近70年来中国自然地理与生存环境基础研究的重要进展与展望

来源：赛杰奥

《近70年来中国自然地理与生存环境基础研究的重要进展与展望》一文是《中国科学: 地球科学》发起为中华人民共和国成立70周年献礼而特邀的学科发展综述论文, 文中自然地理学各分支学科和方向的进展由陈发虎、傅伯杰等相关学科的领军科学家完成. 本文分享其全文摘要及“结论与展望”部分内容。

结论与展望

地貌与气候是自然环境的两个最主要的基本要素, 相应的地貌学和气候学就成为了自然地理学的基础学科, 这就奠定了自然地理学在地貌演化、气候环境变化, 特别是第四纪环境演变等研究方面的突出地位. 在地貌和气候两个因素作用下, 水文、土壤、生物等随时间和空间发生变化, 相应的水文地理学、土壤地理学、生物地理学、环境地理学也成为自然地理学重要的二级学科, 并在水资源管理、土地利用(土壤侵蚀)、生态系统服务、污染防治研究方面成为自然地理学家的研究对象. 

纵观中国自然地理学研究走过的道路, 可以概括为: 

国家发展需求带动了中国自然地理学的整体发展; 

中国自然环境要素的多样性丰富、格局的差异性显著、区域的特色性独特, 加之中国具有悠久的强烈人-环境相互作用历史和连续的文明演化历程, 促成了中国自然地理学研究整体处于国际研究的第一方阵; 

从国外如欧美发达国家留学回国的自然地理学者及其积极主动的国际合作, 促进了中国自然地理学研究处于国际前沿; 

坚持观测-分析-模拟-预测相结合的现代化研究手段和方法, 是推动中国自然地理学研究达到国际领先水平的必经之路; 

利用中国自然环境要素和综合体的独特性, 在全球视野下开展中国特色自然地理研究, 今后才有可能引领国际自然地理学的发展. 

下面作者对中国自然地理学的未来发展提出思考与展望, 仅供大家讨论.

▋中国自然地理与生存环境研究正在全面走向国际研究第一方阵

国际上自然地理学均是伴随着国家需求驱动发展起来的. 大航海全球殖民时代的葡萄牙、西班牙, 工业化时代的英国, 一战二战前后的德国, 扩张时期的苏联和崛起的俄罗斯, 以及现代以美国为代表的经济发达国家, 都出现了一批对理解全球和区域自然环境格局和过程有重要贡献的科学家, 如提出自然地带性规律的德国科学家亚历山大·洪堡、提出土壤地带性规律的苏联地理学家道库恰耶夫(蔡运龙, 2010). 中国的自然地理学是在国家组织的综合考察和调查的基础上发展起来的(陈传康等, 1994). 中华人民共和国成立以后, 国家急需摸清自然资源和自然环境家底, 建设更美好的生存环境, 中国在原有中国科学院地理研究所的基础上, 在不同区域设立了针对不同自然地理要素和类型的研究机构, 许多省份亦成立了地理研究所; 在中国科学院知识创新工程科技布局和组织结构调整中, 于2003年还成立了以独具特色的青藏高原地球系统科学(核心是地球表层系统)研究为核心的青藏高原研究所. 以上举措形成了中国自然地理学研究的主体力量. 同时, 基于国家需求, 主要大学纷纷成立地理系, 多数以自然地理为重点, 成为了中国自然地理与生存环境研究的重要力量. 中华人民共和国成立70年以来中国自然地理研究取得的重要进展、重大成果均来自中国科学院地理研究机构和具有区域研究特色的重要大学, 不论在国际SCI刊物的总发文量, 还是在如《Nature》《Science》等具有重大影响的国际重要学术刊物上的发文量, 以及获得国际重要奖项(如瑞典人类学和地理学会的维加奖)等方面均逐步走向国际自然地理研究的第一方阵, 个别自然地理要素研究处于国际领先水平.

