中国综合自然地理学的近今进展与前瞻_许学工

地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第64卷第9期
2009年9月Vol.64,No.9Sept.,2009
中国综合自然地理学的近今进展与前瞻
许学工,李双成,蔡运龙
(北京大学地理科学研究中心，北京100871)
摘要：综合自然地理学及相关的景观生态学是自然地理学的重要分支学科。

本文综述了近年
来综合自然地理学在学术和应用方面取得的重要进展，由3部分组成：(1)学科发展回顾；
(2)近今主要进展，包括在基础研究理论与方法技术方面的学科进展和研究成果应用方面的贡
献；(3)学科未来展望，包括机遇与挑战分析和重点研究领域。

综合自然地理学的未来发展应
注意以下方面：进一步促进更高层次的综合与集成，加强多学科间的交叉融合，共同探究地
表系统复杂性问题及机制；进一步提高观测技术和模型模拟的水平，以解决空间与时间上更
为复杂的生物地理过程和格局问题；进一步拓展应用领域，为国家资源、环境和社会经济的
可持续发展提供科技支持。

关键词：综合自然地理学；景观生态学；土地科学；自然区划
1学科发展回顾
1.1综合自然地理学的建立
综合自然地理学(Integrated physical geography)是在部门自然地理学的基础上对自然地理环境整体进行系统的综合研究[1]。

早在20世纪50年代末期，前苏联A.R.伊萨钦科来中国讲学，系统介绍了有关地理壳、自然区划和景观学的进展。

这个讲学的进修班在林超教授领导下经集体讨论，确定了“综合自然地理学”的学科名称[2]，并发展为自然地理学的一门独立分科。

综合自然地理学是中国学者创立和命名的学科，这与中国传统文化的影响有关，也与老一辈地理学家的长期努力有关。

在此之前，林超、黄秉维等就已从事自然地理的综合研究工作,如黄秉维在20世纪30年代编撰了《自然地理原理》和《中国地理》等，周廷儒在30-40年代开创对历史时期环境变化的综合研究。

我国综合自然地理学实际上既经历了20世纪初的西方近代地理学的传入，又继承了中国古代地理学的传统，还受到原苏联地理学思想的深刻影响，并且与国家的经济建设密切结合，形成和发展成为具有中国特色的综合自然地理学[3]。

综合自然地理学不是对部门自然地理学的简单叠加。

在它创立之初，就抓住地域分异规律、土地类型、自然区划等核心问题，从基础理论、类型结构和区域角度对自然综合体进行研究。

黄秉维提出自然地理学要分别研究地表物理的、化学的和生物的自然过程，然后加以综合。

他指出，从更广阔的视野看，3个方向存在着外延部分叠合的关系，可以将不同尺度的研究结合在一个统一的体系之中,并将导致对地理环境中现代过程及其地域分异秩序的全面了解[4]。

这样，就突破了描述性的、以要素为主体的传统综合研究模式，为综合自然地理学的深入和自然地理综合研究开创了新路[3]。

20世纪80年代，钱学森提出要发展地球表层学[5]，本来即以地球表层为研究对象，并在全球自然地域分异规律方面有所建树的综合自然地理学正好与之契合。

面对地球表收稿日期：2009-05-15;修订日期：2009-06-20
基金项目：科技部创新方法工作资助(2007FY140800-1)[Foundation:Innovation Method Fund of the Ministry of Science
and Technology of China,No.2007FY140800-1]
作者简介：许学工(1950-),女,博士,教授,中国地理学会会员(S110001473M),主要研究方向为综合自然地理学。

E-mail:xxg@
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层这一复杂巨系统，综合自然地理学在研究中采用了系统科学的理论和方法。

