摘要: 在人类活动深刻影响和全球环境变化背景下, 传统地理—生态过程研究正发生深刻变化。本文在概述地理—生态过程研究概况的基础上, 指出: (1) 地理—生态过程研究的基本科学问题包括结构与过程、综合与集成两大方面, 涉及结构、功能、动态、驱动力、过程、机制、要素集成、过程集成、区域集成等科学要点; (2) 地理—生态过程研究的重点集中在尺度—结构—过程相互作用、自然—经济—社会相互联系、地貌—水文—生态过程相互耦合、地理—生态过程与资源环境效应相结合等领域; (3) 代写毕业论文地理—生态过程研究的发展呈现出系统化、综合性、交叉性和应用性的发展趋势; (4) 未来地理—生态过程研究的重大论题包括地表系统中的物质、能量和生物流过程研究, 地表环境变化的驱动力研究, 区域综合和区域内异质性研究, 尺度推绎与转换研究, 地理学的整体性研究, 方法论创新, 应用研究等内容; (5)未来地理—生态过程研究应当注意加强观测、实验、调查与模拟, 加强遥感与野外观测的结合, 加强区域综合和全球研究, 加强学科交叉等。
关键词: 结构; 过程; 集成; 地理学; 生态学
人类活动的强烈干预推动着地球系统演化进入了“人类世 ”(Anthropocene Era) 的新纪元[1]。人类活动对地球系统运行的影响赶上甚至超过了自然变化, 地球系统正在以前所未有的速率发生变化并进入一个未知的演化方向和轨道[2]。在这种背景下, 传统地理过程、生态过程研究正经历着深刻的变革, 地理过程、生态过程及其与相关学科的交叉与融合正在成为现代地理学和生态学发展的重要方向。本文在概述地理—生态过程研究进展的基础上, 探讨地理—生态过程研究的主要科学问题和未来发展的重要领域, 以期为我国地理学、生态学等相关领域研究与发展服务。
1 地理—生态过程研究进展概况
地理过程是指地表环境(要素、综合体) 随时空变化的历程, 按要素可分为自然过程和人文过程, 按机制可以分为物理过程、化学过程和生物过程等[3]。在传统地理过程的研究中, 地貌过程和水文过程是其研究的主题和核心内容, 各种营力作用下形成的地貌形态和地形单元以及流域水循环的过程与机理是其研究的主要方向。生态过程作为生态学研究的重要内容, 主要涉及生态系统中的元素循环、种群动态、种子或生物体的传播、捕食者和猎物的相互作用、群落演替和干扰等方面[4]。
20 世纪后期以来, 人类活动及其所导致的全球环境变化成为了全球生态系统格局、结构和过程变化的主要驱动力[5, 6]。在这个过程中, 土地利用改变了全球生态系统格局与结构, 人工直接管理的生态系统达到陆地总面积的40%以上[7]。1970~2000 年间土地利用扩展使物种灭绝速率比自然背景值提高2~3 个数量级, 全球物种多样性降低40%[8]。同时, 人类活动深刻地改变了水资源与水循环[9, 10], 1960 年以来, 水资源利用每10 年增加20%, 15%~35%地区出现水资源过度利用; 此外, 人为因素诱导的土壤侵蚀、土地退化等也成为全球面临的突出生态与环境问题[11], 全球约有40%的农业土地存在不同程度的土壤退化现象[12]。在21 世纪, 人口和经济持续增长以及全球环境快速变化将给全球生态系统带来前所未有的压力[8]。
在人类活动深刻影响和全球环境变化的背景下, 早期地理与生态过程的相关研究表现出明显不足。在地理过程的描述中, 由于自然地理和人文地理研究内容的分化[13], 自然地理过程往往只考虑自然变化机理, 而忽视人文因素的作用和动态过程。如早期的水文过程研究, 虽然可以分析径流和输沙的动态变化, 但是却往往难以揭示人类活动的影响效应。同时, 在构建的地理过程模型中, 也存在许多相互割裂的现象。如土壤侵蚀模型,其经验模型往往难以揭示土地利用空间分布格局对土壤侵蚀过程的影响; 而物理模型虽然能够反映出土壤流失的过程, 模拟不同土地利用情景下土壤侵蚀的变化; 但在实际应用中, 却由于野外和实验获取的数据难以满足模型参数设置的要求、误差累积和不确定性增加等原因, 而影响模型精度, 限制土壤侵蚀模型的应用[14]。
