近70年來中國自然地理與生存環境基礎研究的重要進展與展望

導 讀

《近70年來中國自然地理與生存環境基礎研究的重要進展與展望》一文是《中國科學: 地球科學》發起為中華人民共和國成立70周年獻禮而特邀的學科發展綜述論文, 文中自然地理學各分支學科和方向的進展由陳發虎、傅伯傑等相關學科的領軍科學家完成. 本文分享其全文摘要及「結論與展望」部分內容。

來源：賽傑奧公號（科學出版社地球科學訂閱號）（2019年11月27日）

摘 要

自然環境是人類賴以生存和發展的基礎, 探索自然環境及其各要素(如地貌、氣候、水文、土壤等)的特徵、演變過程、地域分異規律以及驅動機制是自然地理學的重點研究內容. 中國自然地理要素類型豐富且區域差異較大, 為開展自然地理研究提供了難得的機遇. 文章主要圍繞青藏高原隆升與亞洲內陸乾旱化及河流發育、高原冰凍圈環境演化、全新世多時間尺度季風與西風氣候變化、湖泊與溼地、流域模型與土壤侵蝕、過去人-地關係演化、生物地理及中國三維地帶性規律等幾個方面, 梳理了近70年來中國自然地理與生存環境研究的重大理論進展與重要貢獻. 在簡要交代國際前沿研究進展的基礎上, 回顧並梳理了中國自然地理學各分支領域的研究脈絡, 進一步聚焦重大研究成果或具有較大爭議、重大影響的學術爭鳴問題, 歸納目前研究現狀, 並進行未來工作展望. 最後提出在推進生態文明建設的國家需求下, 應發揮中國自然地理研究的優勢, 釐清自然地理要素變化的過程、規律與機制, 持續推進中國自然地理研究為國家戰略服務, 在全球視野下做出具有中國特色的自然地理學理論貢獻.

中國地勢與自然地理區劃

結論與展望

地貌與氣候是自然環境的兩個最主要的基本要素, 相應的地貌學和氣候學就成為了自然地理學的基礎學科, 這就奠定了自然地理學在地貌演化、氣候環境變化, 特別是第四紀環境演變等研究方面的突出地位. 在地貌和氣候兩個因素作用下, 水文、土壤、生物等隨時間和空間發生變化, 相應的水文地理學、土壤地理學、生物地理學、環境地理學也成為自然地理學重要的二級學科, 並在水資源管理、土地利用(土壤侵蝕)、生態系統服務、汙染防治研究方面成為自然地理學家的研究對象.

縱觀中國自然地理學研究走過的道路, 可以概括為:

國家發展需求帶動了中國自然地理學的整體發展;

中國自然環境要素的多樣性豐富、格局的差異性顯著、區域的特色性獨特, 加之中國具有悠久的強烈人-環境相互作用歷史和連續的文明演化歷程, 促成了中國自然地理學研究整體處於國際研究的第一方陣;

從國外如歐美發達國家留學回國的自然地理學者及其積極主動的國際合作, 促進了中國自然地理學研究處於國際前沿;

堅持觀測-分析-模擬-預測相結合的現代化研究手段和方法, 是推動中國自然地理學研究達到國際領先水平的必經之路;

利用中國自然環境要素和綜合體的獨特性, 在全球視野下開展中國特色自然地理研究, 今後才有可能引領國際自然地理學的發展.

下面作者對中國自然地理學的未來發展提出思考與展望, 僅供大家討論.

