面向“未来地球”计划的陆地表层格局研究

面向“未来地球”计划的陆地表层格局研究

吴绍洪1,2，赵艳1,2，汤秋鸿1,2，郑景云1,2，高江波1,2，梁涛1,2，葛全胜1,2

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101;

2.中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室，北京100101）

摘要：未来地球计划是目前国际上关于全球环境变化前沿研究的综合科学计划，集国际科学理事会(ICSU)所领导的四大科学计划为一体，旨在将自然科学与社会科学结合在一起，并加强决策支持和研究交流，寻求地球系统可持续途径，全球环境变化研究与人类学、社会学合作构建综合集成平台，推进科学研究为社会经济可持续发展服务。本文剖析陆地表层格局特点，分析陆地表层格局的国内外关注焦点及其研究理念的转变与应用领域的拓展。分析表明：陆地表层是未来地球计划关注的重点之一，陆地表层要素与过程相互作用并在人类活动驱动下形成的格局，可作为未来地球计划进一步研究的区域基础框架。未来，陆地表层格局研究应力求方法论的突破，为自然地理学综合研究的发展提供支撑。

关键词：未来地球计划；陆地表层格局；全球环境变化；可持续发展

1引言

地球系统是由大气圈、水圈、陆圈和生物圈通过相互作用而形成的有机整体(钱学森,1991;黄秉维,1996;Ernst,2000;NASA,2000;陈泮勤,2003; Ola et al,2013;)。陆地表层是陆圈子系统的主体，由众多要素通过一系列物理、化学、生物过程及其相互作用而形成的一个多要素、多过程、多尺度耦合的动态综合体，是人类赖以生存和发展的环境(伍光和等,2008)。这一动态综合体在时空尺度变化上同时存在水平分异、立体交叉和多级嵌套，共同形成陆地表层格局(郑度等,2005)。近百年来，随着人口增长、社会发展和科技进步，人类活动对环境的影响逐步加重，陆地表层格局变化的效应在21世纪更加明显。在全球环境变化影响不断增强、社会发展与环境保护矛盾日益突出的背景下，国际科学理事会(ICSU)、国际社会科学理事会(ISSC)等机构发起了为期10年的“未来地球(Future Earth)”计划(2014-2023)，并推动其成为应对全球环境变化、推进全球可持续发展的科学联盟，综合自然、社会和人类学科，通过理解多尺度环境变化、自然和人为驱动与人类福祉的相互作用，构建以解决问题为导向的可持续发展之路(Future Earth,2013;秦大河,2014)。

本文剖析陆地表层格局特点，分析陆地表层格局的国内外关注焦点及其研究理念的转变与应用领域的拓展，探讨陆地表层格局研究与未来地球计划的共通之处，力求为进一步开展自然地理学综合研究开拓思路。

2陆地表层格局的特点

2.1整体性

陆地表层格局研究探究陆地表层的要素变化规律及其相互作用过程与机理，揭示变化的动态规律，一直是自然地理学的核心研究内容(黄秉维,

第34卷第1期2015年1月地理科学进展

Progress in Geography V ol.34,No.1

Jan.2015

收稿日期：2014-12；修订日期：2015-01。

基金项目：中国科学院战略性先导科技专项课题（XDA05090307）；全球变化研究国家重大科学研究计划课题（2012CB955403）；国家科技支撑计划课题（2012BAC19B10）。

作者简介：吴绍洪(1961-)，男，广东潮州人，研究员，博导，主要研究方向为自然地理学综合研究，E-mail:wush@。

通讯作者：葛全胜(1963-)，男，安徽安庆人，研究员，博导，主要研究方向为全球气候变化，E-mail:geqs@

。

10-17页

第1期吴绍洪等：面向“未来地球”计划的陆地表层格局研究

1996;Gregory,2000;郑度,2001;葛全胜等,2005;刘燕华等,2005;Clifford,2009;吴绍洪等,2010;傅伯杰,2014)。陆地表层的整体性是自然地理的基本规律，其基础是自然地理各组成要素综合交融，各自然地理过程紧密联系与相互影响，使得某一要素的变化可能引起整体格局的变化。例如，过去60年中国气候总体增暖引发了温度带总体北移和气候区划格局变化，也引起了水资源、自然生态系统(如植物物候提前)、农业生产(如柑橘、水稻等作物种植北扩)等一系列变化(郑景云等,2010;第二次气候变化国家评估报告编委会,2011;严登华等, 2013;Tao et al,2013;Ge et al,2014)。

