引用本文
吴绍洪, 高江波, 戴尔阜, 赵东升, 尹云鹤, 杨琳, 郑景云, 潘韬, 杨勤业. 中国陆地表层自然地域系统动态研究:思路与方案.地球科学进展, 2017, 32(6): 569-576
Wu Shaohong, Gao Jiangbo, Dai Erfu, Zhao Dongsheng, Yin Yunhe, Yang Lin, Zheng Jingyun, Pan Tao, Yang Qinye. Research on Dynamic of Terrestrial System of China: Academic Logic and Synthetic Scheme. Advances in Earth Science, 2017, 32(6): 569-576  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.06.0569
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中国陆地表层自然地域系统动态研究:思路与方案
吴绍洪1,2,3, 高江波1,2, 戴尔阜1,2,3, 赵东升1,2, 尹云鹤1,2, 杨琳1,4, 郑景云1,2,3, 潘韬1,2, 杨勤业1,2
1.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101
2.中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101
3.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049
4.资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101

作者简介:吴绍洪(1961-),男,广东潮州人,研究员,主要从事陆地表层格局、气候变化影响与适应研究.E-mail:wush@igsnrr.ac.cn

基金:国家自然科学基金项目“中国陆地表层自然地域系统动态及其驱动机制”(编号:41530749)和“喀斯特峰丛洼地区生态系统服务的权衡机制及尺度效应”(编号:41671098)资助
摘要

陆地表层是众多要素相互作用而形成的一个多过程、多尺度耦合的综合体,是人类赖以生存和发展的环境。陆地表层地域系统是对该综合体空间上有序分布、时间上动态平衡的表征,是自然地理学研究的核心内容。近百年来自然与人类活动,如何驱动陆地表层要素相互作用的效应发生变化,进而影响到整体格局的改变,是全球变化与地理学科研究领域的一个前沿、基础科学问题。在对中国现代自然地域系统研究历程简要回顾的基础上,通过总结地域系统研究的难点与问题,凝练自然地域系统动态研究的学术思路,即以要素—格局—动态的逻辑逐步深入,重点关注过程与互馈、区域变动与地域系统等主题;进而设计自然地域系统动态研究总体方案,包括:以区划方法论创新、动态方案及其驱动机制为研究目标,设置要素变化、区域变动、区域解析与系统划分和地域系统动态等4个方面内容,并提出自然地域系统动态研究技术路线及关键技术的应用范围。

关键词: 陆地表层; 自然地域系统动态; 学术思路; 总体方案; 中国
中图分类号:P90 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)06-0569-08
Research on Dynamic of Terrestrial System of China: Academic Logic and Synthetic Scheme
Wu Shaohong1,2,3, Gao Jiangbo1,2, Dai Erfu1,2,3, Zhao Dongsheng1,2, Yin Yunhe1,2, Yang Lin1,4, Zheng Jingyun1,2,3, Pan Tao1,2, Yang Qinye1,2
1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
3.College of Resource and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4.State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Beijing 100101, China

First author:Wu Shaohong (1961-), male, Chaozhou City, Guangdong Province, Professor. Research areas include land surface pattern, impacts and adaptation of climate change.E-mail:wush@igsnrr.ac.cn

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Dynamic territorial system of China and its driving mechanism”(No.41530749) and “Research on the trade-offs mechanism of ecosystem services and their scaling effects in karst peak-cluster depression areas”(No.41671098)
Abstract

