地理—生態(tài)過程研究的進(jìn)展與展望

摘要: 在人類活動深刻影響和全球環(huán)境變化背景下, 傳統(tǒng)地理—生態(tài)過程研究正發(fā)生深刻變化。本文在概述地理—生態(tài)過程研究概況的基礎(chǔ)上, 指出: (1) 地理—生態(tài)過程研究的基本科學(xué)問題包括結(jié)構(gòu)與過程、綜合與集成兩大方面, 涉及結(jié)構(gòu)、功能、動態(tài)、驅(qū)動力、過程、機(jī)制、要素集成、過程集成、區(qū)域集成等科學(xué)要點(diǎn); (2) 地理—生態(tài)過程研究的重點(diǎn)集中在尺度—結(jié)構(gòu)—過程相互作用、自然—經(jīng)濟(jì)—社會相互聯(lián)系、地貌—水文—生態(tài)過程相互耦合、地理—生態(tài)過程與資源環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合等領(lǐng)域; (3) 代寫畢業(yè)論文地理—生態(tài)過程研究的發(fā)展呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、綜合性、交叉性和應(yīng)用性的發(fā)展趨勢; (4) 未來地理—生態(tài)過程研究的重大論題包括地表系統(tǒng)中的物質(zhì)、能量和生物流過程研究, 地表環(huán)境變化的驅(qū)動力研究, 區(qū)域綜合和區(qū)域內(nèi)異質(zhì)性研究, 尺度推繹與轉(zhuǎn)換研究, 地理學(xué)的整體性研究, 方法論創(chuàng)新, 應(yīng)用研究等內(nèi)容; (5)未來地理—生態(tài)過程研究應(yīng)當(dāng)注意加強(qiáng)觀測、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查與模擬, 加強(qiáng)遙感與野外觀測的結(jié)合, 加強(qiáng)區(qū)域綜合和全球研究, 加強(qiáng)學(xué)科交叉等。

關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu); 過程; 集成; 地理學(xué); 生態(tài)學(xué)
人類活動的強(qiáng)烈干預(yù)推動著地球系統(tǒng)演化進(jìn)入了“人類世 ”(Anthropocene Era) 的新紀(jì)元[1]。人類活動對地球系統(tǒng)運(yùn)行的影響趕上甚至超過了自然變化, 地球系統(tǒng)正在以前所未有的速率發(fā)生變化并進(jìn)入一個未知的演化方向和軌道[2]。在這種背景下, 傳統(tǒng)地理過程、生態(tài)過程研究正經(jīng)歷著深刻的變革, 地理過程、生態(tài)過程及其與相關(guān)學(xué)科的交叉與融合正在成為現(xiàn)代地理學(xué)和生態(tài)學(xué)發(fā)展的重要方向。本文在概述地理—生態(tài)過程研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上, 探討地理—生態(tài)過程研究的主要科學(xué)問題和未來發(fā)展的重要領(lǐng)域, 以期為我國地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域研究與發(fā)展服務(wù)。
1 地理—生態(tài)過程研究進(jìn)展概況
地理過程是指地表環(huán)境(要素、綜合體) 隨時空變化的歷程, 按要素可分為自然過程和人文過程, 按機(jī)制可以分為物理過程、化學(xué)過程和生物過程等[3]。在傳統(tǒng)地理過程的研究中, 地貌過程和水文過程是其研究的主題和核心內(nèi)容, 各種營力作用下形成的地貌形態(tài)和地形單元以及流域水循環(huán)的過程與機(jī)理是其研究的主要方向。生態(tài)過程作為生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容, 主要涉及生態(tài)系統(tǒng)中的元素循環(huán)、種群動態(tài)、種子或生物體的傳播、捕食者和獵物的相互作用、群落演替和干擾等方面[4]。
20 世紀(jì)后期以來, 人類活動及其所導(dǎo)致的全球環(huán)境變化成為了全球生態(tài)系統(tǒng)格局、結(jié)構(gòu)和過程變化的主要驅(qū)動力[5, 6]。在這個過程中, 土地利用改變了全球生態(tài)系統(tǒng)格局與結(jié)構(gòu), 人工直接管理的生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到陸地總面積的40%以上[7]。1970~2000 年間土地利用擴(kuò)展使物種滅絕速率比自然背景值提高2~3 個數(shù)量級, 全球物種多樣性降低40%[8]。同時, 人類活動深刻地改變了水資源與水循環(huán)[9, 10], 1960 年以來, 水資源利用每10 年增加20%, 15%~35%地區(qū)出現(xiàn)水資源過度利用; 此外, 人為因素誘導(dǎo)的土壤侵蝕、土地退化等也成為全球面臨的突出生態(tài)與環(huán)境問題[11], 全球約有40%的農(nóng)業(yè)土地存在不同程度的土壤退化現(xiàn)象[12]。在21 世紀(jì), 人口和經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長以及全球環(huán)境快速變化將給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來前所未有的壓力[8]。
