林 芳， 朱 訓(xùn)， 張 澤

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地學(xué)哲學(xué)研究所，北京100083；2.中國人民政治協(xié)商會議全國委員會，北京100811；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)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(yè)大學(xué)寒區(qū)科學(xué)與工程研究院/土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

0 引言

“階梯式發(fā)展理論”是我國地質(zhì)學(xué)家、原地質(zhì)礦產(chǎn)部部長、全國政協(xié)第八屆委員會秘書長朱訓(xùn)同志在長期礦產(chǎn)勘查實踐的基礎(chǔ)上，運用馬克思主義哲學(xué)基本原理總結(jié)礦產(chǎn)勘查工作實踐經(jīng)驗中提出的。它的形成經(jīng)歷了一個漫長的過程。恩格斯說：“人的思維的最本質(zhì)和最切近的基礎(chǔ)，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(fā)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(zhì)變或者部分質(zhì)變［1］。階梯式發(fā)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(zhì)的飛躍，是從量變到質(zhì)變的過程。在地球生命演化的過程中，生物圈的產(chǎn)生和演化經(jīng)歷了大約35億年的時間，從最早的單細胞生命（藍菌）到現(xiàn)今種類繁多的生物界，經(jīng)歷了多次關(guān)鍵的階梯式演化過程——既包括長期的漸變（演化的緩坡式發(fā)展）也包括短期內(nèi)發(fā)生的突變（演化質(zhì)的飛躍或階梯式的發(fā)展）［2］。從猿到人的演變進化過程中也經(jīng)歷了一系列的從量變到質(zhì)變的飛躍時間，包括直立行走，大腦擴容，創(chuàng)造工具，火的使用，藝術(shù)創(chuàng)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(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布，另外階梯式的成礦現(xiàn)象，按照礦產(chǎn)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(fā)展”這一理論觀點提出后的二十多年過程中，科研工作者經(jīng)過對自然界，特別是對地球上地質(zhì)的演化和人類社會發(fā)展的考察，認識到階梯式發(fā)展在自然界、人類社會和認識領(lǐng)域同樣是廣泛存在的。

凍土學(xué)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(xué)，它的發(fā)生和發(fā)展與人類的生產(chǎn)和生活有著密切的關(guān)系［3］。凍土學(xué)是由于凍土地區(qū)的農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟和工程建設(shè)的需要而逐漸形成的一門獨立的學(xué)科。凍土地區(qū)占據(jù)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(tǒng)5大圈層之一，是冰凍圈的重要組成部分，凍土學(xué)是研究冰凍圈的兩大主要學(xué)科之一［5-6］。

近年來隨著國家一帶一路發(fā)展計劃的推進，凍土學(xué)也相繼出現(xiàn)飛躍式的迅速發(fā)展，并且與其他學(xué)科出現(xiàn)了交叉和相互聯(lián)系，不斷出現(xiàn)了新的研究方向。凍土學(xué)所解決的基本問題，一方面屬于自然科學(xué)類范疇，另一方面又屬于工程應(yīng)用學(xué)科。在凍土學(xué)發(fā)展的過程中從凍土學(xué)的研究對象、研究問題類型、研究的系統(tǒng)類型、到學(xué)科的結(jié)構(gòu)發(fā)展都普遍存在階梯式的發(fā)展規(guī)律。

1 階梯式發(fā)展理論

1991年春，朱訓(xùn)在中央黨校學(xué)習(xí)期間，運用馬克思主義哲學(xué)的基本原理，對新中國成立以來的42年的礦產(chǎn)勘查實踐進行了總結(jié)。將礦產(chǎn)勘查過程分為四個階段，即，預(yù)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(nèi)實驗室研究的過程（圖1）。這種認識運動過程的形態(tài)，既不是螺旋式上升，也不是波浪式前進，而是呈現(xiàn)出“階梯式發(fā)展”的形態(tài)［7］（圖2）。