中国在亚洲内陆干旱环境和地貌景观演化方面的研究是自然地理学中自然环境演化研究的典型案例. 今后需要统筹考虑副特提斯海退缩、青藏高原隆升、新生代全球降温等构造/气候事件在干旱化进程中的相对作用; 实施沙漠钻探以探究沙漠景观和内陆干旱化的异同, 并需要在基于可靠年代和可信代用指标的气候重建下, 开展与模式模拟结果的对比. 干旱化研究中的风沙地貌研究应当拓展到地外行星, 例如火星风沙地貌形成机制与地球上最高大沙山(巴丹吉林沙漠地貌)的类比研究, 自然地理学研究应当主动拓展到“三深一系统”中的“深空”研究, 为认识地外行星的现代表面过程和演化历史提供重要信息.

中国低海拔区域主要可以划分为受季风环流影响的季风区和主要受西风环流控制的内陆干旱区. 关于亚洲夏季风变化, 自然地理学主要关注晚第四纪, 尤其是现代间冰期(全新世)的季风变化. 未来基于降水指标的夏季风强度定量重建将为更进一步深刻认知东亚夏季风提供有效的途径, 进而为研究轨道时间尺度上东亚夏季风影响下中国东部降水的南北空间模态提供可能; 在青藏高原南部、中国西南等地的印度夏季风变化研究, 是推动理解印度夏季风变化规律及其与东亚夏季风相位关系的重要举措; 在全球变暖和人类活动影响下的未来季风变化及其影响也将会是科学界和社会关注的重点问题. 关于西风区气候变化, 不仅在区域上需要考虑整个中东亚干旱区, 在时间尺度上还需要拓展到冰期-间冰期尺度, 探索西风区和季风区湿度是否确如黄土记录指示的(Ding等, 2002)出现同步变化, 机理如何? 西风区温度变化有何特征, 不同时间尺度水热配置怎样? 随着全球进一步升温, 西风区会变得更湿还是更干, “西风模态”是否仍然存在? 此外, 不论是中国季风区还是西风区, 主要气候因子的定量重建方法成为未来主攻的方向, 包括生物标志化合物重建温度的季节偏向性问题, 孢粉的定量温度、降水重建显著性检验的主控气候因子提取(如陈建徽等, 2018)和分时段主控因素变化的定量重建困难, 以及实现模拟与记录重建的相互验证支持问题. 在年分辨率的树轮气候重建中, 如何解决低频变化重建困难、获得更长时间序列, 以及探索新指标提高重建的可信性, 提供可信树轮重建网格化气候变化资料为模式预测气候变化趋势服务问题是今后应当主攻的方向. 

过去人-环境相互作用也是自然地理学的重要研究方向, 应当加强研究人类演化的不同阶段和不同空间尺度过去人与环境的相互作用, 理解智人在全球扩散过程中的适应和影响, 研究农业起源和传播的自然环境驱动作用及其对生存环境的影响, 深化理解文明演化与环境变化关系. 充分利用中国的材料, 研究中国本土早期智人、丹尼索瓦人、尼安德特人及与现代智人的关系和环境影响, 北方粟作农业、南方稻作农业的起源、扩散和影响, 理解跨大陆人群、技术交流和史前人类向青藏高原扩散并最终定居的过程和机制. 随着研究资料的积累和研究方法的不断进步, 过去人与环境相互作用的研究有望取得更多的国际性前沿成果.

▋国际接轨和手段现代化的研究推动中国自然地理研究走向国际前沿

作为地理科学基础学科的自然地理学, 近70年来取得了显著发展, 主要原因可能是中国的自然地理学研究不但立足中国具有特色的自然地理环境要素和综合体开展研究工作, 而且始终保持在国际层面的交流和竞争, 更重要的是研究手段的定量化和现代化. 