在人類活動深刻影響和全球環(huán)境變化的背景下, 早期地理與生態(tài)過程的相關(guān)研究表現(xiàn)出明顯不足。在地理過程的描述中, 由于自然地理和人文地理研究內(nèi)容的分化[13], 自然地理過程往往只考慮自然變化機(jī)理, 而忽視人文因素的作用和動態(tài)過程。如早期的水文過程研究, 雖然可以分析徑流和輸沙的動態(tài)變化, 但是卻往往難以揭示人類活動的影響效應(yīng)。同時, 在構(gòu)建的地理過程模型中, 也存在許多相互割裂的現(xiàn)象。如土壤侵蝕模型,其經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯y以揭示土地利用空間分布格局對土壤侵蝕過程的影響; 而物理模型雖然能夠反映出土壤流失的過程, 模擬不同土地利用情景下土壤侵蝕的變化; 但在實(shí)際應(yīng)用中, 卻由于野外和實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)難以滿足模型參數(shù)設(shè)置的要求、誤差累積和不確定性增加等原因, 而影響模型精度, 限制土壤侵蝕模型的應(yīng)用[14]。
在生態(tài)過程研究中, 也多以自然生態(tài)變化的機(jī)理而展開。如植被空間格局變化研究仍然以頂級群落概念、群落格局演替Gap 理論和生命區(qū)劃分體系為理論基礎(chǔ), 難以解釋由人類主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)過程。如在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程變化的動態(tài)描述中常以O(shè)dum 的生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)則(Strategy of Ecosystem Development)[15]為理論框架, 在此框架下生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)向熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)(Homeostasis) 演化; 然而, 生態(tài)系統(tǒng)很少達(dá)到穩(wěn)定態(tài), 也不一定呈現(xiàn)向穩(wěn)定態(tài)演替的趨勢。生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境長期變化的適應(yīng)性研究經(jīng)常以Tilman的資源競爭平衡理論為依據(jù), 但以此為基礎(chǔ)的模型并不能現(xiàn)實(shí)地模擬生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的動態(tài)變化[16]。同時, 由于大多數(shù)生態(tài)學(xué)理論是基于單個生境中小尺度上的研究發(fā)展起來的, 而目前的環(huán)境問題具有_的性質(zhì)[17], 所以, 尺度問題業(yè)已成為現(xiàn)代生態(tài)過程研究的需求。
在全球環(huán)境變化驅(qū)動下, 傳統(tǒng)地理過程與生態(tài)過程的研究發(fā)生了深刻變化, 與地理—生態(tài)過程相關(guān)的國際重大科學(xué)計(jì)劃相繼啟動。如從國際生物圈計(jì)劃(IBP) 到人與生物圈計(jì)劃(MAB), 再到千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA); 從國際地圈—生物圈計(jì)劃(IGBP) 到全球變化的人文影響計(jì)劃(IHDP)等。縱觀這些研究計(jì)劃和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展, 可以發(fā)現(xiàn)地理過程從任何角度看都不再是單純的自然過程, 生態(tài)過程的研究也不再僅僅局限于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的動態(tài)與發(fā)展, 注重人類活動影響, 注重多學(xué)科的交叉融合, 正在成為現(xiàn)代地理—生態(tài)過程研究的重要特點(diǎn)。
目前, 地理過程的研究正經(jīng)歷著從自然向自然與人文結(jié)合方向發(fā)展, 從無機(jī)向無機(jī)與有機(jī)結(jié)合方向發(fā)展, 從單要素、單個過程的研究向多要素、多過程耦合與綜合研究方向發(fā)展, 從宏觀到宏觀與微觀結(jié)合方向發(fā)展[3]。生態(tài)過程的研究也伴隨著生態(tài)學(xué)的發(fā)展,表現(xiàn)出生態(tài)過程研究與人口、資源與環(huán)境問題相結(jié)合, 其研究對象從自然生態(tài)系統(tǒng)向自然社會經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)方向發(fā)展。研究方法從局部的、孤立的研究向整體的網(wǎng)絡(luò)化研究發(fā)展, 生態(tài)過程研究的時空尺度不斷拓展, 研究手段不斷更新。在地理—生態(tài)過程的研究中, 新的科學(xué)問題和研究領(lǐng)域正悄然凸現(xiàn)。
2 地理—生態(tài)過程研究的主要科學(xué)問題
現(xiàn)代地理—生態(tài)過程強(qiáng)調(diào)人為因素在各種過程中的作用, 強(qiáng)調(diào)人為因素作用下的地理—生態(tài)過程對自然資源和環(huán)境的影響, 強(qiáng)調(diào)地理—生態(tài)過程與全球變化之間的耦合作用以及可能引發(fā)的后果, 強(qiáng)調(diào)地理—生態(tài)過程在土地退化過程中的關(guān)鍵作用, 強(qiáng)調(diào)利用現(xiàn)代手段進(jìn)行定量化研究和過程模擬。在地理—生態(tài)過程研究中, 所涉及的基本科學(xué)問題包括結(jié)構(gòu)與過程、綜合與集成兩大方面, 其研究重點(diǎn)則集中在尺度—結(jié)構(gòu)—過程相互作用、自然—經(jīng)濟(jì)—社會相互聯(lián)系、地貌—水文—生態(tài)過程相互耦合、地理—生態(tài)過程與資源環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合等領(lǐng)域。
