階梯式發展理論視域下的凍土學研究

林 芳， 朱 訓， 張 澤

（1.中國地質大學（北京）地學哲學研究所，北京100083；2.中國人民政治協商會議全國委員會，北京100811；3.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；4.東北林業大學寒區科學與工程研究院/土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

0 引言

“階梯式發展理論”是我國地質學家、原地質礦產部部長、全國政協第八屆委員會秘書長朱訓同志在長期礦產勘查實踐的基礎上，運用馬克思主義哲學基本原理總結礦產勘查工作實踐經驗中提出的。它的形成經歷了一個漫長的過程。恩格斯說：“人的思維的最本質和最切近的基礎，正是人所引起的自然界的變化，而不單獨是自然界本身”。毛澤東形象地說，一切事物總有“邊”的。事物的發展是一個階段接著一個階段進行的。每一個階段也是有“邊”的。不承認“邊”，就是不承認質變或者部分質變［1］。階梯式發展是一個非線性上升的、前進的運動過程，每個上升階段都是質的飛躍，是從量變到質變的過程。在地球生命演化的過程中，生物圈的產生和演化經歷了大約35億年的時間，從最早的單細胞生命（藍菌）到現今種類繁多的生物界，經歷了多次關鍵的階梯式演化過程——既包括長期的漸變（演化的緩坡式發展）也包括短期內發生的突變（演化質的飛躍或階梯式的發展）［2］。從猿到人的演變進化過程中也經歷了一系列的從量變到質變的飛躍時間，包括直立行走，大腦擴容，創造工具，火的使用，藝術創作等等［2］。中國地形地勢的階梯式的分布形成了三個臺階式地形，這種地形的階梯式分布帶來了不同的地質構造和礦產分布，另外階梯式的成礦現象，按照礦產含量自上而下分布的頂部微礦帶、上部貧礦帶、中部富礦帶、下部貧礦帶、底部無礦帶。在“階梯式發展”這一理論觀點提出后的二十多年過程中，科研工作者經過對自然界，特別是對地球上地質的演化和人類社會發展的考察，認識到階梯式發展在自然界、人類社會和認識領域同樣是廣泛存在的。

凍土學的形成（20世紀30年代）至今已有80余年的歷史，其本身是一門實用性很強的科學，它的發生和發展與人類的生產和生活有著密切的關系［3］。凍土學是由于凍土地區的農業、經濟和工程建設的需要而逐漸形成的一門獨立的學科。凍土地區占據了整個地球陸地表面近四分之一的面積［4］，凍土是地球系統5大圈層之一，是冰凍圈的重要組成部分，凍土學是研究冰凍圈的兩大主要學科之一［5-6］。

近年來隨著國家一帶一路發展計劃的推進，凍土學也相繼出現飛躍式的迅速發展，并且與其他學科出現了交叉和相互聯系，不斷出現了新的研究方向。凍土學所解決的基本問題，一方面屬于自然科學類范疇，另一方面又屬于工程應用學科。在凍土學發展的過程中從凍土學的研究對象、研究問題類型、研究的系統類型、到學科的結構發展都普遍存在階梯式的發展規律。

1 階梯式發展理論

1991年春，朱訓在中央黨校學習期間，運用馬克思主義哲學的基本原理，對新中國成立以來的42年的礦產勘查實踐進行了總結。將礦產勘查過程分為四個階段，即，預查→普查→詳查→勘探，而且在每單個階段都存在野外勘察和室內實驗室研究的過程（圖1）。這種認識運動過程的形態，既不是螺旋式上升，也不是波浪式前進，而是呈現出“階梯式發展”的形態［7］（圖2）。

朱訓將這種新的認識運動的形式命名為“階梯式發展”，并由此產生了“階梯式發展理論”［7］。階梯式發展的內涵就是指事物具有隨時間從一個階段躍升到更高一級臺階的屬性，這不僅符合科學發展的要求，更為科學發展觀的實現哲學依據和可行途徑［7］。這種“階梯式發展”的運動形式是“曲折性與前進性相統一的”，與“螺旋上升式和波浪前進式”有著共同的基本特征。

馬克思主義認為：世界是物質的，物質是運動的，運動是物質的存在形式；運動是有規律的，其形式是多樣的［7］，主要包括：體量上由小到大；程度上由簡單到復雜；性質上由新事物代替舊事物；層級上由低級到高級的層級性運動。

階梯式運動發展的辨證性質是自然界、人類社會和思維運動的規律性體現。外部世界的辨證發展和人類思維能動的反映，在本質上是同一的。

2 階梯式發展視域下凍土學研究階梯式發展過程

2.1 凍土學研究對象呈階梯式發展

凍土可以準確的定義為：溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土、土壤、沉積物以及人工地質構成物［8］。因此在初期凍土學研究中研究的對象主要是原始的自然凍結狀態的凍結土（圖3），主要是服務于北部極寒地區人類冰凍建筑的需求。在人類對凍土認知的過程中發現凍結土在溫度升高的過程中會發生形態變化（融化過程），隨著人類生活質量的提高對工程建筑供暖的需求，人類建筑設施對凍結土也會產生影響發生融化，另外人類在對全球氣候的變暖過程中預測到凍土未來的融化，因此將研究的對象上升到了正融土（圖3）。之后人工凍結技術和多年凍土區建設過程中巖土地基的回凍問題又將研究的對象上升到了正凍土。而這種階梯式的發展，使得凍土的研究不僅僅針對凍結的巖土，使凍土的研究對象變得多樣化。這與事物發展的能量驅動機制有關（圖3）。由于外部能量的輸入和輸出，造成事物發展的狀態和路徑發生巨大的改變，這種改變稱為階梯的躍遷。著這種凍結土狀態的階梯性的躍遷使得研究的對象發生階梯性的改變。