过去70年的中国自然地理研究, 在开展气候与自然环境要素(如温度、降水、植被、沙漠、冰川、湖泊等)时间演化历史和规律, 以及理解过去人-环境相互作用方向, 基本与国际保持同步发展, 采用了研究对象的样品采集、实验室分析和概念模型机理探讨; 在自然环境空间格局研究方向多采用了定位观测、定量化分析和模型模拟的现代化研究手段. 中国自然地理学发展应当建立星空地定位观测体系, 采用实验室分析测试和指标探索, 开展模型模拟和预测, 达到理解过去, 把握现状、预测未来的目标. 聚焦人类生存环境中的地球陆地表层系统, 重视了解当代人类生存环境必不可少的空间变异和时间过程, 认识地球自然环境怎样成为人类活动的基础并受人类活动的影响(Gregory, 2000; 蔡运龙等, 2009; 刘焱序等, 2018), 牢牢占据中国地球科学倡导的“三深一系统”国家战略中的地球表层系统, 并发扬在国际视野和国际层面竞争的传统, 在现有国际相关大型研究计划, 如地圈-生物圈计划(IGBP)、国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)、全球环境变化(GEC)、千年生态系统评估(MA)、未来地球计划(FE)、可持续发展目标(SDGs)中发挥着重要作用. 中国自然地理学尤其还应当注重开展中国特色的自然地理研究, 如中国生存环境和宜居性、生态服务、地缘战略、全球化、环境地理等, 逐步走向国际自然地理学研究的前沿.

中国多样性的自然环境加上强烈的人类活动以及受全球变化影响显著等特点, 在湖泊湿地研究方面, 未来应以建立系统定位观测和模式模拟为基础, 统筹考虑污染、富营养化和全球变化等多因子胁迫下湖泊变化, 建立湖泊水动力、水质和水生态不同单元之间的关系, 揭示地理差异对湖泊生态系统的影响, 深化对浅水湖泊生态系统演替规律、机理以及人类活动影响的认识, 发展中国特色的浅水湖泊湖沼学, 理解湖泊湿地水文过程和生态功能, 为湿地保护与恢复提供科学基础; 

在自然地理学家开展的水文研究方面, 应侧重社会水文学的探索与研究, 包括全球变化影响和社会经济发展联系的水与气候、水与环境、水与生态、水与社会联系的水系统科学复杂性. 同时, 在流域系统定位观测基础上, 开展以流域为单元的流域水文模型研究, 提升流域模型对自然过程(如生态水文与区域气候之间的互馈影响)的刻画能力, 并加强流域自然过程模型与社会经济系统模型之间的深度耦合. 此外, 应重视流域模型在科学与决策之间的桥梁作用, 通过整合多源观测、专家知识、网络大数据, 实现定性到定量信息的融合, 充分发挥流域模型的决策支持作用; 

土壤地理的研究方面, 重点应是土壤侵蚀和水土流失基础和防止研究, 应加强开展全国水土流失动态监测, 利用遥感技术提取土壤侵蚀因子, 对土壤侵蚀进行预报, 今后还应当将研究区域扩展到泛第三极地区, 进行国际土壤侵蚀制图, 重点解决尺度转化问题; 

生物地理方面, 自然地理学研究应当实现研究手段的现代化, 借鉴生物学的最新手段, 注重大数据和分子生物学手段, 解决学科交融中的突出科学问题, 开展热点和关键地区生物区系特征、区系起源与历史演化、人类扩散与区域生物组成变迁的关系研究, 开展生态文明建设的生物地理学相关研究, 服务国家生态文明建设的需求; 

综合自然地理研究方面, 黄土高原的地质均一性为研究提供了难得的典型区域, 其气候-生态-水文系统的反馈机制仍是今后的重点.