90年代针对西方提出的地球系统科学和可持续发展，黄秉维提出建立“陆地系统科学”[6]的理论体系。

他指出，区域持续发展研究的理论基础是对地球表层（主要陆地表层）自然与人文各种要素的综合规律的揭示，即陆地系统科学。

地球系统科学中大气基本是气体，海洋基本是液体，陆地由固体、液体、气体组成，生物界亦最复杂，受到人类活动的影响最深，与人类生存和发展关系又最密切[6]。

建议以研究中国区域可持续发展为任务带动陆地系统科学的发展[7]。

陆地系统科学的提出进一步体现了综合性地理研究的思想，促进了综合自然地理学的理论建设。

进入21世纪，综合的理论和方法在与国际重大研究计划结合中进一步得到发展。

综合自然地理学还大量展开了综合研究实践，如综合自然区划、资源综合开发、国土整治、区域规划、环境保护等工作，以自然地理学为基础，结合相邻学科的理论方法，去解决那些具有综合性特点的复杂问题，这使它的发展能够适应时代发展的需要。

有老一辈综合自然地理学家如林超、黄秉维、周廷儒、赵松桥、陈传康等奠定的基础，也有许多中、青年综合自然地理工作者的不懈努力，目前的综合自然地理学已经有了长足的发展。

50多年来，中国的综合自然地理学研究在古地理学、现代自然地理过程、土地科学、综合自然区划与区域可持续发展等领域的发展均取得了显著进展[3]。

综合自然地理学理论和应用的深化对整个地理学综合研究的深入发展起到了促进作用。

1.2综合自然地理视角的景观生态学
景观生态学(Landscape ecology)是研究和改善空间格局与生态和社会经济过程相互关系的整合性交叉学科。

其核心内容包括景观结构、景观功能和景观动态等，研究重点集中在景观格局与生态过程相互关系及其尺度效应、人类活动对于景观结构、过程和功能的影响，及其景观异质性的持续性利用与管理等[8]。

景观生态学既有地理学派也有生态学派，目前在地理科学领域中与综合自然地理学难分伯仲，许多景观生态学家也是综合自然地理学家。

这要从它的渊源说起。

景观生态学起源于欧洲，一般认为其创始人是德国地理学家特罗尔(Carl Troll，1899-1975)，他于1939年正式提出“景观生态学”一词[9]，并在1968年将其定义为：“研究一个给定景观区段中生物群落和其环境间的主要的、综合、因果关系的科学。

这些关系在区域分布上具有一定的空间结构(景观镶嵌体与组合)，在自然地理分布上具有等级结构”。

欧洲的景观生态学不论从诞生的学科背景还是其完善过程和学科贡献，以及应用指向，都带有浓重的综合自然地理学色彩。

其关注的重点从土地利用评价与规划逐渐扩展到资源开发与管理、生物多样性保护等领域，在理论上强调景观的多功能性、综合整体性、景观与文化的协同，并提出了整体性景观生态学的概念框架。

北美的景观生态学是在欧洲影响下，从20世纪80年代初开始发展，并逐渐形成了自己的特色，以景观生态过程、数量化和模拟研究以及自然景观研究见长。

欧洲和北美的景观生态学研究基本上引领了国际景观生态学发展的主要方向，二者也在不断地相互影响、相互渗透，推动着景观生态学学科体系的不断发展和完善[10]。

中国的景观生态学从介绍国外先进国家的同类研究工作开始。

早期翻译欧洲景观生态学文章的有刘安国、林超、陈昌笃等，而李哈滨则是较为系统地介绍了北美学派的景观生态学。

1990年，肖笃宁主持翻译了R.T.T.Forman和M.Godron的《景观生态学》一书[11]，标志着景观生态学的概念、理论和方法已基本被我国学界所接受。

此后，我国景观生态学工作者相继开展了实质性的研究工作[12]。

经过20余年的努力,在景观格局与生态过程、土地利用与动态、景观规划与设计、环境影响评价与自然保护等方面的研究与应用中取得了重要进展[13]。

从整体上看，尽管我国的景观生态学发端于对欧洲景观生态学理论、方法和技术的引进，但研究范式接近于北美地区，即更多的带有生态学方法论色彩。

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2近今主要进展
2.1基础研究与理论进展
2.1.1陆地表层系统自然地理过程陆地表层系统自然地理过程研究与近年来国际上非常活跃的地球系统科学、全球环境变化研究相呼应，结合“全球变化与区域响应”、“人类活动对地球系统的影响机制”等科学命题[14,15]，自然地理过程研究从自然过程研究转向自然过程与人文过程的综合研究，从无机过程研究转向无机—有机的综合研究，从单一要素研究转向多要素综合研究，从宏观研究转向宏观与微观的结合研究。