2.1 基本科學(xué)問題
2.1.1 結(jié)構(gòu)與過程在地理—生態(tài)過程的研究中, 結(jié)構(gòu)往往是指不同生態(tài)系統(tǒng)和景觀單元的空間關(guān)系, 如生態(tài)系統(tǒng)與景觀單元的大小、形狀、數(shù)量、類型及空間組合等。所涉及的過程包括自然過程(元素和水分的分布與遷移、物種的分布與遷徙、徑流與侵蝕、能量的交換與轉(zhuǎn)化等) 和社會文化過程(交通、人口、文化的傳播等)。目前, 結(jié)構(gòu)與過程研究的科學(xué)問題主要集中在結(jié)構(gòu)、功能、動態(tài)、驅(qū)動力、過程、機(jī)制等幾個方面。
(1) 結(jié)構(gòu)關(guān)于結(jié)構(gòu)的研究, 是重點(diǎn)探討地表系統(tǒng)的要素組成和空間分布特征, 如土地利用/ 土地覆被的組成和分布格局、生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性等。其中, 如何有效刻畫生態(tài)系統(tǒng)和景觀單元的結(jié)構(gòu)特征, 構(gòu)建具有生態(tài)學(xué)意義的格局指數(shù)是目前地理—生態(tài)過程研究中富有挑戰(zhàn)性的研究課題。現(xiàn)代信息技術(shù)為獲取生態(tài)系統(tǒng)和景觀類型空間分布的基礎(chǔ)信息提供了強(qiáng)大技術(shù)支撐, 深入分析遙感、地理信息系統(tǒng)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展趨勢對于全面提升結(jié)構(gòu)分析的研究水平具有重要的意義。
(2) 功能系統(tǒng)的要素組成決定系統(tǒng)功能的發(fā)揮, 功能是不同系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn)。功能的研究主要分析陸地表層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變與過程動態(tài)所表現(xiàn)出的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會功能。不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究、結(jié)構(gòu)變遷與過程耦合下的資源環(huán)境效應(yīng)等是目前功能研究的熱點(diǎn)問題。
(3) 動態(tài)動態(tài)變化是在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上, 研究生態(tài)系統(tǒng)和景觀單元等的變化規(guī)律和特征, 解釋結(jié)構(gòu)發(fā)生怎樣的變化、變化的地點(diǎn)以及變化的速度等問題。在動態(tài)變化的分析中, 包含兩個層面的含義: 對現(xiàn)狀的分析; 對未來變化的模擬。其中, 采取何種方法或技術(shù)刻畫動態(tài)變化的特征, 是學(xué)者們共同關(guān)注的話題。此外, 在動態(tài)分析的研究中, 對不同時期數(shù)據(jù)精度、分類系統(tǒng)等一致性的處理, 往往是進(jìn)行動態(tài)分析的先決條件。
(4) 驅(qū)動力驅(qū)動力分析是在結(jié)構(gòu)變化分析的基礎(chǔ)上, 揭示生態(tài)系統(tǒng)和景觀單元變化的原因和驅(qū)動機(jī)制, 以期為預(yù)測結(jié)構(gòu)變化方向和制定相應(yīng)管理對策等服務(wù)。驅(qū)動力包括自然驅(qū)動因子和人為驅(qū)動因子兩個方面, 其中, 自然驅(qū)動因子主要指對特定結(jié)構(gòu)的形成與演變起作用的自然因素, 包括氣候、地貌、水文、土壤和自然干擾等; 人文驅(qū)動因子主要涉及到人口變化、技術(shù)進(jìn)步、政治經(jīng)濟(jì)體制變革、文化價值觀念改變等。在驅(qū)動力的分析中, 重點(diǎn)探討: 驅(qū)動因子選擇與關(guān)鍵因子甄別、驅(qū)動力分析方法確定、不同驅(qū)動因子在不同時空尺度上的功能和效應(yīng)等。
(5) 過程陸地表層系統(tǒng)過程的研究內(nèi)容涉及物理過程、化學(xué)過程、生物過程和人文過程等方面, 其研究將朝微觀深化和宏觀綜合兩個方向發(fā)展, 其關(guān)鍵在于系統(tǒng)中界面過程的綜合研究[18], 同時注重過程的格局分析[19]。目前, 地理—生態(tài)過程的研究內(nèi)容主要包括水文循環(huán)過程與水量轉(zhuǎn)化、流域系統(tǒng)中物質(zhì)遷移過程、土壤侵蝕過程、土地系統(tǒng)演變過程、土壤—植物—大氣連續(xù)系統(tǒng)過程、環(huán)境生物地球化學(xué)過程、生物多樣性變化過程、人文與文化過程等方面。
(6) 機(jī)制旨在揭示結(jié)構(gòu)與過程的相互作用關(guān)系。在機(jī)制的研究中, 注重地理—生態(tài)過程與環(huán)境變化和人類活動的關(guān)系, 重視非線性科學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)在揭示機(jī)制研究中的應(yīng)用。模型作為地理—生態(tài)過程的定量表達(dá), 是探討機(jī)制的重要途徑, 需要通過模型的手段開展機(jī)制的分析和情景預(yù)測研究。
2.1.2 綜合與集成綜合是地理學(xué)的本質(zhì)和存在依據(jù), 集成是綜合的演進(jìn)與升華[20]。在地理學(xué)研究中, 需要綜合多學(xué)科的理論和知識, 選擇典型區(qū)域, 針對主要問題開展綜合
與集成研究。在地理—生態(tài)過程的研究中, 也需要綜合多種實(shí)驗(yàn)觀測手段和研究方法開展綜合研究。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地理—生態(tài)過程研究中的要素集成、過程集成和區(qū)域集成。
