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

陳發虎 傅伯杰 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 鄭景云 楊 威

王 鑫 李再軍 王 飛 胡振波 王 杰 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 尹云鶴 劉曉晨

1 引言

地理科學（geographical science）是研究地球表層人類生存環境的空間差異、時間演化以及人—環境相互作用的科學，具有區域性、綜合性和文理工交叉的學科屬性。自然地理學是研究地球表層自然環境的空間特征、演變過程及其地域分異規律的一門自然科學，是地理學的3個重要分支學科（自然地理學、人文地理學、信息地理學）之一，亦是地理科學的基礎學科和地理科學研究的基石，其重點研究對象是人類生存環境中的地球陸地表層自然環境系統，或者稱為自然地理環境系統，研究對象既可以是地貌、水文、氣候、生物、土壤等某一種自然環境要素，也可以針對景觀、土地等自然地理綜合體，還可以是以冰凍圈、干旱環境這樣的典型對象為目標的區域自然環境。自然地理學重視了解當代地球環境必不可少的空間變異和時間過程，其目的是認識地球自然環境怎樣成為人類活動的基礎并受人類活動的影響。

中國地域遼闊，自然地理類型豐富，研究中國自然地理環境及其組成要素的形成、發展、結構和區域差異，有助于掌握中國自然環境的狀況。中國的地形以山地和高原為主，素有“第三極”之稱的青藏高原雄踞西部，由西向東地勢逐漸下降；中國地處中緯度大陸東岸，瀕臨全球最大海洋，季風氣候異常發達；但大興安嶺、陰山、賀蘭山、烏鞘嶺、巴顏喀拉山和昆侖山一線西北的中國內陸，終年受大陸性氣團控制，氣候異常干旱，與中亞一起構成了世界上最大的內陸干旱區。因此，中國的自然地理總體格局形成了東部季風濕潤區、西北內陸干旱區，以及青藏高寒區3大部分。東部季風區整體水熱配置良好，具有得天獨厚的資源優勢和夏季溫暖濕潤的氣候特征；該區跨越熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶以及寒溫帶等幾個溫度帶，形成了植被與土壤等的緯向地帶性分布規律；該區亦是中國人口密集分布區，是長期人—地相互作用的高強度區。西北干旱區具有和緩起伏的高原和高山冰雪—盆地綠洲地貌特點，分布有多個沙漠，河湖眾多但水資源貧乏；該區主要受西風影響，具有典型的大陸性氣候特征和氣候變化的西風模態特征。青藏高原高寒區具有高寒氣候的特殊性，以及受全球變化和西風—季風協同作用影響強烈的特點；因其高亢的地勢，青藏高原廣泛分布冰川、凍土與積雪，構成了地球中、低緯度最大的冰雪與寒凍作用中心，也造就了生物區系和群落分布的垂直地帶性規律。

中華人民共和國成立之初，以中國自然環境和自然資源摸底為目標的大規模區域綜合科學考察為地理區域劃分、國家與地區有計劃地建設發展，提供了可靠的科學依據，也獲取了第一手研究資料，奠定了中國自然地理學研究的基礎。改革開放以來，在新技術新方法的運用下，中國自然地理與生存環境研究取得了長足的進展，由定性描述向定量實驗推進，也由單一過程向綜合研究深化。在青藏高原隆升與內陸干旱化、青藏高原冰凍圈環境（冰川、凍土）、季風與西風氣候變化等領域開展了多時間尺度的系統研究，進而在全球變化區域響應方面取得了突出成就；針對湖泊污染與水土流失，開展了機理與卓有成效的應對措施研究；也在區域自然地理環境的特征、類型、分布、過程方面取得了重大進展，推動了對包括生物地理分布在內的中國自然地理地帶性規律的認知；特別地，中國的自然地理學研究聚焦地理學的核心問題，即人與環境的相互作用研究，從較長的時間尺度，跨越舊石器時代、新石器時代到歷史時期，探討了人—地關系的演化規律。2019年是中華人民共和國成立70周年，回顧過去70年的中國自然地理學發展，成績斐然。中國前輩自然地理學家對不同時期中國自然地理及其分支學科的進展均做了較好的總結，本文針對中國自然地理學的主要基礎研究領域，梳理其近70年來的發展脈絡，不求面面俱到，僅是總結最重要的有中國特色的研究進展和成果，并提出未來展望。中國自然地理學的重大應用研究進展將另文發表；此外，涉及中國臺灣的自然地理與生存環境研究在相應主題中有所提到，但未進行單獨深入討論。

2 中國自然地理與生存環境研究進展

2.1 干旱環境與沙漠演化

亞洲內陸干旱區是全球面積最大、最典型的中緯度內陸干旱區。由于植被覆蓋度低且有持續的物質供應，該地區裸露地表的碎屑物質被西風環流和冬季風攜帶向北半球輸送大量的粉塵物質，對區域乃至全球氣候變化有深遠影響。新生代亞洲內陸干旱環境演變經歷了早期干旱化、干旱化的顯著加劇和以大型沙漠形成為標志的最終形成三個階段。

2.1.1 干旱環境演化地質證據表明，亞洲內陸經歷了由早新生代副特提斯海主導的濕熱環境到現今極端干旱環境的顯著轉變，被視為亞洲內陸干旱化，進而形成了多個大型沙漠。

20世紀50—80年代，劉東生領導的研究團隊明確了中國黃土的風成成因，基于中國黃土是內陸干旱化產物的科學假設，提出了內陸干旱環境至少自約2.4～2.6 Ma（年代指距今，下同）開始形成。20世紀90年代，主體黃土高原晚新生代紅黏土序列的研究，將內陸干旱環境的形成年代提前至7～8 Ma。21世紀初，西部黃土高原中新世黃土的不斷發現，將內陸干旱化啟動時代進一步提前至22～25 Ma。近年來，西北內陸大型沉積盆地新生代氣候環境變化取得了眾多突破性研究進展，例如，Zheng等（2015）提出塔克拉瑪干沙漠自約26.7～22.6 Ma已經形成，但關鍵的年代學證據尚存爭議；緊鄰中國的塔吉克在約37 Ma時副特提斯海退出這一區域，隨后經歷了指示干旱的風沙環境和黃土沉積環境；西寧盆地、索爾庫里盆地也陸續發現了始新世—漸新世不同時段的干旱化事件，揭示了新生代內陸干旱化更為復雜的時空演變歷史。

