编者按：本专版上期刊登了二十一世纪核心科学问题论坛中的几个问题后，引起了广大读者的反响，一些读者来信来电询问有关问题。为此，我们本期继续摘发论坛中的其他问题。

全球变化的区域响应

　　全球变化研究是迄今为止规模最大的国际合作研究活动，涉及到地球科学、生物科学、环境科学、天体科学及遥感技术、地理信息系统及网络化高技术的应用等众多学科领域，其规模之大、持续时间之长、经费投入之多和高技术的应用，代表着当前世界科学的发展趋势。根据国际全球变化研究的前沿领域，结合中国研究的优势和基础，国家自然科学基金“十五”期间优先资助领域“全球变化的区域响应”应包括下列五个主要科学问题。

一、东亚季风环境的形成演变及其对全球变化的响应与影响

　　东亚季风环境的形成和演化是我国 21 世纪全球环境变化研究的关键科学问题，也是中国古环境研究的核心。以季风形成演化为主体的中国古环境研究是解决全球环境演化中若干重大问题的切入点。我国的季风形成和演化问题实质上是水与干旱的演化问题，研究其历史、规律和演变机制，是准确估价水与干旱未来发展趋势的重要科学基础。

二、海洋大气陆地相互作用与水循环

　　海陆气相互作用是气候系统中的基本物理过程，而水分循环则是海陆气相互作用中的一种最活跃，最重要的纽带。两者在全球变化的区域响应中起着关键的作用。其研究具有重要的前瞻性，是 21 世纪初科学发展的核心和热点问题 . 开展该领域的研究、认识其规律及产生的原因是进行准确的季节和年际气候预测的保障，是国家防洪抗旱决策的需要。对于我国经济的持续发展具有重要的意义。

　　与会的科学家指出，国际上组织了接续不断大规模研究和观测计划。尤其是八十年代以来一系列的海洋观测试验使我们积累了丰富的海气相互作用资料。

　　“七五”至“九五”期间，我国开展了一系列的大型科学试验和海气相互作用研究，包括黑河地区地气相互作用的观测实验、华南暴雨试验、南海季风试验、青藏高原试验，淮河流域能量与水分试验，以及内蒙古半干旱草原土壤—植被—大气相互作用试验。这些试验于 1998，1999 年陆续结束，已积累了丰富的、有待开发的海—陆—气相互作用资料。这对于建模以认识全球变化的区域响应是十分宝贵的。

　　海—陆—气相互作用和水分循环涉及大气、海洋、地理、水文和生态多种学科。“十五”期间应在上述资料积累的基础上，在周围海域及特定流域或区域进一步深入开展海—陆—气相互作用的观测分析，模拟及理论研究，分析其对水分循环的影响，从而揭示其与全球变化的联系，为改善气候和水文预测提供理论依据。

三、陆地生态系统生产力与全球变化的相互作用

　　国际全球变化的研究趋势已转向以陆地生态系统为研究核心的生物—地球—社会之间相互关系的研究。与此相关的核心项目“全球变化与陆地生态系统（GCTE）”、“生物圈的水循环方面（BAHC）”、“土地利用/土地覆盖变化（LUCC）”已成为国际全球变化研究中最为活跃和不断扩展的项目。以生产力为核心的陆地生态系统与全球变化相互作用的研究是揭示全球变化与陆地生态系统相互作用的机理、预测陆地生态系统对全球变化的响应与反馈作用的关键。

　　与会专家在总结了近年来我国在全球变化与陆地生态系统关系研究方面取得的研究成果基础上认为，基金委在“十五”期间应加强陆地生态系统生产力与全球变化的相互作用，围绕生态系统生产力这一核心问题开展不同层次的研究，主要有：

　　1. 全球变化的生态系统生产力响应与适应机理；

　　2. 全球变化的生态系统生产力生物—地球—社会过程研究；

　　3. 全球变化的多尺度生态系统生产力集成模型与情景模拟；

　　4. 全球变化的适应与减缓对策与陆地生态系统生态安全模式。

四、碳氮磷等生源要素的生物地球化学过程

　　生物地球化学不仅是全球变化科学问题中的两大子系统之一，同时又与气候变化以及我国环境保护和农业可持续发展密切相关。系统深入地研究碳、氮、硫、磷等的生物地球化学过程和全球/区域碳氮等温室气体流以及人类活动对其的影响，可以揭示引起全球变化的一些根本原因，认识区域尺度环境要素的相互作用以及全球变化的可能影响。

