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我国地球科学发展的几优发国际点思考和建议丨战略基础研究

时间:2022-09-13 浏览:

优发国际我国地球科学发展的几优发国际点思考和建议丨战略基础研究

本文发表于《中国科学院学报》2022年第3期《师资咨询与院士推荐:战略基础研究》

周丽华1,2王鑫3周成雄1刘全友4,5,6司建华7张旺8金志军4,6,9*

优发国际1 中国科学院科技战略咨询研究所

2 中国科学院大学公共政策与管理学院

3中国工程物理研究院研究生院

优发国际4 北京大学能源研究所

5页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室

6中国石油化工集团公司石油勘探开发研究院

优发国际7 中国科学院西北生态环境资源研究所

8 中国科学院地质与地球物理研究所

9 北京大学地球与空间科学学院

地球科学是一门多学科的跨学科科学,研究地球各层之间的相互作用及其对资源和环境的影响。地球科学不仅研究过去,阐述地球演化的历史,而且面向未来,为人类的可持续发展提供解决方案。本文在梳理国际地科学发展趋势、总结我国地科学发展现状和科技经费投入的基础上,提出我国地科学发展应布局未来发展方向和研究规划。从系统科学和国家需求的角度来看。从地球系统整体出发,关注地球系统各层次、各要素之间的相互作用及其对人类社会经济发展的影响。以“四个方面”引导地球科学领域研究发展方向,有组织地开展重大科学研究,完善科技资助和评价机制,使研究成果更好地服务于国家重大战略需求。

地球科学是研究地球各层的相互作用及其对资源和环境的影响。它从数学、物理、化学、地质、地理、气象和生物学的角度研究地球。它具有显着的跨学科特征。地球科学不仅在时间维度上研究地球和行星的演化过程中国能源资源分布,而且在空间尺度上研究大尺度地球空间从深空到深海和深地的变化机制。地球科学是一门与人类生存和发展密切相关、关系到人类命运共同体的基础科学,如地球上的物种数量、大爆炸和大灭绝的原因、深空障碍等。探索、宇宙的组成、深层生物圈、全球气候变化和地磁原理。 、灾难预测、人类在地球上的最终命运等问题被列为人类需要直接面对的问题。地球科学是一门与国家和社会需求紧密结合、具有应用特点的科学。 2015年,联合国通过了《改造我们的世界:2030年可持续发展议程》。在可持续发展的 17 个重要课题中,有 10 个与地球科学有关。我国当前面临水土资源短缺、环境污染加剧、生态系统退化、自然灾害频发等一系列资源环境问题,以及粮食安全、乡村振兴、生态文明建设、国土空间规划等问题。 、绿色发展、碳调峰、碳中和、海洋开发与保护等发展战略,都需要地球科学的坚实科学基础和切实可行的解决方案。

地球科学经历了古代地球科学知识的萌芽和积累阶段(17世纪以前),主要学科的建立和初步发展(17-19世纪),地球科学革命和全面发展阶段(20世纪)世纪至今)。 20世纪后期,随着同位素测年、电子显微镜、超深钻探、地球观测、空间定位、大数据、云计算等科学技术的进步,传统地球科学(如地质学、地球物理学、地理学等)一系列理论和研究方法的革命相继发生,新学科也不断涌现。随着资源环境危机的出现,科学家普遍认识到必须将地球作为一个多层次相互作用的统一系统来研究,地球科学研究正逐渐走向全面、系统化。在国际上,先后启动了1980年的“世界气候研究计划”(WCRP)、1986年的“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)、“国际生物多样性计划”等一系列地球科学研究联合计划。 ”(DIVERSITAS)在 1991 年。),“未来地球”在 2012 年等。