在生态过程研究中, 也多以自然生态变化的机理而展开。如植被空间格局变化研究仍然以顶级群落概念、群落格局演替Gap 理论和生命区划分体系为理论基础, 难以解释由人类主导的生态系统的动态过程。如在生态系统结构和过程变化的动态描述中常以Odum 的生态系统演变规则(Strategy of Ecosystem Development)[15]为理论框架, 在此框架下生态系统应向热力学稳定态(Homeostasis) 演化; 然而, 生态系统很少达到稳定态, 也不一定呈现向稳定态演替的趋势。生态系统对环境长期变化的适应性研究经常以Tilman的资源竞争平衡理论为依据, 但以此为基础的模型并不能现实地模拟生态系统结构和过程的动态变化[16]。同时, 由于大多数生态学理论是基于单个生境中小尺度上的研究发展起来的, 而目前的环境问题具有大尺度的性质[17], 所以, 尺度问题业已成为现代生态过程研究的需求。
在全球环境变化驱动下, 传统地理过程与生态过程的研究发生了深刻变化, 与地理—生态过程相关的国际重大科学计划相继启动。如从国际生物圈计划(IBP) 到人与生物圈计划(MAB), 再到千年生态系统评估(MA); 从国际地圈—生物圈计划(IGBP) 到全球变化的人文影响计划(IHDP)等。纵观这些研究计划和相关学科的发展, 可以发现地理过程从任何角度看都不再是单纯的自然过程, 生态过程的研究也不再仅仅局限于生态系统内的动态与发展, 注重人类活动影响, 注重多学科的交叉融合, 正在成为现代地理—生态过程研究的重要特点。
目前, 地理过程的研究正经历着从自然向自然与人文结合方向发展, 从无机向无机与有机结合方向发展, 从单要素、单个过程的研究向多要素、多过程耦合与综合研究方向发展, 从宏观到宏观与微观结合方向发展[3]。生态过程的研究也伴随着生态学的发展,表现出生态过程研究与人口、资源与环境问题相结合, 其研究对象从自然生态系统向自然社会经济复合生态系统方向发展。研究方法从局部的、孤立的研究向整体的网络化研究发展, 生态过程研究的时空尺度不断拓展, 研究手段不断更新。在地理—生态过程的研究中, 新的科学问题和研究领域正悄然凸现。
2 地理—生态过程研究的主要科学问题
现代地理—生态过程强调人为因素在各种过程中的作用, 强调人为因素作用下的地理—生态过程对自然资源和环境的影响, 强调地理—生态过程与全球变化之间的耦合作用以及可能引发的后果, 强调地理—生态过程在土地退化过程中的关键作用, 强调利用现代手段进行定量化研究和过程模拟。在地理—生态过程研究中, 所涉及的基本科学问题包括结构与过程、综合与集成两大方面, 其研究重点则集中在尺度—结构—过程相互作用、自然—经济—社会相互联系、地貌—水文—生态过程相互耦合、地理—生态过程与资源环境效应相结合等领域。
2.1 基本科学问题
2.1.1 结构与过程在地理—生态过程的研究中, 结构往往是指不同生态系统和景观单元的空间关系, 如生态系统与景观单元的大小、形状、数量、类型及空间组合等。所涉及的过程包括自然过程(元素和水分的分布与迁移、物种的分布与迁徙、径流与侵蚀、能量的交换与转化等) 和社会文化过程(交通、人口、文化的传播等)。目前, 结构与过程研究的科学问题主要集中在结构、功能、动态、驱动力、过程、机制等几个方面。
(1) 结构关于结构的研究, 是重点探讨地表系统的要素组成和空间分布特征, 如土地利用/ 土地覆被的组成和分布格局、生态系统的空间异质性等。其中, 如何有效刻画生态系统和景观单元的结构特征, 构建具有生态学意义的格局指数是目前地理—生态过程研究中富有挑战性的研究课题。现代信息技术为获取生态系统和景观类型空间分布的基础信息提供了强大技术支撑, 深入分析遥感、地理信息系统和相关学科的发展趋势对于全面提升结构分析的研究水平具有重要的意义。
