國際地圈生物圈計畫(IGBP)

IGBP (INTERNATIONAL GEOSPHERE-BIOSPHERE PROGRAMME)——國際地圈生物圈計畫（全球變化的研究）是上世紀80年代，由國際科學聯盟理事會（ICSU）發起並組織的重大國際科學計畫。IGBP是超級國際科學計畫，其科學目標主要集中在研究主導整個地球系統的相互作用的物理、化學和生物學過程，特別著重研究那些時間尺度約為幾十年到幾百年，對人類活動最為敏感的相互作用過程和重大變化。計畫的最終目標是提高人類對重大全球變化的預測能力。

基本介紹

• 中文名：國際地圈生物圈計畫
• 外文名：International Geosphere-Biosphere Program
• 性質：國際間科學組織
• 總部地址：瑞典斯德哥爾摩

組織簡介

1、網址

http://www.igbp.net/

2、成立日期

1986年

3、總部地址

瑞典斯德哥爾摩

4、性質

國際間科學組織

5、宗旨

促進有關全球變化領域的研究，協調全球及區域範圍內關於全球生物、化學及物理變化過程以及他們與人類互動方面的研究。

6、職能與任務

IGBP致力於研究快速變化時期的地球體系，為在快速環境變化下人類社會的可持續發展道路提供重要的科學建議和指導。

7、會員情況

由國際科學聯盟（ICSU）所屬的國家成員、聯盟會員和協會會員參加。現有49個國家成員，若干ICSU下屬聯盟和協會成員。還有聯合國有關科學組織和重大國際科學計畫的聯絡員和觀察員參加。

8、組織機構簡介

該計畫由ICSU於1986年組建成立。其主要決策者為科學委員會，下設秘書處，以及12個國際計畫辦公室。此外，還設有科學諮詢委員會。

9、合作與活動

每年召開一次國家成員大會，參加者200人左右，均為知名科學家和科學組織的負責人。每年召開二次科學委員會會議，每兩年召開一次科學諮詢委員會會議，並組織下屬開展學術活動。出版物有：《全球變化IGBP通訊》、《全球變化IGBP報告》等。 我國參加組織經過： 1986年5月24日在北京正式成立中國IGBP全國委員會。1987年我國以中國IGBP全國委員會名義參加IGBP。

科學目標

該計畫的主要科學目標是：描述和認識控制整個地球系統相互作用的物理、化學和生物學過程；描述和理解支持生命的獨特環境；描述和理解發生在該系統中的變化以及人類活動對它們的影響方式。其套用目標是發展預報理論，預測地球系統在未來十至百年時間尺度上的變化，為國家和國際政策的制定提供科學基礎。該計畫具有高度綜合和學科交叉的研究特點，標誌著地球科學和巨觀生物學的研究跨入了一個新的深度和廣度。

計畫組成

IGBP由8個核心研究計畫和3個支撐計畫所組成。3個支撐計畫為全球分析、解釋與建模（Global Analysis，Interpretation and Model，GAIM），全球變化分析、研究和培訓系統（Global Change System for Analysis Research and Training，START），IGBP數據與信息系統（IGBP Data and Information Systems，IGBP－DIS）。8個核心研究計畫分別為：

（1）國際全球大氣化學計畫（International Global Atmospheric Chemistry Project，IGAC）

該計畫由IGBP及國際氣象和大氣科學學會所屬的大氣化學和全球污染委員會共同支持，它的目標是認識全球大氣化學組成、陸地和海洋生物圈過程以及人類活動對它的影響，從而達到在全球尺度上預測自然和人為因素對大氣化學組成的影響的目的（孫成權等，1996）。

（2）全球海洋通量聯合研究計畫（Joint Global Ocean Flux Study, JGOFS）

該計畫於1990年3月正式確定並開始實施，主要側重海洋內部以及海洋邊界在海洋生物和化學、海洋循環和相關物理因素以及人為活動的影響下的碳交換過程。它主要分析和預測區域至全球尺度大氣－洋面－洋底系統碳的季節和年際變化，為解釋氣候變化的成因服務。