朱訓(xùn)將這種新的認識運動的形式命名為“階梯式發(fā)展”，并由此產(chǎn)生了“階梯式發(fā)展理論”［7］。階梯式發(fā)展的內(nèi)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(xué)發(fā)展的要求，更為科學(xué)發(fā)展觀的實現(xiàn)哲學(xué)依據(jù)和可行途徑［7］。這種“階梯式發(fā)展”的運動形式是“曲折性與前進性相統(tǒng)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(zhì)的，物質(zhì)是運動的，運動是物質(zhì)的存在形式；運動是有規(guī)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(fù)雜；性質(zhì)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(fā)展的辨證性質(zhì)是自然界、人類社會和思維運動的規(guī)律性體現(xiàn)。外部世界的辨證發(fā)展和人類思維能動的反映，在本質(zhì)上是同一的。

2 階梯式發(fā)展視域下凍土學(xué)研究階梯式發(fā)展過程

2.1 凍土學(xué)研究對象呈階梯式發(fā)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(zhì)構(gòu)成物［8］。因此在初期凍土學(xué)研究中研究的對象主要是原始的自然凍結(jié)狀態(tài)的凍結(jié)土（圖3），主要是服務(wù)于北部極寒地區(qū)人類冰凍建筑的需求。在人類對凍土認知的過程中發(fā)現(xiàn)凍結(jié)土在溫度升高的過程中會發(fā)生形態(tài)變化（融化過程），隨著人類生活質(zhì)量的提高對工程建筑供暖的需求，人類建筑設(shè)施對凍結(jié)土也會產(chǎn)生影響發(fā)生融化，另外人類在對全球氣候的變暖過程中預(yù)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(jié)技術(shù)和多年凍土區(qū)建設(shè)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(fā)展，使得凍土的研究不僅僅針對凍結(jié)的巖土，使凍土的研究對象變得多樣化。這與事物發(fā)展的能量驅(qū)動機制有關(guān)（圖3）。由于外部能量的輸入和輸出，造成事物發(fā)展的狀態(tài)和路徑發(fā)生巨大的改變，這種改變稱為階梯的躍遷。著這種凍結(jié)土狀態(tài)的階梯性的躍遷使得研究的對象發(fā)生階梯性的改變。

2.2 凍土學(xué)研究問題類型呈階梯式發(fā)展

時間是在任何科學(xué)范疇內(nèi)都是關(guān)鍵的科學(xué)問題之一，因為時間是引起物質(zhì)世界與精神世界變化的根源。凍土學(xué)是地球科學(xué)比較年輕的一個分支學(xué)科，其科學(xué)問題的研究也跟時間有著密切的關(guān)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(zhì)學(xué)哲學(xué)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(jīng)典的概念是“今天是過去的鑰匙”。因為發(fā)生在歷史時期的地質(zhì)作用過程已不復(fù)存在，可以用現(xiàn)在進行著的地質(zhì)作用來加以解釋［9］。1830年英國人C.Lyen《地質(zhì)學(xué)原理》一書的出版不僅標志著地質(zhì)學(xué)的誕生，同時深入論證了古代地質(zhì)作用與現(xiàn)代地質(zhì)作用的相似性，并同時確立了“將今論古”這一基本的地質(zhì)學(xué)原理［10］。根據(jù)這一地學(xué)研究的問題類型，對于對未來地質(zhì)作用的預(yù)測也成為一個重要的論題，然而預(yù)測則需要在“將今論古”的基礎(chǔ)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(xué)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(zhì)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(xiàn)今的形態(tài)學(xué)問題，是分析現(xiàn)今凍土的組構(gòu)和性質(zhì)。通過對形態(tài)學(xué)的研究，分析古代與現(xiàn)代凍土的地質(zhì)形成作用的相似性。這一過程在時間上是表現(xiàn)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(fā)展不僅僅是一直向上，在時間尺度上階梯式的發(fā)展也會向下，或者向后發(fā)展。在搞清凍土的成因和形態(tài)學(xué)問題后，我們可以總結(jié)其發(fā)展的一般規(guī)律性，而通過這種一般的規(guī)律性，我們可以對其未來進行預(yù)測。這就是“明日”問題（“測未來”），主要是預(yù)測預(yù)報問題，是對凍土的變化和未來發(fā)展的研究。主要預(yù)測在漫長地質(zhì)時間過程中，各種條件影響下凍土變化的過程以及狀態(tài)。