　　为此，专家们建议针对国家需求应当开展以下研究：

　　1. 陆/海（湖）相互作用的碳、氮、磷环境生物地球化学循环及其环境效应和农业可持续发展；

　　2. 中国典型生态系统碳、氮生物地球化学循环的特征、模型及其与全球变化的耦合关系。根据这一总体框架，地表生源要素地球化学研究的具体内容可以包括：土壤碳的生物地球化学转化；氮磷碳等生源要素在土、水界面的生物地球化学迁移；近海海洋系统碳氮磷的迁移转化；现代地质作用与碳的生物地球化学循环，土壤中碳的转化过程、土/气界面的碳、氮迁移、近海海洋中碳、氮的迁移规律等。其科学问题表现在过程的机理、热力学和动力学、影响这些过程的人为与自然作用的界定以及过程自身的稳健性。加强这方面研究可望获得重大突破。

五、人类活动对区域环境的影响

　　把人类活动与地球表面相互作用的机理与过程，概括为地球表层的人地系统动力学，有助于揭示全球变化的生物地球化学社会驱动力过程。中国是一个人口众多的国家，人类活动对区域生态环境产生了深刻的影响。针对中国国情，吸收国际上的最新研究进展和未来 5 — 10 年的研究计划，专家们认为，该领域的研究拟集中在以下五个方面：

　　1. 土地利用变化与生态安全机制的研究；

　　2. 城市化及产业转型与环境安全机制的研究；

　　3. 区域自然资源开发与灾害风险时空格局变化机制研究；

　　4. 流域生态环境恢复与景观生态重建；

　　5. 区域地球表层人地相互作用机制、动力学与综合模型研究。

中国 21 世纪水问题研究

一、流域尺度“自然—人工”二元水循环模式研究

　　自然力综合作用下形成的水循环，可分为全球循环、海上循环和大陆循环三类。大陆水循环中，流域尺度的水循环和区域可持续发展的关系最为密切。传统研究的视角，是将各类人类活动影响“还原”后，形成纯自然状态下的水循环，然后在还原后的一元水循环模式下，将人类活动影响作为外部输入进行研究。在人类活动影响程度较小的情况下，一元水循环模式符合实际情况，研究成果能够指导实践。

　　我国人口众多而人均资源环境容量小，基础设施条件较差而现代化城市化的任务重，生态环境相对脆弱而人类活动对其干扰的程度又较大，在自然和社会双重因素作用下的流域水循环演变十分显著，并由此带来一系列的水问题。人类活动不仅改变了流域降水、蒸发、入渗、产流、汇流特性，而且还在原有的天然水循环内形成了人工侧支循环。全国水资源总量 28100 亿立方米，不计港澳台地区的人工侧支水循环通量已经达到 5600 亿立方米，侧支循环通量已占到水资源总量的 20%。从华北和西北地区四大流域片的地表水通量看，黄河、淮河、海河、内陆河的河道外人工循环通量与剩余的河道内天然通量的比例，在 1993 年就分别达到了 8:2、4:6、10:0 和 6:4，这一趋势还在不断发展，形成了天然循环与人工循环此消彼长的二元动态水循环过程。

　　提出流域尺度“自然—人工”二元动态水循环模式的科学意义在于，在总量水平和过程机理上对人—水关系及其演变进行显式表达，以水为纽带，将流域社会经济系统和自然地理系统有机联系起来，揭示发展进程对自然环境的改变和变化环境对发展进程的影响。以概念化模型和数字化流域为载体，为多学科水问题研究提供一个开放式的综合集成框架，同时为分学科专项水研究提供一个定量化的多窗口多进程平台。在此基础上研究水循环的整体调控和高效利用问题，为相关基础研究与实践服务。

　　建议研究的流域尺度“自然—人工”二元水循环模式，是在全球尺度和大陆尺度自然循环的大模式下，以流域为基本单元，重点考虑未来 50 年时间尺度，在自然力作用下的天然循环和人力作用下产生的侧支循环演变趋势，二者间的相互作用机制，物质和能量的交换过程，水循环动态变化引起的资源、生态、环境效应及其反作用，二元模式下的资源有效性和利用有效性，水循环常态与突变状态下的合理调控机制和决策方法，数学描述和定量评价等问题。对于流域内部，根据流域本身的系统层次结构形成列车方程，进行子系统之间的交互。

二、不同尺度水循环过程与水资源演化规律研究

　　流域水循环演变受到全球气候变化和地表系统层圈间相互作用的影响，特别是近几十年的全球气候变化和第四纪全新世以来的地表系统演变。在研究流域尺度水循环问题的同时，还要研究更大空间尺度的水循环和更大时间尺度的流域地质演变。

　　在大尺度水循环中，由于有海上水循环的补偿调节作用，人类活动干扰的程度相对较小，一元水循环模式能够满足实践要求。不同尺度水循环过程的耦合，以及考虑耦合作用的水循环演变，也是世界水科学研究的共同基础。

　　以水为纽带研究地表系统不同层圈间的相互作用，需要研究水分在“大气—地表—植物—土壤—地下”五相水文系统中的往返运动，揭示水量转化与消耗关系，能量转化与交换过程，是多学科交叉融合的前沿课题。

