström et al., "The Emergence and Evolution of Earth System Science," Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1；汪品先、田军、黄恩清等：《地球系统与演化》，北京：科学出版社，2018年；郑永飞、郭正堂、焦念志等：《地球系统科学研究态势》，《中国科学：地球科学》，2024年第10期。
[4]W. Steffen; J. Rockström; K. Richardson et al., "Trajectories of the Earth System in the Anthropocene," Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(33)；S. Cloetingh; P. Sternai; A. Koptev et al., "Coupled Surface to Deep Earth Processes: Perspectives from TOPO-EUROPE with an Emphasis on Climate- and Energy-Related Societal Challenges," Global and Planetary Change, 2023, 226(19)；郝增超、陈阳：《地球系统视角下的多圈层复合极端事件研究进展与展望》，《中国科学：地球科学》，2024年第2期；刘丛强，《全球变化、层圈相互作用研究与地球系统科学》，《地学前缘》，2025年第3期；刘静、孙照通、王文鑫等：《表层地球系统的深部过程响应与地表自然灾害》，《地学前缘》，2025年第3期；B. Yanites; M. K. Clark; J. J. Roering et al., "Cascading Land Surface Hazards as a Nexus in the Earth System," Science, 2025, 388；E. J. Murphy; J. J. Williams; I. H. Myers-Smith et al., "Ecological Feedbacks in the Earth System," Earth's Future, 2026, 14(2)；彭建兵、程谦恭、张永双等：《自然灾害成因机理：基于圈层互馈、界面控制、动力耦合、临界突发与灾链放大的系统解析》，《中国科学：地球科学》，2026年第7期。
[5]T. Lenton, Earth System Science: A Very Short Introduction, Oxford: Oxford University Press, 2016; W. Steffen; K. Richardson; J. Rockström et al., "The Emergence and Evolution of Earth System Science," Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1.
[6]汪品先、田军、黄恩清等：《地球系统与演化》，北京：科学出版社，2018年；郑永飞、郭正堂、焦念志等：《地球系统科学研究态势》，《中国科学：地球科学》，2024年第10期。
[7]徐义刚、黄小龙、王强等：《地球宜居性的深部驱动机制》，《科学通报》，2024年第2期；徐胜、杨业、张茂亮等：《构造-地貌-气候-生态系统动力学研究进展》，《地学前缘》，2025年第3期；D. Miralles; J. V-G Arellano; T. R. McVicar, "Vegetation–Climate Feedbacks Across Scales," Annals of the New York Academy of Sciences, 2025, 1544(1)。
[8]宗克清、何德涛、陈春飞等：《深部碳循环的环境气候效应》，《岩石学报》，2022年第5期；W. Chen; G. L. Zhang, "Carbon Input and Output at Subduction Zones: Review and Prospect," Journal of Ocean University of China, 2025, 24 (3)；J. H. Lai; H. Y. Hu; L. D. Dai, "Deep Carbon Cycle from Sediments in Subduction Zones," Acta Geochimica, 2025, 44(5)。
责 编∕桂 琰 美 编∕梁丽琛
Geosphere Interactions and Ecology Climate Environment Disaster
Zheng Yongfei
Abstract: Global climate change has evolved from a mere rise in temperature into a systemic crisis driven by the synergistic responses of multiple geospheres. The prevailing response paradigm, which focuses primarily on the surface geospheres such as the atmosphere, falls short of explaining the underlying mechanisms behind climatic anomalies, ecological degradation, and the increasing frequency of disasters. In view of Earth system science, only by focusing on the causal relationships between geosphere interactions and ecology climate environment disaster and understanding how the coupling between Earth's internal and external spheres drives climatic evolution, ecological patterns, and disaster development can we are in a position to propose governance pathways based on systemic thinking of the geospheres. The internal geospheres—comprising the core, mantle, and crust—provide a long-term baseline for climatic evolution through deep carbon cycling, tectonic movements, and volcanic activities. Meanwhile, the biosphere, as the most active regulator, mediates short-term climatic responses via carbon-water-energy feedbacks. At the same time, ecological fragility significantly amplifies disaster-chain effects under the superposition of internal and external dynamics. In addition, atmospheric and oceanic circulation may possibly push the surface Earth system toward a dangerous zone of ecological imbalance due to the transgression of planetary boundaries and the cascade risks of climate tipping points. The current governance system remains largely built on a single geosphere perspective and urgently needs to shift from surface end-of-pipe governance to full geosphere systemic governance. Future efforts should deepen quantitative research on geosphere-coupling mechanisms, advance the iteration of multiple geosphere coupled Earth system models, strengthen the disaster-mitigation functions of ecosystems, establish early-warning and adaptation systems for climate tipping points, and promote collaborative global governance across spheres.
Keywords: earth system, geosphere coupling, interactions, climatic environment, internal disturbances, ecological responses