Land surface, the environment where human survive and develop, is a synthesis formed with multi-scaled and multi-process interactions between natural factors. The terrestrial system, which is the core study field of physical geography, can be defined as the land surface synthesis with spatially ordered distribution and temporally dynamic balance. In the past century, natural variations and human activities have had profound influences on land surface. How they drove the changed interactions between land surface factors, and further altered the land surface pattern, are the frontier and basis for global change and geography studies. Based on the brief review of research on terrestrial system at home and abroad, the paper summarized the existing difficulties and problems, and then proposed the academic logic for studies of dynamic of terrestrial system. The research should be conducted following the logic of elements, patterns and dynamic, with emphasis on themes of processes and feedback, variation in regions and terrestrial system. At last, the synthetic scheme was designed for research on dynamic of terrestrial system. Aimed at innovation of regionalization methodology and detection on driving mechanism of dynamic of terrestrial system, the following four aspects should be included: Changes and interaction mechanism of key factors ( i.e. water, soil, climate and plant) and their spatial-temporal variation; Quantifying the influences of factor interactions on regionalization formation and conversion; Quantified assessment on changing tendency and magnitude of land surface pattern under global climate change; Accomplishment of dynamic land surface pattern at different past and future stages. Correspondingly, the technical route should combine bottom-up and top-down methodologies, with field survey, earth observation, station monitoring and mathematical simulation to build the comprehensive database. Conducting research on dynamic of terrestrial system can be helpful for developing theory of integrated physical geography, deepening cognition on dynamic land surface pattern, and providing scientific basis for regional sustainable resources utilization and countermeasure establishment of climate change adaptation.

Keyword: Land surface; Dynamic of terrestrial system; Academic logic; Synthetic scheme; China.
1 引 言

陆地表层自然地域系统是对由诸多要素(光、温、水、土、气、生等)相互作用形成的综合体, 其空间有序分布、时间动态平衡格局的表征[1, 2]。作为自然地理学核心研究内容, 陆地表层自然地域系统研究旨在探究要素— 过程— 格局耦合与交融的整体性特征[3~9]。陆地表层要素一直处于不断变化和动态平衡之中, 驱动着自然地理环境发生变化, 并形成地表景观的区域差异。当前, 针对陆地表层单一关键要素的变化趋势和过程研究较为成熟[10~13], 但从“ 系统” 视角对地表多要素过程进行“ 综合” 研究的整体思路有待理清[14], 目前更需要研究涉及多要素变化下的相互作用, 特别是在陆地表层关键要素的相互耦合下, 陆地表层系统动态与格局变化的内在机理[15, 16]。

20世纪70年代以后, 随着全球变化研究的深入, 逐步认识到人类活动和自然环境变化对陆地表层的共同驱动作用, 导致了陆地表层诸多要素及其之间的相互影响和作用关系发生显著变化[17~25], 进而将驱使陆地表层地域系统呈现动态变化特征[26~28]。然而, 已有地域系统研究多是稳态、定性的, 无论是自然地理学、生态学, 还是全球变化科学, 对陆地表层自然地域系统动态规律及其驱动机制的系统研究尚付阙如。基于此, 本文在简要回顾中国现代陆地表层自然地域系统研究历程的基础上, 提出全球变化背景下自然地域系统动态研究的学术思路与总体方案, 以期完善地域系统理论和方法。

2 中国现代自然地域系统研究历程

陆地表层自然地域系统研究的发展源自社会经济发展需求以及学科交叉融合的推动。中国的现代自然地域系统研究始于20世纪50年代, 由竺可桢、黄秉维领导的以中国科学院地理研究所(现改为中国科学院地理科学与资源研究所)为主要研究力量的科研团队, 以服务于农业生产布局为目标, 综合自然地理学各分支学科, 建立地域系统的基础理论体系, 将陆地表层复杂的状况进行了系统化表征, 完成了中国综合自然区划[29], 该方案是迄今我国最详尽而系统的自然区划专著, 一直被农、林、牧、水、交通运输及国防等有关部门广泛应用, 同时代还有一系列的相关研究[30, 31]; 20世纪80年代中国掀起了第二次研究高潮, 方法论得到进一步的发展[32, 33]。20世纪末, 随着生态与环境问题的日益突出, 诞生了以生态建设和环境保护为服务目标的地域系统研究, 将生态系统观点、生态学原理和方法引入到地域系统的研究中, 完成了一系列的生态地理区划, 如郑度[34, 35]带领的研究团队开展了生态地理地域系统的研究, 傅伯杰等[36, 37]主持完成了中国生态区划等。21世纪以来, 由于人地关系趋紧、人地关系地域系统脆弱等影响可持续发展的问题日益严重, 集自然与社会经济要素、旨在增强社会— 环境系统空间耦合协调性的综合区划得到快速发展[38, 39]。