(1) 要素集成現(xiàn)代地理—生態(tài)過程受自然、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會等多種因素的影響,
將人類活動納入地理—生態(tài)過程, 對多種要素進(jìn)行集成分析, 對于揭示結(jié)構(gòu)與過程的演
變規(guī)律與特征具有重要意義。在要素集成的研究中, 要考慮自然社會經(jīng)濟(jì)要素的集成和
相互作用, 也需要考慮要素的尺度效應(yīng)。
(2) 過程集成黃秉維先生早在20 世紀(jì)50~60 年代就提出了綜合研究地表物理過程、化學(xué)過程與生物過程的學(xué)術(shù)思想[21]。過程集成強(qiáng)調(diào)地球表層系統(tǒng)各個過程之間的相互關(guān)聯(lián), 注重自然過程與人文過程的耦合研究, 強(qiáng)調(diào)人類活動影響下的地理—生態(tài)過程的綜合研究, 突出自然地理過程與生態(tài)過程的耦合研究等。在過程集成中, 基于過程模型的模擬與預(yù)測研究是過程集成方法研究的重要內(nèi)容。
(3) 區(qū)域集成地球表層系統(tǒng)不僅具有顯著的區(qū)域差異和地域分異規(guī)律, 同時也是
一個多層等級系統(tǒng), 既有坡面—小流域—流域—區(qū)域—全球的不同尺度, 也存在種群—群落—生態(tài)系統(tǒng)—景觀—區(qū)域—全球的多個層次。在地理—生態(tài)過程的區(qū)域集成研究中,不僅需要針對不同尺度地球表層過程的發(fā)生機(jī)理展開研究, 更需要通過尺度效應(yīng)分析和尺度轉(zhuǎn)換(尺度上推與尺度下推), 獲知其他尺度的信息, 開展多尺度研究, 從而體現(xiàn)研究對象的整體性。在尺度效應(yīng)分析與尺度轉(zhuǎn)換中, 需要注意特征尺度選擇與尺度域劃分、轉(zhuǎn)換方法與模型構(gòu)建、時間尺度與空間尺度的合理匹配、尺度轉(zhuǎn)換結(jié)果的不確定性分析等問題。
此外, 在綜合與集成的研究中, 也需要加強(qiáng)集成方法的拓展, 發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)方法、空間信息科學(xué)與技術(shù)在地理—生態(tài)過程研究中的作用, 開展基于對過程理解和定量闡述的模型研究, 如建立區(qū)域綜合模型、多尺度地理—生態(tài)過程模型等。
2.2 重點(diǎn)研究領(lǐng)域
2.2.1 尺度—結(jié)構(gòu)—過程相互作用“尺度—結(jié)構(gòu)—過程”是地理—生態(tài)過程研究的核心理念, 結(jié)構(gòu)影響過程, 過程改變結(jié)構(gòu), 尺度不同, 結(jié)構(gòu)與過程的關(guān)系也將有很大的差異。其中, 結(jié)構(gòu)是不同地理—生態(tài)過程與自然背景綜合作用的結(jié)果, 地理—生態(tài)過程的變化與發(fā)展影響和改變著陸地表層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形成, 從某種意義上說結(jié)構(gòu)是各種地理—生態(tài)演變過程的瞬間表現(xiàn)。同時, 結(jié)構(gòu)能夠從多個方面影響過程, 如生態(tài)系統(tǒng)的空間分布能夠影響局域地表溫度、養(yǎng)分豐缺、生物種群或其他物質(zhì)在空間上的分布狀況, 景觀要素的變化可以影響景觀中的物質(zhì)流和能量流等[22, 23]。
結(jié)構(gòu)、過程及其相互關(guān)系的研究離不開其所依賴的尺度。地理—生態(tài)過程不同, 其相應(yīng)的尺度也會有很大的變化。就研究粒度而言, 富營養(yǎng)化的研究往往在30 m 或更小粒度上展開, 而森林砍伐的粒度則多在100 m 以上; 就研究的幅度上, 葉片的生理過程一般發(fā)生在平方毫米/ 平方厘米的空間尺度和秒/ 分鐘的時間尺度上, 而景觀動態(tài)過程的研究則需要考察幾百/ 幾千平方公里的空間尺度和十年/ 百年的時間尺度[24]。結(jié)構(gòu)與過程的關(guān)系會因研究尺度的不同而發(fā)生明顯的變化, 如在不同尺度上, 土地利用結(jié)構(gòu)與土壤養(yǎng)分、土壤水分、水土流失的影響機(jī)制并不相同[4], 中小尺度上的研究成果并不能滿足大規(guī)模綜合治理與開發(fā)的需求。
尺度—結(jié)構(gòu)—過程的相互作用研究是現(xiàn)代地理—生態(tài)過程研究的重點(diǎn)領(lǐng)域, 其主要研究內(nèi)容包括如下幾個方面:
(1) 針對單一尺度分析結(jié)構(gòu)與過程的作用機(jī)理;
(2) 探討不同尺度之間結(jié)構(gòu)或過程變化的規(guī)律和特征, 并分析其尺度效應(yīng);
(3) 基于不同尺度結(jié)構(gòu)與過程的作用關(guān)系和尺度效應(yīng)分析結(jié)果, 進(jìn)行多尺度綜合研究和尺度轉(zhuǎn)換研究;
(4) 探討不同尺度劃分體系(如時間尺度、空間尺度、過程尺度、觀測尺度、模型尺度等) 對結(jié)構(gòu)、過程、結(jié)構(gòu)與過程作用關(guān)系的影響效應(yīng);
(5) 其他研究, 如多尺度模型研究、尺度轉(zhuǎn)換不確定性分析研究等。
2.2.2 自然—經(jīng)濟(jì)—社會要素相互聯(lián)系當(dāng)代地理學(xué)作為一門研究地球表層自然要素與人文要素相互作用與關(guān)系及其時空規(guī)律的科學(xué), 其研究內(nèi)容主要面向當(dāng)前世界性的人口、資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展問題[25]?，F(xiàn)代地理—生態(tài)過程的研究, 必然注重自然、經(jīng)濟(jì)、社會等多因素的綜合研究, 注重人類活動與環(huán)境變化的關(guān)系[19]。