2.1.2 沙漠演化大型沙漠的形成是內陸干旱化的直接體現，也是現今干旱環境最終形成的重要標志。比如世界第一大沙漠撒哈拉沙漠出現于～7 Ma；中國最大的塔克拉瑪干沙漠最早認為出現于～5.3 Ma，后來的研究卻有約26.7～22.6 Ma、～12.2 Ma、～7.0 Ma和～3.4 Ma的不同認識。造成這一差異的主要原因在于大型沙漠因沙丘覆蓋，沙漠內部完整的地層記錄難以獲取。

早在20世紀80年代至21世紀初，以董光榮為首的研究團隊就開展了中國地質歷史時期沙漠形成演變的研究工作，根據片段露頭剖面中的古風成砂記錄建立了中國沙漠演化的大致框架：提出白堊紀至古近紀熱帶紅色沙漠期、新近紀亞熱帶紅色沙漠期和第四紀溫帶黃色沙漠期。在此基礎上，為了獲取沙丘之下沙漠內部連續的地層記錄，明確沙漠的形成年代與演化歷史，蘭州大學研究團隊實施了“中國沙漠鉆探計劃”。團隊先后在騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、古爾班通古特沙漠進行了巖芯鉆探，獲得了第一手資料。鉆孔沉積相和年代學研究結果顯示：現代意義的騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠分別出現于0.9 Ma和1.1 Ma；烏蘭布和沙漠和庫布齊沙漠由于鉆孔未見基底，沙漠的具體年代尚不確定，但至少要早于晚更新世；古爾班通古特沙漠鉆孔初步結果也指示了沙漠出現可能在早—中更新世過渡期（未發表）。

2.1.3 風沙地貌風是除流水之外塑造地球景觀的第二大流體，形成的風沙地貌在全球干旱區廣泛分布，甚至在一些地外星球，如火星、金星和土衛六也廣泛發育，因其與人類生存環境關系密切，及蘊含現代地表過程和地球環境演化的豐富信息，風沙地貌研究自19世紀末以來受到國際學術界的持續關注，成為干旱區地貌學的主要組成部分。中國廣袤的干旱區是研究風沙地貌的天然實驗室，中國風沙地貌研究始于20世紀50年代末，60多年來取得了豐碩的成果，在多個領域為風沙地貌學的發展做出了重要貢獻。

以沙區資源利用與改造為目的是中國早期風沙地貌學研究的突出特點，這也成為了風沙地貌學應用研究的典范。以朱震達為代表的中國第一代風沙地貌學家基于定位觀測開展了沙丘移動規律研究，總結出沙丘移動的形式、速率及其與沙丘形態參數的定量關系?！端死敻娠L沙地貌研究》對風沙地貌形成的古地理背景、類型與分布規律、風沙地貌條件的改造利用和區劃等的全面論述，使其成為區域風沙地貌綜合研究的經典著作。改革開放以來，中國風沙地貌研究更多地借鑒歐美的研究，在沙丘動力學方面取得了一系列成就，如在敦煌鳴沙山金字塔沙丘、塔克拉瑪干沙漠的復雜線形沙壟、騰格里沙漠格狀沙丘、灌叢沙丘、巴丹吉林沙漠高大沙山、庫姆塔格沙漠的“羽毛狀”沙丘、雅丹地貌和戈壁等中國干旱區特有風沙地貌形成方面的研究成果是對風沙地貌研究的重要貢獻，成果被廣泛地引用。

近10年來，中國風沙地貌在兩個方面的研究對豐富和完善風沙地貌學理論具有重要意義。一是在騰格里沙漠建立風沙地貌動力學野外試驗場，基于長期野外監測結果，提出不同類型沙丘的動力學關系，發現沙源豐富度在控制沙丘形態中的重要作用，對廣為沿用的沙丘“形態—風況”理論提出質疑。二是青藏高原高寒環境的風沙地貌研究以及類火星風沙地貌的發現對地外星球風沙地貌研究具有重要啟發，指出火星風沙地貌與地球風沙地貌的重要不同在于：地球風沙地貌是氣候控制型，而火星風沙地貌是沙源控制型，這為理解火星風沙地貌的特點提供了重要線索。

2.2 青藏高原地貌演化與大江大河發育

海拔普遍在4000 m以上，面積達250×104km2的青藏高原，其隆升是整個新生代地球演化史上最偉大的地質地理現象之一。它不僅改變了整個亞洲的地貌格局、大江大河發育，也改變了整個亞洲的地理和環境格局，并且對全球變化產生了深遠影響。

2.2.1 青藏高原隆升與新生代環境青藏高原的隆升是印度板塊與亞歐板塊碰撞導致地球內部巖石圈地球動力學作用過程的結果，其碰撞的時間、過程及機制一直是地學界關注的焦點。1964年施雅風和劉東生在希夏邦馬峰北坡考察中發現上新世地層中高山櫟化石，揭示該區第四紀以來上升了約3000 m，開創了高原隆升研究先河。此后至20世紀90年代間大規模的第一次青藏科考，發現高原由一系列小板片拼貼而成，地殼加厚主要由地殼內部變形縮短造成；提出了高原隆升是多階段、非均勻、不等速的，存在三期抬升和兩度夷平的發育模式。20世紀90年代后進入針對具體科學問題的重點地區半定量化研究階段，首次獲得中國約30 Ma以來完整地層高精度年代序列，揭示高原東北部至少從漸新世已響應印度板塊碰撞，自約8 Ma開始明顯隆升、3.6 Ma開始一系列強烈階段性快速隆升（稱為青藏、昆黃和共和運動），約1.7 Ma現代黃河水系形成。最近在西寧盆地建立起54 Ma以來高精度年代序列，揭示印度板塊碰撞初期變形應力就已傳遞到高原東北部，形成該區系列盆地。周邊祁連山、阿爾金、昆侖山也大致經歷相似的多幕次隆起，副特提斯海從約47 Ma開始穿時退出塔里木盆地。高原南部隆升亦是多階段、不勻速的，岡底斯山可能在碰撞前就已存在，碰撞初始已達現在高度，但其南面的喜馬拉雅山遲至約中新世初才開始明顯隆升，15 Ma才隆升到現今類似高度，而其北面的高原中南部（羌塘和拉薩塊體）可能在40 Ma前已隆升到現在高度，稱為原西藏高原，或者至少是“兩山夾一盆”的地貌格局。相應地，發現印度板塊的碰撞時間也明顯更早且不同步，中部可能于65或59 Ma已經與亞洲板塊碰撞，東西兩側則在約52 Ma前才與亞洲板塊發生碰撞。