当今世界正在发生百年未有之大变局。新一轮科技革命和产业革命正在加速推进。我国也处于实现中华民族伟大复兴的关键时期,正朝着建设社会主义现代化强国的目标迈进。科学发展的趋势和国家社会经济发展的需要是地球科学发展的动力。面对国家重大需求和经济主战场,我国地球科学正进入建立新知识体系的重大转折点。面对学科发展的新挑战,国家自然科学基金委员会地球科学部明确指出,地球可居住性的科学内涵和规律是21世纪地球科学的发展方向和前沿;未来(以下简称“宜居地球”)是针对深海、深海、深空和地球系统(以下简称“三深一系”)的顶层设计和地球科学发展战略地球的宜居性如何演化,人类如何应对,以及人与自然的双重作用对地球宜居性的影响,将成为未来我国地球科学领域的重点研究方向。这就需要地球科学领域的各个学科打破学科壁垒,探索学科研究理论和范式的综合,促进学科研究的跨学科、系统观的形成。

随着人类社会的发展,地球科学与其他学科交叉融合的特点日益突出,科学家的个体探索模式越来越难以适应越来越复杂的地球科学问题现有的地球科学相关仪器,随着科学的发展,设施和平台不断向集成化、智能化、规模化方向发展。因此,在地球科学的未来发展中,大科学计划和大科学项目的实施可能成为引领地球科学发展的主力军。为更好贯彻落实党中央关于科技发展的“四个方面”要求,加快实现高水平科技自强自强,必须实施一系列重大科学计划和重大科学项目,开创地球科学发展新阶段。新模式。

1 国际地球科学发展趋势

1

地球系统科学研究逐渐成为热点

地球科学的研究对象是一个庞大的复杂系统,应从系统概念中提炼出关键核心问题,部署开展研究。从国际地球科学的发展趋势来看,主要国家和地区已经明确部署了地球系统科学未来的研究方向,系统视角的地球系统科学研究正逐渐成为热点。

美国。早在 1995 年,美国国家航空航天局(NASA)首先提出了考虑空间与地球相互作用的地球系统科学概念;迄今为止,美国已有多家机构发布报告,确定了地球系统科学的发展方向和路线。 2020年,美国国家研究委员会(NRC)在《美国国家科学基金会地球科学十年愿景(2020-2030):及时的地球》报告中确定了未来10年地球科学领域取得重大进展的潜力。 12个重点科学问题旨在阐明地球内部运动的动力机制,探索地球诞生以来的演化过程,阐明关键地球化学元素的分布和循环机制,阐明生物与地球的相互作用机制。地球等。认识和了解地球系统变化对人类活动的影响。 2020 年,白宫科技政策办公室(OSTP)发布了《地球系统可预测性研究与发展战略框架和路线图》报告,提出了美国地球系统研究的战略框架,旨在在- 深入了解地球系统的可预测性。

欧盟。 Horizo​​n Europe 专注于地球系统与人类活动之间的相互关系。未来7年,地平线欧洲将专注于地球科学领域的灾害风险管理和社会复原力、气候变化知识积累、清洁能源和地球科学服务计划。 “综合大洋钻探计划”(IODP)的“2050科学框架”重点关注地球演化的历史和地球系统的反馈过程。从系统内各循环的相互作用与反馈、地球系统内的能量和物质循环等出发,提出了 7 战略目标。

2

气候变化是全球关注的主要问题

2019年,世界气候研究计划联合科学委员会提出了世界气候研究计划未来10年的科学目标,即从根本上了解气候系统,预测近期演化和长期响应气候系统,并建立气候科学研究与社会之间的关系。桥。欧盟的《迈向气候中和 2050》设想了欧盟对 2050 年气候变化的长期战略愿景,通过广泛的研究和创新中国能源资源分布,降低先进低碳能源载体和技术的成本,使零碳解决方案在经济上可行,催生新的解决方案。因此,欧盟将在 Horizo​​n Europe(2021-2027 年)的 1000 亿欧元总预算中拨款 350 亿欧元用于气候相关目标的研究,并开发具有成本效益的创新解决方案。日本首相岸田文雄在 2021年上任后全力推动“气候变化”,并将其作为日本经济增长战略的核心部分。