另一方面, 半个多世纪以来, 陆地表层要素与格局研究方法与手段的日趋丰富与精细, 也为自然地域系统研究的开拓与发展提供了坚实的技术支撑[40~42]。20世纪50年代以来, 中国器测技术和规模发展迅速, 陆地表层关键要素的记录日益丰富, 从中可以识别出不同陆地表层关键要素变化的时空特征; 20世纪70年代以来, 逐步发展起来的遥感、地理信息系统、全球定位系统等信息技术, 记录了陆地表层宏观范围海量信息, 作为重要的数据源支撑陆地表层过程与格局的研究; 与此同时, 数理模型的迅速发展, 各种生态、水文、大气、陆面等数理模拟手段, 集成了地表观测、对地观测和统计分析等资料, 系统揭示关键要素间的耦合、反馈机制, 识别要素相互作用的区域差异性, 模拟陆地表层各自然地理要素之间及自然因素与人为因素作用下的物质和能量相互转化的宏观过程, 以解决陆地表层格局变化模拟和预估等实际问题。

传统陆地表层地域系统研究力求以长时段的平均状态反映区域的“ 正常” 状况, 避免偶然事件发生的影响, 因而缺乏动态过程的深入刻画[43]。过去百余年来, 气候变化对自然系统演变的宏观控制作用, 以及人类活动(如工业化、城镇化等)在典型区域的主导驱动作用越来越清晰[23], 其特点之一是影响的后果可能在一个短期内显现出来。陆地表层关键要素发生变化, 并因此驱动地域系统改变的研究逐渐受到关注。因而, 从动态视野出发, 亟需开展典型陆表关键要素变化过程与格局动态研究, 以揭示陆地表层自然地域系统的变化趋势和幅度, 明晰陆地表层地域系统对全球变化的动态响应与变化规律(图1)。此类研究对深入理解陆地表层系统演变驱动机制、推进地域系统演化规律研究具有重要意义, 并将从理念到方法论上创新地域系统的传统研究, 拓展自然地理学的理论与方法, 以利全球变化应对、人地关系协调和资源环境保护。

图1 陆地表层要素过程与格局动态研究的概念框架Fig.1 Concept framework of research on elements processes and pattern dynamics at land surface

3 自然地域系统动态研究:学术思路
3.1 难点与问题

陆地表层各组成要素(光、温、水、土、气、生等)相互交融, 其物理、化学和生物过程紧密联系、相互作用, 再叠加人类活动的影响, 进而形成具有整体性和复杂性的陆地表层格局。全球变化背景下, 要素变化引起的格局变化逐步显现, 但自然地域系统动态研究仍存在诸多难点, 包括:要素变化与响应呈非线性, 如气温的波动上升以及生态系统响应的非线性特征[44, 45]; 变化存在空间异质性, 如升温幅度的空间差异性及升温与降温的空间分布[46]; 陆表格局未来发展趋势不明, 自然要素及人类活动的未来情景基于大量的前提假设, 综合集成的自然地域系统不确定性大[47]; 区域界线规范划定难度大, 自然区域间的分界是渐变、交错的, 自然地理过渡带往往存在剧烈的地表过程驱动— 反馈相互作用[16]。

进而, 自然地域系统动态研究亟需解决的关键问题可归纳总结为:关键要素变化与互馈对陆地表层格局形成的作用, 包括关键要素怎么变化, 导致要素间相互作用的关系怎么改变, 即协同与拮抗效应, 如“ 光、温、水、土……” 关键要素对“ 干湿、热量、植被……” 复合要素的影响过程与区域差异; 陆地表层地域系统动态变化机制, 包括格局在多长的时间尺度、多大的空间尺度上改变, 即变幅、速率、突变等动态特征, 要素之间关系改变的结果如何驱动地域单元形成和发展。