高原隆升產生顯著的環境效應。早期地層巖性和生物定性統計揭示中國東南和西南季風在中新世中期形成，奠定了中國現代環境格局輪廓，青藏高原隆升和全球冰蓋發展均對季風產生影響。高原東北部獲得的約30 Ma以來的連續地層巖相和氣候代用指標記錄，揭示22 Ma時植被由疏林草原轉變為森林，環境變濕，東亞夏季風形成，約8 Ma顯著階段性干旱化開始。進一步研究發現指示冬季風形成的黃土于22～25 Ma開始堆積，約8～7 Ma擴展到黃土高原中部，冬、夏季風在約3.6 Ma同時強化，與青藏高原此時的急劇隆起密切相關。南部早期隆升也產生明顯環境效應，植物化石重建結果表明晚古新世時南亞季風已存在，后經喜馬拉雅山脈隆起對水汽阻擋，喜馬拉雅山北坡逐步旱化。

2.2.2 青藏高原周緣河流發育與演化河流敏感地響應構造活動、氣候變化和基準面調整，最終呈現出水系格局的演變。青藏高原是亞洲水塔，特殊的地貌格局決定了亞洲主要大河均發源于青藏高原，它們的形成過程書寫了東亞地貌和構造格局演化以及氣候變化的歷史，將河流發育研究推上地球圈層相互作用的討論高度，具有重大研究價值。近年來隨著測年精度的提高和物源示蹤技術的發展，全球圍繞高原周緣的河流發育研究已經上升到構建不同地質歷史時期水系格局層面，重點探討整個流域水系發育與宏觀構造格局演化和氣候變化的關系。

在中國關于河流發育的真正科學研究始于1866年Pumpelly對黃土成因的討論。20世紀初Clapp（1922）率先關注黃河水系宏觀發育過程，至張保升（1957）提出黃河曾取道永定河后，已形成多種先成水系發育模式，直至德日進和楊鐘?。?930）主張黃河是由若干河段銜接形成后，內陸河湖系統襲奪重組的河流發育模式開始嶄露頭角。受當時技術條件限制，這些認識仍然停留在定性描述階段，支撐證據主要源于宏觀地貌和沉積分析。

進入21世紀，更多的研究聚焦于長江三峽的貫通時代，主要提出了中新世、上新世和早更新世3種觀點。此外，上游金沙江的形成過程也得到重視，多數學者支持襲奪說，但在發生的時間上分歧較大，部分學者認為時代較老，可以追溯到漸新世晚期，而多數學者認為襲奪發生在早更新世。在黃河流域，隨著測年精度的提高，已經開始構建不同地質歷史階段水系格局，認為上游在青藏高原隆升的驅動下于3.6 Ma左右開始孕育，此后地勢高差加大導致水系重組，黃土高原南部和崤山東麓的局地河流依次向北和向西襲奪河套和三門古湖的河湖系統，最終于3.6～1.2 Ma間貫通這兩大盆地，形成黃河東流水系格局，近1.2 Ma以來隨著高原進一步隆升，上游開始不斷向高原內部襲奪延伸，最終形成流經中國3大地貌階梯的現代黃河水系格局。

2.3 冰凍圈：冰川、凍土及其變化

青藏高原及其毗鄰山地是除全球兩極之外中低緯度最大的冰凍作用區，分布有大面積的冰川、凍土，因此青藏高原是開展第四紀冰川演化、高亞洲現代冰川變化、凍土變化及其對全球響應研究的理想場所。

2.3.1 第四紀冰川研究的爭論和進展第四紀冰川的演化對氣候及其作用區內地表過程都有極為重要的影響，青藏高原第四紀冰川的時代、范圍及其侵蝕方式等都是學者們最為關注的科學問題。中國第四紀冰川研究相對于歐美起步較晚，但發展歷程相似，主要經歷了冰期序列的相對年代劃分和冰川遺跡的數值定年兩個階段。

研究過程中也出現了數次激烈的學術爭論。李四光首先提出了中國東部中低山地第四紀廣泛存在多期（次）冰川作用的觀點，但一經提出即受到了廣泛質疑。隨著國內冰川學研究的深入，學者們結合山地冰川發育條件、地貌組合、判別原則以及東亞古氣候環境記錄等，確認中國東部僅有臺灣山地、長白山、賀蘭山與太白山等主峰高于2500 m以上的山地發生過晚更新世以來的冰川作用，不支持中國東部山地泛冰川論觀點，但相關爭論推動了對中國東部山地冰期環境和地貌發育的研究。在此之后，中國西部的青藏高原是否發育過第四紀大冰蓋問題又引起國際學術界高度關注；眾多中國學者則基于高原山地冰川沉積范圍和物質平衡線波動值、冰緣地貌與古湖遺跡等證據，系統地否定了大冰蓋假說，也得到國際同行的一致認可。

絕對定年技術的發展，促使中國冰期—間冰期尺度上第四紀冰川序列的數值年表被建立起來（昆侖冰期、中梁贛冰期、古鄉冰期、大理冰期和多次全新世冰進）；并發現青藏高原隆升過程中昆—黃運動和共和運動與全球冰期氣候相耦合，對高原第四紀冰川發育有決定性意義，最老冰期時代也遠晚于全球其他地區。之后，為了更深入探究區域間冰期同時或異時性的驅動機制，學者們開始關注末次冰期以來亞軌道尺度上古冰川的演化模式。首先發現青藏高原季風控制區局地末次冰盛期可能發生于 MIS（深海氧同素階段）3，而西風控制區則出現于MIS 4，均與MIS 2的全球末次冰盛期不同步；確認晚冰期和全新世存在多次亞軌道尺度冰進事件，并嘗試探討該尺度冰川演化是受高緯降溫還是低緯季風降水驅動的科學問題。近年來，已經開展基于冰川作用范圍利用模型定量重建古冰川發育所需的氣候條件研究，冰川侵蝕過程的數值模擬和冰川侵蝕的定量化分析也有新進展。

