当代自然地理学的前沿领域.ppt

1、当代自然地理学的前沿领域,城市与环境学院 地理科学研究中心,北京大学,蔡运龙,当代自然地理学的主要学术指向 国际重大科学研究计划及其与自然地理学的关联 与自然地理学有关的国家重大科学研究计划 未来我国自然地理学的优先领域 我国特殊自然地理区域的综合研究,主要学术指向,自然地理系统 科学中的系统研究 系统科学，用各门科学中的理论对系统进行科学研究； 系统方法和技术，即将相关理论（例如博弈论）和计算机操作应用于解决各种问题； 系统哲学，即科学思想和世界观的重新定向,系统分析的四个阶段： 概念界定，包括界定系统组分； 结构分析，包括建立系统组分间的关系； 模型模拟，建立系统模型，解释模型中的联系，并

2、修正模型； 解题应用，力图对系统模型求解。,自然地理系统模型： 生态学第一代模型从对林德曼1942年提出的能流和营养动态概念的发展而产生； 土壤侵蚀第二代模型美国农业部（土壤保护局和农业研究局）在1980年代发起的一系列模型； 水文学模型包括对水文系统的现代大尺度模拟； 新一代模型包括跨界层模型、全球模型和区域模型、演化模型，模拟被忽视的过程（如地貌-植被覆盖的相互关系），模拟人类影响。,自然地理过程 什么是自然地理“过程” 戴维斯的形态、过程、演变三分法，重点在演变，对过程关注很少。 不仅回答是什么、在何地、在何时等问题，更要回答为什么、怎么样的问题。 探索隐藏在观察到之规律性背后的相互关系

3、，探寻决定环境过程运作的机制和蕴藏的结构；以定量观测来检验理论，关注普适化理论。 只有精通了自然科学已建立起来的原理时，自然地理学才能成为一门显赫的学科。要运用数学、物理和化学等基本学科里已建立的原理和法则。,自然地理过程研究途径 采用（有时也需要革新设计）适宜度量过程的技术。 设计度量实际过程速率或模拟过程运作速率的方法，并获取相应数据。 用基本自然科学原理来分析和解释结果。,过程的格局 建立在动态研究基础上的地表分异取代了以前使用的相对静态的功能处理 在生物地理学领域，世界植物图被用来尝试使某些气候分类与植物分布格局相匹配，关于生态力能学或营养循环以及种群动态的研究发展到广泛采用净第一性生

4、产力（NPP）概念取代这些地图的静态特征 土壤地理学中地方尺度受到更多重视，重点放在土壤演化而不是土壤动态上，这就与土地生产力联系起来 在地貌学中，注重侵蚀速率、沉积量的研究，可以用湖泊沉积、流域试验以及时空构成等来源的证据弥补长期纪录的缺乏 自然地理分区发展为系统方法，将能量与水分的支配关系与植物类型、原生土壤类型、地貌地带性相联系,时间过程 过程强度和频率。 新灾变论是修正的灾变论，承认高强度和低频率事件（极端自然事件）的重要作用，有时甚至是主导作用。 非线性过程。,环境变化：环境变化、景观演化和景观年代学一直是自然地理学长期研究的论题，侧重于重建过去的自然景观演化序列和建立环境变化年代学

5、。 景观变化 LUCC 戴维斯方法和景观演变模型基础上的剥蚀年代学 地貌轮回 土壤侵蚀 景观生态格局变化 ,第四纪科学：联系全球环境变化研究第四纪环境变化。主题有 海平面变化 第四纪景观变化 第四纪生态学 更新世和地形 冰川景观 干旱景观 其它地区的研究,时间变化 技术进步和第四纪多学科综合研究的发展导致了两个重要的相关方向： 更强调年代学和过去环境的重建 更加以过程或模型的研究为基础，而且与全球变化研究联系起来 研究技术 测年新方法 不断改进的实验室和沉积物分析技术 GIS、数字化高程数据和分形数学的应用 时间尺度 现世尺度（secular scale），具有约100公里的空间维和约100年

6、的时间维； 千年尺度（millennial scale），至少覆盖后更新世时期和1,000公里的空间尺度，气候和海平面变化是主要的运作因素； 进化时间或系统发生尺度（evolutionary time or phylogenetic scale），时间尺度可达5亿年，空间范围可达40 000公里，因此大陆位移很重要。,多学科趋势 广泛采用相似的模型和概念方法，加强了自然地理学内部的联系：例如提倡流域生态系统的概念，鼓励了生物地理学、地貌学和水文学之间的联系 更广泛地联系与环境变化相关的其他学科。自然地理学各分支研究议程的主题在其他地球科学中已经凸显。多学科计划，包括国际地质关联计划（IGCP）