圖4 凍土學(xué)發(fā)展過程中問題研究類型的階梯式發(fā)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(fā)展特征，而這種研究問題的類型其實是階梯式發(fā)展理論的實踐方法論。而且“將今論古測未來”這一階梯式發(fā)展研究方法論不僅僅適用于地球科學(xué)中，在整個自然科學(xué)研究過程都具有普適性。

2.3 凍土學(xué)研究的系統(tǒng)類型呈階梯式發(fā)展

凍土、工程與環(huán)境之間的動態(tài)變化看似比較復(fù)雜，但是分解開來就是凍土與工程和凍土與環(huán)境的動態(tài)變化，將其分別看成兩個系統(tǒng)，即凍土－工程系統(tǒng)與凍土－環(huán)境系統(tǒng)（圖5）。這兩個子系統(tǒng)分別由相互關(guān)聯(lián)的元素（子系統(tǒng)）和集合組成。研究工程-凍土-環(huán)境系統(tǒng)的科學(xué)問題，必須采用從個體到整體，從直接到間接的科學(xué)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(fā)展過程。

圖5 凍土學(xué)系統(tǒng)類型的階梯式發(fā)展研究Fig.5 Stepwise process of geocryological system types

凍土-工程系統(tǒng)與凍土－環(huán)境系統(tǒng)分別為動態(tài)和復(fù)雜的兩個整體，系統(tǒng)中的各個元素（子系統(tǒng)）按照一定的方式相互聯(lián)系、相互依存、相互作用和相互制約。系統(tǒng)雖然復(fù)雜，但是都具有階梯性的結(jié)構(gòu)和功能，研究其中各個要素的相互關(guān)系和變動的規(guī)律性，發(fā)現(xiàn)單個元素變化引起階梯性的上層子系統(tǒng)與系統(tǒng)的變化，并從優(yōu)化系統(tǒng)觀點去發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性變化。雖然凍土-工程系統(tǒng)中工程圈、大氣圈和凍土圈是相對獨立的，然而工程的穩(wěn)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(tǒng)的認識。凍土-環(huán)境系統(tǒng)中，生態(tài)圈位于大氣圈和凍土圈的中間，生態(tài)圈的變化必然與大氣和凍土圈有著密切的關(guān)系，從單個圈層的研究到大氣-生態(tài)圈以及凍土-生態(tài)圈之間相互影響的研究將我們的認知上升到了凍土-環(huán)境系統(tǒng)的研究。之后我們對凍土-工程系統(tǒng)和凍土-環(huán)境系統(tǒng)關(guān)系的研究將我們的認識又提升到了工程-凍土-環(huán)境的研究。這種認識的階梯式上升過程與階梯式發(fā)展理論的描述相符。

2.4 工程地質(zhì)學(xué)中凍土學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)呈階梯式發(fā)展

廣義的工程地質(zhì)學(xué)分類是將工程地質(zhì)學(xué)分為三個基本學(xué)科：土質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)動力學(xué)以及區(qū)域工程地質(zhì)學(xué)［12］。那么在廣義的工程地質(zhì)學(xué)中，凍土學(xué)與其三個基本學(xué)科交叉也可以分為三個基本學(xué)科：凍土土質(zhì)學(xué)、凍土工程地質(zhì)動力學(xué)以及凍土區(qū)域工程地質(zhì)學(xué)［8］。凍土學(xué)學(xué)科的發(fā)展過程也是成階梯式的發(fā)展過程，其發(fā)展的階梯也具有不同的時空尺度（圖6）。凍土土質(zhì)學(xué)是研究凍土的成分、狀態(tài)、構(gòu)成和性質(zhì)的一門學(xué)科，其研究的主要方向是凍土的形態(tài)學(xué)。凍土工程地質(zhì)動力學(xué)是在研究自然和人為活動影響下，凍土區(qū)形成地殼表層地質(zhì)過程的一門學(xué)科。研究的主要內(nèi)容是凍土區(qū)地殼表層地質(zhì)過程的形態(tài)、成因、機理、時空分布規(guī)律及其預(yù)測、預(yù)報。其時空尺度要比凍土土質(zhì)學(xué)要大［13］。隨著航空遙感技術(shù)的發(fā)展，使更大時空尺度的凍土區(qū)域工程地質(zhì)學(xué)的研究成為了現(xiàn)實。凍土區(qū)域工程地質(zhì)學(xué)是研究凍土區(qū)工程地質(zhì)條件、凍土的形成、空間分布以及時空變化規(guī)律的一門學(xué)科。另外近些年，星球凍土學(xué)也成為了研究的熱點，其時空尺度已經(jīng)發(fā)展到了遠地時空研究。因此人類在認識自然事物發(fā)展規(guī)律的時間和水平不僅與認識能力有關(guān)，而且與認識角度有關(guān)。