2.3.2 青藏高原冰芯研究冰芯記錄因其保真度好、分辨率高、信息量大等優勢，已成為全球重要的氣候變化和大氣環境研究載體。目前全球最長時間的冰芯記錄來自南極EPICA Dome C冰芯，提供了過去800 ka以來大氣 CO2濃度和溫度變化等的良好記錄；而來自北極格陵蘭冰芯的氧同位素記錄提出了末次間冰期以來地球溫度的不穩定性問題。

青藏高原是中低緯度重要的冰川分布區，1987年鉆取的祁連山敦德冰芯正式開啟了青藏高原冰芯研究的序幕，該支冰芯最初被確認為年齡老于100 ka。1992年在西昆侖山古里雅冰帽鉆取的308.6 m透底冰芯是中、低緯地區鉆取的深度最深、時間尺度最長的冰芯；基于古里雅冰芯放射性元素36Cl的測量結果，估算古里雅冰芯底部年代老于500 ka，甚至最高可達760 ka。1997年在希夏邦馬達索普冰川海拔7000 m鉆取了全球最高海拔的冰芯。30余年以來，在青藏高原及其毗鄰地區20余處鉆取了多支冰芯，在不同時空尺度揭示了青藏高原地區的氣候環境變化特征。

對青藏高原冰芯年代框架的認識一直在不斷推進中，例如后來對采自敦德冰芯靠近冰—巖界面的一個冰芯樣品進行了14C測年，結果僅為（6.24±0.33）ka。最近亦有學者對青藏高原古里雅冰帽的年代框架提出了新的認識，對距離古里雅冰芯鉆取點約30 km的崇測冰芯底部沉積物細顆粒石英的光釋光（OSL）定年結果，得到其年齡不超過（42±4）ka。此后，基于崇測冰芯的14C、210Pb、氚和β活化度等分析結果，界定崇測冰芯的底部年齡為～9 ka。對古里雅冰帽邊緣冰樣進行的81Kr定年測量，得到其年齡上限為15～74 ka。毫無疑問，迫切需要尋找更多的證據進一步厘清青藏高原冰芯的年代范圍。

2.3.3 青藏高原現代冰川變化青藏高原冰川變化不僅影響冰川融水徑流，而且與高原湖泊水位上升、冰川災害（冰崩、冰磧湖潰決、冰川泥石流等）等具有緊密的聯系。IPCC第四次評估報告曾錯誤指出喜馬拉雅冰川將可能于2035年甚至更早前消失。自此以后在《Nature》《Science》上發表了數十篇文章，圍繞高亞洲地區冰川變化特征、機制及影響等開展了大量的研究。湯森路透集團通過對2009—2016年文獻聚類分析，遴選出地球科學十大熱點前沿問題，冰川變化及其環境影響于2015年和2016年分別連續入選，反映出學術界對冰川變化的關注。

中國現代冰川研究起步于20世紀50—60年代的登山活動，隨著第一次青藏高原綜合科學考察的實施，系統地開展了中國現代冰川學的觀測與研究，基本摸清中國冰川的水熱發育狀態及物理性質，開展了定點與半定點典型冰川監測，建立了中國第一個長期冰川監測站——中國科學院天山冰川觀測試驗站?；?20世紀 60—80年代的資料開展了第一次中國冰川編目，基本查清了中國冰川數量、面積與空間分布。2000年之后，隨著對地觀測技術的發展，開展了大量冰川遙感與實地調查研究。依據2004—2011年遙感資料完成了第2次中國冰川編目，共統計冰川總面積約5.18×104km2，與第一次冰川編目相比，中國冰川面積縮小約18%。隨著全球氣候變暖，近期中國冰川變化呈現明顯的空間差異：中國大部分冰川末端處于后退狀態，冰量呈加速虧損的特征，但青藏高原西部及帕米爾—西昆侖地區部分冰川表現出穩定狀態，少量冰川出現微弱的冰量增加和末端前進態勢。氣溫升高是中國西部冰川退縮的決定性因素，同時人類活動排放的吸光性物質（如黑碳氣溶膠）在冰川表面的富集也部分加速了冰川消融。在此情景下，施雅風和劉時銀（2000）預估中國冰川面積21世紀末期相對于20世紀80年代將減少45%，預計冰川融水徑流量至21世紀中葉大致呈增加趨勢，隨后冰川融水徑流量逐漸下降。

2.3.4 多年凍土多年凍土區約占北半球24%的陸地面積，近地表土凍融是高緯度和高海拔地區非常重要的地表過程，通過多年凍土南（下）界在向北（上）移動、活動層厚度的變化以及北極地區大面積的熱融滑塌響應和影響全球氣候變暖。這些變化必將導致凍結在活動層和多年凍土中的 1330～1580 Pg有機碳融化和分解，最終以溫室氣體的形式釋放到大氣中。青藏高原是中低緯地區多年凍土最大分布區，儲存有機碳（160±87）Pg。

中國從20世紀50年代開始了對多年凍土的調查和研究，20世紀60年代開展了對青藏高原多年凍土更深入調查、地球物理勘探和室內凍土力學和熱學性質的試驗。1975年編制了第1幅中國凍土分布圖。20世紀80年代初期，中國多年凍土的基本特征和分布發育的地帶性、區域性規律已有全面論述，初步查明中國多年凍土區面積為2.15×106km2，提出了高海拔多年凍土分布的三向地帶性理論和被學界稱為“程氏假說”的地下冰重復分凝機制的新學說。2000年出版的《中國凍土》專著是對中國凍土研究全面系統的總結。在全球變化的背景下，青藏高原多年凍土變化的監測表明多年凍土處于全面退化狀態中，主要表現在多年凍土溫度在升高、活動層厚度在增加、多年凍土下界在上移。在凍土工程方面，青藏鐵路建設中改變過去全世界采用的被動隔熱保護多年凍土的做法，進而采用主動降溫等綜合調控的方法，解決了青藏鐵路保護多年凍土的工程地質問題。在多年凍土圖的編制方面，早期的多年凍土圖主要以年平均氣溫或海拔高度等主要因素來界定，誤差較大。最近發展到應用衛星地表溫度資料、實測資料以及模型相結合，編制多年凍土圖以及基于多氣候要素（如氣溫、積雪和植被）與多年凍土的關系建立的多年凍土概率分布圖，為今后開展多年凍土研究打下基礎。同時，中國的凍土研究也已經從國內擴展到北半球，例如利用陸面過程模式對北半球多年凍土變化預測，以及利用Stefan近似解對活動層厚度變化的預估等。