7、，全球变化计划（IGBP和IHDP），包含大量涉及自然地理研究的跨学科研究和跨国家调查。,人类活动与环境变化 人类影响研究的主要途径 Marsh：人与自然人类活动改变了的自然地理 关于人类活动影响的警醒以及关于地球资源有限程度的争论 人为地貌学（anthropo-geomorphology） 研究人类影响的程度：比较已改变地区和尚未改变地区（以空间换时间） ，或者度量一个地区在受到人类影响之前、之中、之后的状况 自然灾害研究和社会经济视角的自然地理学研究 与大气圈有关的若干国际研究计划,评价人类活动的影响 生物地理学：人类影响的历史时序，生物地理系统演变的效应（与考古学联系） 土壤地理学：土壤

8、剖面及其演变、土壤侵蚀与土地利用变化 气候学：城市气候，大气污染，研究人类活动对地球表面的热量、水分和粗糙度等参量以及大气化学组成的影响 地貌学和水文学：人类活动在沉积年代学过程中的影响，几十年尺度上人类对地貌（例如河道）的影响，人类活动影响地貌过程 综合自然地理学：土地利用/覆被变化，人类活动的世界性影响（例如荒漠化），生态服务功能及其变化,城市自然地理学 城市气候 土地向城市利用的转化对自然环境的影响 城市水文：例如排放物分析、泥沙量调查、水质和污染物处理现场、城市地区下游河道变化的分析 城市生态系统 地球灾害 研究各种极端事件 研究自然灾害与社会经济的关系 研究环境感知影响决策因而影响管

9、理的方式,全球自然地理学 联系全球化的自然地理学两大基本问题： 全球气候变化将如何影响各国的自然资源、环境变化和人类发展？ 指向政策响应的各种国际压力，特别是减少温室气体排放的国际条款，将如何影响各国的产业、经济和社会发展？ 全球自然地理学研究技术 遥感、地理信息系统、全球数据库、全球定位系统、地统计学、地理计算、地理模拟等 这些技术的进步大大扩展了自然地理学研究的时空尺度,尺度综合 尺度上联（upscaling）：例如，需要联系土壤-植被-大气模型（SVAT），以便将地表模型、生物自然模型和生物化学模型与全球气候模型关联起来 尺度下联（downscaling）：例如，对GCMs的输出进行尺度

10、下联，以探索大尺度环流与地方尺度和区域尺度上当前和未来气候条件之间的关系 气候模拟与气候影响评估之间，存在信息鸿沟，尺度下联和下联技术的出现在此鸿沟上架设了一座桥梁,全球变化情景：例如，自然地理学家从气候模型、从地表空气温度和降雨量变化、不同季节土壤水份的世界格局的情景中得出有意义的新研究结果 关键切入点 提供与全球变化相关的数据（特别是遥感数据）； 建立大气环流模式与环境系统各部分模型之间的联系； 进一步发展关于全球变化空间影响的研究和调查； 开展多学科和跨学科研究，包括建立与社会科学间的联系。,文化自然地理学 自然地理学的文化性：决定把什么看成环境、决定科学研究结果怎样被接受 文化自然地理

11、学的研究论题包括 如何鉴赏自然或景观 以综合的地理观研究技术、文化和自然资源之间相互联系 生态系统和人类社会系统之间的复杂相互作用 文化景观，环境文化，环境设计,流域管理的“人与自然协调”概念,国际重大科学研究计划及其与自然地理学的关联,地球系统科学国际重大计划 IGBP及其核心计划 IHDP及其核心计划 DIVERSITAS与ESSP及其核心计划,地球系统科学国际重大计划 International Geosphere-Biosphere Programme, (IGBP) The International Human Dimensions Programme on Global Envi

12、ronmental Change (IHDP) World Climate Research Programme (WCRP) DIVERSTATS Earth System Science Partnership (ESSP) 其他，如International Geological Comparison Programme（IGCP）,表1 地球系统科学国际重大计划及其与自然地理学的关联,IGBP的个核心计划和个支撑计划 International Global Atmosphere Chemistry (IGAC) Biosphere Aspect s of the Hydrologic