自人类出现以后，逐步形成人与环境相互作用的关系(Crutzen et al,2000)。特别是近现代，人类在利用自然环境过程中对其施加了胁迫甚至破坏，给人类利用和适应自然环境造成了新问题。如在全球尺度上，过去几十年，人类活动和气候变化的共同影响导致了土地荒漠化、生物多样性减少、森林植被破坏、水资源危机、环境污染等一系列新问题(吴绍洪等,2009;IPCC,2014)。在中国，自然演变与强烈的人类活动叠加，同样导致陆地表层发生巨大变化；工业化和城镇化过程带来的经济地理格局变化，改变了人口、城市、自然资源供需的格局，进而改变了陆地表层格局，而陆地表层格局变化又反过来影响国家的资源环境开发利用布局，同样体现在整体相互作用的变化上。

2.2复杂性

陆地表层要素除了自身特性、要素间相互作用规律外，还受到人类活动的影响，产生了巨大的复杂性。主要体现在：

(1)要素变化及相互作用过程大多呈非线性。如过去百年，全球温室气体浓度持续增加所引起的地表气温上升已成共识，然而，由于地球系统各圈层内部的复杂过程以及圈层间的相互作用，导致“碳失汇”问题的出现，尤其对陆地生态系统而言，因其受到大气CO2施肥作用、氮沉降、气候变化、土地利用变化和生态系统管理与恢复等多重因素的综合作用，碳汇过程表现为显著的非线性，位置和强度也存在很大不确定性(Houghton,2002;Frank et al,2010)。

(2)自然区域之间的分界是渐变、交错的。自然地理过渡带是各种自然过程和格局剧烈变化的区域(李双成等,2008)，地表过程驱动—反馈的相互作用导致该区呈现出异质性和复杂性。对自然地理界线的精确定位是非常困难的，比如温度带之间的界线就是模糊过渡的。

因此，陆地表层在经典三维空间形成的格局上，随时间的推移产生变化，同时再叠加上人类活动因素的影响，这种“时—空—人”耦合多维性使其研究具有巨大的复杂性。

2.3研究难点

陆地表层的整体性和复杂性，决定了其研究具有巨大难度。一是要求具备能够综合表征时—空—人多维的海量数据，以及对其特征与变化的精确表征方法(包括定量化、数理表述等)(杨勤业等, 1996;葛全胜等,2007;Noel,2012)。二是对其非线性过程，需要以现代数学、物理、化学、生物和系统科学理论为基础，通过考察、观测、实验、试验等手段，综合应用数理解析及空间、信息技术等，才能表述其相互作用规律，定量模拟其作用结果，揭示、解决其中的不确定性(宋长青等,2005;蔡运龙,2010)。三是对区域差异的区分，需要从模糊时空过渡区间寻找最大差异的分界，同样需要从理论方法到技术手段的创新。

3全球环境变化背景下的陆地表层格局研究

3.1国内外关注的焦点

陆地表层格局变化是地球系统科学研究的重点之一，许多重大国际性科研计划，包括全球变化研究的四大科学计划(WCRP、IGBP、IHDP、DIVER-SITAS)、人与生物圈(MAB)、地球系统科学联盟(ES-SP)科学计划等均以陆地表层为主要研究对象，强调在地表环境演变和人类活动影响下陆地表层环境变化及其引起的资源、生态、污染等问题的研究。而许多国际公约(如UNFCCC)也是着重促进人类社会的可持续发展。此外，诸如美国国家生态观测网络(NEON)、澳大利亚陆地生态系统研究网络(TERN)、德国的陆地环境观测网络(TERENO)等国家尺度观测研究网络，也以生态地理区域格局作为研究基础，进行生态过程的观测与实验，进而集成陆地表层格局的时空耦合规律。

由于科学技术进步，许多新技术不断应用到陆地表层格局研究的数据采集、数理模拟、统计分析等。比如，高光谱影像、雷达影像以及多源影像融

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