2.4 中國氣候及氣候變化

氣候和氣候變化研究是自然地理學的重要研究內容。中國自然地理學家開展的氣候變化研究多側重于“過去氣候變化”，尤其是全新世（11700年以來，亦稱現代間冰期）氣候變化，全新世既是地球氣候史上的最新篇章，也是人類文明蓬勃興起的階段，因此成為研究人—地關系及其演變的極佳時窗。中國較大規模的全新世氣候變化研究始于20世紀70年代，基于歷史文獻、黃土—古土壤序列、湖泊沉積、泥炭、石筍、樹輪等載體，揭示了全新世以來多時間尺度氣候環境變化的時空特征，特別是在季風—西風氣候變化及其差異、全新世溫度歷史重建、近2000年氣候環境變化等方面，取得了豐碩的研究成果。

2.4.1 季風氣候及變化經典季風概念是指由于海陸熱力差異引起的季節性風向變化。但隨著研究的推進，對季風的認識已經上升到了全球尺度，認為其代表了熱帶輻合帶的南北移動，形成“全球季風”的概念。作為全球季風系統的重要組成部分，亞洲夏季風包括了東亞夏季風和印度夏季風，控制了季風亞洲的自然環境變化。國際上對季風的研究在其長期變化趨勢、快速衰退事件及其與高緯氣候系統的聯系，以及季風變化與文明演替等方面取得了一系列重大成果。

中國的季風研究最早可追溯到20世紀30年代，曾任中國地理學會理事長的竺可楨最早注意到中國的夏季風變化；李吉均于 20世紀 80年代提出了“季風三角”的概念，其中影響中國東部地區的是東亞夏季風，其屬于亞熱帶季風。學者們對全新世東亞夏季風變化的認知經歷了多個階段。20世紀90年代，通過收集和總結1970年以來發表的所有關于中國的古氣候資料，施雅風等（1993）提出了中國全新世氣候存在8.5～3 ka的中全新世氣候適宜期（夏季風最強盛時期）。隨后，An等（2000）提出了全新世適宜期在發生時序上由東北向華南逐漸退卻的假說。然而后來的石筍氧同位素記錄并不支持東亞夏季風演化的非同步性，而是夏季風最強盛的階段同步出現于早全新世。但是，石筍氧同位素能否忠實記錄東亞夏季風變化正受到越來越多的挑戰。來自中國北方山西公海的基于孢粉定量重建的降水結果顯示，早全新世東亞夏季風逐漸增強，距今7.8～5.3 ka的中全新世夏季風最強盛；5 ka以來持續減弱，尤其3 ka之后快速衰退；同時，中全新世氣候適宜期也得到了中國北方土壤發育證據的支持。新的研究也發現，代表東亞夏季風強盛的中國北方多雨時期，中國南方長江流域則為降水減少時期，南北降水變化存在反位相的變化模態，即“南澇北旱”或者“北澇南旱”模態。例如，全新世期間，來自長江流域的神農架大九湖泥炭藿烷含量記錄和華南地區的江西大湖有機質含量記錄顯示該區域7～3 ka相對干旱，這與中全新世華北的高降水形成了鮮明對比，使得東亞季風在中全新世增強的情況下呈現出北濕南干的現象。近千年來，這種降水的南北反位相模態也存在，例如中世紀暖期中國華北多雨而長江流域少雨。新的研究也發現，甚至在末次冰消期中國北方與南方的干濕變化也是相反的。全新世東亞夏季風變化總體上受到北半球夏季太陽輻射的驅動，但高緯變化，例如高緯冰蓋以及冰川融水注入北大西洋引起的北大西洋經向環流（AMOC）的減弱對東亞夏季風有重要的調控作用。受到北半球夏季太陽輻射的控制，作為熱帶季風的印度夏季風在早—中全新世最為強盛，體現在中國西南地區該時段降水最多。更長時間尺度亞洲季風特別是東亞夏季風演化多由地質學家開展。

2.4.2 西風氣候及變化探討西風環流控制區氣候環境變化特征及其機理，是當前全球變化研究中備受關注的前沿問題。作為北半球西風區的重要組成部分，亞洲中部干旱區既是世界上最大的非地帶性干旱區，也是綠色絲路建設的核心區域；并且，它還與亞洲季風區一起，構成了中國及周邊的氣候環境總格局?？梢?，系統研究該區域全新世以來多尺度氣候環境變化過程和動力機制，及其與東部季風區的異同，具有重要的理論和現實意義。

對中國西風區全新世氣候環境演變的研究興起于20世紀80年代，基于湖泊、冰芯、黃土等地質載體，學者們在內陸干旱區全新世或更長時間尺度干濕變化、水熱配置及其與全球氣候系統的聯系等方面做出了開拓性貢獻。隨著后續高質量單點代用記錄的積累，較大空間范圍內的集成研究發現，在全新世亞軌道尺度，亞洲中部干旱區具有早全新世干旱、中晚全新世相對濕潤的氣候變化特征，并據此提出該區域存在顯著不同于季風區的氣候變化“西風模態”。不僅如此，在過去千年的特征氣候時期中世紀暖期和小冰期，以及近百年的全球變暖時期，“西風模態”也具有百年—年代際尺度上的適用性。進一步地，利用氣候模擬、觀測資料和再分析數據綜合研究，揭示出氣候系統外部驅動（北半球太陽輻射）是亞軌道尺度上“西風模態”形成的主導因素，而百年—年代際尺度上“西風模態”則主要由氣候系統內部變率（環球遙相關/絲綢之路遙相關）控制?！拔黠L模態”研究將中國氣候環境作為一個整體來考慮，揭示出西風—季風主控區域不僅具有“靜態”上環境狀況（干旱—濕潤）的顯著差異，而且表現出“動態”上氣候變化的不同特征，實際上體現了在地理學空間思想指導下對全球變化科學的豐富和發展。

