中国陆地表层系统分区——对黄秉维先生陆地表层系统理论的学习与实践

陆地表层系统科学是黄秉维先生在钱学森院士倡导建立"地球表层学"的基础上创建的。黄秉维先生精辟地论述了陆地表层系统的研究意义、范围、内容、方法与途径,并亲自撰写了研究计划,同时十分关心科研队伍的组建。黄先生明确指出要开展陆地表层系统分区研究。在黄先生的学术思想指导下,作者对中国陆地表层进行了分区实践。采用地理学的综合与专家评判相结合的方法将中国陆地表层系统划分为9个一级区,然后利用压力-状态-响应(PSR)评价模型和模糊聚类方法,对全国344个地区的46个指标进行模糊聚类,建立了二级分区,并对各区的综合状况作了定量评价。结果表明:地貌与气候区域分异是控制我国陆地表层系统综合状况的主导因素,而由人类活动所主导的社会经济因素是控制我国陆地表层系统综合状况的第二位因素。对9个一级区的陆地表层系统状况定量评价表明:华北区、东南区与华南区的陆地表层系统状况最好,东北区居中,内蒙区、陇陕晋区与西南区较差,西北区与青藏区最差。     

自然地理学创新发展与展望

自然地理学自中国科学院地理科学与资源研究所建立以来一直是立所的核心学科,长期以服务国家重大需求为使命,在综合自然地理、气候、地貌、水文、土壤地理、生物地理、化学地理等各学科领域取得一批重要科技成果和进展,奠定了自然地理各分支学科在国内外的优势,为国家科技创新、区域经济社会可持续发展做出了重要贡献。本文回顾了中国科学院地理科学与资源研究所自然地理学的创新发展历程,总结了自然地理学取得的学术成就与标志性进展,并展望了中国科学院地理科学与资源研究所自然地理学未来发展,提出以陆地表层要素—过程交互作用机制,陆地表层格局动态研究,陆地表层系统过程的综合集成与模拟,陆地表层系统有序人类活动的可持续范式和调控机制为核心的发展战略。     

中国陆地表层系统分区初探

在简要阐述陆地系统科学在中国的发展过程和陆地表层系统分区研究重要意义的此基础上，论述了陆地表层系统分区研究的目与原则，并借鉴黄秉维所提倡的“自上而下”和“自下而上”相结合的研究思路和方法，首先以全国自然区划，生态地理区划，生产潜力分区，经济区划等4个全国性区划及温室气体倍增对未来自然地域分异界线及生产潜力分区的影响为基础，采用叠置与专家评判法中国陆地表层系统划分成9个一级区，然后采用压力－状态－响应（PSR）评价模型和模糊聚类方法，对全国344个地区的46个指标进行模糊聚类分区，进而对各区的陆地表层系统综合状况进行定量评价，结果表明：地貌与气候区域分异是控制我国陆地表层系统综合评况的主导因素，而由人类活动所主导的社会经济因素是控制我国陆地表层系统综合状况的第二位因素，对9个一级区的陆地表层系统状况定量评价表明：华北区、东南区与华南区的陆地表层系统状况最好，东北区居中、内蒙区、陇陕晋区与西南区较差；西北区与青藏区最差。     

变化背景下的当代中国自然地理学——2017全国自然地理学大会述评

面对变化中的全球环境以及变化中的学科热点,以“变化背景下自然地理学新发展与新挑战”为主题的第一届全国自然地理学大会于2017年11月20-22日在南京召开。聚焦地理学与可持续发展、自然地理要素与过程集成、空间数据挖掘与系统决策等当代自然地理学研究的前沿内容,通过学科前沿理论的凝练,引导自然地理过程研究的继续深化;依托理论与方法创新;在典型流域、区域实现了自然地理过程的初步集成,切实服务于人地耦合视角下的可持续社会决策。深化自然地理学分支学科的过程研究、推进综合自然地理学的发展、提升陆地表层系统观测和模拟水平,将有助于进一步巩固自然地理学在地理科学学科体系中的基础学科地位,为满足国家重大战略需求和全球可持续发展作出重要的学科贡献。     