(2) 功能系统的要素组成决定系统功能的发挥, 功能是不同系统要素与结构的外在体现。功能的研究主要分析陆地表层系统的结构演变与过程动态所表现出的生态、经济和社会功能。不同类型生态系统服务功能研究、结构变迁与过程耦合下的资源环境效应等是目前功能研究的热点问题。
(3) 动态动态变化是在结构分析的基础上, 研究生态系统和景观单元等的变化规律和特征, 解释结构发生怎样的变化、变化的地点以及变化的速度等问题。在动态变化的分析中, 包含两个层面的含义: 对现状的分析; 对未来变化的模拟。其中, 采取何种方法或技术刻画动态变化的特征, 是学者们共同关注的话题。此外, 在动态分析的研究中, 对不同时期数据精度、分类系统等一致性的处理, 往往是进行动态分析的先决条件。
(4) 驱动力驱动力分析是在结构变化分析的基础上, 揭示生态系统和景观单元变化的原因和驱动机制, 以期为预测结构变化方向和制定相应管理对策等服务。驱动力包括自然驱动因子和人为驱动因子两个方面, 其中, 自然驱动因子主要指对特定结构的形成与演变起作用的自然因素, 包括气候、地貌、水文、土壤和自然干扰等; 人文驱动因子主要涉及到人口变化、技术进步、政治经济体制变革、文化价值观念改变等。在驱动力的分析中, 重点探讨: 驱动因子选择与关键因子甄别、驱动力分析方法确定、不同驱动因子在不同时空尺度上的功能和效应等。
(5) 过程陆地表层系统过程的研究内容涉及物理过程、化学过程、生物过程和人文过程等方面, 其研究将朝微观深化和宏观综合两个方向发展, 其关键在于系统中界面过程的综合研究[18], 同时注重过程的格局分析[19]。目前, 地理—生态过程的研究内容主要包括水文循环过程与水量转化、流域系统中物质迁移过程、土壤侵蚀过程、土地系统演变过程、土壤—植物—大气连续系统过程、环境生物地球化学过程、生物多样性变化过程、人文与文化过程等方面。
(6) 机制旨在揭示结构与过程的相互作用关系。在机制的研究中, 注重地理—生态过程与环境变化和人类活动的关系, 重视非线性科学和复杂性科学在揭示机制研究中的应用。模型作为地理—生态过程的定量表达, 是探讨机制的重要途径, 需要通过模型的手段开展机制的分析和情景预测研究。
2.1.2 综合与集成综合是地理学的本质和存在依据, 集成是综合的演进与升华[20]。在地理学研究中, 需要综合多学科的理论和知识, 选择典型区域, 针对主要问题开展综合
与集成研究。在地理—生态过程的研究中, 也需要综合多种实验观测手段和研究方法开展综合研究。在此基础上实现地理—生态过程研究中的要素集成、过程集成和区域集成。
(1) 要素集成现代地理—生态过程受自然、生态、经济、社会等多种因素的影响,
将人类活动纳入地理—生态过程, 对多种要素进行集成分析, 对于揭示结构与过程的演
变规律与特征具有重要意义。在要素集成的研究中, 要考虑自然社会经济要素的集成和
相互作用, 也需要考虑要素的尺度效应。
(2) 过程集成黄秉维先生早在20 世纪50~60 年代就提出了综合研究地表物理过程、化学过程与生物过程的学术思想[21]。过程集成强调地球表层系统各个过程之间的相互关联, 注重自然过程与人文过程的耦合研究, 强调人类活动影响下的地理—生态过程的综合研究, 突出自然地理过程与生态过程的耦合研究等。在过程集成中, 基于过程模型的模拟与预测研究是过程集成方法研究的重要内容。
(3) 区域集成地球表层系统不仅具有显著的区域差异和地域分异规律, 同时也是