2.4.3 中國全新世溫度變化在20世紀80年代之前基于冰芯氧同位素記錄，一度認為全新世處于溫度變化穩定的間冰期，但后來Bond等（1997）發現全新世在北大西洋發生過多次千年尺度的冰筏（冷）事件，揭示出全新世氣候并不穩定。隨著實驗分析技術的進步和研究思路的拓展，重建過去溫度變化逐漸從定性轉向定量，近年來全球有許多高質量的全新世定量溫度記錄發表。Marcott等（2013）利用全球73條定量溫度記錄綜合重建了全新世溫度變化，認為早全新世溫度較高，而在中晚全新世至工業革命前溫度則逐漸降低約0.7℃，這與之前眾多記錄相符。然而Liu等（2014）利用3個海洋—大氣耦合的氣候模型模擬發現全新世以來溫度呈現增加趨勢，因此，溫度記錄與溫度模擬這一分歧被稱為“全新世溫度謎題”。國際上目前常用的溫度變化指標一般是生物性指標，均具有一定的季節偏向性，若不加仔細區分而全部當作年均溫，就可能導致指標記錄與氣候模型模擬的年均溫存在差異。同時，最新研究發現，溫度變化幅度也隨緯度和海拔有所差異，如全新世高緯度地區的溫度變率比低緯度地區低，高海拔地區的變率也遠遠大于低海拔地區。

中國學者很早之前就嘗試重建中國的溫度變化，最具有代表性的是竺可楨（1972）通過物候變化重建了過去5000年溫度變化的經典曲線。20世紀90年代，施雅風等（1993）主要基于孢粉等代用資料，提出了“中全新世大暖期”的概念，認為8.5～3 ka中國年均溫較現在高。近年來，研究者們利用湖泊沉積物中生物分子標志物、搖蚊、孢粉，以及樹輪輪寬等指標對全新世不同時段溫度進行了定量重建，取得了豐碩成果。如Hou等（2016）利用青海湖沉積物巖芯中烯酮化合物重建了全新世夏季溫度變化；Zhang等（2017）等利用云南天才湖搖蚊重建了七月溫度變化；Huang等（2013）重建了大九湖溫度變化。但是中國幅員遼闊，不同區域重建的溫度變化也具有顯著的不一致性。此外，模式模擬結果卻顯示中國中全新世年均溫較現在還要低。因此關于中國全新世溫度變化的模式目前仍沒有共識。

過去2000年是溫度變化研究中一個極具特殊意義的時間段。中國歷史悠久，擁有豐富、連續的歷史氣象記錄，其定年準確、氣候意義明確；利用這些記錄研究過去2000年溫度變化是中國在全球變化領域獨具特色的方向。在竺可楨（1925，1972）開創歷史氣候變化研究工作基礎上，后繼學者不斷努力，通過查閱正史、地方志、檔案、日記等史料中的氣象、物候、災異及其影響記載，完善并細化了中國過去2000年溫度變化認知。根據歷史文獻重建的中國東中部過去2000年冬半年溫度變化序列顯示：期間存在4個暖期（210BC～AD210；AD571～780；AD931～1320；AD1921～2010）和 3個冷期（AD211～570；AD781～930；AD1321～1920）。對比表明，過去2000年中國溫度變化與北半球溫度變化具有一致性，即存在3個特征時期：中世紀暖期、小冰期和20世紀的全球變暖時期（現代暖期），同時中國隋唐暖期也較為突出。

2.4.4 樹木年輪與中國近2000年來年分辨率氣候變化樹木年輪具有分辨率高、定年準確、指標可量化且樣本地理分布廣泛等特點，是解譯過去2000年來全球氣候變化的主要資料來源，特別是高分辨率重建全球與區域溫度以及干濕變化的重要研究載體。中國樹輪研究始于20世紀30年代，21世紀以后得到快速發展。除了常用的松、杉、柏外，目前部分灌木也被用于氣候學研究。樹輪氣候學指標不僅包括宏觀的樹輪寬度、密度和穩定同位素（C、H、O）記錄，還包括細胞尺度上的多種指標。近年來開展的野外樹木生長監測，則為基于樹輪指標與氣候要素關系統計分析基礎上的氣候重建奠定了樹木生理學基礎。研究地點覆蓋中國大部分地區，由于中國氣候類型差異較大，樹輪響應氣候因子的區域特征明顯，以600 mm降水等值線為界，干旱半干旱過渡區主要響應濕度和降水變化，高海拔的一級階地對生長季溫度更敏感，而中國東南冬季溫度是主要限制因子。

由于中國不同地區的地形和氣候存在較大差異，加上人類活動對原始森林的破壞，使得不同區域的樹輪年表長度差異較大。青藏高原的祁連圓柏可生存千年以上，將其與死樹和古柏木結合，建立的年表可達3500年；臺灣地區樹輪年表長度可達近1000年；而中國其他地區樹輪年表長度多在500年以下?；谶@些年表的氣候重建，發現青藏高原東北部氣候變化在年代際甚至更長時間尺度上存在冷干—暖濕的組合模態，這種氣候的低頻變化受太陽活動的影響?；敬_認了中國北方中世紀暖期和現代暖期相對溫暖濕潤，而小冰期期間總體寒冷干燥。但高原過去幾個世紀南北干濕變化并不完全同步。在全球變暖背景下，高原東北部總體向濕潤化發展，而東南部及鄰近的云貴高原表現出干旱化趨勢。近年來，高分辨率的樹輪氣候重建與模式模擬結合，使得人類活動的影響得以識別：發現青藏高原1870年以來的冬夏溫差逐漸減小，可能與人類活動排放的硫酸鹽氣溶膠或溫室氣體有關；受東亞夏季風影響，中國北方環境敏感帶東、西部過去400多年來的降水在年尺度上不相關，但在10年尺度上干濕同步變化。最近80年季風邊緣帶降水減少可歸因于人類活動硫酸鹽氣溶膠的增加。在亞熱帶地區，以臺灣樹輪δ18O首次重建中太平洋Ni?o 4區818年的海表溫度（SST）變化，發現20世紀后期中太平洋 SST最高、變率最大，可能與人類活動有關。

2.5 中國湖泊與濕地

湖泊與濕地是地球表層系統中極為重要的自然地理單元，具有供水、防洪、養殖、休閑旅游、調節區域氣候和維護生物多樣性等生態功能。地理學家在湖泊濕地資源調查和保護、湖泊演化與全球變化（尤其是湖面變化）、湖泊污染和富營養化、湖泊濕地生態系統保護等方面開展了基礎研究。2015年和2018年國際古湖沼大會和國際湖沼學大會在中國的召開，標志著中國湖沼和古湖沼研究進入國際前沿的新階段。

