自然地理学前沿

《自然地理学前沿》立足学科前沿，结合国家战略需求，在论述地理学发展态势与前沿的基础上，系统阐述自然地理学的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点、总体发展态势、关键科学问题与发展方向，论述地貌学、气候学、水文学、生物地理学、土壤地理学、综合自然地理学和地理系统模型模拟等自然地理学分支学科的研究任务、研究现状与发展趋势、关键科学问题和优先研究领域。《自然地理学前沿》紧扣国际前沿科学问题和社会发展的迫切需求，力图从学科发展战略层面展现当代自然地理学的前沿方向，以期服务自然地理学与相关学科的发展。

目录
丛书序 /i
前言 /v
摘要 /ix
Abstract /xv
第一章 地理学发展态势与前沿 1
第一节 地理学的基本知识 1
第二节 地理学的发展态势 4
第三节　地理学与决策 9
第四节　地理学发展展望 12
本章参考文献 14
第二章 自然地理学科学意义与战略价值 16
第一节 自然地理学研究的科学意义 16
第二节 自然地理学的学科战略价值 22
本章参考文献 28
第三章 自然地理学发展规律与研究特点 31
第一节 自然地理学的学科内涵 31
第二节 自然地理学的发展规律 33
第三节 自然地理学的学科发展动力 38
第四节 自然地理学的研究特点 47
本章参考文献 50
第四章 自然地理学总体发展态势 54
第一节 自然地理学的国际发展态势 54
第二节 自然地理学的国内发展态势 62
本章参考文献 74
第五章 自然地理学的关键科学问题与发展方向 75
第一节 自然地理学发展的关键科学问题和总体思路 76
第二节 自然地理学学科生长点与发展方向 82
第三节 自然地理学学科发展的政策建议 91
本章参考文献 93
第六章 地貌学发展态势与发展方向 96
第一节 地貌学研究任务 96
第二节 研究现状与发展趋势 101
第三节 关键科学问题 112
第四节 优先研究领域 118
本章参考文献 119
第七章 气候学发展态势与发展方向 132
第一节 气候学研究任务 132
第二节 研究现状与发展趋势 136
第三节　关键科学问题 141
第四节　优先研究领域 145
本章参考文献 148
第八章 水文学发展态势与发展方向 151
第一节　水文学研究任务 152
第二节　研究现状与发展趋势 155
第三节　关键科学问题 162
第四节　优先研究领域 164
本章参考文献 167
第九章 生物地理学发展态势与发展方向 174
第一节　生物地理学研究任务 174
第二节　研究现状与发展趋势 176
第三节　关键科学问题 191
第四节　优先研究领域 192
本章参考文献 196
第十章 土壤地理学发展态势与发展方向 206
第一节　土壤地理学研究任务 206
第二节　研究现状与发展趋势 209
第三节　关键科学问题 220
第四节　优先研究领域 222
本章参考文献 224
第十一章 综合自然地理学发展态势与发展方向 231
第一节　综合自然地理学研究任务 231
第二节　研究现状与发展趋势 232
第三节　关键科学问题 252
第四节　优先研究领域 254
本章参考文献 259
第十二章 地理系统模型模拟发展态势与发展方向 271
第一节　地理系统模型模拟研究任务 271
第二节　研究现状与发展趋势 272
第三节　关键科学问题 280
第四节　优先研究领域 283
本章参考文献 287
关键词索引 295

第一章 地理学发展态势与前沿