2.2 凍土學研究問題類型呈階梯式發展

時間是在任何科學范疇內都是關鍵的科學問題之一，因為時間是引起物質世界與精神世界變化的根源。凍土學是地球科學比較年輕的一個分支學科，其科學問題的研究也跟時間有著密切的關系。時間作為主要的標尺貫穿于整個“將今論古”和“將古論今”這一地質學哲學思想方法中。這一觀點是由赫頓（J.Hutton，1788）提出的一個原則，其經典的概念是“今天是過去的鑰匙”。因為發生在歷史時期的地質作用過程已不復存在，可以用現在進行著的地質作用來加以解釋［9］。1830年英國人C.Lyen《地質學原理》一書的出版不僅標志著地質學的誕生，同時深入論證了古代地質作用與現代地質作用的相似性，并同時確立了“將今論古”這一基本的地質學原理［10］。根據這一地學研究的問題類型，對于對未來地質作用的預測也成為一個重要的論題，然而預測則需要在“將今論古”的基礎上，因此我們可以將其稱為“將今論古測未來”。這種“將今”、“論古”和“測未來”的研究問題方法其根本是一種階梯式的逐步認識問題的方法，換句話說，“今天、昨天是未來的鑰匙”

凍土學研究問題的基本類型主要有三種：“昨日”（“論古”）、“今日”（“將今”）和“明日”（“測未來”）（圖4）。

“昨日”問題主要是“論古”，是凍土的地質成因過程，也就是凍土中成冰的歷史、以及過程。“今日”問題主要是“將今”，是研究凍土的現今的形態學問題，是分析現今凍土的組構和性質。通過對形態學的研究，分析古代與現代凍土的地質形成作用的相似性。這一過程在時間上是表現為一系列的階段性，而在空間上則具有的典型的臺階性，從而也證明了階梯式的發展不僅僅是一直向上，在時間尺度上階梯式的發展也會向下，或者向后發展。在搞清凍土的成因和形態學問題后，我們可以總結其發展的一般規律性，而通過這種一般的規律性，我們可以對其未來進行預測。這就是“明日”問題（“測未來”），主要是預測預報問題，是對凍土的變化和未來發展的研究。主要預測在漫長地質時間過程中，各種條件影響下凍土變化的過程以及狀態。

圖4 凍土學發展過程中問題研究類型的階梯式發展Fig.4 Stepwise process of scientific problem types in the development of geocryology

這種“將今論古測未來”的研究問題類型具有的一般階梯式發展特征，而這種研究問題的類型其實是階梯式發展理論的實踐方法論。而且“將今論古測未來”這一階梯式發展研究方法論不僅僅適用于地球科學中，在整個自然科學研究過程都具有普適性。

2.3 凍土學研究的系統類型呈階梯式發展

凍土、工程與環境之間的動態變化看似比較復雜，但是分解開來就是凍土與工程和凍土與環境的動態變化，將其分別看成兩個系統，即凍土－工程系統與凍土－環境系統（圖5）。這兩個子系統分別由相互關聯的元素（子系統）和集合組成。研究工程-凍土-環境系統的科學問題，必須采用從個體到整體，從直接到間接的科學方法，而這一“從零到整”的研究過程則是最為典型的階梯式的發展過程。

圖5 凍土學系統類型的階梯式發展研究Fig.5 Stepwise process of geocryological system types

凍土-工程系統與凍土－環境系統分別為動態和復雜的兩個整體，系統中的各個元素（子系統）按照一定的方式相互聯系、相互依存、相互作用和相互制約。系統雖然復雜，但是都具有階梯性的結構和功能，研究其中各個要素的相互關系和變動的規律性，發現單個元素變化引起階梯性的上層子系統與系統的變化，并從優化系統觀點去發現問題、分析問題和解決問題［8，11］。

工程位于大氣圈和凍土圈的中間，大氣圈中空氣溫度的變化、太陽的輻射、降水等等都會通過工程圈傳遞給凍土圈。凍土圈的變化又會引起工程建筑（圈）的穩定性變化。雖然凍土-工程系統中工程圈、大氣圈和凍土圈是相對獨立的，然而工程的穩定性又與大氣和凍土圈緊密相連，這便是從單個圈層的變化而上升到了凍土-工程系統的認識。凍土-環境系統中，生態圈位于大氣圈和凍土圈的中間，生態圈的變化必然與大氣和凍土圈有著密切的關系，從單個圈層的研究到大氣-生態圈以及凍土-生態圈之間相互影響的研究將我們的認知上升到了凍土-環境系統的研究。之后我們對凍土-工程系統和凍土-環境系統關系的研究將我們的認識又提升到了工程-凍土-環境的研究。這種認識的階梯式上升過程與階梯式發展理論的描述相符。