中國自然地理與生存環境研究正在全面走向國際研究第一方陣

國際上自然地理學均是伴隨著國家需求驅動發展起來的. 大航海全球殖民時代的葡萄牙、西班牙, 工業化時代的英國, 一戰二戰前後的德國, 擴張時期的蘇聯和崛起的俄羅斯, 以及現代以美國為代表的經濟發達國家, 都出現了一批對理解全球和區域自然環境格局和過程有重要貢獻的科學家, 如提出自然地帶性規律的德國科學家亞歷山大·洪堡、提出土壤地帶性規律的蘇聯地理學家道庫恰耶夫(蔡運龍, 2010). 中國的自然地理學是在國家組織的綜合考察和調查的基礎上發展起來的(陳傳康等, 1994). 中華人民共和國成立以後, 國家急需摸清自然資源和自然環境家底, 建設更美好的生存環境, 中國在原有中國科學院地理研究所的基礎上, 在不同區域設立了針對不同自然地理要素和類型的研究機構, 許多省份亦成立了地理研究所; 在中國科學院知識創新工程科技布局和組織結構調整中, 於2003年還成立了以獨具特色的青藏高原地球系統科學(核心是地球表層系統)研究為核心的青藏高原研究所. 以上舉措形成了中國自然地理學研究的主體力量. 同時, 基於國家需求, 主要大學紛紛成立地理系, 多數以自然地理為重點, 成為了中國自然地理與生存環境研究的重要力量. 中華人民共和國成立70年以來中國自然地理研究取得的重要進展、重大成果均來自中國科學院地理研究機構和具有區域研究特色的重要大學, 不論在國際SCI刊物的總發文量, 還是在如《Nature》《Science》等具有重大影響的國際重要學術刊物上的發文量, 以及獲得國際重要獎項(如瑞典人類學和地理學會的維加獎)等方面均逐步走向國際自然地理研究的第一方陣, 個別自然地理要素研究處於國際領先水平.

中國在亞洲內陸乾旱環境和地貌景觀演化方面的研究是自然地理學中自然環境演化研究的典型案例. 今後需要統籌考慮副特提斯海退縮、青藏高原隆升、新生代全球降溫等構造/氣候事件在乾旱化進程中的相對作用; 實施沙漠鑽探以探究沙漠景觀和內陸乾旱化的異同, 並需要在基於可靠年代和可信代用指標的氣候重建下, 開展與模式模擬結果的對比. 乾旱化研究中的風沙地貌研究應當拓展到地外行星, 例如火星風沙地貌形成機制與地球上最高大沙山(巴丹吉林沙漠地貌)的類比研究, 自然地理學研究應當主動拓展到「三深一系統」中的「深空」研究, 為認識地外行星的現代表面過程和演化歷史提供重要信息.

中國低海拔區域主要可以劃分為受季風環流影響的季風區和主要受西風環流控制的內陸乾旱區. 關於亞洲夏季風變化, 自然地理學主要關注晚第四紀, 尤其是現代間冰期(全新世)的季風變化. 未來基於降水指標的夏季風強度定量重建將為更進一步深刻認知東亞夏季風提供有效的途徑, 進而為研究軌道時間尺度上東亞夏季風影響下中國東部降水的南北空間模態提供可能; 在青藏高原南部、中國西南等地的印度夏季風變化研究, 是推動理解印度夏季風變化規律及其與東亞夏季風相位關係的重要舉措; 在全球變暖和人類活動影響下的未來季風變化及其影響也將會是科學界和社會關注的重點問題. 關於西風區氣候變化, 不僅在區域上需要考慮整個中東亞乾旱區, 在時間尺度上還需要拓展到冰期-間冰期尺度, 探索西風區和季風區溼度是否確如黃土記錄指示的(Ding等, 2002)出現同步變化, 機理如何? 西風區溫度變化有何特徵, 不同時間尺度水熱配置怎樣? 隨著全球進一步升溫, 西風區會變得更溼還是更幹, 「西風模態」是否仍然存在? 此外, 不論是中國季風區還是西風區, 主要氣候因子的定量重建方法成為未來主攻的方向, 包括生物標誌化合物重建溫度的季節偏向性問題, 孢粉的定量溫度、降水重建顯著性檢驗的主控氣候因子提取(如陳建徽等, 2018)和分時段主控因素變化的定量重建困難, 以及實現模擬與記錄重建的相互驗證支持問題. 在年解析度的樹輪氣候重建中, 如何解決低頻變化重建困難、獲得更長時間序列, 以及探索新指標提高重建的可信性, 提供可信樹輪重建網格化氣候變化資料為模式預測氣候變化趨勢服務問題是今後應當主攻的方向.