　　地理学是人类知识宝库的重要组成部分，旨在探索自然规律，昭示人文精 华。经过长期尤其是近几十年的发展，地理学的理论、技术、方法不断创新， 研究范式正在悄然发生改变，地理学已经进入现代科学技术体系。目前，地理 学面临良好的发展机遇，正处于向地理科学华丽转身的历史进程，并在服务政 府决策与国家需求中得到持续发展和提升。自然地理学是地理学的重要基础学 科。本章分别论述地理学的基本知识、地理学的发展动态、地理学与决策，并 探讨中国地理学的发展方向和重点领域，旨在把握我国自然地理学的宏观学科 背景，为分析自然地理学学科发展战略提供支撑。
　　第一节 地理学的基本知识
　　一、地理学的内涵与特点
　　地理学是一门既古老又现代的科学，《易经 系辞》中就有“仰以观于天文， 俯以察于地理，是故知幽明之故”的表述。现代地理学中，“地”是指地球或 者是地球表面，或者是地球表层，或者是指一个区域。“理”是指事、规律， 或者是事理规律性的内在联系。地理是指地球表层的地理现象或事物的分布、 时间演变和相互作用规律等。因此，地理学就是研究地理要素或者是地理综合 体的空间分布规律、时间演变过程和区域特征的一门学科（傅伯杰等，2015)。 地理要素通常分为五种，包括水、土壤、大气、生物和人类活动，简称水土气 生人。地理综合体由地理要素组成。在自然界中，一个生态系统可以看作一个 地理综合体，一个自然地带也是一个地理综合体。在人类社会中，地理综合体既可以是一个城市，也可以是一个城市的街区。在空间分布规律研究中，从云 南的西双版纳到黑龙江的漠河，是一个热带到寒带的跨越。这样的自然地带分 布，就是地理综合体的空间分异。时间演变过程主要是对历史时期的研究，且 包括一部分地质历史时期。例如，第四纪研究需要分析从过去到现在的地理过 程，再预测未来的发展，这就是时间演变过程。地理学还需要研究地理要素、 地理综合体的区域特征。例如，在京津冀协同发展研究中分析其区域特征，考 虑城市之间的互补性、功能定位、交通网络构成等，辨析城市之间的相互作用 过程，进而为区域协调可持续发展服务。
　　地理学是一门研究人地关系的科学（陆大道和郭来喜，1998 )，具有综合 性、交叉性和区域性的特点。地理学从建立之初就强调自然科学和人文科学 的交叉。地理学初期的综合性来源于学科的多样化，但随着分支学科的深入发 展，地理学越来越呈现出一种空心化的趋势。要防止地理学空心化现象，目前 *主要的是加强地理学基本理论和方法的研究，也就是加强综合研究，强调人 地相互关系的耦合机制，充分体现地理学综合性的特点。中国现代地理学的开 拓者之一黄秉维先生提出，综合是地理学存在的依据，综合研究地理环境是辩 证地认识地理环境形成与发展的根本途径（黄秉维，1960)。也就是说，只有 坚持综合的方向才是地理学发展的核心方向，综合研究地理环境是辩证地认识 地理环境形成与发展的根本途径。
　　作为一门经世致用的学科，地理学的综合性体现在地理学研究具有多维 的、动态的视角。以人地关系作为主线来开展地理学综合研究，其综合性和动 态性主要包括三个方面：第一是以地表环境、地球环境动态变化为主的动态研 究，即环境动态研究；第二是以人类社会发展为主体的人类社会动态研究，聚 焦环境和社会动态之间的关系；第三是对区域、流域等研究区域的综合分析。 例如，在城市化研究中，需要明晰中心城市和卫星城市之间在产业布局、交通 网络布局、人口分布方面的相互作用和相互依赖情形。同时，地理学综合研究 不仅需要发展综合地理学的研究理论和方法，还要关注尺度间的相互依赖。地 理学研究对象有尺度大小之分，小尺度可以到生态系统，大尺度可以到全球。 研究区域特征和区际依赖是地理学综合研究的重要主题。地理学的空间表达也 是多元化、多样化的。除语言、数字等基本表达方式外，图形也是地理学表达 的主要形式，如通过研究地图可以分析地理的空间分布，对比不同时期的地图 可以为地理空间演变研究提供直观支持。
　　二、地理学的研究对象和学科门类