一个多层等级系统, 既有坡面—小流域—流域—区域—全球的不同尺度, 也存在种群—群落—生态系统—景观—区域—全球的多个层次。在地理—生态过程的区域集成研究中,不仅需要针对不同尺度地球表层过程的发生机理展开研究, 更需要通过尺度效应分析和尺度转换(尺度上推与尺度下推), 获知其他尺度的信息, 开展多尺度研究, 从而体现研究对象的整体性。在尺度效应分析与尺度转换中, 需要注意特征尺度选择与尺度域划分、转换方法与模型构建、时间尺度与空间尺度的合理匹配、尺度转换结果的不确定性分析等问题。
此外, 在综合与集成的研究中, 也需要加强集成方法的拓展, 发挥计算机技术、应用数学方法、空间信息科学与技术在地理—生态过程研究中的作用, 开展基于对过程理解和定量阐述的模型研究, 如建立区域综合模型、多尺度地理—生态过程模型等。
2.2 重点研究领域
2.2.1 尺度—结构—过程相互作用“尺度—结构—过程”是地理—生态过程研究的核心理念, 结构影响过程, 过程改变结构, 尺度不同, 结构与过程的关系也将有很大的差异。其中, 结构是不同地理—生态过程与自然背景综合作用的结果, 地理—生态过程的变化与发展影响和改变着陆地表层系统结构的形成, 从某种意义上说结构是各种地理—生态演变过程的瞬间表现。同时, 结构能够从多个方面影响过程, 如生态系统的空间分布能够影响局域地表温度、养分丰缺、生物种群或其他物质在空间上的分布状况, 景观要素的变化可以影响景观中的物质流和能量流等[22, 23]。
结构、过程及其相互关系的研究离不开其所依赖的尺度。地理—生态过程不同, 其相应的尺度也会有很大的变化。就研究粒度而言, 富营养化的研究往往在30 m 或更小粒度上展开, 而森林砍伐的粒度则多在100 m 以上; 就研究的幅度上, 叶片的生理过程一般发生在平方毫米/ 平方厘米的空间尺度和秒/ 分钟的时间尺度上, 而景观动态过程的研究则需要考察几百/ 几千平方公里的空间尺度和十年/ 百年的时间尺度[24]。结构与过程的关系会因研究尺度的不同而发生明显的变化, 如在不同尺度上, 土地利用结构与土壤养分、土壤水分、水土流失的影响机制并不相同[4], 中小尺度上的研究成果并不能满足大规模综合治理与开发的需求。
尺度—结构—过程的相互作用研究是现代地理—生态过程研究的重点领域, 其主要研究内容包括如下几个方面:
(1) 针对单一尺度分析结构与过程的作用机理;
(2) 探讨不同尺度之间结构或过程变化的规律和特征, 并分析其尺度效应;
(3) 基于不同尺度结构与过程的作用关系和尺度效应分析结果, 进行多尺度综合研究和尺度转换研究;
(4) 探讨不同尺度划分体系(如时间尺度、空间尺度、过程尺度、观测尺度、模型尺度等) 对结构、过程、结构与过程作用关系的影响效应;
(5) 其他研究, 如多尺度模型研究、尺度转换不确定性分析研究等。
2.2.2 自然—经济—社会要素相互联系当代地理学作为一门研究地球表层自然要素与人文要素相互作用与关系及其时空规律的科学, 其研究内容主要面向当前世界性的人口、资源、环境与可持续发展问题[25]。现代地理—生态过程的研究, 必然注重自然、经济、社会等多因素的综合研究, 注重人类活动与环境变化的关系[19]。
在自然—经济—社会要素相互联系的研究中, 地理—生态过程重点探讨以下几个方面的内容:
(1) 自然、经济、社会单一系统内部的要素、过程时空变化规律与特征;
(2) 自然、经济、社会不同类型的要素、过程之间的相互影响与作用机理;
(3) 自然、经济、社会不同系统之间多要素或过程之间的综合与集成;
(4) 地表系统在自然、经济、社会共同作用下的变化规律与发展趋势;
(5) 其他研究, 如复合系统基础理论创新等。
2.2.3 地貌—水文—生态过程相互耦合地貌过程、水文过程和生态过程是地理学、生态学研究的传统优势领域。在早期的研究中, 往往关注单一过程的研究, 而对两两过程或多种过程的综合研究不够。然而, 多种过程的耦合作用机理往往是识别系统动态演变的关键所在。在全球环境变化的背景下, 地貌过程—水文过程—生态过程的耦合研究显得尤为重要。