（3）過去的全球變化研究計畫（Past Global Changes, PAGES）

PAGES的實施計畫形成於1991年3月，它通過對歷史資料和自然記錄(如保存在樹木年輪、湖泊和海洋沉積物、珊瑚、冰芯中的自然信息)的研究，並藉助於有效的現代物理、化學分析技術恢復過去環境的變化並區分自然因素和人為因素的影響，以此為依據，檢驗未來全球變化預測模型。PAGES計畫目前集中於研究兩個時間階段，一是最近2000年的地球歷史；二是晚第四紀的最後幾十萬年的冰期、間冰期旋迴。

（4）全球變化與陸地生態系統（Global Change and Terrestrial Ecosystems, GCTE）GCTE旨在分析全球尺度上大氣成分、氣候、人類活動和其他環境變化對陸地生態系統結構和功能的影響，預測未來全球變化可能帶來的農業、林業、土壤和生態系統複雜性的改變。近期的工作主要圍繞以下5個方面展開集成研究：①全球大氣化學是如何發生作用的?在痕量氣體的生消中，生物過程起著什麼作用?②全球變化是怎樣影響陸地生態系統的?③土地利用、海面升高和氣候變化如何改變海岸生態系統，其後果是什麼?④海洋生物地球化學過程是如何影響和回響氣候變化的?⑤過去發生過什麼重大的氣候和環境變化，原因何在?

（5）水文循環的生物學方面（Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle, BAHC）

BAHC主要是研究植被在地表和大氣水文過程中的作用。它的兩個主要目的是：①通過野外測量，確定生物圈對水文循環的控制，發展從小塊植被到大氣環流模式（GCM）格線單元尺度上的土壤－植被－大氣系統中能量和水通量模式；②建立能用於描述和驗證生物圈和地球物理系統間相互作用模擬結果的適當資料庫。到2002年底，BAHC的中心任務是為新的陸地－大氣界面行動的展開以及由IGBP，IHDP和WCRP聯合發起的新的有關水問題的聯合計畫服務。

（6）海岸帶的海陸相互作用（Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone, LOICZ）

LOICZ側重模擬和預測10年尺度上海岸帶對全球氣候變化的回響，為沿海地區的長期可持續發展、經濟和社會政策服務。研究內容包括：①外力或邊界條件的變化對近海通量的影響；②海岸生物地貌學與海平面上升；③碳通量與痕量氣體的排放；④全球變化對海洋系統的經濟和社會影響。

（7）全球海洋生態系統動力學（Global Ocean Ecosystem Dynamics,GLOBEC）

GLOBEC於1995年確定，主要目標是認識全球海洋生態系統及其亞系統的結構和功能，提高海洋生態系統對全球變化回響的預測能力。與傳統的為漁業服務的種群動態研究不同，它側重於分析生態系統內部的相互作用。

（8）土地利用與土地覆蓋變化（Land Use and Land Cover Change, LUCC）

進入90年代以來，全球環境變化研究領域逐漸加強了對LUCC的研究。這主要與該領域具有全球影響的兩大組織IGBP和IHDP的推動有關。這兩個組織自1990年起開始積極籌劃全球性綜合研究計畫，於1995年共同擬定並發表了《土地利用/土地覆被變化科學研究計畫》，提出3個研究重點：

土地利用變化的機制。通過區域性個例的比較研究，分析影響土地使用者或管理者改變土地利用和管理方式的自然和社會經濟方面的主要驅動因子，建立區域性的土地利用/土地覆被變化的經驗模型；

土地覆被的變化機制。主要通過遙感圖像分析，了解過去20年內土地覆被的空間變化過程，並將其與驅動因子聯繫起來，建立解釋土地覆被時空變化和推斷未來10~20年的土地覆被變化的經驗診斷模型；

建立區域和全球尺度的模型。建立巨觀尺度的，包括與土地利用有關的各經濟部門在內的土地利用—土地覆蓋變化動態模型，根據驅動因子的變化來推斷土地覆蓋未來（50～100年）的變化趨勢，為制定相應對策和全球環境變化研究任務提供可靠的科學依據。在未來50～100年的土地覆蓋變化中，人類的土地利用活動將起到最主要的作用。因此，對自然和社會經濟各種因素作用下的土地使用者和管理者的行為分析，是建立土地利用和土地覆蓋變化模型的重要組成部分。這類分析通過區域性個例研究進行，為全球性模型的建立提供依據，並對後者進行驗證。