13、al Cycle (BACH) Global Change and Terrest rial Ecosystems (GCTE) Global Ocean Ecosystem Dynamics (GLOBEC) Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ) Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS),Past Global Change (PAGES) Land Use and Land Cover Change (LUCC) Global Analysis, Interpretation and Mod

14、eling (GAIM) Data and Information System Activity of the IGBP (IGBP-DIS） Global Change System for Analysis, Research and Training (START）,表2 IGBP（和IHDP）主要核心计划及其与自然地理学的关联,IGBP新阶段Phase II IGBP于1998年提出了“集成（Synthesis）”研究的新概念，其关键是通过对所有主题各个方面的研究结果进行综合以获取新的认识，并使原有的认识水平提高到一个新的高度。 IGBP所面临的科学挑战是，如何在充分理解地球系统的结

15、构与功能的基础上，辨识地球系统中可能被人类活动改变的关键成分和功能，确定地球系统中人类可以忍受和不可忍受的环境阈值。,在集成研究的基础上，IGBP重新调整了其研究方向，进入第二阶段，按其调整后的总体框架，将上述核心子计划进行了整合。 第二阶段的若干核心子计划是第一阶段相关计划的整合，例如全球土地计划就整合了土地利用与土地覆被变化 (LUCC)和全球变化与陆地生态系统 (GCTE)。,IGBP Phase II核心项目的整合,Atmosphere: International Global Atmospheric Chemistry (IGAC) Ocean: Integrated Marine

16、 Biogeochemistry and Ecosystem Research (IMBER) and Global Ocean Ecosystem Dynamics (GLOBEC) Land: Land-Use/Cover Change (LUCC) and Global Land Project (GLP) Land-Atmosphere: Integrated Land Ecosystem-Atmosphere Process Study (ILEAPS) Atmosphere-Ocean: Surface Ocean Lower Atmosphere Study (SOLAS) La

17、nd-Ocean: Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ) Integrating projects: Past Global Changes (PAGES) and Global Analysis, Integration and Modeling (GAIM),全球土地计划的概念框架,IHDP的目标 促进对人与地球总体系统相互作用的复杂原因的科学理解和认识； 不断努力探索预测全球环境下的社会变化； 确定大范围的社会战略，以预防或减轻全球变化的不利影响，适应那些无法避免的变化； 分析应对全球环境变化、促进实现可持续发展的政策与方

18、案。,IHDP的主要研究内容包括 全球变化的根源，主要是人为根源；仔细区分自然趋势和由人类活动所造成的两类变化。 由于自然和直接由于人类作用所引起的变化的后果。对全球变化的管理。,IHDP核心计划 Land Use and Land Cover Change (LUCC) Global Environmental Change and Human Security (GECHS) Institutional Dimensions of Global Environmental Change (IDGEC) Industrial Transformation (IT),IHDP Phase II

19、核心计划 Global Land Project (GLP) Land-Ocean: Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ) Urbanization and Global Environmental Chang (UGEC) Integrated Risk Governance Vulnerability, Resilience and Adaptation,IHDP强调基于四个交叉主题的横断研究 脆弱性（Vulnerability）/弹性（Resilience）/适应（Adaptation）：面对社会、自然系统的变化，决定人类

20、环境耦合系统承受能力的因素是什么？这种变化对可持续发展产生什么影响？ 阈值（Thresholds）/转型（Transition）：当阈值超过后，如何认识长期的变化趋势？如何能够确保平稳的转型？,管理和制度（Governance and Institutions）：如何调控人类环境耦合系统，使其朝着期望的目标运行？ 社会学习和理解（Social learning/knowledge）：为了维持稳定的人类环境耦合系统的动力机制，如何激发社会的认知？并作出什么样的适应性响应？,DIVERSITAS核心计划 发现生物多样性并预测其变化； 评价生物多样性变化的影响； 发展生物多样性保护和持续利用的科学。

21、,ESSP设立4个面向全球可持续能力建设的联合计划 Global Environmental Change and Food System (GECAFS) Global Water Systems Project (GWSP) Global Carbon Project (GCP) Global Environmental Change and Human Health（GECHH）。,与自然地理学有关的国家重大科学研究计划,国家中长期科技发展规划纲要 (20062020） 重点领域及其优先主题 水土资源 水资源优化配置与综合开发利用。重点研究开发大气水、地表水、土壤水和地下水的转化机制和优