研究强调人为因素在各种过程中的作用，强调人为因素作用下的地理过程对自然资源和环境的影响，强调地理过程与全球变化之间的耦合作用以及可能引发的后果，强调地理过程在土地退化过程中的关键作用。

研究内容从地域系统的结构与功能向动态拓展。

理论研究从系统变化的驱动力与过程向机制研究深化，并从简单综合向系统综合与集成转变[16]。

进而开展了自然和社会经济驱动、时空变化过程以及资源、环境、生态和灾害效应等地表环境变化的驱动力、过程和效应的研究。

综合自然地理学在陆地表层系统、环境系统、人地系统方面的理论建设更加系统化；通过要素综合、过程综合与区域综合，综合性不断得到加强；通过自然与人文的交叉、科学与技术的交叉、多学科交叉研究，交叉性更加明显。

在理论上，发展了综合的格局—过程、驱动力—过程—效应的研究[17]。

从近3年国家自然科学基金资助的综合自然地理(D010106)项目看，与上述命题相关的研究2006年占6
3.0%，2007年占56.1%，2008年占67.9%，3年平均占61.5%，足见陆地表层系统自然地理过程研究在综合自然地理学中的基础研究地位和重视程度。

2.1.2土地科学土地科学的研究重点结合国际地圈生物圈计划(IGBP)与国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)的联合核心项目“土地利用/覆被变化(LUCC)”及新阶段的“全球土地计划(GLP)”取得进展。

近年来所发表的论文可以归为土地利用分类系统与分区、土地利用现状分析、LUCC及其驱动力、土地可持续利用和土地利用规划等5个研究主题。

据张镱锂等对土地利用文献的统计，我国在2002-2007年发表的论文占1978年以来文献总量的65.0%，2007年一年的论文数量达到796篇。

这表明我国土地利用研究的领域不断扩展，从事土地利用研究的科技队伍不断加强的同时，国家有关部门对该领域研究的支持力度持续加强，项目资助数和经费额度均明显提高[16]。

随着国际上将LUCC这一研究主题上升为“土地变化科学”的学科范畴[18]，随着土地利用问题在国际科学研究与区域可持续发展领域研究的不断深化，更加重视基础理论探讨[19]。

土地资源学的学科基础理论问题主要围绕土地资源的可持续利用展开，包括土地资源的伦理观问题、土地资源的系统理论问题、土地资源的过程理论问题、土地资源价值论问题、土地资源产权理论等诸多问题[20]。

土地保护学所涉及的基础理论问题主要是围绕土壤学、生态学以及经济学的基础理论问题展开的[21]，作为土地退化及其防护的重要研究内容—水土保持及荒漠化防治仍旧属于土地保护学研究领域关注的主要对象。

土地生态学的基本理论问题则主要是基于系统理论和生态学理论提出的，主要包括土地的生物生产力、土地的生物栖息和承载功能、土地的能量平衡和水循环功能、土地的环境功能、土地生态过程、土地生态变化规律以及土地生态的分异理论问题等[22]。

土地利用与规划基础理论问题研究主要包括地租和地价理论、土地区位理论、土地可持续利用理论、生态经济理论、人地协调理论以及系统工程理论等[19,23,24]。

2.1.3自然区划上一世纪，以林超、罗开富、黄秉维、任美锷、侯学煜、赵松乔和席承藩等为代表的科学家为中国综合自然区划工作做出了卓越贡献[25-32]，奠定了我国这一领域在国际上的领先地位。

郑度等的“中国生态地理区域系统”[33]是近年自然区划的代表性研究，在分析前人区划研究工作与成果的基础上，探讨了自然地理区划方法论及其体系。

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自然地理区划既是区域划分的结果，也是区域划分的方法与过程，同时还是认识地理特征和发现地理规律的一种科学方法。