　　地理学的研究对象是地球表层，即地球陆海表面。它是由岩石圈、水圈、 大气圈、生物圈和人类智慧圈等相互作用、相互渗透形成的自然-社会综合 体。地理学不仅要研究地球的自然性，还要研究其社会性和经济性。在以地质 历史时期为代表的地质年代，地球已经进入“人类世”的新纪兀（Crutzen and Stoermer，2000)。人类主导社会经济，改变着地球的表面环境，影响着地球系统 的演化与发展。地理学研究空间的上界面是大气圈对流层顶部，下界面是岩石 圈的上部。地球表层是地球上*复杂的一个界面，是物质三态相互作用、有机 与无机相互转化的场所，又是地球内外营力相互作用的场所。地球内营力、地 球内部活动构造作用对地球表层有显著影响，地球外营力对地球表层的改变也 非常明显。火山爆发、地震、板块运动等内营力造成了高原隆升，是地球的内 部动力；流水侵蚀、风力剥蚀等外营力塑造了地表千姿万态的自然界形态。尤 为重要的是，地球表层系统是人类赖以生存的环境，维持人类的可持续发展必 须要保护地球表层系统。因此，地理学的研究不仅涉及物质和能量在垂直方向 上的迁移转化，还涉及物质和能量在水平方向上的分异与动态；既包括对自 然过程的刻画，还涵盖对人文和社会经济过程的辨析，更包括人地系统耦合 (Liu et al.，2007)。面对资源、生态、环境等众多复杂的综合性问题，地理学需 要找到一条综合性的途径来应对众多挑战，为人类可持续发展奠定学科基础。
　　地理学是一个门类多样的学科，自然地理学、人文地理学、地理信息科学 均不同程度地与其他学科有所关联。例如，在自然地理学中，地貌学和地质学 交叉、气候学和气象学交叉、生物地理学和生物学交叉、土壤地理学和土壤学 交叉、水文地理学和水文学交叉；人文地理学包括人口地理学、城市地理学、 经济地理学、政治地理学、社会文化地理学，它们分别和人口学、城市学、经 济学、政治学、社会学交叉；地理信息科学包括地理信息系统、地图学、数量 地理学、遥感，它们分别和计算机、大地测量学、统计数学、工程学交叉。
　　地理学研究中的自然环境和人类活动特征均表现为空间异质性。异质环 境下的区域地理过程和效应是地理学研究的前沿。空间差异实质上是地理学研 究的一个本源。例如，在城市化研究中，通过城市中心到城市周边的剖面或样 带，可以剖析其城市化的整个过程，体现了城市化过程中的空间异质性。地理 学的区域性通过地理分异以“格局”来表现，“地理过程”则显示出地理现象 的时空演变，所以“格局与过程”耦合是地理学综合研究的重要途径和方法 (傅伯杰，2014)。无论是自然地理、人文地理，还是环境方面的研究，往往可 以先划分不同的格局，然后分析不同格局对过程的影响效应，在此基础上探讨 过程如何影响格局。其原因在于无论是自然环境还是人类活动，都具有空间差 异性，该空间差异性往往对地理过程产生重要影响。
　　第二节 地理学的发展态势
　　地理学是地球科学的重要领域之一，地理学的综合性和系统理念引领了 当代地球科学的发展趋势，地球科学已进入地球系统科学研究的新阶段（黄秉 维，1996)。同时，日益复杂的人地关系所孕育的重大社会需求为地理学发展 提供了新的发展空间，亟须地理学解决资源、环境和发展面临的众多复杂问题 (陆大道，2015)。地理学正在进入新的历史发展阶段。
　　一、地理学研究主题的变化
　　地理学研究主题正在不断发生变化，其总体变化特征是从“多元”走向“系 统”，强调以地球表层的变化为起点，运用地理学的系统视角与科学工具分析和 理解当今人类社会面临的重大问题。例如，陆地表层是英国自然环境研究委员会 (Natural Environment Research Council，NERC)的重点资助领域，也是增长*快的 研究领域。尽管英国自然环境研究委员会资助项目涉及的范围越来越广泛，但对 气候变化、生物地球化学循环等重点研究方向保持着较大的支持力度。美国地理 研究也是以土地利用、气候、水资源、人类活动为主，强调多学科的交叉。