3

空间科学是国际航天大国提前布局的核心领域

2018 年  NASA 发布了一份报告,描述了五个战略目标以及在低地球轨道空间、月球轨道和月球表面、火星及其他地区的任务部署。 2020年,NASA发布“阿尔忒弥斯”探月计划官方规划报告,计划2023年完成载人飞行,2024年登陆月球,2028年建立月球基地。美国与澳大利亚、加拿大、日本、卢森堡、意大利、阿拉伯联合酋长国和英国正式签署《阿尔忒弥斯协定》,共同探索月球。

4

极地科学研究是相关国家持续关注的重点领域

欧美非常关注极地科学研究。欧盟支持与极地科学研究相关的“11”项目,以推广北极知识并将这些知识应用于解决实际问题、实现资源的可持续利用、增加欧盟在极地地区的参与等。美国国家科学基金会(NSF)已将北极研究列为未来长期发展需要关注的十大领域之一,重点揭示和揭示北极地区与全球变化的关系及其对人类生存的影响。

5

国际地学发展趋势对我国的启示

未来地球科学发展规划趋于宏观,在知识前沿探索中注重地球科学对人类发展的服务功能;关注气候变化,通过基础研究明确地球系统各部分与气候的协同关系,为未来政策制定奠定科学基础;关注地球系统运行规律、地球系统各层之间的相互作用机制及其对能源、金属矿产和自然灾害等环境的控制作用;进一步加强对南方、北极等受全球气候变化影响较大地区的科研支持力度;聚焦仪器设备在地球科学研究中的关键基础作用,促进科学、工程和人文的深度融合。这一趋势也将体现在《论未来地学相关人才的培养》中。

2我国地球科学发展现状与科技经费

国际地位不断提升,影响力有待提升

近年来,我国地学在世界上的地位不断提升。截至2019年11月,基础科学指标数据库(ESI)数据显示,我国地学领域在2019年1-8月发表论文。但被引用频率为 110.7 万次,远远落后于美国的 26< @7.7 百万次,全球排名第二;每篇文章被引用 11.4 次,仅排名世界第 64位,而其他国家(美国、英国、德国、法国、澳大利亚、加拿大)发表论文数排名前10 、意大利、日本和瑞士)分别被引用超过 15 次。每篇论文被引用次数偏低,一方面是因为发表的论文总数比较多,另一方面也反映了我国地球科学相关论文质量不足,论文也相应低。

资助力度逐步加强,资助方向更加系统化

来自我国国家自然科学基金(简称“自然科学基金”)的数据显示,地球科学部资助的项目(一般项目、青年科学基金项目和区域科学基金项目)从2015-2021年项目从3305个增加到 4262 ,直接资助总额从 14.9 RMB增加到 18.4.5 RMB。由于申请项目越来越多,整体资助率从 2<@7.6% 下降到 21.5%。从表 1 可以看出,2015-2020年,中国自然科学基金地球科学部的项目资助率明显下降,主要是因为项目申请数量增加了 52.8 %; 2021年整体资助率 与 2020年 持平,主要是青年科学基金资助率不降反升。以 2015-2020 为例,总资助增加 10.1% ,项目资助数量增加 19.0%;而2021年一般项目经费和资助金额基本保持不变。青年科学家基金项目的资助和数量分别增加了 46.3% 和 16.7%。 2021年青年科学基金资助金额的大幅增加,表明国家自然科学基金开始重视地球科学领域青年科研人员的培养。

表1 2015-2021年国家自然科学基金地球科学部普通基金、青年科学基金、区域科学基金项目资助情况

我国地球科学发展的几优发国际点思考和建议丨战略基础研究

国家自然科学基金的定位是“支持基础研究和应用基础研究”,但在加大基础研究经费投入的同时,也结合学科需求,在一些重点领域安排了一系列重大宏观研究经费方向. 2015年以来,国家自然科学基金委员会地球科学部对重点项目资助领域进行了2次优化调整,进一步细化重点资助领域,重点关注一些重大宏观问题(如人类生存和可持续发展等),更加系统化,更加鼓励交叉集成,也开始体现技术方法的重要性(表 2).