過去人-環境相互作用也是自然地理學的重要研究方向, 應當加強研究人類演化的不同階段和不同空間尺度過去人與環境的相互作用, 理解智人在全球擴散過程中的適應和影響, 研究農業起源和傳播的自然環境驅動作用及其對生存環境的影響, 深化理解文明演化與環境變化關係. 充分利用中國的材料, 研究中國本土早期智人、丹尼索瓦人、尼安德特人及與現代智人的關係和環境影響, 北方粟作農業、南方稻作農業的起源、擴散和影響, 理解跨大陸人群、技術交流和史前人類向青藏高原擴散並最終定居的過程和機制. 隨著研究資料的積累和研究方法的不斷進步, 過去人與環境相互作用的研究有望取得更多的國際性前沿成果.

國際接軌和手段現代化的研究推動中國自然地理研究走向國際前沿

作為地理科學基礎學科的自然地理學, 近70年來取得了顯著發展, 主要原因可能是中國的自然地理學研究不但立足中國具有特色的自然地理環境要素和綜合體開展研究工作, 而且始終保持在國際層面的交流和競爭, 更重要的是研究手段的定量化和現代化.

過去70年的中國自然地理研究, 在開展氣候與自然環境要素(如溫度、降水、植被、沙漠、冰川、湖泊等)時間演化歷史和規律, 以及理解過去人-環境相互作用方向, 基本與國際保持同步發展, 採用了研究對象的樣品採集、實驗室分析和概念模型機理探討; 在自然環境空間格局研究方向多採用了定位觀測、定量化分析和模型模擬的現代化研究手段. 中國自然地理學發展應當建立星空地定位觀測體系, 採用實驗室分析測試和指標探索, 開展模型模擬和預測, 達到理解過去, 把握現狀、預測未來的目標. 聚焦人類生存環境中的地球陸地表層系統, 重視了解當代人類生存環境必不可少的空間變異和時間過程, 認識地球自然環境怎樣成為人類活動的基礎並受人類活動的影響(Gregory, 2000; 蔡運龍等, 2009; 劉焱序等, 2018), 牢牢佔據中國地球科學倡導的「三深一系統」國家戰略中的地球表層系統, 並發揚在國際視野和國際層面競爭的傳統, 在現有國際相關大型研究計劃, 如地圈-生物圈計劃(IGBP)、國際全球環境變化人文因素計劃(IHDP)、全球環境變化(GEC)、千年生態系統評估(MA)、未來地球計劃(FE)、可持續發展目標(SDGs)中發揮著重要作用. 中國自然地理學尤其還應當注重開展中國特色的自然地理研究, 如中國生存環境和宜居性、生態服務、地緣戰略、全球化、環境地理等, 逐步走向國際自然地理學研究的前沿.

中國多樣性的自然環境加上強烈的人類活動以及受全球變化影響顯著等特點, 在湖泊溼地研究方面, 未來應以建立系統定位觀測和模式模擬為基礎, 統籌考慮汙染、富營養化和全球變化等多因子脅迫下湖泊變化, 建立湖泊水動力、水質和水生態不同單元之間的關係, 揭示地理差異對湖泊生態系統的影響, 深化對淺水湖泊生態系統演替規律、機理以及人類活動影響的認識, 發展中國特色的淺水湖泊湖沼學, 理解湖泊溼地水文過程和生態功能, 為溼地保護與恢復提供科學基礎;