自然地理学综合研究理论与实践之继承与创新

自然地理综合研究是指将陆地表层地貌、气候、水文、植被、土壤等基本要素融为一体,研究各要素之间总的联系,研究单个要素及其周围现象之间的联系,从而揭示出陆地表层要素相互作用的过程及其形成的格局。这是认识自然地理环境形成和发展的根本途径。地理学家郑度先生,在自然地理综合研究的理论与实践的长期探索中取得开拓性成果,是当代自然地理综合研究的引领者之一。他在青藏高原自然环境的地域分异与格局研究中,构建了高原山地垂直带谱系统,阐明了高海拔区域三维地带性规律,揭示出高原独特的地生态现象及其空间格局,证实并确认高原寒冷干旱的核心区域,提出了青藏高原自然地域系统方案;在自然地域系统综合研究中,建立了适用于山地与高原的自然区划原则和方法,提出中国生态地理区域系统的新方案;在生态建设领域,强调要重视地域分异和尊重自然规律,指出干旱区土地和水资源的开发利用要重视区域发展和环境的协调;基于人类与自然界和谐的理念,他积极推动区域发展中环境伦理的研究和应用。本文回顾分析郑度先生半个多世纪以来,在自然地理学综合研究的理论与实践成果,力图从中参悟郑度先生自然地理综合研究的系统性思想以及开拓进取、探索创新的科研方法。     

新时代自然地理学发展的思考

自然地理学是地理学的基础学科,也是地理学综合研究的基石。本文在梳理自然地理学主要研究进展的基础上,思考了新时代自然地理学的发展方向。在全球环境变化驱动下,自然地理学及其分支学科在传承中得到新的发展。自然地理学近年来的研究进展主要表现为自然地理过程综合与深化、陆地表层系统集成、陆海相互作用和区域生态环境管理应用等方面。自然地理学及其分支学科的发展需要面向全球环境变化和人类需求,探索应用新技术新方法,开展多要素多过程集成研究,发展并完善地理模型,模拟和预测环境变化与可持续发展,服务于国家重大需求和政府决策。在发展过程中,亟待关注以下前沿领域与方向：①地貌学需要重点加强地貌学与全球环境变化及人类活动关系研究;②生物地理学有待深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索,连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求;③水文学需要开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究,发展生态水文学、社会水文学、水文形态学等新兴学科领域;④自然地理学有待全方位介入气候变化研究,在气候变化国际重大研究计划、气候变化框架公约等方面发挥更加积极的支撑功能;⑤综合自然地理需要面向国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,在资源环境承载力评估、生态安全格局与生态文明建设等领域作出积极贡献;⑥自然地理学需深化耦合自然与人文要素及过程研究,建立发展复杂系统模拟模型,分析和模拟变化环境下的自然、人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化规律。     

陆地表层碳循环模型研究及其趋势

对国外陆地表层碳循环ＯＢＭ、ＴＥＭ、ＣＡＳＡ、ＣＡＲＡＩＢ、ＤＥＭＥＴＥＲ－１、ＩＭＡＧＥ２．０、ＳＩＢ２等模型进行了评述,同时也简要介绍了国内陆地表层碳循环模型的研究。通过对国内外研究现状的对比分析,我们可以看到国外陆地表层碳循环模型的发展特点：已经从静态模型转向动态模型,综合考虑了动力学特点,并且集成陆地表层碳循环的各个过程,与气候模型耦合研究陆地表层对全球变化的响应,建立生态生理模型和决定植被对气候反应的植物生态生理机制;研究陆地生态系统与大气之间的动态响应和相互作用,揭示其中的反馈机制;加强各种情景研究,同时包括人为的影响,尤其是土地利用和土地覆盖变化对陆地碳存储的影响,预测未来全球陆地表层的动态变化及其反馈;由于遥感数据已经成为全球变化研究重要的数据来源,遥感、地理信息系统技术在陆地表层碳循环研究中得到了重视和应用。这些正是我国陆地表层碳循环模型研究应注意和加强的方面。     