在自然—經(jīng)濟(jì)—社會要素相互聯(lián)系的研究中, 地理—生態(tài)過程重點(diǎn)探討以下幾個方面的內(nèi)容:
(1) 自然、經(jīng)濟(jì)、社會單一系統(tǒng)內(nèi)部的要素、過程時空變化規(guī)律與特征;
(2) 自然、經(jīng)濟(jì)、社會不同類型的要素、過程之間的相互影響與作用機(jī)理;
(3) 自然、經(jīng)濟(jì)、社會不同系統(tǒng)之間多要素或過程之間的綜合與集成;
(4) 地表系統(tǒng)在自然、經(jīng)濟(jì)、社會共同作用下的變化規(guī)律與發(fā)展趨勢;
(5) 其他研究, 如復(fù)合系統(tǒng)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新等。

2.2.3 地貌—水文—生態(tài)過程相互耦合地貌過程、水文過程和生態(tài)過程是地理學(xué)、生態(tài)學(xué)研究的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域。在早期的研究中, 往往關(guān)注單一過程的研究, 而對兩兩過程或多種過程的綜合研究不夠。然而, 多種過程的耦合作用機(jī)理往往是識別系統(tǒng)動態(tài)演變的關(guān)鍵所在。在全球環(huán)境變化的背景下, 地貌過程—水文過程—生態(tài)過程的耦合研究顯得尤為重要。
目前, 地貌過程—水文過程—生態(tài)過程的耦合研究重點(diǎn)關(guān)注地形發(fā)育、徑流形成、污染物遷移、土地退化、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控等領(lǐng)域, 其重點(diǎn)研究內(nèi)容有:
(1) 人類活動影響下的生態(tài)—水文過程;
(2) 生物地球化學(xué)循環(huán)過程;
(3) 流域水、沙及化學(xué)物質(zhì)遷移過程;
(4) 其他研究, 如耦合模型開發(fā)等。
2.2.4 地理—生態(tài)過程與資源環(huán)境效應(yīng)研究資源、環(huán)境與發(fā)展的關(guān)系并尋求解決其中關(guān)鍵問題的途徑, 為區(qū)域整治提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù), 是當(dāng)代地理學(xué)和生態(tài)學(xué)服務(wù)社會的重要方面。目前急需解決的資源環(huán)境問題包括水資源供應(yīng)危機(jī)、土地質(zhì)量急劇下降、環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益嚴(yán)重、災(zāi)害頻發(fā)等問題, 這些資源環(huán)境問題的解決往往和地理—生態(tài)過程的調(diào)控密切相關(guān)。探討地理—生態(tài)過程與資源環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系是目前地理—生態(tài)過程研究的重要方面。
地理—生態(tài)過程與資源環(huán)境效應(yīng)研究的重點(diǎn)內(nèi)容有:
(1) 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與全球變化;
(2) 流域物理、化學(xué)和生物過程及其資源、環(huán)境和災(zāi)害效應(yīng);
(3) 土地利用/ 土地覆被變化過程及生態(tài)環(huán)境效應(yīng);
(4) 城市化過程對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響與效應(yīng);
(5) 生態(tài)系統(tǒng)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;
(6) 地貌過程與災(zāi)害效應(yīng)等。
3 地理—生態(tài)過程研究的發(fā)展趨勢與方向
3.1 地理—生態(tài)過程研究的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代地理—生態(tài)過程研究正跨越不同時空尺度, 開展多學(xué)科的交叉和融合, 從近期發(fā)展看, 地理—生態(tài)過程研究具有以下明顯的動態(tài)和趨勢。
(1) 系統(tǒng)化系統(tǒng)化是地理—生態(tài)過程研究的重要方向。地理—生態(tài)過程是以系統(tǒng)論為基礎(chǔ), 以陸地表層系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、人地系統(tǒng)等為對象開展研究。在系統(tǒng)化研究中,需要探討系統(tǒng)的內(nèi)部要素與結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)層次與相互關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)動態(tài)與外部環(huán)境的相互關(guān)系, 揭示全球變化背景下地理—生態(tài)過程與地表系統(tǒng)演變的作用關(guān)系, 探求系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的機(jī)制與途徑。
(2) 綜合性綜合性是地理—生態(tài)過程研究的重要特色。在地理—生態(tài)過程的綜合研究中, 不僅要在分析要素與要素關(guān)系、要素與過程關(guān)系、過程與過程關(guān)系的基礎(chǔ)上開展要素綜合和過程綜合, 也要在尺度效應(yīng)分析和尺度轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上開展區(qū)域綜合研究。在區(qū)域綜合研究中, 不僅需要聚焦危機(jī)區(qū)、脆弱區(qū)或熱點(diǎn)地區(qū), 針對獨(dú)特區(qū)域開展獨(dú)特問題的綜合研究[26]; 同時也應(yīng)具有全球化視角, 開展跨國或全球尺度的研究。此外, 也應(yīng)注重總結(jié)性的綜合研究[27], 基于重要地理區(qū)域科學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建國家級的地理科學(xué)基礎(chǔ)平臺,為進(jìn)一步創(chuàng)新研究提供基礎(chǔ)。