22、化配置技术，污水、雨洪资源化利用技术，人工增雨技术，长江、黄河等重大江河综合治理及南水北调等跨流域重大水利工程治理开发的关键技术等 综合资源区划。重点研究水土资源与农业生产、生态与环境保护的综合优化配置技术，开展针对我国水土资源区域空间分布匹配的多变量、大区域资源配置优化分析技术，建立不同区域水土资源优化发展的技术预测决策模型,环境 生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建。重点开发岩溶地区、青藏高原、长江黄河中上游、黄土高原、荒漠及荒漠化地区、农牧交错带和矿产开采区等典型生态脆弱区生态系统的动态监测技术，草原退化与鼠害防治技术，退化生态系统恢复与重建技术，三峡工程、青藏铁路等重大工程沿线和复杂矿区

23、生态保护及恢复技术，建立不同类型生态系统功能恢复和持续改善的技术支持模式，构建生态系统功能综合评估及技术评价体系。 全球环境变化监测与对策 ：重点研究开发大尺度环境变化准确监测技术，主要行业二氧化碳、甲烷等温室气体的排放控制与处置利用技术，生物固碳技术及固碳工程技术，以及开展气候变化、生物多样性保护、臭氧层保护、持久性有机污染物控制等对策研究。,城镇化与城市发展 城镇区域规划与动态监测： 重点研究开发各类区域城镇空间布局规划和系统设计技术，城镇区域基础设施和公共服务设施规划设计、一体化配置与共享技术，城镇区域规划与人口、资源、环境、经济发展互动模拟预测和动态监测等技术。 城市生态居住环境质量保

24、障：重点研究开发室内污染物监测与净化技术，发展城市环境生态调控技术，城市垃圾资源化利用技术，城市水循环利用技术与设备，城市与城镇群污染防控技术，居住区最小排放集成技术，生态居住区智能化管理技术。 公共安全 重大自然灾害监测与防御：重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害等监测、预警和应急处置关键技术，森林火灾、溃坝、决堤险情等重大灾害的监测预警技术以及重大自然灾害综合风险分析评估技术。,基础研究 科学前沿问题 地球系统过程与资源、环境和灾害效应：地球系统各圈层（大气圈、水圈、生物圈、地壳、地幔、地核）的相互作用，地球深部钻探，地球系统中的物理、化学、生物过程及其资源、环境与灾害效应，海陆相

25、成藏理论，地基、海基、空基、天基地球观测与探测系统及地球模拟系统，地球系统科学理论等。,面向国家重大战略需求的基础研究 人类活动对地球系统的影响机制 ：重点研究资源勘探与开发过程的灾害风险预测，重点流域大规模人类活动的生态影响、适应性和区域生态安全，重要生态系统能量物质循环规律与调控，生物多样性保育模式，土地利用与土地覆被变化，流域、区域需水规律与生态平衡，环境污染形成机理与控制原理，海洋资源可持续利用与海洋生态环境保护等。 全球变化与区域响应 ：重点研究全球气候变化对中国的影响，大尺度水文循环对全球变化的响应以及全球变化对区域水资源的影响，人类活动与季风系统的相互作用，海陆气相互作用与亚洲季

26、风系统变异及其预测，中国近海陆地生态系统碳循环过程，青藏高原和极地对全球变化的响应及其气候和环境效应，气候系统模式的建立及其模拟和预测，温室效应的机理，气溶胶形成、演变机制及对气候变化的影响及控制等。,973计划：资源环境领域近期重点研究方向 全球变化研究 大陆动力学与矿产资源、化石能源勘查的基础研究 大陆水循环与水资源可持续利用 环境污染物迁移转化规律、控制机理与修复途径 退化生态系统修复与生态环境的可持续发展 海洋环境演化与资源可持续利用 重大自然灾害形成机理、减灾和重大工程的安全,国家自然科学基金相关优先领域 全球变化及其区域响应 地表层系统变化过程与机理 水循环与水资源 人类活动对环境

27、变化的影响及其调控原理 海洋资源、环境与生态系统,科技支撑计划 典型脆弱生态系统重建技术开发 全球环境变化应对技术研究与示范 国家生态恢复重建的综合监测评估关键技术研发 西藏高原国家生态安全屏障保护与建设关键技术研究与示范 新疆伊犁河流域水土资源可持续开发利用研究与示范 准噶尔盆地南缘荒漠化生态系统恢复与重建技术研究与示范，,干旱半干旱区土壤面源污染治理关键技术研究与示范 黄河河套地区盐碱地改良及脱硫废弃物资源化利用关键技术研究与示范 重大工程建设区生态恢复整治技术研究 矿区复垦关键技术开发及示范应用 青藏铁路运营安全保障系统研究 若尔盖湿地生态系统保护与恢复技术研究与示范 鄱阳湖生态保护与资