地表物质能量交换过程中的水循环综合模拟系统(HIMS)研究进展

基于地学的理念,特别是陆地表层系统研究理论,探讨了水循环研究发展趋势,从单一要素过程、到流域多过程综合、再到水系统多要素、多过程、多尺度的集成,阐述了发展水循环综合模拟技术的重要性。系统介绍了自主研发的水循环综合模拟系统HIMS(Hydro-Informatic Modeling System)的发展历程、主体结构与特色功能,包括水循环多源信息集成平台、水循环多元要素定量遥感反演系统、水循环过程模块库集成系统、多尺度分布式水循环定制模拟系统等。指出多学科交叉,与信息技术的融合是水循环模拟发展的重要方向之一。HIMS系统及其定制模型在国内外的大量验证和应用,显示出其水循环综合模拟技术的实用性和先进性。可望为变化环境下的复杂陆地表层过程中涉水问题研究提供技术支撑工具,适应水系统研究的需要。     

陆地表层系统开放实验室学术年会召开

中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层系统开放实验室2000～2001学术年会日前顺利召开并取得圆成功。刘纪远所长出席了开幕式并致词，李秀彬副所长主持了开幕式并对实验室成立的背景作了介绍。刘纪远所长在致词中强调，陆地表层系统开放实验室是该所陆地表层过程与区域环境变化模块的龙头单位，肩负着该模块基础理论研究和方法创新的重担。实验室应该广泛开展与国内外相关单位和同行的学术交流，从高起点出发，瞄准国际前沿研究领域。李秀彬副所长认为，对气候和地貌地研究是陆地表层科学研究的最佳切入点。 有关专家对实验室建设和陆地表层科学发展提出了宝贵的意见。国家自然科学基金委地球科学部地理学科主任宋长青从地理科学发展的阶段和趋势方面认为，目前地理科学发展的竞争方式已经从资源垄断、资料积累发展到对人才的争夺和各个学科的交叉研究。因而，实验室的发展建设应该很好地考虑人才与交叉学科的建设。中国科学院资源环境科学与技术局陈泮勤副局长认为解决某一问题需要高层次上的联合。他以IGBP中的三个核心问题之一的“碳循环”为例，强调了科学研究在国家目标与科学意义上的结合，强调了综合集成研究方法的重要意义和广阔前景。南京地理与湖泊所王苏民研究员介绍了我国湖泊研究的最新进展，对陆地表层系统研究的复杂性，特别是流域过程与环境变化的驱动机制等问题发表了许多有价值的见解。 (朱立平)     

陆地表层系统分类研究进展——从土地类型到地球关键带类型

陆地表层系统是多圈层相互作用下形成的综合体,具有时空异质性和层次性。对陆地表层系统进行多层级类型划分是识别其空间分异格局和演替规律的重要方法,可为多尺度地球科学系统研究和自然资源统一管理提供科学依据。陆地表层系统分类其实质是在特定尺度下对其组成要素间的空间和关系的划分,故土地类型、地表基质、关键带类型等都可归纳为陆地表层系统分类方案。论文在对国内外典型陆地表层系统分类方案进行梳理的基础上,将陆地表层系统分类总结为探索—发展—完善3个发展阶段。继而,对比了各分类体系内涵,提出各分类体系虽分属不同学派,但均是以陆地表层系统为研究对象,是研究陆地表层系统结构、功能和空间分异的方法论;分析了各分类体系结构的异同,总结了各分类体系在层级、比例尺和要素方面的共同特征。在此基础上,提出构建一套从地块到国家的陆地表层系统分类设想,并对等级体系、分类体系及分类方法集成3个方面进行了展望。     