▋立足中国特色在全球视野下的自然环境研究推动中国自然地理研究引领国际前沿

20世纪地球科学的最大突破是板块构造理论, 青藏高原成为验证板块构造理论的最佳试验场. 21世纪地球系统科学是地球科学新的突破方向, 青藏高原最有可能成为地球系统科学重大原始创新理论新突破的策源地, 将带动地球科学许多关键核心技术从0到1的突破. 青藏高原是世界屋脊、亚洲水塔、地球第三极, 亦是地球上六大圈层(岩石圈、水圈、冰冻圈、大气圈、生物圈和人类圈)发育最全和相互作用最为剧烈的地区, 以其强烈的多圈层相互作用和局域、广域资源环境效应而闻名于世, 是国际地球系统科学研究的天然实验室, 是开展自然环境形成演化和全球变暖下地表响应及其区域与全球影响的最理想场所. 印度大陆与欧亚大陆于距今6500万年前首先在中部碰撞, 然后向两侧逐渐关闭, 从大洋俯冲到大陆俯冲的转换及大陆岩石圈俯冲的壳幔作用过程, 导致印度与欧亚大陆岩石圈的南北双向俯冲, 形成独特的青藏高原岩石圈大地构造(Ding等, 2007), 再到大气圈、生物圈、水圈和冰冻圈等的链式响应和反馈作用, 无疑为开展地球系统研究中最核心的圈层相互作用研究提供了最难得的条件(Yao等, 2015), 尤其是为自然地理学开展地球表层系统研究提供了发挥作用的场所. 中国自然地理学家在青藏高原隆起的地貌过程、河流演化、生物效应、气候变化方面已经开展了国际前沿的研究, 发起了第三极环境(TPE)国际计划, 研究区域从青藏高原扩展到第三极, 再到发起泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设研究(姚檀栋等, 2017), 自然地理学家积极发挥作用推进“三极环境与气候变化”国际大科学计划这一国家大战略, 中国的自然地理才有可能引领全球研究. 中国科学院的“丝路环境”A类先导专项和即将实施的第二次青藏高原综合科学考察研究国家专项, 必将极大带动多学科交叉和综合集成, 为中国自然地理学研究引领世界研究提供了持续的经费支持.

在现有研究基础上, 在青藏高原隆升、地貌演化、冰川和大江大河发育方面, 先进测年手段和可靠测年材料是年代突破的关键, 建立可靠可信年代序列是基础, 开发新的古高度计精确确定不同部位古高程是高原隆升研究的核心. 自然地理学研究应当与地质研究结合, 统筹考虑沉积和地貌记录, 大力发展数值模拟手段, 才能全面揭示高原隆升导致的河流演化、自然环境(如冰川发育)响应及其对区域和全球的影响, 提出中国自己的构造-地貌-气候作用假说. 青藏高原隆起的链式响应过程和反馈研究将为地球科学研究提供范例, 也为“三极环境与气候变化”国际大科学计划的实施打好基础.

在目前全球变暖背景下, 青藏高原自然地理系统(地表系统)产生了显著变化和相互作用. 抢救性地钻取青藏高原冰芯, 建立完整的冰芯样品库已刻不容缓; 发展新的测年手段, 突破冰芯年龄瓶颈, 发展冰芯新环境指标尤其重要. 快速变化的冰川需要新的监测手段(重点利用卫星遥感技术), 尤其是冰崩(如2016年阿汝冰崩(Kääb等, 2018))、冰湖溃决及冰川泥石流等潜在风险的监测和预报更为迫切, 提出冰川变化假说并结合模式模拟给出可信的未来变化趋势显得更重要; 青藏高原特色的冻土变化、湖泊变化和植被变化需要在定位观测、卫星遥感监测基础上, 开发新的研究方法及探测技术, 结合模型理解其在全球变化驱动下的区域变化差异和全球共性问题. 青藏高原自然地理要素和地表系统变化及其相互作用, 更需要开发中国自己的青藏高原区域地球系统变化模式. 这些研究将会为国家发起的“三极环境与气候变化”国际大科学计划提供表层系统研究的范例, 最终引领国际自然地理学的发展.

综上所述, 在全球环境变化和全球经济一体化的宏观背景下, 中国自然地理学需要重点研究的科学问题是自然地理要素特征及其变化的成因机理, 以及这种变化所造成的影响和人类如何适应, 其中包括变化的幅度和速率, 以及自然和人文驱动要素的归因. 

自然地理学的重点研究内容包括: 

(1) 自然要素相互作用的机制研究, 通过理解自然要素相互作用过程的机理, 揭示其动态变化的规律, 预估未来发展的趋势; 

(2) 基于区域研究的视角, 通过“要素-过程-格局”的综合研究模式, 提高区域社会经济建设中对资源环境的认识, 降低对生态环境的压力;

(3) 应用现代先进技术, 针对未来发展的情景, 从生态环境和人类福祉之间的内在关系, 提出解决阻碍社会经济可持续发展的科学对策, 实现对自然资源和生态环境的有效调控和管理.