(3) 交叉性地理—生態(tài)過程研究本身就屬于學(xué)科交叉的范疇。隨著人口、資源、環(huán)境、發(fā)展等全球性問題重要性的日益突現(xiàn), 地理—生態(tài)過程研究的交叉性特點(diǎn)將愈加明顯, 自然與人文的交叉、科學(xué)與技術(shù)的交叉、多學(xué)科交叉成為地理—生態(tài)過程研究不可逆轉(zhuǎn)的趨勢, 地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、資源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等不同學(xué)科對于地球表層系統(tǒng)的共同關(guān)注, 在服務(wù)于國家戰(zhàn)略需求的同時, 也為地理—生態(tài)過程研究的深入發(fā)展提供了機(jī)遇。
(4) 應(yīng)用性地理—生態(tài)過程的未來研究, 將積極拓展科學(xué)研究的應(yīng)用領(lǐng)域與范圍,在環(huán)境與災(zāi)害管理、生態(tài)系統(tǒng)管理、國土綜合整治、全球環(huán)境變化、土地退化防治和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域開展應(yīng)用研究, 以滿足國家需求, 為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)。
3.2 地理—生態(tài)過程的重大研究論題
地理—生態(tài)過程作為當(dāng)代地理學(xué)、生態(tài)學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)問題和前沿領(lǐng)域,在未來的研究中, 需要整合科技資源, 針對以下領(lǐng)域和內(nèi)容開展工作。
(1) 地表系統(tǒng)中的物質(zhì)、能量和生物流過程研究其中重點(diǎn)加強(qiáng)生態(tài)水文過程、生物地球化學(xué)循環(huán)、人地相互作用過程、全球碳氮循環(huán)等研究; 注重界面過程和不同類型過程的耦合; 注重野外觀測、試驗(yàn)分析、空間信息技術(shù)、數(shù)學(xué)模型等研究方法的綜合應(yīng)用。
(2) 地表環(huán)境變化的驅(qū)動力、過程和效應(yīng)研究主要分析陸地表層系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和人地系統(tǒng)演變的自然和社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動, 分析不同結(jié)構(gòu)和過程的時空變換特征, 探討不同變化情景下的資源、環(huán)境、生態(tài)和災(zāi)害效應(yīng)。
(3) 區(qū)域綜合和區(qū)域內(nèi)異質(zhì)性研究區(qū)域綜合研究有待于加強(qiáng)區(qū)域綜合實(shí)驗(yàn)研究、區(qū)域綜合的方法與模型應(yīng)用; 同時針對區(qū)域內(nèi)的時空變異, 開展區(qū)域內(nèi)景觀多樣性與異質(zhì)性、景觀格局與生態(tài)過程研究。
(4) 尺度推繹與轉(zhuǎn)換尺度問題是地理—生態(tài)過程研究中極富有挑戰(zhàn)性的課題。針對不同的尺度劃分體系(種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀、區(qū)域、全球; 坡面、集水區(qū)、流域、區(qū)域、全球), 開展尺度推繹與轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)研究和區(qū)域?qū)嶒?yàn)研究, 發(fā)展尺度推繹與尺度轉(zhuǎn)換的方法和模型。
(5) 地理學(xué)的整體性研究整體性是地理學(xué)的特色, 在當(dāng)前環(huán)境變化研究中, 基于系統(tǒng)分析的整體性研究愈加重要[19]。目前, 地理學(xué)的整體性研究亟需加強(qiáng)自然地理學(xué)與人文地理學(xué)的融合, 注重環(huán)境變化與規(guī)劃、土地利用變化與規(guī)劃、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域的研究, 突出人類活動對環(huán)境和過程的影響, 探討模型模擬研究在地表系統(tǒng)整體性中的作用。
(6) 方法論創(chuàng)新方法論創(chuàng)新是推動地理—生態(tài)過程研究的重要途徑。需要加強(qiáng)非線性科學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)在地理系統(tǒng)研究中的應(yīng)用, 開發(fā)研制或發(fā)展地理過程模型、多尺度綜合模型等, 加強(qiáng)模型的有效性檢驗(yàn)與驗(yàn)證。
(7) 地理—生態(tài)過程研究的應(yīng)用在地理—生態(tài)過程的理論與創(chuàng)新的基礎(chǔ)上, 積極加強(qiáng)應(yīng)用研究, 其中重點(diǎn)加強(qiáng)的領(lǐng)域有: 水循環(huán)與水資源、地貌過程與工程和災(zāi)害防治、氣候變化及其效應(yīng)、生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和保護(hù)、土地退化過程與治理、人地相互作用過程和人與自然和諧發(fā)展、全球變化的區(qū)域適應(yīng)研究等。