论地理学面临的挑战与发展

地理科学研究地球表层系统特定时空层次下的系统有序度和变化。其发展正面临着几大挑战:①地球表层系统的复杂性难以精确定量描述;②人地关系变化速度超过人类认识与预警能力;③地球表层系统的模糊性与科学价值精确性存在矛盾;④地理学与其它学科的竞争剧烈;21世纪地理学研究主要趋势:①地理学研究人文化;②界面研究将成为自然地理研究热点;③全球研究是地理学重大题材;④地理学研究生态化;⑤山地研究将成为地理学重大领域;为着地理学的顺利发展,建议:①造就地理学思想家和战略家;②进行地理学方法论的集成和创新;③寻找适合各时代认识水平的定量化方法;④重点突出与人类命运攸关的重大课题,创立有震撼性、权威性的理论和成果。     

GIS与地理分析

GIS与地理学的结合 ,有助于地理学家分析区域性或全球性一系列的地理问题 ,研究大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等圈层内部的结构特征、分布规律、演化过程以及彼此之间物质流、能量流、信息流的传递方式及动力学机制。     

地域系统研究的开拓与发展

通过分析中科院地理科学与资源研究所地域系统研究的开拓与发展历程,总结了"综合自然区划-生态地理区域系统-综合区划"重要发展阶段的创新成果,介绍了重要的格局研究所取得的进展。地域系统研究与社会发展的客观需求密切相关。20世纪50年代,为了认识自然规律,为农业生产布局服务,开创了综合自然区划;20世纪90年代,从生态建设和环境保护的需求出发,将生态系统观点、生态学原理和方法引入地域系统研究,开展了生态地理地域系统研究;随着地球系统科学和可持续发展研究的深入,从20世纪末开始探索综合区划研究,自然要素和社会经济要素的有机融合成为近期格局研究的鲜明特色。在此过程中,地域系统研究的方法论和技术手段不断创新,遥感、地理信息系统和数值模型等的深入应用,极大地推进了该领域的研究。中科院地理资源所的地域系统研究,始终与国家的重大经济建设和环境保护紧密结合,成为今后自然地理学乃至地理学发展的一个重要方向。     

面向地貌学本源的DEM增值理论框架与构建方法

数字高程模型（DEM）在表达地貌形态、认知地表过程、揭示地学机理等研究中发挥着基础性的作用,是重要的地理空间数据模型,广泛地应用于地学分析与建模中。但是,传统DEM具有属性单一的天然缺陷,难以支撑面向地学过程与机理挖掘的地球系统科学研究。亟待在传统DEM的基础上实现其数据模型的增值,服务于新地貌学研究范式和新对地观测技术背景下的数字地形建模与分析。立足于以上问题,本文构建了DEM增值的理论框架,主要包括DEM增值的概念、内涵、内容、类别、不同增值类别之间的相互关系,以及此理论框架的研究意义和应用范畴。提出了DEM增值的构建方法,包含：① 强调地上地下一体化、时间空间相耦合的DEM空间维度和时间维度增值方法;② 重视地下、地表和地上物质构成,形态属性耦合的物质属性和形态属性增值方法;③ 顾及自然过程、人工作用的地物对象、地貌形态的地物要素和形体要素增值方法。最后,分别以数字阶地模型、数字坡地模型和数字流域模型为例,阐释DEM在面向地貌学本源问题时的不同增值方法及应用场景。期望通过对DEM进行维度、属性和要素3个层面的增值,实现现代对地观测技术背景下数字高程模型表达方法的突破,并支撑知识驱动的数字地貌问题分析。     

地理学：从知识、科学到决策

地理学是研究地理要素或者地理综合体空间分布规律、时间演变过程和区域特征的一门学科,是自然科学与人文科学的交叉,具有综合性、交叉性和区域性的特点。随着地理信息技术发展与研究方法变革,新时期的地理学正在向地理科学进行华丽转身,研究主题更加强调陆地表层系统的综合研究,研究范式经历着从地理学知识描述、格局与过程耦合,向复杂人地系统的模拟和预测转变。在服务国内重大需求和国际全球战略过程中,地理学正在扮演愈发重要的角色,在新型城镇化、生态环境保护、水土资源管理、地缘政治等领域拥有广阔发展前景。中国地理学正面临前所未有的机遇,需要紧紧围绕国家重大需求,创新发展综合性的理论、方法和技术,逐步形成具有鲜明中国特色、深远国际影响的地理科学体系,为中国和全球的可持续发展服务。     