综合 气候、陆地（土地利用与生态系统)、水资源和人类活动的大尺度地表变化过程 研究是美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF)近年来资助的重 点研究方向。其资助的研究强调对地理科学、地球科学、生命科学、社会科学和 工程学研究视角与方法的综合应用。此外，美国国家科学基金会对与可持续发展 相关的研究支持力度越来越大，人和自然系统的耦合研究、人地关系一直是支持 的重点方向；同时，也特别关注地理信息技术在公共健康问题中的应用、气候变 化研究、长期生态研究等。德国科学基金会、德国联邦教育与科研部资助的地理 学研究项目以社会与经济、能源、全球变化、资源与可持续、地球系统和未来城 市为主题，其项目更加强调与德国的国情紧密结合，以解决德国的国内问题为重要导向。
　　在地理学科研究方面，我国国家自然科学基金密切关注地理学研究的热点和 前沿领域，如气候变化、环境变化、温室气体、生态系统、城市化、人地关系、 土地利用等；同时，注重加强研究方法和手段的综合研究，包括遥感（remote sensing，RS )、地理信息系统（geographic information system，GIS )、空间分析、 数字模拟等技术（冷疏影，2016)。其中，自然地理学领域以水、气候变化、水 土可持续利用为主题词，在国际上发表的文章越来越多。人文地理和经济地理研 究则更聚焦中国经济在全球经济一体化中的作用。我国在亚太地区乃至全球的 地位越来越高，也影响着我国经济地理、社会文化地理、政治地理学科的发展。 相应地，地理学也需要加强地缘政治、地缘经济和全球区域经济一体化进程的 研究。
　　国内外地理学研究内容相比而言，自然地理学的中外研究热点大体一致，我 国研究的区域性特点更加明显，美英研究的热点比较相似。对于人文地理学，虽 然国内外同样关注城市、增长、网络结构这些主题，但国内研究更专注人口、土 地利用、城市化、旅游等主题，而国外研究更注重政治、健康、知识、休闲、创 新、性别等主题。这表明，国外更关注政治地理、文化地理及社会地理学，而国 内更侧重经济地理学。当前，地理学已经进入地理科学的时代。在这个大科学的 时代背景下，以可持续发展面临的问题为导向，地理学研究议题将变得更为综合 和多元，地理学视角也在其他领域得到越来越多的应用和重视。地理学研究主题 变化在我国国家自然科学基金地理科学申请代码历史沿革中表现得尤为明显。例 如，2021版申请代码中已经正式将一级代码名称由“地理学（D01)”改为“地理 科学（D01)”；为体现学科的交叉融合，新代码体系中仅设二级申请代码，取消 了三级申请代码；针对学科发展与经济社会发展需求，增加了 “灾害地理”、“土 地科学”、“地理大数据与空间智能”和“地理观测与模拟技术”等新兴学科与领 域代码（熊巨华等，2020)。地球表层的快速变化为地理科学的发展提供了重要 的机遇，而“未来地球”（Future Earth)研究计划、联合国可持续发展目标等则为 地理学的综合研究提供了更为广阔的天地。地理学的研究主题正在经历着从地表 格局到地表过程，再到人地系统耦合与可持续发展的深化过程。
　　二、地理学研究范式的变迁
　　将地理空间分布看作格局，地理时空演变看作过程，地理学综合研究的重要任务是耦合格局和过程、发展地理学的综合特征。目前，地理学的理论、方 法、技术已经成为解决人类社会面临的可持续发展问题的学科基础。随着对岩 石圈、水圈、生物圈、大气圈与人类智慧圈交互作用过程的理解不断深化，地 理学研究范式也经历着不断的发展：第一个研究范式，是对地理学知识的描 述；第二个研究范式，是格局与过程的耦合；第三个研究范式，是对复杂人地 系统的模拟和预测（图1-1)。早期的地理学研究范式是描述性的，是以传播人 类