28、源利用研究 青海湖流域生态和环境治理技术集成与试验示范,持久性有机污染物控制与削减的关键技术研究与示范 城市生态规划与生态修复的关键技术研究与示范 国家环境管理决策支撑关键技术研究 南水北调工程若干关键技术研究与应用 环境对健康影响评估与控制技术研究 区域规划与城市土地节约利用关键技术研究 区域土地资源安全保障与调控关键技术研究 城市生态规划与生态建设关键技术综合研究与示范 重大工程建设区生态恢复整治技术研究,黄土高原退化草地植被恢复与草食畜生产关键技术研究与示范 自然保护区建设关键技术研究与示范 土地整理关键技术集成与应用 沙尘暴遥感监测与预报集成技术研究,人类活动对全球变化的影响、响应及适

29、应 人类活动的影响 对全球变化的响应和适应 地球系统模式的建立和改进,未来我国自然地理学的优先领域,土地变化过程及其生态环境效应与调控 现代土地变化过程及其驱动机制 土地变化的资源与生态效应 土地退化防治与可持续管理 城市化过程及其资源环境效应与调控 城市化过程 城市化的资源环境效应 城市化及其效应的调控,流域地表过程与综合管理 环境变化下的流域水文循环和水资源演变规律 流域水土流失与植被退化、植被恢复过程的机制 流域生态过程、水文过程和生物化学循环的过程的综合模拟 流域自然生态系统和社会经济系统的综合管理,土壤演变过程及其对土壤质量的影响 土壤生物类群特征及与环境因子关系 土壤微生物、矿物和

30、有机物相互作用过程 土壤微生物与污染物转化和自然消纳 土壤污染环境的生物修复,资源与生态的可持续性 区域发展的自然资源基础评价与生态环境效应诊断 区域可持续发展的关键资源保障 水资源安全 生物多样性结构、分布与演化 区域水-土地-生物资源的服务功能以及对社会经济活动的承载能力 与区域资源环境背景，技术经济条件、经济和社会结构相适应的可持续资源管理模式,污染物的区域环境过程、健康风险与控制 区域尺度环境污染的陆地表层过程和综合治理 陆地表层生物地球化学过程及效应 有毒有害污染物对人体健康的影响与防治 陆地表层区域性环境污染综合防治 灾害形成机制与综合风险管理 影响区域安全的主要灾害风险类型及其脆

31、弱性、恢复性评价 灾害监测预警与预案,生态系统服务功能综合评估 生态系统服务功能综合评价的理论与方法 生态系统服务功能对胁迫的响应与反馈 生态服务功能的空间转移与生态公平 政策或管理措施对生态系统服务功能的影响,区域综合理论研究 地表自然功能区划 区域综合研究 干旱区气候与人地关系演化 气候变化过程及其对人类活动的影响 现代地表生态水文过程 亚洲中部西风带气候变化及其对绿洲可持续发展的影响,我国特殊自然地理区域的综合研究,寒区现代地表过程及对气候变化的响应 过去的寒区环境变化 冰冻圈对现代全球变化的响应 寒区生态地理过程对气候变化的响应 气候变化与寒区地表过程相互作用机理 湿地生态过程、服务功

32、能与恢复模式 湿地演变动力学 湿地生物多样性与生态服务功能 湿地生态系统对人类活动与全球变化的响应 湿地生态系统退化机理与恢复模式,风沙区风成过程及其调控 风沙地貌动力学 风成环境形成过程及其对全球变化的响应与反馈 风成过程控制 喀斯特生态系统的演变过程与可持续性 喀斯特生态系统演变过程 喀斯特退化生态系统修复,青藏高原生态屏障作用及区域生态安全 青藏高原生态屏障作用 青藏高原区域生态安全构建 山地灾害与环境相互作用及区域生态安全 山地灾害与环境相互作用 区域生态安全,蔡运龙. 自然地理学新态势. 地理研究, 2010, 29(1): 112 蔡运龙, 李双成, 方修琦. 自然地理学研究前沿. 地理学报, 2009, 64(11): 13631374 蔡运龙, 宋长青, 冷疏影. 中国自然地理学的发展趋势与优先领域. 地理科学, 2009, 29(5): 619625 蔡运龙 等. 20082009地理学学科发展报告（自然地理学）. 中国科学技术出版社, 2009年4月,参考文献,谢谢！,