目前, 地貌过程—水文过程—生态过程的耦合研究重点关注地形发育、径流形成、污染物迁移、土地退化、生态系统调控等领域, 其重点研究内容有:
(1) 人类活动影响下的生态—水文过程;
(2) 生物地球化学循环过程;
(3) 流域水、沙及化学物质迁移过程;
(4) 其他研究, 如耦合模型开发等。
2.2.4 地理—生态过程与资源环境效应研究资源、环境与发展的关系并寻求解决其中关键问题的途径, 为区域整治提供理论基础和决策依据, 是当代地理学和生态学服务社会的重要方面。目前急需解决的资源环境问题包括水资源供应危机、土地质量急剧下降、环境污染和生态破坏日益严重、灾害频发等问题, 这些资源环境问题的解决往往和地理—生态过程的调控密切相关。探讨地理—生态过程与资源环境效应的关系是目前地理—生态过程研究的重要方面。
地理—生态过程与资源环境效应研究的重点内容有:
(1) 生态系统物质循环与全球变化;
(2) 流域物理、化学和生物过程及其资源、环境和灾害效应;
(3) 土地利用/ 土地覆被变化过程及生态环境效应;
(4) 城市化过程对区域生态环境的影响与效应;
(5) 生态系统过程与生态系统服务功能;
(6) 地貌过程与灾害效应等。
3 地理—生态过程研究的发展趋势与方向
3.1 地理—生态过程研究的发展趋势
现代地理—生态过程研究正跨越不同时空尺度, 开展多学科的交叉和融合, 从近期发展看, 地理—生态过程研究具有以下明显的动态和趋势。
(1) 系统化系统化是地理—生态过程研究的重要方向。地理—生态过程是以系统论为基础, 以陆地表层系统、环境系统、人地系统等为对象开展研究。在系统化研究中,需要探讨系统的内部要素与结构组成、系统层次与相互关联、系统动态与外部环境的相互关系, 揭示全球变化背景下地理—生态过程与地表系统演变的作用关系, 探求系统协调发展的机制与途径。
(2) 综合性综合性是地理—生态过程研究的重要特色。在地理—生态过程的综合研究中, 不仅要在分析要素与要素关系、要素与过程关系、过程与过程关系的基础上开展要素综合和过程综合, 也要在尺度效应分析和尺度转换的基础上开展区域综合研究。在区域综合研究中, 不仅需要聚焦危机区、脆弱区或热点地区, 针对独特区域开展独特问题的综合研究[26]; 同时也应具有全球化视角, 开展跨国或全球尺度的研究。此外, 也应注重总结性的综合研究[27], 基于重要地理区域科学数据构建国家级的地理科学基础平台,为进一步创新研究提供基础。
(3) 交叉性地理—生态过程研究本身就属于学科交叉的范畴。随着人口、资源、环境、发展等全球性问题重要性的日益突现, 地理—生态过程研究的交叉性特点将愈加明显, 自然与人文的交叉、科学与技术的交叉、多学科交叉成为地理—生态过程研究不可逆转的趋势, 地理学、生态学、资源科学、环境科学、大气科学、社会学、经济学等不同学科对于地球表层系统的共同关注, 在服务于国家战略需求的同时, 也为地理—生态过程研究的深入发展提供了机遇。
(4) 应用性地理—生态过程的未来研究, 将积极拓展科学研究的应用领域与范围,在环境与灾害管理、生态系统管理、国土综合整治、全球环境变化、土地退化防治和区域可持续发展等领域开展应用研究, 以满足国家需求, 为实施可持续发展战略服务。
3.2 地理—生态过程的重大研究论题
地理—生态过程作为当代地理学、生态学及相关学科研究的热点问题和前沿领域,在未来的研究中, 需要整合科技资源, 针对以下领域和内容开展工作。
(1) 地表系统中的物质、能量和生物流过程研究其中重点加强生态水文过程、生物地球化学循环、人地相互作用过程、全球碳氮循环等研究; 注重界面过程和不同类型过程的耦合; 注重野外观测、试验分析、空间信息技术、数学模型等研究方法的综合应用。
(2) 地表环境变化的驱动力、过程和效应研究主要分析陆地表层系统、环境系统和人地系统演变的自然和社会经济驱动, 分析不同结构和过程的时空变换特征, 探讨不同变化情景下的资源、环境、生态和灾害效应。