3.3 地理—生態(tài)過程研究的幾點(diǎn)建議
我國在地理—生態(tài)過程這一領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量研究工作, 并取得許多重要的研究進(jìn)展。但是, 與國際相關(guān)研究的發(fā)展相比, 我們還有明顯差距。為了更好地開展地理—生態(tài)過程的研究, 服務(wù)于學(xué)科發(fā)展與國家需求, 在未來研究中需要注意以下幾方面的問題。
(1) 加強(qiáng)觀測、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查與模擬獲取數(shù)據(jù)是開展地理—生態(tài)過程研究的前提和基礎(chǔ)。目前, 我國已經(jīng)建立了長期野外觀測與研究臺站網(wǎng)絡(luò), 為監(jiān)測我國資源環(huán)境動態(tài)、推動地理學(xué)與生態(tài)學(xué)的發(fā)展、服務(wù)于國家需求和政府決策提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而,很多研究還缺少第一手的觀察與監(jiān)測數(shù)據(jù)。因而, 在未來的研究中, 要加強(qiáng)觀測、實(shí)驗(yàn)和野外調(diào)查, 注重?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測的長期性、監(jiān)測手段與方法的一致性。同時, 加強(qiáng)地理—生態(tài)過程的模擬研究, 發(fā)展基于觀測的過程模擬模型。
(2) 加強(qiáng)遙感與野外觀測的結(jié)合遙感手段是目前快速獲取地表信息, 開展地理—生態(tài)過程研究的重要手段。然而, 由于時間分辨率與空間分辨率的限制, 遙感數(shù)據(jù)的解譯結(jié)果往往具有不確定性。因而, 在基于遙感手段開展野外調(diào)研和數(shù)據(jù)分析的過程中,需要加強(qiáng)野外的同步觀測, 將遙感調(diào)查結(jié)果和野外觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合, 提高地理—生態(tài)過程研究的準(zhǔn)確性。
(3) 加強(qiáng)區(qū)域綜合和全球研究在我國目前地理—生態(tài)過程的研究中, 區(qū)域的綜合研究已有較多的案例, 但是缺乏基礎(chǔ)理論創(chuàng)新, 多尺度綜合研究的內(nèi)容也并不多見; 同時, 在地理—生態(tài)過程領(lǐng)域, 我國具有全球性視野的研究非常匱乏。在今后的研究中,我國學(xué)者要關(guān)注全球的問題, 積極開展跨國或全球尺度的研究。
(4) 加強(qiáng)學(xué)科交叉, 特別是一級學(xué)科的交叉學(xué)科交叉點(diǎn)往往就是科學(xué)新的生長點(diǎn)、新的科學(xué)前沿, 這里最有可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破, 使科學(xué)發(fā)生革命性的變化[28]。然而,從目前國家自然科學(xué)基金的申報(bào)情況可以看出地理學(xué)者有意開展交叉研究的項(xiàng)目比例較低[29], 地理學(xué)家們對于自然與人文的綜合研究相對薄弱, 難以滿足日益增長的國家需求。因而, 在今后的研究中, 亟需加強(qiáng)學(xué)科交叉, 將其他學(xué)科, 如生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的理論與方法應(yīng)用到地理—生態(tài)過程的研究中, 以期取得突破與創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)(Refer ences)
[1] Crutzen P J. Geology of mankind. Nature, 2002, 415(6867): 23.
[2] IGBP. Global change and the earth system: a planet under pressure. IGBP Science 4, The Global EnvironmentalProgrames, 2001.
[3] Leng Shuying, Song Changqing. Review of land surface geographical process study and prospects in China. Advances in Earth Science, 2005, 20(6): 600-606. [ 冷疏影, 宋長青. 陸地表層系統(tǒng)地理過程研究回顧與展望. 地球科學(xué)進(jìn)展,2005, 20(6): 600-606.]
[4] Fu Bojie, Chen Liding, Wang Jun et al. Land use structure and ecological processes. Quaternary Sciences, 2003, 23(3):247-255. [傅伯杰, 陳利頂, 王軍等. 土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程. 第四紀(jì)研究, 2003, 23(3): 247-255.]
[5] Margaret A P, Emily S B, Elizabeth A C et al. 21st Century Vision and Action Plan for the Ecological Society of America. Report from the Ecological Visions Committee to the Governing Board of the Ecological Society of America. 2004. http://esa.org/ecovisions/.