三、农业节水的生物学基础与非充分灌溉理论

　　水资源紧缺已严重制约我国国民经济的可持续发展。农业是我国的用水大户，农业用水占总用水量的 78%，主要消耗于灌溉。但目前我国灌溉水的利用效率仅在 40% 左右，而一些发达国家可达到 80% 以上。我国的灌溉水分粮食生产效率远低于发达国家水平。发展灌溉农业，全面提高农业用水的利用率和水分生产效率，是缓解 21 世纪水资源供需矛盾的关键性措施，同时也是解决我国人口高峰期食物安全的基本举措。重点研究：以大幅度提高我国北方（西北、华北）地区农业用水效率、促进农业可持续发展为目标，以探索和合理调控降水—土壤水—作物水—光合作用—干物质量—经济产量之间的转化效率为主线，研究改进和提高各个过程中水分转化效率和水分生产效率的机理和途径，建立农业高效用水的系统理论和方法，使水分生产效率、作物产量和品质同步提高。与此相关的关键科学问题包括：

　　1、缺水逆境下作物的适应性反应与农业节水潜力评价；

　　2、非充分灌溉理论；

　　3、主要作物抗旱相关基因的功能和表达调控；

　　4、农业高效用水的环境效应评价和区域多水源的合理配置。

四、变化环境中的水旱灾害成灾机理与早期识别

　　由于自然与社会双重因素的交互作用，流域水循环及其赋存环境在不断演变。人工侧支循环不断扩大，天然循环与人工循环间的相互作用，使植被减少、河道淤积、洪水威胁加剧；人地关系与河湖关系的改变，导致了小水大灾现象的出现；河道外大量引水和地下水超采，降低了对干旱的抗御能力并减少了天然水体的环境容量。大型水库的兴建，对下游河道产生了复杂影响；水库调度运行方式不仅影响水库淤积，同时对下游泥沙输运和河床演变也将造成影响。下游江湖关系相应发生变化，其防洪形势和生态环境也就会发生变化。

　　水旱灾害约占自然灾害总损失的一半以上，我国旱灾损失又大于洪灾损失，然而对旱灾的研究在我国乃至世界都仍然是一个难题。当务之急是从土壤和作物两方面研究对旱灾的识别及评价，提出旱灾的致灾机理及成灾模式。

　　水旱灾害的预警和调控都是风险问题，要实行水旱灾害的风险管理，要从灾害识别、定量描述、预测预警、调控减灾各个环节入手，形成完整的理论。变化环境中的成灾模式和早期识别已成为水基础研究的科学前沿问题之一。

　　1. 环境演变下的洪水成灾机理及变化规律；

　　2、大型水库修建后对下游河道的防洪形势及生态环境影响；

　　3、旱灾的成灾模式及生态环境效应；

　　4. 洪水风险承受能力研究。

五、水环境污染与生态安全

　　水污染是 21 世纪最大的水问题之一。当前水污染的研究不断深入：研究对象已从常量污染物向微量污染物转移；研究范围从单一介质向多介质综合系统发展；研究中更注重界面过程及其动力学机制和复合型污染；强调用生态毒理和风险评价的方法研究微量有毒有害污染物导致对动物和人类健康的损害作用；在研究方法上大量采用生物和化学传感器技术；在应用技术基础方面，已经转移到水体修复、水生态系统的恢复和重建等。我国水污染问题尤为突出，水污染机理、控制原理与技术等基本问题尚未解决。为此，应对如下科学问题开展研究：

　　1、水的复合污染形成机制与特点；

　　2、水污染的生态毒理效应；

　　3、水污染控制的新理论与新方法；

　　4、受污染水环境和生态系统修复；

　　5、水中优先污染物与水质评价指标体系。

六、水资源管理模式

　　以黄河断流和淮河水污染为代表的严重水问题，突出地说明了单纯依靠市场手段不能有效解决水资源开发利用中存在的经济外部性问题，亟待在水资源管理体制和管理模式上进行创新。

　　80 年代以来，我国借鉴国外经验，开始了水资源管理问题研究。在管理理论方法方面目前还存在很大差距，主要弱点是多学科交叉研究较少，系统集成的方法不能满足需要，尚未从理论上探索出符合中国自然与人文特点的水资源统一管理模式。

　　我国水管理研究的重点，一是人口增加经济发展与水资源短缺和水环境恶化的矛盾，二是水资源绝对短缺与用水效率过低的矛盾，三是水环境恶化加剧了水资源短缺态势，四是水灾害严重而防灾减灾的能力不足，五是水资源使用主体的多元化与管理主体分散的矛盾。

　　水资源管理方面的主要科学问题包括：

　　1. 基于水资源功能属性的水管理理论；

　　2. 水资源社会性与经济性相统一的产权制度安排与管理基础；

　　3. 水资源管理模式有效性的度量与评价指标体系；

　　4. 水灾害防治中的管理理论与管理方法；

　　5. 水资源管理中的奖惩机制；

　　6. 水资源管理制度和管理模式的创新。