研究進展

IGBP在空間上以大氣圈、水圈、岩石圈和生物圈等地球圈層以及它們之間的界面過程為研究重點，在時間上不僅包括對過去和現代的考察，而且還通過對地球系統的模擬和分析，探討對未來的可預測性。

地球系統關鍵過程研究

PAGES（古全球變化研究）計畫是為研究地質歷史上發生的氣候與環境變化及其原因而開展的。基於過去的代用資料，該計畫研究證明：地球正在變暖，現在大氣的溫室氣體含量高於幾十萬年前，全球平均溫度比過去1000年前高得多；地球系統的演變經常出現非線性的動態過程，微小平滑的驅動因子變化可引發突然的大規模的環境變化。

IGAC（國際全球大氣化學計畫）是為了解全球大氣化學調節作用以及生物過程在產生和消耗微量氣體中的作用而組織的，其研究成果主要有：①燃燒過程向大氣排放的固體、液體物質對全球環境有明顯的影響；②自前工業時代以來，伴隨著OH濃度的減小，大氣的氧化能力維持相對穩定狀態；③由於來自大陸的遠距離輸送，像臭氧、氣溶膠及其原始物質等都呈複合層狀結構存在於海洋上空；④氣溶膠對環境的直接或間接輻射驅動作用已逐漸顯露出來。

在陸地研究中，GCTE（全球變化與陸地生態系統）通過對生態生理學、覆被和干擾動態的組合研究以及對未來100年的土地利用變化構想，說明現代的陸地碳“匯”不是永久的特徵，在21世紀的某段時間，它可能會停止增長、減少，甚至消失；LUCC（土地利用與土地覆被變化計畫）改變了我們對土地利用變化及其驅動力的認識。近1000年來，由於人口的壓力，大量土地轉變為農業用地，各種景觀類型也發生了明顯的改變，它們影響著生物多樣性、地球反射率以及水和生物地球化學循環。

海洋是地球系統的一個重要部分，JGOFS（聯合全球海洋通量研究計畫）主要研究地球生物化學以及海洋生態系統中較低的營養級，其研究進展表現為：①全球海氣CO2通量的精確估算；②人為碳在全球海洋中的分布、傳輸和儲存量的確定以及全球碳循環模型的更新；③大尺度氣候模式（如厄爾尼諾-南方濤動以及大氣海洋間的CO2通量的年間變動等）之間聯繫的辨識；④對海洋生物在碳循環中作用的探討。

跨計畫的集成研究

在IGBPⅠ中，IGBP就與其它研究計畫建立了良好的合作關係，如與WCRP合作的BAHC（水循環的生物圈方面）和GEWX（全球能量和水循環試驗）以及利用古資料來預測長期氣候變化的“CLI-VAR/PAGES”交叉研究。另如為提高對於土地利用和土地覆被變化動態過程的理解及研究它們同全球環境變化的關係，IGBP與IHDP合作設立了LUCC（土地利用與土地覆被變化計畫）。

研究發展趨勢

目前IGBP計畫已進入一個新的發展時期，重新設計的研究計畫框架突破了原先設計的核心研究計畫界限，按照地球系統的結構，可分為3類研究計畫：①分別針對海洋、陸地和大氣研究設立了3個研究計畫；②分別針對海氣、陸氣和海陸界面研究設立了3個研究計畫；③針對地球系統的整體動態研究設立了PAGES，針對全球變化的分析、解釋與建模設立了GAIM（全球分析釋用與模擬）。此外，還與IHDP，WCRP和DIVERSITAS組成了ESSP（地球系統科學夥伴），合作組建了全球可持續性聯合計畫，其中包括GCP（全球碳計畫）、GWP（全球水計畫）、GECAFS（全球環境變化與食物系統計畫），其研究方向也發生了相應變動。

更高層次上的集成研究

全球變化研究的對象地球系統是一個巨系統，因此，全球變化問題也是一個非常複雜問題，因此必須強調集成研究。集成的關鍵是通過對主體各個方面的研究成果進行綜合，以獲取新的概念，並將原有認識水平提高到一個新的高度。集成研究一直是IGBP研究的主要方法和目標，IGBP最先在其內部子計畫GCTE進行集成研究，後來在LUCC、PAGES、LOICZ（沿海區域陸地海洋互動作用）等計畫進行集成研究並取得了較好的效果，如人們對LUCC集成研究對景觀變化的驅動力加以社會化解釋。在IGBPⅡ中，集成研究將成為各計畫發展越來越明顯的趨勢。首先，許多研究方向都集中於地球系統的主要界面上；其次，研究內容和手段橫跨其它子計畫的研究計畫和項目；最後，注重跨計畫的集成研究，如四大計畫共同發起的碳循環、水資源、全球環境變化與食物研究聯合計畫。