2.5.1 古湖沼學研究及大湖期爭論自20世紀60年代以來，大量古湖岸堤或湖相沉積遺存地貌被報道和發現，其年代學研究表明，位于季風—西風過渡區的許多湖泊自晚更新世以來都出現過劇烈的水位波動和湖面擴張與收縮，其中位于河西走廊東段的騰格里沙漠古大湖是研究晚更新世“大湖期”的典型代表之一。這些廣泛存在的“大湖期”事件，其形成及古氣候驅動機制不僅對干旱—半干旱區的水文氣候變化和近地表粉塵釋放產生重大影響，而且與季風環流、西風環流和新構造運動等重要氣候環境系統演化密切相關，成為開展特征地質時期氣候環境變化以及亞洲季風和西風環流系統演化的關鍵議題之一。

對于大湖期的爭論主要是對其形成時代的認識存在巨大分歧。青藏高原及周邊沙漠和新疆等地，早期大量的14C測年結果顯示大湖期出現在約40～25 ka（對應于MIS 3a），據此提出了“MIS 3a大湖期”假說，并結合古氣候模式分析，認為主要是亞洲季風環流或中緯度西風環流增強帶來的充沛降水所致。隨著新的定年技術在湖泊沉積物測年中的應用，大湖期的年代框架得到了重新厘定。湖岸堤石英OSL或鉀長石的紅外光測年結果顯示，青海湖高湖面出現在末次間冰期（MIS 5）；尕海、居延海和黃旗海等湖泊晚更新世最高湖面也出現在MIS 5甚至更老。鈾系等時線技術獲得的納木錯古湖岸堤年代結果顯示其大湖期出現于MIS 5；而“吉蘭泰—河套”OSL測年表明，該地區大湖期形成于60～50 ka之前的某一時期。對典型“大湖期”的騰格里沙漠古大湖系統的OSL和14C測年對比研究結果發現，兩種測年方法所得結果差別較大，OSL數據表明大湖期形成于MIS 5，而傳統研究基于14C的年代普遍年輕于實際沉積年齡。測年機理研究表明，兩種測年結果的差異源自14C測年上限和后期污染造成對樣品真實年齡的低估，這對重新認識晚更新世大湖期及環境意義具有重要的參考價值。

2.5.2 湖泊污染與富營養化湖泊水體的富營養化是全球性普遍現象。20世紀80年代以來，中國大多數湖泊都呈現出不同程度的污染與富營養化問題；但由于基礎研究不足，對于如何治理存在許多爭議，如淺水湖泊底泥內源污染要不要控制？藍藻水華暴發的機制是什么？如何通過生態修復治理富營養化？通過一系列國家和部委資助的研究，基本厘清了上述基礎理論問題。

針對大型淺水湖泊復雜的生態環境問題，發展了以“抓過程、釋機理”為指導的淺水湖泊系統研究思想和多學科協同的野外原位觀測、模擬與實驗研究方法，基于遙感和高頻自動監測技術，實現了對水文氣象、水質、生物和藍藻水華等多指標的高頻在線監測，在中國湖泊污染和富營養研究方面取得了方法與理論的重要進展。揭示了大型淺水湖泊風浪擾動引起沉積物再懸浮致使內源營養鹽大量釋放，促進藻類大量生長繁殖，并在水動力擾動碰撞過程中形成大群體，在風浪減弱時快速上浮形成肉眼可見的藻類水華。同時，藍藻水華堆積腐爛會造成沉積物表層極度缺氧，使得外源匯入蓄積湖底的磷不斷被活化釋放而增加內源污染負荷，加速營養鹽循環利用，有助于藍藻水華頻繁暴發。另一方面，全球氣候變暖和風速下降引起的湖泊溫度升高、溫躍層深度增加及湖泊化學性質改變等效應，也在一定程度上加劇富營養化，影響水體透明度從而導致水生植物消亡；并造成湖泊中浮游動物小型化，減弱下行效應更有利于藍藻水華的維持。在更長時間尺度上的暖期（如隋唐暖期和中世紀暖期），夏季風增強引起的土壤侵蝕加劇導致輸入湖泊營養物質的增加，也會引起自然條件下的高山湖泊富營養化，這對未來全球變暖背景下的湖泊富營養化預測和預防具有重要意義。

2.5.3 中國濕地研究進展濕地是分布于陸地系統和水體系統之間的、由陸地系統和水體系統相互作用形成的自然綜合體，在全球生態系統中占有重要的地位，發揮著“地球之腎”和“碳庫”等生態系統功能，在中國有廣泛分布，尤其在東北和長江中下游地區。中國遠在古代就已有濕地記載，歷史悠久。中華人民共和國成立后中國科學院在東北布置地理研究所，重點開展濕地研究。2003年中國第一本濕地專業學術期刊《濕地科學》創刊，2016年第十屆國際濕地大會首次在中國舉辦。從20世紀90年代開始，中國也對水稻田的 CH4排放開展了大量的實驗監測研究工作，發現冬灌田是CH4排放量最高的一類稻田，糾正了國際上嚴重高估中國和世界稻田的CH4排放量的錯誤。70年來，濕地學科在中國經歷了從探索到創建新學科的艱苦歷程，目前已初步形成了完整的學科體系，中國濕地研究逐漸形成了自己的特色，在濕地生物地球化學循環和溫室氣體排放、濕地生態水文與水資源、濕地生物多樣性、濕地生態系統服務、濕地生態恢復與重建等方面取得了長足進展。

2.6 流域模型與水土流失

流域是地球系統的縮微，是由“水—土—氣—生—人”構成的一個具有層次結構和整體功能的復雜系統。流域也是開展水土流失等自然地理學要素過程和以流域模型為主的自然地理綜合體研究的重要方面。本小節將回顧流域模型的發展，介紹黑河流域生態—水文—經濟集成模型；回顧土壤侵蝕的研究歷程，闡述土壤侵蝕的研究內容與方法；簡述歷史時期黃土高原的水土流失問題，分析“退耕還林”政策的利弊影響；最后，闡述流域徑流形成與轉化的非線性機理，以及蒸散發的研究進展。