郑度提出了包括区划本体、区划原则、区划等级系统、区划模型和区划信息系统的自然地理区划范式,并通过区划模型，实现区划原则、指标体系和单位等级系统的综合[34]。

另一个基础性研究是“中国主体功能区划”，樊杰阐述了主体功能区划的科学基础，提出了区域发展的空间均衡模型。

并探讨了地域功能演替对空间均衡过程的影响，提出了区划方案效益最大化是同区域如何划分和对地域功能随时间变化的正确把握程度相关的[35]。

自然区划已向带有自然区域划分性质的综合区划发展，在《中国地理多样性与可持续发展》一书中，蔡运龙阐述了三大地带和七大地区及其内部的地理多样性，可视为综合区划性质的著作[36]。

自然区划的趋势还表现为区划方案多样、应用领域广泛、影响决策显著等。

在中国期刊网上检索到2007-2008年发表的自然区划及其相关研究文章约有696篇。

2.1.4景观生态学近年来中国的景观生态学研究发展迅速，人才培养成果显著，研究队伍不断扩大。

在中国期刊网上，以“景观生态”作为主题词检索到的博士和硕士论文呈现快速增长的态势。

由2000年的3篇，增加到2007年的127篇；与此同时，以景观生态为主题的学术论文发表数量也急剧增加，由2000年的86篇，增加到2007年的504篇。

据傅伯杰等的检索统计，从1996到2007年，在以“景观生态学”为主题词检索到的3164篇SCI论文中，有96篇来自中国，约占总数的3．03%，位列全球第七。

景观生态学研究在深度和广度上得到加强，促进了新的学科生长点的产生和发展。

广度上，开始注重自然与社会经济、人文因子的综合，以解析景观的复杂性；深度上，注重宏观格局与微观过程的耦合，深入的微观观测和实验为宏观格局表征和管理策略的制定提供可靠依据；宏观格局的规划和管理反过来强化了微观研究的实践意义。

并进一步加强了格局-过程和尺度效应研究[10]。

随着景观生态学研究范式从平衡范式向远离平衡范式、线性范式向非线性范式、平稳范式向非平稳范式，以及简单性范式向复杂性范式转换，一些新的理论成为景观生态学继续发展的重要科学支撑。

近年一些复杂性科学的概念和方法在景观生态学中得到广泛应用，如分形理论、元胞自动机、自组织临界理论、复杂适应系统理论等等[8]。

建立了空间分析法(如分形分析法和小波分析法)、基于相似性的尺度上推方法、基于局域动态模型的尺度上推方法、随机(模型)法的尺度推绎途径[37]，正在试图将这些途径和转换方法构建成统一的尺度推绎理论框架。

一些新的理论如空间自相关理论、空间非平稳理论和地统计理论等被应用到景观生态学研究的采样技术体系上。

吕一河等则提出了一个景观格局与生态过程耦合研究的基本框架[38]。

2.2方法和技术进展
面对复杂的研究对象，利用现代手段进行定量化研究和过程模拟以及建立模型仍然是综合自然地理学与景观生态学特别是地理—生态过程研究的趋势。

通过借鉴和集成其他众多学科的研究方法，特别是非线性科学和复杂性科学在研究中的应用，定位试验、模拟实验和遥感技术的应用，多源数据复合分析和信息挖掘，地理—生态过程模型的发展、有效性检验与验证等，促进了综合自然地理与景观生态学的研究并使之提高到新的水平。

2.2.1数据采集方法技术在实验数据采集方面，从监测、分析、模拟三个方面，加强了数据的科学性和可验证性。

利用化学分析技术，加强物质迁移转化过程和机理的研究；应用物理实验，了解地表物质的物理结构及物质运动的动力学特征；利用遥感对地观测系统和典型地理单元长期定位、半定位观测网络，加强典型地区地理要素、地理格局和过程的变化研究；利用室内外模拟实验，简化地理环境的复杂性,加强不同要素作用方式和过程的识别研究[39]。