3.2 研究主线

针对上述研究难点与存在问题, 自然地域系统动态研究逻辑框架与研究主线, 应该紧密围绕“ 陆表关键要素时空变化特征— 要素相互作用对格局的驱动机制— 综合地域系统动态变化规律” 的主线, 以地域系统动态与驱动机制为研究主题, 以陆地表层要素— 格局— 动态为总体思路, 主要内容涵盖陆地表层要素变化过程与互馈、区域变动与地域系统动态, 技术手段包括“ 地面调查+对地观测+台站监测+模拟数据” 四位一体基础数据库、“ 统计模型+数理模式+模糊聚类+系统仿真” 综合模拟平台、气候变化情景与时空特征分析的预估方法集, 最终推动钝端科学精细化, 降低结果不确定性(图1)。

4 自然地域系统动态研究:总体方案
4.1 目标与内容

由于陆地表层自然要素相互作用、不断变化、动态平衡, 驱动自然地理环境变化, 形成区域差异, 科学认识陆地表层关键要素相互作用机理及区域效应, 是深入理解陆地表层格局变化规律的理论基础。因而, 设定自然地域系统动态研究目标:继承、发展综合自然区划方法论, 完成不同时段中国综合自然区划方案; 明晰陆表要素变化机制与协同效应, 揭示全球变化背景下中国自然地域系统形成与变化机制。为此, 应重点研究:

(1) 陆地表层关键自然要素时空特征与相互作用:诊断关键要素的模态及趋势、周期、转折等特征; 明晰控制关键要素变化的区域性主导因子; 诊断主要敏感要素及其敏感度; 阐明关键要素变化的协同性和拮抗性。

(2) 气候变化背景下陆地表层关键要素变化对区域变动的驱动机制:辨识增温幅度— 速率、干湿状况变化、地表覆被响应, 及其对区域格局变动的影响; 明晰陆表关键要素相互作用关系变化所致的空间变动幅度与增减范围; 确定影响显著性和稳定性, 识别敏感地带; 定量揭示要素互馈的协同性和拮抗性, 对区域形成、发展的作用。

(3) 陆地表层格局区域解析与综合地域系统划分:重新确定全球变化背景下综合自然区划的服务目标和划分原则:建立指标体系、等级结构、地域单元等; 研发基于人工智能和模糊聚类的多等级地域单元划分技术和方法; 改进地域单元划界, 定量识别陆表地域单元。

(4) 中国陆地表层自然地域系统动态及其发展趋势:基于改进的方法, 建立过去60年不同时段中国综合自然区划方案; 应用气候变化与社会经济新情景(RCPs/SSPs)数据, 模拟21世纪近期、中期、远期中国综合自然区划方案; 分析自然地域系统发展趋势、幅度, 并识别稳定期和突变时段; 揭示自然地域系统响应全球变化的过程、敏感性及区域差异。

4.2 技术路线及关键技术应用

系统、科学地研究陆地表层自然地域系统动态需要结合“ 自上而下” 和“ 自下而上” 的途径, 进而确定自然地域系统动态研究的技术路线为:基于定量化表征陆地表层关键要素及其基本过程的时空变化特征的综合数据源, 通过实验试验数据, 解决数理建模中要素及其过程变化的参数化问题, 解析互馈机理与多尺度特征, 使陆地表层要素— 过程— 格局得以模拟; 构筑陆地表层系统动态综合模拟与情景预估平台, 通过模式的集成, 定量揭示陆地表层系统动态规律, 实现对陆地表层未来变化的预估(图2)。