表2 2015-2021年中国地球科学部国家自然科学基金重点项目资助领域

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注意:字段前的字母代表基金申请的字段号

面向国家战略需求,大力支持重点领域研究

科技部在地球科学重点领域给予大力支持。

1. 2016年以来,科技部立项国家重点研发计划“全球变化与应对”。专项目标是在全球变化领域若干关键科学问题上取得一批原创性成果,增强多学科交叉研究能力,提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位,为维护国家权利和利益提供科学研究。利益和实现可持续发展。支持。重点:全球变化关键过程、机制和趋势的准确表征和模拟,全球变化影响、风险、减缓和适应,数据产品和大数据集成分析技术系统开发,具有自主知识产权的地球系统模型开发,国家级, 应对全球变化和可持续发展的区域方法。

2.科技部实施国家重点研发计划“地球观测与导航”。该专项针对国民经济转型升级和生态文明建设、“一带一路”建设和新型城镇化发展、地球科学研究等重大需求,应对“一带一路”建设等严峻挑战。不断变化的国际地缘政治局势和国家安全、全球变化和区域反应。瞄准国际对地观测导航技术发展前沿,以显着提升对地观测导航综合信息应用水平和技术保障能力为总体目标,重点突破信息精准获取、高效应用等关键技术,以复杂系统集成共性技术为主要研究方向,攻克了一系列关键技术,获得了多项重大前沿技术成果和发明专利与标准,为建设综合性、准确、自主、可控的对地观测导航系统,提升了我国航天领域技术创新的国际竞争力。为国家经济社会发展和全球战略实施服务。

3.科技部也在资助地球科学领域的相关研究,包括地震、固体矿物成矿理论、地质流体、页岩油气和油页岩勘探开发智能钻井,等等

此外,中国科学家提出并领导了“深时数字地球计划”国际科学计划。该计划将围绕地球演化的科学命题,运用人工智能、大数据、超算等现代技术,整合地球过去数十亿年的时空大数据,构建全域知识图谱地球科学领域,建立全球共享处理分析平台,研究生命演化、地理演化、气候演化、物质演化等重大科学问题。

地球科学领域学科布局不断优化

在新一轮科技革命蓬勃兴起的背景下,各学科交叉融合更加紧密。为适应这一形势,国家自然科学基金委员会积极开展各项改革,提出“明确资助方向”、“完善评价机制”和“优化学科布局”三大改革任务。在学科布局方面,地球科学系对地质学、地理学、地球物理与空间物理、地球化学、海洋与极地科学、大气科学、环境地球科学等学科开展应用代码改革,增强学科包容性。促进学科交叉深度融合,突出交叉学科领域和未来重点发展方向,为提高我国地球科学研究水平、服务国家中长期发展战略规划提供有力支撑。

地球科学领域科技资助的突出问题

1

项目竞争力增强,年轻人才竞争压力大

国家自然科学基金地球科学部的项目申请量逐年增加,而资助量的增幅远低于申请量,普遍竞争项目和青年科学基金项目有所增加。值得注意的是,青年科学基金项目的资助率、资助金额和增长率均低于一般项目——青年地球科学家刚进入科研生涯就面临着巨大的竞争压力,这对我国地球科学来说是一个很大的挑战。预订。实力的发展非常不利。青年科学基金资助率应适当高于一般项目,充分发挥青年科学基金为青年科研人员提供“第一桶金”的作用,让青年科研人员能够用资金开始他们的研究生涯。好消息是,2021年,国家自然科学基金委员会将大幅加大对青年科学基金项目的资助力度,这将在一定程度上缓解青年地球科学家的竞争压力。

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基础研究与工程研究之间存在脱节

在过去的“863 计划”、“973 计划”和当前的国家重点研发计划中,基础研究与应用研究和实验开发存在脱节。从事基础研究的科学家与从事应用研究和工程研究的科学家之间存在沟通困难,导致基础研究与应用研究和工程研究缺乏相互理解,从基础研究、技术研究到工程研究的研究链条不连续。发展向成果转化。 ,不利于我国地球科学的发展。