圖6 廣義工程地質(zhì)學(xué)中凍土學(xué)學(xué)科（不同尺度）階梯式發(fā)展過程Fig.6 The stepwise process of geocryological subject（different scales）in the general engineering geology

凍土學(xué)科的階梯式時空發(fā)展，是與人類主觀認識自然事物發(fā)展規(guī)律的能力有關(guān)。在利用主觀認識改造自然和發(fā)展自然的過程中，會發(fā)現(xiàn)普通的凍土土質(zhì)學(xué)形態(tài)學(xué)不能改變凍土災(zāi)害對人類生活的侵害，因此改變尺度轉(zhuǎn)換角度，發(fā)展凍土工程地質(zhì)動力學(xué)的研究。隨著人類社會的高速發(fā)展，大尺度的下的人類工程建設(shè)的產(chǎn)生，勢必推動更大尺度的區(qū)域性的研究（凍土區(qū)域工程地質(zhì)）。這樣，人們在對現(xiàn)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(fā)展規(guī)律，使自身的認知水平更上一個新臺階［13］。而星球凍土學(xué)的研究則被認為是人類遷居外星球的先導(dǎo)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(xué)科發(fā)展上了一個更高的階梯。

另外，需要特別要強調(diào)的是，凍土學(xué)科階梯式發(fā)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(fā)展也勢必會給凍土學(xué)帶來革命性的變化。從微觀尺度上認識凍土土質(zhì)的變化也將是未來凍土學(xué)發(fā)展的一個嶄新而重要的方向。

3 結(jié)論與展望

本文從凍土學(xué)研究系統(tǒng)的多角度，提出了凍土學(xué)研究的各個領(lǐng)域均呈階梯式發(fā)展，對比凍土學(xué)研究各領(lǐng)域的歷程。并在階梯式發(fā)展理論的基礎(chǔ)上，對未來系統(tǒng)凍土學(xué)研究提出了展望。研究凍土-工程系統(tǒng)不能僅僅關(guān)注大氣圈和凍土圈的變化，應(yīng)該主要關(guān)注工程圈這一介質(zhì)在變化過程中的權(quán)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(tǒng)的穩(wěn)定性，我們需要思考如何通過改變工程建筑材料（降低導(dǎo)熱系數(shù)）、外立面結(jié)構(gòu)（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(dǎo)。凍土-環(huán)境系統(tǒng)方面通常我們認為大氣圈的變化會引起生態(tài)圈的變化從而導(dǎo)致凍土的變化，反之凍土圈的變化是否也會引起生態(tài)圈的變化，從而導(dǎo)致大氣圈的變化呢？是凍土退化導(dǎo)致了生態(tài)植被環(huán)境的退化，還是由于生態(tài)植被環(huán)境的退化而導(dǎo)致凍土的退化？而這些變化過程中，大氣圈的權(quán)重又是如何？以上這些從元素（集合）到系統(tǒng)的階梯型的上升認識必定會對凍土-工程-環(huán)境系統(tǒng)的研究和認知提供科學(xué)的邏輯研究思維。關(guān)于工程地質(zhì)學(xué)中凍土學(xué)學(xué)科的發(fā)展需要新的技術(shù)作為支撐，從而開拓凍土學(xué)的新方向，目前來講（超）低溫的凍土微觀觀測及應(yīng)力測試技術(shù)是限制凍土學(xué)微觀研究的主要瓶頸，這一技術(shù)也是連接凍土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀行為的重要手段，可以使凍土學(xué)的研究更上一個臺階，打開全新的研究領(lǐng)域。

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