[6] Franoise B, Jacques B. Landscape Ecology: Concepts, Methods and Applications. New Hampshire: Science Publishers,Inc., 2003. 18-24.
[7] Goldewijk K K. Estimating global land use change over the past 300 years: The HYDE database. Global Biogeochemical Cycles, 2001, 15(2): 417-434.
[8]WWW.Living planet report. 2004. http://www.abelard.org/news/ecology2004.php#wwf_report. [9] Vorosmarty C J, Sahagian D. Anthropogenic disturbance of the terrestrial water cycle. BioScience, 2000, 50(9): 753-765.
[10] Oki T, Agata Y, Kanae S et al. Global assessment of current water resources using total runoff integrating pathways.Hydrological Sciences, 2001, 46(6): 983-995.
[11] Dumanski J, Pieri C. Land quality indicators: research plan. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2000, 81:93-102.
[12] Oldeman L R, Hakkeling R T A, Sombroek W G. World map of the status of human induced soil degradation: an explanatory note. International Soil Reference and Information Centre, Wageningen, NL, 1990.
[13] Thrift N. The future of geography. Geoforum, 2002, 33: 291-298.
[14] Fu B J, Zhao W W, Chen L D et al. A multiscale soil loss evaluation index. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(4):448-456.
[15] Odum E P. The strategy of ecosystem development. Science, 1969, 164: 262-270.
[16] Cao Mingkui. Meeting the challenge of ecosystem research and management in Anthropocene Era . Proceedings of Conference on Human Activities and Ecosystem Change, Dec.30, 2005. [ 曹明奎. 人類世時期生態(tài)系統(tǒng)研究和管理面臨的挑戰(zhàn). “人類活動與生態(tài)系統(tǒng)變化”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)討論會, 2005 年12 月30 日, 北京.]
[17] Chen Changdu. To follow the world's new tendency of ecological development in developing China's ecology. Science& Technology Review, 1996, (2): 7-9. [陳昌篤. 注目世界動向: 迎接21 世紀(jì)中國生態(tài)學(xué)新發(fā)展. 科技導(dǎo)報(bào), 1996,(2): 7-9.]
[18] Zheng Du, Chen Shupeng. Progress and disciplinary frontiers of geographical research. Advances in Earth Science,2001, 16(5): 599-606. [鄭度, 陳述彭. 地理學(xué)研究進(jìn)展與前沿領(lǐng)域. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2001, 16(5): 599-606.]
[19] Gregory K J. The Changing Nature of Physical Geography. New York: Oxford University Press Inc., 2000. 125-131,275-289.
[20] Ge Quansheng, Wu Shaohong, Zhu Liping et al. Some ideas related to the development of Chinese geography in the 21st century. Geographical Research, 2003, 22(4): 406-415. [葛全勝, 吳紹洪, 朱立平等. 21 世紀(jì)中國地理學(xué)發(fā)展的若干思考. 地理研究, 2003, 22(4): 406-415.]
[21] Huang Bingwei. Some key tendencies of physical geography. Acta Geographica Sinica, 1960, 26(3): 149-154. [黃秉維.自然地理學(xué)一些最主要的趨勢. 地理學(xué)報(bào), 1960, 26(3): 149-154.]
[22] Pickett S T A, Cadanasso M L. Landscape ecology: spatial heterogeneity in ecological systems. Science, 1995, 269(21):331-334.
[23] Reiners W A, Driese K L. Transport Processes in Nature: Propagation of Ecological Influences through Environmental Space. Cambridge University Press, 2004. 91-267.
[24] Buttenfield B P, Cameron D R. Scale effects and attribute resolution in ecological modeling. In: The 4th International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling (GIS/EM4): Problems, Prospects and Research Needs,2000.
[25] Song Changqing, Leng Shuying. Characteristics and trend of modern geography and progresses of geographical researchin China. Advances in Earth Science, 2005, 20(6): 595-599. [宋長青, 冷疏影. 當(dāng)代地理學(xué)特征、發(fā)展趨勢及中國地理學(xué)研究進(jìn)展. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(6): 595-599.]
[26] Cai Yunlong, Lu Dadao, Zhou Yixing et al. National demands for and development strategies of Chinese geography.Acta Geographica Sinica, 2004, 59(6): 811-819. [蔡運(yùn)龍, 陸大道, 周一星等. 中國地理科學(xué)的國家需求與發(fā)展戰(zhàn)略.地理學(xué)報(bào), 2004, 59(6): 811-819.]
[27] Lu Dadao. Some key issues concerning development of geographical science in China. Acta Geographica Sinica, 2003,58(1): 3-8. [陸大道. 中國地理學(xué)發(fā)展若干值得思考的問題. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(1): 3-8.]
[28] Lu Yongxiang. The significance of intersect of discipline and intersect science. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2005, 20(1): 58-60. [路甬祥. 學(xué)科交叉與交叉科學(xué)的意義. 中國科學(xué)院院刊, 2005, 20(1): 58-60.]
[29] Leng Shuying, Song Changqing. Challenges and opportunities of Chinese geography. Acta Geographica Sinica, 2005,60(4): 553-558. [冷疏影, 宋長青. 中國地理學(xué)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展. 地理學(xué)報(bào), 2005, 60(4): 553-558.