(3) 区域综合和区域内异质性研究区域综合研究有待于加强区域综合实验研究、区域综合的方法与模型应用; 同时针对区域内的时空变异, 开展区域内景观多样性与异质性、景观格局与生态过程研究。
(4) 尺度推绎与转换尺度问题是地理—生态过程研究中极富有挑战性的课题。针对不同的尺度划分体系(种群、群落、生态系统、景观、区域、全球; 坡面、集水区、流域、区域、全球), 开展尺度推绎与转换的理论基础研究和区域实验研究, 发展尺度推绎与尺度转换的方法和模型。
(5) 地理学的整体性研究整体性是地理学的特色, 在当前环境变化研究中, 基于系统分析的整体性研究愈加重要[19]。目前, 地理学的整体性研究亟需加强自然地理学与人文地理学的融合, 注重环境变化与规划、土地利用变化与规划、区域可持续发展等领域的研究, 突出人类活动对环境和过程的影响, 探讨模型模拟研究在地表系统整体性中的作用。
(6) 方法论创新方法论创新是推动地理—生态过程研究的重要途径。需要加强非线性科学和复杂性科学在地理系统研究中的应用, 开发研制或发展地理过程模型、多尺度综合模型等, 加强模型的有效性检验与验证。
(7) 地理—生态过程研究的应用在地理—生态过程的理论与创新的基础上, 积极加强应用研究, 其中重点加强的领域有: 水循环与水资源、地貌过程与工程和灾害防治、气候变化及其效应、生态过程与生态系统恢复和保护、土地退化过程与治理、人地相互作用过程和人与自然和谐发展、全球变化的区域适应研究等。
3.3 地理—生态过程研究的几点建议
我国在地理—生态过程这一领域已经开展了大量研究工作, 并取得许多重要的研究进展。但是, 与国际相关研究的发展相比, 我们还有明显差距。为了更好地开展地理—生态过程的研究, 服务于学科发展与国家需求, 在未来研究中需要注意以下几方面的问题。
(1) 加强观测、实验、调查与模拟获取数据是开展地理—生态过程研究的前提和基础。目前, 我国已经建立了长期野外观测与研究台站网络, 为监测我国资源环境动态、推动地理学与生态学的发展、服务于国家需求和政府决策提供丰富的数据基础。然而,很多研究还缺少第一手的观察与监测数据。因而, 在未来的研究中, 要加强观测、实验和野外调查, 注重数据监测的长期性、监测手段与方法的一致性。同时, 加强地理—生态过程的模拟研究, 发展基于观测的过程模拟模型。
(2) 加强遥感与野外观测的结合遥感手段是目前快速获取地表信息, 开展地理—生态过程研究的重要手段。然而, 由于时间分辨率与空间分辨率的限制, 遥感数据的解译结果往往具有不确定性。因而, 在基于遥感手段开展野外调研和数据分析的过程中,需要加强野外的同步观测, 将遥感调查结果和野外观测数据相结合, 提高地理—生态过程研究的准确性。
(3) 加强区域综合和全球研究在我国目前地理—生态过程的研究中, 区域的综合研究已有较多的案例, 但是缺乏基础理论创新, 多尺度综合研究的内容也并不多见; 同时, 在地理—生态过程领域, 我国具有全球性视野的研究非常匮乏。在今后的研究中,我国学者要关注全球的问题, 积极开展跨国或全球尺度的研究。
(4) 加强学科交叉, 特别是一级学科的交叉学科交叉点往往就是科学新的生长点、新的科学前沿, 这里最有可能产生重大的科学突破, 使科学发生革命性的变化[28]。然而,从目前国家自然科学基金的申报情况可以看出地理学者有意开展交叉研究的项目比例较低[29], 地理学家们对于自然与人文的综合研究相对薄弱, 难以满足日益增长的国家需求。因而, 在今后的研究中, 亟需加强学科交叉, 将其他学科, 如生物学、物理学、化学、数学、信息科学等学科的理论与方法应用到地理—生态过程的研究中, 以期取得突破与创新。
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