在区域与全球尺度上，卫星遥感已成为自然地理和景观生态学研究中最主要的信息
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来源之一。

遥感数据在分辨率、高光谱方面更加多样化。

并发展了利用夜间灯光影像为数据源，用来研究城市土地扩展和蔓延。

地理信息系统与遥感、全球定位系统与计算机相结合，具有对时空信息的综合处理能力、对现实世界的模拟能力，并能产生和发现新的信息，为综合自然地理和景观生态学的区域研究提供了强有力的支持。

近年来，对地观测系统的建立与全球准同步动态监测已成为现实，使人类有能力对全球性问题进行系统研究和综合集成[17]。

在微观尺度上，定位试验观测、实验模拟与分析方法得到进一步发展，野外观测台站建设在科技部的推动下已经实现网络化体系；实验室数量、仪器设备、试验方法不断完善。

通过对历史文献记载的深入挖掘和利用树轮、冰芯、湖芯、石笋等自然证据，过去300年全国和区域性的土地利用/覆盖变化数据集已经形成。

过去2000年的气候与环境变化重建等方面也取得了很大进展。

2.2.2模型与数学方法在计算机网络和数字技术的支撑下，系统模型模拟技术也在不断强化过程中。

已经涌现出大量的环境变化和LUCC模型。

部分影响较大的模型包括：Ehrlich的“I=PAT”公式[40]、国际应用系统分析研究所(IIASA)建立的世界粮食与农业系统全球模型[41]、LMAGE2.0(Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect)模型[42]。

特别是CLUE(The Conversion of Land Use and its Effects)[43,44]、元胞自动机模型(Cellular Automata，CA)[45]等以GIS技术为支撑进行空间格局模拟的模型得到广泛应用。

包含生态学过程与机理的景观机制模型被越来越多地应用到景观生态学的模拟中，特别是这类模型与元胞自动机相结合，极大地增强了对于景观形成和演变机制模拟的能力。

目前基于智能体的个体模型成为景观生态学模拟的热点途径之一，已经应用到土地利用/土地覆被以及城市景观的形成演化上。

空间显式斑块动态模型是另一类景观机制模型，常常用于格局和过程作用频繁、斑块周转率快的景观系统[8]。

各种数学方法被用于地理评价和规划，如模糊逻辑、人工神经网络、小波分析、遗传算法、多目标线性规划、主成分分析法、灰色评价、聚类分析等。

另外，分形原理、三维景观模型、Google Earth技术、DEM分析技术、生态足迹法、能值法等等也得到广泛应用。

研究者以定量的精确判断、抽象的数学模型及合理的趋势推导，使研究结果更科学、更准确，推进了综合自然地理学研究方法的创新[16]。

目前正朝着以地球系统科学为指导、以并行计算、网络计算等信息科学新技术为依托的学科体系稳步发展[17]。

2.3成果应用
2.3.1土地科学的成果应用针对我国粮食安全、城市化占用耕地、土地退化等问题，近几年来在土地利用和土地覆被变化研究领域开展了大量的研究工作，主要工作包括：土地利用和土地覆被的状况及其历史变迁，土地利用和土地覆被变化的驱动因子分析，土地利用／土地覆被变化的环境与生态效应，土地利用和土地覆被变化与全球气候变化的相互作用，土地利用和土地覆被变化与耕地、粮食、土地退化等可持续发展重点问题的相互关系，现有土地利用方式的可持续性及其调控途径等。

这些研究为解决国家战略需求、区域社会经济发展与环境方面的问题做出了贡献。

2.3.2自然地域系统和格局、过程的成果应用在多年综合自然区划和土地类型研究基础上，进一步将区域单元作为资源与环境的整体来认识，针对我国水土资源短缺与生态退化等区域问题，研究了不同地区的土地人口承载力、水资源承载力、自然生产潜力、生态承载力，并探讨了环境影响评价、环境变化方向等一系列问题。