與全球可持續發展相適應

全球變化領域提出“可持續發展科學”的社會和科學背景：一是環境問題日益嚴峻的發展趨勢；二是當前政策、決策制定者對自然科學信息的迫切需求；三是當代自然科學和社會科學相結合的潮流。可持續發展與全球變化密切相關，二者的適應問題在全球變化研究中必須被高度重視。關注可持續發展的關鍵問題，將人們對地球環境變化規律的認識轉化為人類解決環境問題的有用的知識和技術，幫助人類調節自身的生產和生活，合理地安排和組織“有序的人類活動”，緩減全球環境變化的危害，最終實現人類社會可持續發展的長遠目標。從理論研究走向實際套用

全球變化研究的根本目標是，在弄清全球變化的形成原因、預測未來全球變化的基礎上，提出人類適應或緩減全球變化的對策，為人類可持續發展服務。未來研究更加強調研究成果的轉化，強調儘快將全球變化研究的最新成果用於決策部門並為地區社會經濟發展服務，建立定量的模型和綜合評估框架，利用有效的科學信息提出實際的解決方法，產生地方性的產品，滿足管理的需要，使研究計畫最大限度的得到政府和公眾的認同和支持，以保證計畫的持續推進和最終目標的實現。全球問題與區域問題結合更加明確

全球變化在不同的地區會表現出不同的物理、化學和生物學特徵，因而對各個國家的影響也不同。全球變化的區域回響研究會成為重點研究領域之一。全球環境變化的問題應主要通過區域研究來解決，區域性研究必須體現全球性問題。其中亞洲將成為全球變化研究的中心。

研究熱點問題

大氣化學和生物地球化學過程

其涉及的計畫大致有IGAC、SOLAS（海洋表層與大氣低層計畫）、陸地-大氣計畫。IGACⅡ未來研究包括大區域與全球尺度上的氣候熱點與空氣品質等主題：①大氣化學成分在改變氣候變化中的作用；②在地球系統範圍內，大氣化學成分的區域釋放、沉積、大範圍輸送以及轉化對對流層中大氣的化學組成與大氣質量的影響。

SOLAS是研究海洋和大氣之間的關鍵生物地球化學、物理過程的相互作用和反饋的重要計畫，未來的焦點問題是：①海洋-大氣之間的生物地球化學耦合；②定性了解大氣-海洋物質（氣體，乾濕微粒）、動力、能量交換過程的變動，精確計算區域或全球通量；③大氣-海洋間的氣體通量，特別是它們在時間和空間上的變動以及它們對於全球變化的敏感性。

陸地-大氣系統計畫的研究主題主要包括：①相互作用的物理、化學和生物過程是如何在陸地-大氣系統中傳送和轉變能量和物質的；②地球系統動態過程的含義；③人類活動是怎樣影響陸地-大氣系統的（反之亦然）。

生態系統過程研究

就陸地系統來說，未來的研究建立在LUCC與GCTE計畫之上，研究的問題大致有：①陸地人類環境系統變化的驅動力與動態過程；②陸地人類環境系統是怎樣影響環境供給資源與服務的；③陸地人-地系統的脆弱性特徵與動態過程。

對海洋生態系統來說，IGBPⅡ的海洋研究由GLOBEC（全球海洋生態系統動力學）和OCEANS（海洋生物地球化學和生態系統分析）組成。GLOBEC解決的主要問題有：①大尺度的自然環境過程怎樣引起海洋生態系統的大範圍變化；②海洋系統中結構和動態過程之間的關係；③套用耦合的物理、生物和化學模型以及相應的觀測系統，研究全球變化對魚群變動的影響；④變化的海洋生態系統怎樣影響地球系統。OCEANS解決的主要問題有：①全球變化如何影響海洋生物化學循環和生態系統動態過程；②這些影響怎樣改變基本循環和生態系統動態機制的關係；③地球系統對這些變化的反饋機制。