2.4 工程地質學中凍土學學科結構呈階梯式發展

廣義的工程地質學分類是將工程地質學分為三個基本學科：土質學、工程地質動力學以及區域工程地質學［12］。那么在廣義的工程地質學中，凍土學與其三個基本學科交叉也可以分為三個基本學科：凍土土質學、凍土工程地質動力學以及凍土區域工程地質學［8］。凍土學學科的發展過程也是成階梯式的發展過程，其發展的階梯也具有不同的時空尺度（圖6）。凍土土質學是研究凍土的成分、狀態、構成和性質的一門學科，其研究的主要方向是凍土的形態學。凍土工程地質動力學是在研究自然和人為活動影響下，凍土區形成地殼表層地質過程的一門學科。研究的主要內容是凍土區地殼表層地質過程的形態、成因、機理、時空分布規律及其預測、預報。其時空尺度要比凍土土質學要大［13］。隨著航空遙感技術的發展，使更大時空尺度的凍土區域工程地質學的研究成為了現實。凍土區域工程地質學是研究凍土區工程地質條件、凍土的形成、空間分布以及時空變化規律的一門學科。另外近些年，星球凍土學也成為了研究的熱點，其時空尺度已經發展到了遠地時空研究。因此人類在認識自然事物發展規律的時間和水平不僅與認識能力有關，而且與認識角度有關。

圖6 廣義工程地質學中凍土學學科（不同尺度）階梯式發展過程Fig.6 The stepwise process of geocryological subject（different scales）in the general engineering geology

凍土學科的階梯式時空發展，是與人類主觀認識自然事物發展規律的能力有關。在利用主觀認識改造自然和發展自然的過程中，會發現普通的凍土土質學形態學不能改變凍土災害對人類生活的侵害，因此改變尺度轉換角度，發展凍土工程地質動力學的研究。隨著人類社會的高速發展，大尺度的下的人類工程建設的產生，勢必推動更大尺度的區域性的研究（凍土區域工程地質）。這樣，人們在對現狀認識不滿足的過程中，改變目前認知的欲望隨之增強，從而將會主動地去再認識自然事物發展規律，使自身的認知水平更上一個新臺階［13］。而星球凍土學的研究則被認為是人類遷居外星球的先導研究計劃，雖然研究處于剛起步階段，但是這一研究是凍土學科發展上了一個更高的階梯。

另外，需要特別要強調的是，凍土學科階梯式發展的過程中，時空尺度的變化不僅僅是線性增大的，而往小尺度上的發展也勢必會給凍土學帶來革命性的變化。從微觀尺度上認識凍土土質的變化也將是未來凍土學發展的一個嶄新而重要的方向。

3 結論與展望

本文從凍土學研究系統的多角度，提出了凍土學研究的各個領域均呈階梯式發展，對比凍土學研究各領域的歷程。并在階梯式發展理論的基礎上，對未來系統凍土學研究提出了展望。研究凍土-工程系統不能僅僅關注大氣圈和凍土圈的變化，應該主要關注工程圈這一介質在變化過程中的權重。大氣圈和凍土圈的變化屬于自然不可抗行為，那么為了保證凍土-工程系統的穩定性，我們需要思考如何通過改變工程建筑材料（降低導熱系數）、外立面結構（減低太陽輻射）等等，來降低工程建筑向凍土圈的有效熱傳導。凍土-環境系統方面通常我們認為大氣圈的變化會引起生態圈的變化從而導致凍土的變化，反之凍土圈的變化是否也會引起生態圈的變化，從而導致大氣圈的變化呢？是凍土退化導致了生態植被環境的退化，還是由于生態植被環境的退化而導致凍土的退化？而這些變化過程中，大氣圈的權重又是如何？以上這些從元素（集合）到系統的階梯型的上升認識必定會對凍土-工程-環境系統的研究和認知提供科學的邏輯研究思維。關于工程地質學中凍土學學科的發展需要新的技術作為支撐，從而開拓凍土學的新方向，目前來講（超）低溫的凍土微觀觀測及應力測試技術是限制凍土學微觀研究的主要瓶頸，這一技術也是連接凍土微觀結構和宏觀行為的重要手段，可以使凍土學的研究更上一個臺階，打開全新的研究領域。

階梯式運動發展的辨證性質是自然界、人類社會和思維運動的規律性體現。外部世界的辨證發展和人類思維能動的反映，在本質上是同一的，它所對應的研究對象是一個完整的系統，需要從系統的角度，研究自然規律的本質。系統論認為，一切事物，實際上都是一個系統；一切事物的發展，都是系統的變化。凍土學研究是一個系統的研究，對系統的研究要采用科學的世界觀和方法論，系統科學的主要研究方法是針對不同系統之間的共同特征和特點進行比較研究，并在此基礎上尋求并確立一個具有共同適用性的原理、原則和模型。