黄秉维地理学术思想及其实践——纪念黄秉维院士诞辰九十周年

在中国现代地理学的历程中,黄秉维院士为推动我国现代地理学的发展,促进地理学研究水平的提高,作出了卓越贡献。黄秉维地理学术思想突出地理学学科的基础性,始终抓住地理学综合性和区域性的特点,不断开拓并指导地理学的许多综合工作。他强调地理学服务于经济建设的战略性与实践性,重视理论与实践相结合,主张地理学要为农业服务,面向生产实践;他积极引入新思想、新技术和新方法,以创新思维推动地理学的深化研究,开拓了实验地理学研究的新方向;他密切注视国际地理学研究的动向和趋势,提倡自然科学与社会科学间的交叉,重视全球环境变化及其影响以及中国区域可持续发展的研究;他提出以陆地系统科学为地理学发展的战略方向,具有鲜明的前瞻性。黄秉维地理学术思想和研究实践,是中国现代地理学的宝贵财富,将继续指引中国地理学的创新与发展,为中国的现代化建设和人类家园的美好未来做出积极的贡献     

人地关系地域系统与可持续发展的相互作用机理初探

地理学研究的核心为人地关系地域系统。人地关系理论的研究与实践操作对可持续发展的内涵认知有着举足轻重的影响。同时,人地系统本身也必须得到发展,这样才能促进可持续发展内涵的丰富化与哲理化。在当代世界范围内的可持续发展思想的困惑越来越多的情况下,研究了人地关系地域系统和可持续发展系统的相互作用机理,探讨了人地系统的发展本质、可持续发展的本质、人地协调发展的时空背景、二者相互作用机理的哲学本质等问题     

Geomorphology-oriented digital terrain analysis: Progress and perspectives

Digital terrain analysis(DTA) is one of the most important contents in the research of geographical information science(GIS). However, on the basis of the digital elevation model(DEM), many problems exist in the current research of DTA in geomorphological studies. For instance, the current DTA research appears to be focused more on morphology, phenomenon, and modern surface rather than mechanism, process, and underlying terrain. The current DTA research needs to be urgently transformed from the study of landform morphology to one focusing on landform process and mechanism. On this basis, this study summarizes the current research status of geomorphology-oriented DTA and systematically reviews and analyzes the research about the knowledge of geomorphological ontology, terrain modeling, terrain derivative calculation, and terrain analytical methods. With the help of DEM data, DTA research has the advantage of carrying out geomorphological studies from the perspective of surface morphology. However, the study of DTA has inherent defects in terms of data expression and analytic patterns. Thus, breakthroughs in basic theories and key technologies are necessary. Moreover, scholars need to realize that DTA research must be transformed from phenomenon to mechanism, from morphology to process, and from terrain to landform. At present, the research development of earth science has reached the critical stage in which the DTA research should focus more on geomorphological ontology. Consequently, this study proposes several prospects of geomorphology-oriented DTA from the aspects of value-added DEM data model, terrain derivatives and their spatial relations, and macro-terrain analysis. The study of DTA based on DEM is at a critical period along with the issue on whether the current GIS technology can truly support the development of geography. The research idea of geomorphology-oriented DTA is expected to be an important exploration and practice in the field of GIS.     

论地理边界的科学属性与表达

地理边界的科学界定体现着对地理对象空间分异规律科学抽象与系统分析的认知水平,是地理学的基础科学问题。本文从地球系统科学的视角,首先阐述了地理边界的基本概念、科学内涵与基本属性等核心概念问题,基于科学性、系统性的基本原则,以内在机理、外在表现以及科学属性等视角为核心依据,对地理边界进行了系统分类。论文分析了地理边界的数学内涵与表达方法,比较了传统地理边界划分法和现代地理边界定量划分方法的特点与差异性,提出了集定性、定量、定位为一体的“地理边界模型”的研究架构。该研究盼在地理边界这个地理学基础理论问题上进行概念辨析与方法分析,丰富地理信息科学的理论与方法。