对我国地球科学发展的3点建议

关注地球多层次相互作用及资源环境效应研究

人类对地球内外行星的探索源于对未知的渴望和人类文明可持续发展的需要。过去 20 年来地球科学的一个重要进展是认识到深部地球动力学过程与地表-近地表地质过程之间的密切联系和相互作用。地球不同球体之间物质和能量交换的地球动力学过程中国能源资源分布,引起了地形、气候和环境的变化,引发了地震、海啸、山体滑坡等自然灾害,控制了能源、矿产、资源等自然资源的分布。地热能。因此,揭示地球多层相互作用机制,是理解成山、盆地、成岩、成矿、灾害形成等过程的重要环节。方式。

强调系统研究地球的多层次相互作用及其资源环境效应,突出地球深部、深海和深空,以及与地球密切相关的地表系统和日地空间人类生存环境,从而揭示地球的健康和生命本质。从地球的多层次相互作用的角度,开展天文周期、重大地质气候突变事件、地球环境与生命的协同演化等研究,阐明环境变化、生物繁盛和生物多样性的内在机制。特殊地质历史时期的储能,揭示天体引力引起的地球轨道周期和地球内部动力引起的构造活动周期控制着盆地的形成演化和矿物的形成与分布,为综合研究提供了新的视角和理论。地球多层次相互作用及资源环境效应评价基地。

在有组织的地球科学领域进行重大科学研究

随着地球科学越来越复杂和深入,单纯依靠个人自由探索所能开展的研究范围正在逐渐缩小。近几十年来,地球科学中有大量领域需要进行制度化、团队化的研究探索;然而,我国缺乏组织有效的研究团队,这使得许多国家和社会难以及时应对重大需求。

我国有能力开展地球科学领域的重大科学研究。一方面,我国在地球科学领域培养了一支高水平的研究队伍。另一方面,随着我国工业先进制造水平的不断提高,为我国开展大规模地球科学研究提供了坚实的技术支撑,有能力完成相对高难度的科学项目。此外,全球新一轮科技革命和产业变革加速推进,各学科深度融合。基础研究从科学家好奇心驱动的自由探索性研究模式逐渐显现出对国家战略需求和产业技术发展的驱动作用。 ,从而演化出“有组织的基础研究”的新模式。近年来,国家对科技特别是基础研究的投入持续增加,自由勘探领域的纯投入边际产出开始下降。因此,应将部分资金集中投入到一些重大科学研究上,开展“有组织的基础研究”。

地球科学领域重大科学研究的部署,既要兼顾长远布局,又要兼顾迫切需求。重大科学研究要围绕个人自由探索无法解决的问题,在现有体制机制下,依托现有科技计划,优化组织体系开展专项研究。有组织的地球科学重大科学研究应具有以下特征之一:

1.急需型,即国家目前面临一些亟待解决的战略问题中国能源资源分布,但由于我国地球科学发展水平不足中国能源资源分布,急需重点关注攻关难点。这些问题在其他国家可能已经解决了,但是由于技术封锁等原因,这部分知识还没有被我国掌握,比如深海资源的勘探利用、金属矿产和石油的紧缺等。和天然气资源。

2.影响深远的类型是指影响国家或人类长远发展的战略问题。 Although the investment in research has little impact in the short term, in the long run, it may have a significant impact on the development of the country and human beings. We cannot ignore issues affecting national development. For example, the development and utilization of ultra-deep resources, the problem of ecological carbon sink, etc. At the same time, we cannot be absent from issues affecting human development. For example, the habitability of terrestrial planets in deep space.

3.Basic platform type, that is, my country must build corresponding infrastructure, technical equipment and research platforms for higher-level earth science research. This is the basis for our research and determines the future of my country's earth science. development level, so a forward-looking layout must be carried out. For example, related equipment and platforms for deep ground, deep space and deep sea exploration.