在自然地理學家開展的水文研究方面,應側重社會水文學的探索與研究, 包括全球變化影響和社會經濟發展聯繫的水與氣候、水與環境、水與生態、水與社會聯繫的水系統科學複雜性. 同時, 在流域系統定位觀測基礎上, 開展以流域為單元的流域水文模型研究, 提升流域模型對自然過程(如生態水文與區域氣候之間的互饋影響)的刻畫能力, 並加強流域自然過程模型與社會經濟系統模型之間的深度耦合. 此外, 應重視流域模型在科學與決策之間的橋梁作用, 通過整合多源觀測、專家知識、網絡大數據, 實現定性到定量信息的融合, 充分發揮流域模型的決策支持作用;

土壤地理的研究方面,重點應是土壤侵蝕和水土流失基礎和防止研究, 應加強開展全國水土流失動態監測, 利用遙感技術提取土壤侵蝕因子, 對土壤侵蝕進行預報, 今後還應當將研究區域擴展到泛第三極地區, 進行國際土壤侵蝕製圖, 重點解決尺度轉化問題;

生物地理方面,自然地理學研究應當實現研究手段的現代化, 借鑑生物學的最新手段, 注重大數據和分子生物學手段, 解決學科交融中的突出科學問題, 開展熱點和關鍵地區生物區系特徵、區系起源與歷史演化、人類擴散與區域生物組成變遷的關係研究, 開展生態文明建設的生物地理學相關研究, 服務國家生態文明建設的需求;

綜合自然地理研究方面,黃土高原的地質均一性為研究提供了難得的典型區域, 其氣候-生態-水文系統的反饋機制仍是今後的重點.

立足中國特色在全球視野下的自然環境研究推動中國自然地理研究引領國際前沿

20世紀地球科學的最大突破是板塊構造理論, 青藏高原成為驗證板塊構造理論的最佳試驗場. 21世紀地球系統科學是地球科學新的突破方向, 青藏高原最有可能成為地球系統科學重大原始創新理論新突破的策源地, 將帶動地球科學許多關鍵核心技術從0到1的突破. 青藏高原是世界屋脊、亞洲水塔、地球第三極, 亦是地球上六大圈層(巖石圈、水圈、冰凍圈、大氣圈、生物圈和人類圈)發育最全和相互作用最為劇烈的地區, 以其強烈的多圈層相互作用和局域、廣域資源環境效應而聞名於世, 是國際地球系統科學研究的天然實驗室, 是開展自然環境形成演化和全球變暖下地表響應及其區域與全球影響的最理想場所. 印度大陸與歐亞大陸於距今6500萬年前首先在中部碰撞, 然後向兩側逐漸關閉, 從大洋俯衝到大陸俯衝的轉換及大陸巖石圈俯衝的殼幔作用過程, 導致印度與歐亞大陸巖石圈的南北雙向俯衝, 形成獨特的青藏高原巖石圈大地構造(Ding等, 2007), 再到大氣圈、生物圈、水圈和冰凍圈等的鏈式響應和反饋作用, 無疑為開展地球系統研究中最核心的圈層相互作用研究提供了最難得的條件(Yao等, 2015), 尤其是為自然地理學開展地球表層系統研究提供了發揮作用的場所. 中國自然地理學家在青藏高原隆起的地貌過程、河流演化、生物效應、氣候變化方面已經開展了國際前沿的研究, 發起了第三極環境(TPE)國際計劃, 研究區域從青藏高原擴展到第三極, 再到發起泛第三極環境變化與綠色絲綢之路建設研究(姚檀棟等, 2017), 自然地理學家積極發揮作用推進「三極環境與氣候變化」國際大科學計劃這一國家大戰略, 中國的自然地理才有可能引領全球研究. 中國科學院的「絲路環境」A類先導專項和即將實施的第二次青藏高原綜合科學考察研究國家專項, 必將極大帶動多學科交叉和綜合集成, 為中國自然地理學研究引領世界研究提供了持續的經費支持.