水文過程

研究水文過程的計畫主要有BAHC（水循環的生物圈計畫）和LOICZ。BAHC計畫未來的研究方向主要有：①小尺度能量、水分和碳通量研究網路；②地下過程作用的評價；③SVAT（土壤-植被-大氣傳輸模型）的選擇、評價和發展；④氣候變化對不同類型生物群落水文過程的影響分析；⑤陸地大氣在區域和全球模式中的相互作用描述；⑥山地生態水文學。

LOICZ計畫未來研究問題是：①閾值在維持生態系統狀態、氣候與人類作用力的強度、頻率以及可預測性上的作用；②這些閾值是什麼，變化和擾動超越閾值的機率是多少；③如何實現變化尺度的集成。固體地球過程

PAGESⅡ未來將支撐以下5個焦點，①PANASH（北半球和南半球的古環境）研究，它包括3個陸地的PEP（極地-赤道-極地）南北切面以及它們在半球內部的相互聯繫，主要集中於氣候過程，例如ENSO和季風；②IMAGES（國際近海全球變化研究）；③CLIVAR/PAGES的交叉研究；④極地計畫；⑤過去的生態系統過程與人類環境的相互作用，主要評價歷史上氣候與社會之間的相互關係。

地球系統的整體行為

GAIM未來研究問題大致有：①與生物圈發展演化有關的最重要的部分是什麼；②地球系統中最主要的成分（閾值、瓶頸、開關）；③全球變化下的最脆弱區有哪些；④自然與社會之間的作用是怎樣孕育突發和極端的事件的；⑤系統建立的模型應達到什麼級別的複雜性和解決方法；⑥分析和預測可能的不規則事件的最好技術。

全球碳循環

全球碳循環研究的主要目標是完整表述全球碳循環，包括它的生物、物理和人文影響因子以及它們之間的作用與反饋過程。未來的研究主要集中在：①現今碳源與匯的時間和空間模式；②年際到千年尺度碳循環的動力控制與反饋；③未來全球碳循環的動態機制。

全球環境變化與食物系統研究

食物與人類的生存息息相關，未來研究包括：①當食物需求改變時食物的供應方式及其易變性在不同地區和不同社會人群中如何受全球變化的影響；②不同社會和不同食物生產者如何使其食物系統與全球環境和需求變化相適應；③適應這些變化的環境和社會經濟影響是什麼。

全球水資源研究

全球水系統對於人類社會的延續非常重要，目前世界上許多地區已出現水資源不足或水質變壞的現象。因此未來的研究應是：①全球變化對局地和區域水系統的影響；②水循環變化對全球水循環和地球系統的反饋，特別是局地和區域的積累作用以及關鍵閾值及其變化；③實施水系統可持續發展的重要舉措；④人類影響全球水系統的主要機制。

研究展望

過去10年，我國全球變化科學家不但積極參與IGBP的合作研究，而且還根據本國的優勢，對全球變化的許多問題進行了深入的探討，並取得了可喜的成績。其發展大致經歷3個階段：1986～1990年是中國國際地圈生物圈計畫研究的初期，圍繞主要科學問題如古環境、氣候和海平面變化以及地氣相互作用方面開展了有計畫、有組織的研究；1991～1995年中國全球變化研究有了較大發展，研究範圍擴展到陸地生態系統，全球氣候變化預測、影響和對策，中國生存環境變化以及生物多樣性保護和持續利用等領域；1996～2000年其研究近一步與社會可持續發展相結合，成功實施了一批以中國科學家領銜的國際研究計畫，為國際全球變化研究做出了顯著貢獻，如中國被譽為世界上對國際“海洋-大氣耦合回響試驗”貢獻最大的兩個國家之一。

未來我國全球變化研究將注重以下方面：中國陸地和近海生態系統碳循環研究；東亞季風區海、陸、氣以及人類活動對區域環境變化影響的機理；水-生態-農業社會經濟區域耦合系統的模式的集成；基於各種代用資料重建中國歷史環境變化及人與環境相互作用的集成研究；未來10～50年我國西部經濟發展對全球環境的影響；保障我國經濟可持續發展的重大環境事件的預測和影響評估；全球環境變化實時預警回響網路系統的建立等。