自然地域系统研究也由初期的感性认识、单项自然区划、综合自然区划，发展到近几年的生态地理区域系统研究[46]。

近年来，区划的应用范围也进一步扩大，尤其在制定全球变化区域响应对策、灾害预防、重大基础设施建设带来的生态环境效应评估等方面发挥着重要作用。

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选择青藏高原、海岸地带、半干旱农牧交错地带、黄淮海平原、长江三角洲等敏感地域，开展了环境演变的综合研究。

针对我国水土流失、水资源短缺、土地退化、自然灾害等主要资源与环境问题，中国自然地理学界开展了坡地侵蚀发育过程与坡地的改良利用、水文循环过程与水量转化、土地退化过程及其逆转机制、土壤—植物—大气系统、多界面过程的复杂耦合理论与模型等方面的大量研究工作。

2.3.2景观生态学的应用研究景观生态学的理论和方法在自然保护区规划设计中如功能区划定、廊道设计以及整个保护区的空间布局上发挥了重要作用。

另外，景观生态学的原理促进了自然保护理念的更新，自然保护正从物种保护向景观保护乃至流域保护方向转变。

景观生态学中的格局分析、格局—生态过程关系分析，以及空间模拟技术为土地利用规划设计的科学性提供了保证[47]；其模拟预测技术，为土地利用规划环评提供较好的技术支持；利用景观生态学及其他学科理论评价区域生态风险和构建区域生态安全格局[48,49]。

2.3.4生态建设与生态评估综合自然地理学研究成果在我国的生态恢复重建中得到广泛应用，包括以生态农业为主要建设内容的示范区建设，以工业污染防治与乡镇企业合理规划布局为主要内容的示范区建设，以生态旅游为主要建设内容的示范区建设，生态城市、城郊型的示范区建设，农工贸一体化型的示范区建设，以矿区生态破坏恢复治理为主要内容的示范区建设，湿地资源合理开发利用与保护的示范区建设，土壤退化综合整治的示范区建设，以重要生态功能区环境保护为主要内容的示范区建设，农村环境综合整治的示范区建设。

为配合联合国千年生态系统评估计划(MA)的实施，我国启动了中国西部生态系统综合评估项目，研究成果为西部大开发中的生态系统保护、管理与生态建设提供了科学依据。

通过较多学者的努力，在生态系统服务领域的多方面都有所进展，对国家的生态政策产生了重大影响[17]。

2.3.5对重大工程、环境治理和决策的贡献综合自然地理研究成果为大型工程提供可行性论证，为工程建设及运行中的各种可能灾害提供预防措施，为环境治理提供理论和技术以及为国家重大决策提供指导性意见。

例如，在青藏铁路工程建设中，从选线、施工场地选址、施工时段安排等方面提出方案，最大限度地减少了工程建设对自然保护的冲击。

综合自然地理工作者在铁路修建过程中和建成后一直进行环境的监测、脆弱性和生态安全的评估以及环境效应的追踪研究。

在南水北调工程对沿线生态与环境的影响、塔里木沙漠公路防护林生态工程、西气东输工程沿线地区不同类型区生态恢复中都有综合自然地理学的贡献。

在西部大开发过程中，综合自然地理学的工作聚焦在生态与环境的研究与保护方面，主要研究了西部生态与环境的演化过程、水土资源的持续利用、生态与环境现状评价及未来50年变化趋势预测等，为科学认知我国西部地区生态与环境变化规律，促进西部地区水土资源可持续利用等提供科学依据和技术支撑[50]。

在东北地区水土资源配置、生态与环境保护和可持续发展，黄土高原水土流失治理，长江中下游湖泊富营养化治理，“三农”问题，生态系统碳收支问题等方面都发挥了很大作用[17]。

3学科未来展望
3.1机遇与挑战
综合自然地理学创立50年来在理论、方法、应用方面都不断深化、变革和拓展，取得了很大的成就。

但另一方面，因为它是中国命名的学科，在国际上还没有被充分知晓，也没有一些特别对应的学科机构和刊物。

近年来在以国外检索系统作为评价标准的科技。