Improve the scientific and technological funding and evaluation mechanism in the field of earth science

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Focus on the combination of the development law of earth science and the actual development of our country, and improve the question-setting mechanism

Earth scientific research often has higher requirements for hardware facilities, especially large-scale detection and observation devices or platforms. It is necessary to adhere to the "four aspects" principle, and focus on the world's scientific and technological frontiers and major national strategic needs to improve key core technologies in the field of earth science, Cutting-edge leading technology, supply capacity of modern engineering technology, make up for the shortcomings of original innovation ability and core competitiveness in the field of earth science, and promote the integration and development of individual free exploration and major scientific plans and scientific engineering. It is necessary to identify strategic issues in key areas and "stuck neck" needs, give full play to the guiding role of scientists in feasibility, research and development direction, and route selection, so that strategic scientists can truly play a decisive role in judging scientific issues. At the same time, pay attention to the combination of domestic scientific and technological strength with international scientific and technological strength, and actively carry out international cooperation.

2

According to the mission objectives of scientific and technological plans and projects in the field of earth science, improve the responsibility mechanism

During the implementation of major scientific and technological plans and projects in the field of earth sciences, it is necessary to determine different responsibilities according to different tasks and goals. For example, relevant ministries and commissions can take the lead in organizing geoscience projects, master and utilize the results of plan implementation, and take responsibility for implementation effects; scientific research institutions or leading scientists can take the lead in organizing and organizing major geoscience research plans, and disperse scientific research forces into plans The way the project is centralized.

3

Fully consider the characteristics of earth sciences and improve the evaluation mechanism

Relevant government departments are the main users of scientific and technological plans and scientific engineering research results in the field of earth sciences. Therefore, an evaluation mechanism combining departmental evaluation and scientific evaluation should be established. For the evaluation of major scientific and technological plans in the field of earth sciences, the Ministry of Science and Technology and the leading committee can serve as the main body of the evaluation, and the Ministry of Science and Technology and the leading committee can provide decisive opinions on the evaluation results based on the evaluation results of experts. Explore the establishment of an unconventional review mechanism for major original, disruptive, and interdisciplinary innovation plans and scientific projects.

Acknowledgments: Zhu Rixiang, Wang Chi, Wang Huijun, Yang Yuanxi, Wu Lixin, Zhou Zhonghe, Zhao Guochun, Hao Fang, Hou Zengqian, Xu Yigang, Guo Zhengtang, Fu Bojie, Dai Minhan, Liao Xiaohan, Zhang Lifei, Wan Wan and other academicians and experts participated in the discussion for many times , Xia Cuizhen assists in collecting relevant information, hereby express my sincere thanks!

Zhou Lihua is a researcher and doctoral supervisor of the Institute of Science and Technology Strategy Consulting, Chinese Academy of Sciences, executive deputy director of the Consulting Research Support Center of the Chinese Academy of Sciences, and a post professor of the School of Public Policy and Management, University of Chinese Academy of Sciences. Mainly engaged in ecological economy and sustainable development, environmental management and environmental policy research. He has presided over more than 10 research projects such as the National Science and Technology Support Program, the National Natural Science Foundation of China, the National Social Science Foundation of China, and the sub-projects of the Strategic Pilot Science and Technology Project (Class A) of the Chinese Academy of Sciences, and published more than 120 papers.

Jin Zhijun, academician of the Chinese Academy of Sciences. Dean of Energy Research Institute of Peking University, professor of Petroleum Exploration and Development Research Institute of China Petrochemical Corporation. Director of the National Energy Shale Oil Research and Development Center, Director of the Petroleum Geology Professional Committee of the Chinese Geological Society, and Deputy Director of the National Energy Industry Shale Gas Industry Standards Committee. He used to be the vice president of China University of Petroleum (Beijing), the deputy chief geologist of China Petrochemical Corporation and the president of the Petroleum Exploration and Development Research Institute. He has been engaged in theoretical research on petroleum geology and energy strategy for a long time, and won the second prize of the National Technology Invention Award, the second prize of the National Science and Technology Progress Award 2 , the Li Siguang Geological Science Award, the Sun Yueqi Energy Science and Technology Award and the Achievement Award for Returned Overseas Students; published monographs 15 Departments, published more than 400 papers.

Article source: Zhou Lihua, Wang Xin, Zhou Chengxiong, et al. Some thoughts and suggestions on the development of earth science in my country. Proceedings of the Chinese Academy of Sciences, 2022, 37(3): 297-30<@7.

优发国际DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20220210005