在現有研究基礎上, 在青藏高原隆升、地貌演化、冰川和大江大河發育方面, 先進測年手段和可靠測年材料是年代突破的關鍵, 建立可靠可信年代序列是基礎, 開發新的古高度計精確確定不同部位古高程是高原隆升研究的核心. 自然地理學研究應當與地質研究結合, 統籌考慮沉積和地貌記錄, 大力發展數值模擬手段, 才能全面揭示高原隆升導致的河流演化、自然環境(如冰川發育)響應及其對區域和全球的影響, 提出中國自己的構造-地貌-氣候作用假說. 青藏高原隆起的鏈式響應過程和反饋研究將為地球科學研究提供範例, 也為「三極環境與氣候變化」國際大科學計劃的實施打好基礎.

在目前全球變暖背景下, 青藏高原自然地理系統(地表系統)產生了顯著變化和相互作用. 搶救性地鑽取青藏高原冰芯, 建立完整的冰芯樣品庫已刻不容緩; 發展新的測年手段, 突破冰芯年齡瓶頸, 發展冰芯新環境指標尤其重要. 快速變化的冰川需要新的監測手段(重點利用衛星遙感技術), 尤其是冰崩(如2016年阿汝冰崩(K b等, 2018))、冰湖潰決及冰川泥石流等潛在風險的監測和預報更為迫切, 提出冰川變化假說並結合模式模擬給出可信的未來變化趨勢顯得更重要; 青藏高原特色的凍土變化、湖泊變化和植被變化需要在定位觀測、衛星遙感監測基礎上, 開發新的研究方法及探測技術, 結合模型理解其在全球變化驅動下的區域變化差異和全球共性問題. 青藏高原自然地理要素和地表系統變化及其相互作用, 更需要開發中國自己的青藏高原區域地球系統變化模式. 這些研究將會為國家發起的「三極環境與氣候變化」國際大科學計劃提供表層系統研究的範例, 最終引領國際自然地理學的發展.

綜上所述, 在全球環境變化和全球經濟一體化的宏觀背景下, 中國自然地理學需要重點研究的科學問題是自然地理要素特徵及其變化的成因機理, 以及這種變化所造成的影響和人類如何適應, 其中包括變化的幅度和速率, 以及自然和人文驅動要素的歸因.

自然地理學的重點研究內容包括:

(1) 自然要素相互作用的機制研究, 通過理解自然要素相互作用過程的機理, 揭示其動態變化的規律, 預估未來發展的趨勢;

(2) 基於區域研究的視角, 通過「要素-過程-格局」的綜合研究模式, 提高區域社會經濟建設中對資源環境的認識, 降低對生態環境的壓力;

(3) 應用現代先進技術, 針對未來發展的情景, 從生態環境和人類福祉之間的內在關係, 提出解決阻礙社會經濟可持續發展的科學對策, 實現對自然資源和生態環境的有效調控和管理.

本文是《中國科學: 地球科學》發起為中華人民共和國成立70周年獻禮而特邀的學科發展綜述論文, 文中自然地理學各分支學科和方向的進展都是相關學科的領軍科學家完成: 陳發虎, 傅伯傑, 夏軍, 吳鐸, 吳紹洪, 張鐿鋰, 孫航, 劉禹, 方小敏, 秦伯強, 李新,張廷軍, 劉寶元, 董治寶, 侯書貴, 田立德, 徐柏青, 董廣輝, 鄭景雲, 楊威, 王鑫,李再軍, 王飛, 胡振波, 王傑, 劉建寶, 陳建徽, 黃偉, 侯居峙, 蔡秋芳, 隆浩, 姜明,胡亞鮮, 馮曉明, 莫興國, 楊曉燕, 張東菊, 王秀紅, 尹雲鶴, 劉曉晨. 多數作者的排名按照學科和單位統籌考慮. 論文在完成過程中, 有非常多的學者先後參與了這項工作, 不能全部列為作者, 在此一併致謝.

本文來源：中國科學: 地球科學, 49卷, 11期: 1659-1696(2019) https://doi.org/10.1360/SSTe-2019-0174。同時綜合了「中國科學地球科學」微信公眾號相關內容。

薦 書