具体而言, 针对陆地表层关键自然要素非线性变化和敏感度问题, 需结合基础地理数据、地面监测、对地观测、模型模拟等数据, 明确陆地表层关键要素范围, 包括单一要素和复合要素; 在借助地理信息系统进行地表要素时空特征初步分析的基础上, 采用多种趋势与突变检验法, 检测地表关键要素趋势、突变、周期、尺度等时空特征; 进而, 在对陆表关键自然要素进行一致性检验的基础上, 应用全局与局部回归统计模型、时空域小波分析等手段, 揭示陆表关键要素相互作用的协同效应。在此基础上, 综合应用生态模型、水文模式、大气— 陆面模式等数理模拟手段, 系统揭示关键要素间的耦合、反馈机制, 识别要素相互作用的区域差异性及其对陆表格局变动的驱动机制。

集成趋势与突变检验、时空小波分析等方法, 识别不同时期中国陆地表层自然地域系统动态特征, 如趋势、突变、尺度等。对未来要素— 过程— 格局的预估将应用目前国际上普遍采用的情景预估法, 具体可采用IPCC评估报告中使用的典型排放浓度路径(Representative Concentration Pathways, RCPs)、共享社会经济路径(Shared Socio-economic Pathways, SSPs)中的气候变化和社会经济情景数据, 并根据已经观测到的陆地表层要素变化、相互作用, 及其对陆地表层格局动态的驱动效应研究, 探究未来陆地表层格局的不同发展趋势与演变机制。

图2 自然地域系统动态研究主要内容与技术路线Fig.2 The main content and technical route for research on dynamic of terrestrial system

4.3 划界技术突破

陆地表层格局单元界线既是区域之间的分界, 同时也是区域之间的联系, 对表征区域单元起到关键作用。但是一直以来区域单元的划界问题没有得到很好的解决, 其主要原因是, 区域单元是多个要素相互作用的结果, 也是多个过程交互的结果, 综合这些过程的交叉存在相当大的难度。因而, 即使采用同样的方法论(划分原则、等级单位系统、划分指标体系), 不同研究者对相同区域单元的划分通常得不到相同的结果, 这也阻碍了陆地表层格局研究的发展。由于社会经济发展, 使得对区域划界的需求越来越被重视; 随着科学发展与技术进步, 目前应该可以实现定量、规范地对区域单元进行划界。规范化划界技术应当包括:在充分调研过去专家对陆表格局划分的经验知识的基础上, 确定陆表格局的划分等级结构; 对于最高等级的陆表地域划分, 采用人工智能和模糊聚类等方法, 模拟传统陆表格局划分中专家对多要素的综合分析, 生成最高等级的陆表地域单元界线; 对于低等级的陆表地域划分, 针对不同的空间分辨率的关键要素数据, 采用模糊聚类的方法, 得到其陆表地域单元界线(图3)。

图3 陆表格局地域单元划分技术Fig.3 The quantified methods for land surface regionalization

5 结 语

陆地表层自然地域系统研究已成为国内外关注的焦点, 为资源环境保护利用、人地关系调控以及社会— 经济— 生态系统的可持续发展提供了重大参考价值, 国际上众多全球变化研究计划, 如“ 未来地球” 计划(Future Earth)以及美国、澳大利亚等国家生态观测网络(NEON、TERN), 均以陆地表层系统为主要研究对象和区域基础框架。在全球变化背景下, 陆地表层自然地域系统动态研究有助于“ 格局与过程” 的耦合, 作为地表过程研究的突破点, 成为地理学前沿问题以及自然地理学综合研究的理论基础, 也是支撑我国社会经济可持续发展的重大需求。

自然地域系统动态研究不仅在理念上推进气候变化主导的自然地域系统再认识, 即通过“ 静态结合动态、归纳结合演绎、定性结合定量、观测结合模拟” 认识变化的自然地域系统; 而且结合“ 专家知识+地理信息系统+模糊聚类” 实现多时段地域系统单元边界定量化、规范化识别, 进而针对综合陆地表层多要素变化, 系统诊断稳定阶段与突变时段, 揭示自然地域系统时相与空间差异及其驱动机制, 即以模态差异表征自然地域系统动态。最终, 实现地域系统研究在理念— 定量— 动态等方面的全面创新。

The authors have declared that no competing interests exist.

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