2.6.1 流域模型流域模型是認識水土資源時空演化規律及成因的重要手段，是流域水土資源綜合管理的重要工具，是自然地理及其分支學科水文地理學的研究熱點。半個世紀以來，流域模型迅速發展，顯著提升了人們對流域復雜行為與過程的理解。國內自主研發了一系列流域模型，主要包括分別基于蓄滿產流和超滲產流理念發展的“新安江模型”和“陜北模型”，結合水文循環機理與水文非線性系統理論的“分布式時變增益水循環模型”，基于模塊化結構的“水循環模擬系統”，（HIMS）基于能水循環過程的“大流域分布式水文模型”（WEPL）及在此基礎上發展的“自然—社會”二元水循環模型，耦合冰凍圈水文過程的分布式生態水文模型GBEHM，以及耦合地表水—地下水—生態過程和水資源管理模塊的三維分布式生態水文模型HEIFLOW。這些模型在流域生態水文過程認識、水資源管理以及洪水預報等方面發揮了舉足輕重的作用，促進了中國流域水文科學的迅速發展。

近年來，在國家自然科學基金委員會重大研究計劃——“黑河計劃”的支持下，由程國棟領銜的多學科研究團隊針對中國干旱區內陸河流域的典型特征，成功研制了黑河流域生態—水文—經濟集成模型。該集成模型包括了兩大系統，即自然系統模型（流域生態水文模型GBEHM和HEIFLOW）與經濟系統模型，以及連接自然系統和經濟系統的界面模型——土地利用和水資源模型?；谙冗M的代理建模技術，該集成模型被成功地嵌入到一個兼容聯合國可持續發展目標（SDGs）的流域決策支持系統，真正實現以科學模型為骨架的流域發展可持續性決策支持。該集成模型在功能完備性、適應性，以及模擬與預測能力等方面具有明顯的優勢，也實現了水—生態—經濟的耦合，從而可更好地服務于流域綜合管理和可持續發展目標。

2.6.2 土壤侵蝕土壤侵蝕是指水、風等外營力對土壤的消損過程，可導致水土流失，引起土地退化，影響糧食安全，并淤積河道，加劇洪水災害風險，威脅水安全。從全球角度來說，土壤侵蝕是土壤功能和可持續發展最大的威脅。目前國際上關注全球土壤侵蝕評價、人類活動對土壤侵蝕的影響，以及土壤侵蝕與碳氮磷循環等幾個方面。

中國水土流失的大規模研究始于20世紀50年代，黃秉維（1955）基于考察結果編制了黃河中游土壤侵蝕分區圖，朱顯謨（1956）提出了土壤侵蝕分類系統。中國土壤侵蝕第一個定量研究出現在1953年。龔時旸和蔣德麒（1978）研究小流域泥沙來源，認為黃土高原溝間地和溝谷地土壤流失量各占一半左右，對20世紀80年代以小流域為單元的水土保持實踐起到了重要的指導作用。錢寧等（1980）提出黃河下游河道淤積主要是由粒徑＞0.05 mm的粗泥沙造成，主要來自黃河中游的粗沙多沙區。水利部于1985年組織了第一次土壤侵蝕遙感調查，促進了1991年水土保持法的頒布。通過多年研究朱顯謨提出了黃土高原水土保持的“28字方略”。唐克麗（1985）科學論證了“退耕還林還草是控制水土流失最有效措施”的觀點，也有力促進了1999年退耕還林（草）重大生態工程的實施。21世紀以來，中國土壤侵蝕研究在侵蝕動力、過程、預報與研究方法等方面得到了全面發展。Liu等（2002）建立了中國土壤流失方程（CSLE），在陡坡侵蝕預報和其他水土保持措施因子提取方面比美國通用土壤流失方程（USLE）更準確方便，用于全國水土流失調查，完成了土壤侵蝕定量制圖。土壤侵蝕示蹤技術也在這一階段取得了重要進展。例如，張信寶等（1988）推動了137Cs方法在中國土壤侵蝕研究中的應用，田均良等（1992）完善了稀土元素（REE）示蹤方法。

2.6.3 黃土高原水土過程和生態系統服務位于黃河中上游的黃土高原是黃河重要的來水區和主要的來沙區，黃河泥沙的90%來源于黃土高原，因此黃土高原水土流失具有全球典型性。從中華人民共和國成立初期到20世紀末，長期的農業開發導致天然林草植被大面積喪失，再加上黃土高原土質疏松，易于侵蝕，嚴重的水土流失導致地形切割破碎，生態環境愈來愈惡化。1999年國家實施退耕還林還草工程以來，黃土高原土地覆蓋類型發生了顯著變化，林地、草地面積增加了11.5%，農地減少了10.8%。黃土高原植被覆蓋影響黃河水沙變化，局部水土流失得到一定控制，2000—2008年，年土壤侵蝕從 3362 tkm?2減至 2405 tkm?2，平均年生態減沙5.74×108t。黃土高原整體生態環境仍十分脆弱，黃土高原氣候干旱化會導致其土壤干燥化、土壤水植被承載力趨于弱化，但黃土高原植被恢復導致水土過程和功能的改變對當地和黃河下游的影響利弊共存，受水分限制的影響出現高度治理區林草植被退化的現象。研究也發現，隨森林覆蓋率增加，徑流量反而顯著減少，年徑流量減少10.3 mm（折合水量 61.8×108m3）。與 1956—2000年間相比，在相近降雨情況下，2003年以來河口鎮—潼關區間天然徑流量減少約 47%，2010—2012年黃河中游多沙粗沙區來水來沙銳減。黃土高原植被恢復應綜合考慮區域的產水、耗水和用水的綜合需求，目前黃土高原植被恢復已接近自然—社會—經濟水資源可持續利用閾值。黃土高原植被的減水減沙及其組合影響黃河下游大型水利工程安全運行、取水工程功能發揮、河道泥沙沖淤平衡乃至現行河道的健康和生命。

2.6.4 流域徑流形成與轉化的非線性機理降雨形成河川徑流的過程稱為徑流形成與轉化，由降雨準確推斷徑流是水文地理學的核心問題之一。國際上關于流域徑流形成與轉化的機理研究聚焦在降水—產流和土壤水的蒸散發過程的定量化上。20世紀70年代國際上水文學的主流理論是J.Dooge的水文系統線性理論，認為降水—產匯流過程是線性化的。土壤水的蒸散發過程則基于Monteith改進的Penman方程，即Penman-Monteith模型，其奠定了流域水循環研究的基礎。

中國的流域徑流形成與轉化機理研究始于20世紀60年代。在濕潤區，降雨—徑流的關系主要是基于蓄滿產流理論，在干旱和半干旱地區則采用超滲產流理論。20世紀90年代以來，受控于土壤濕度、降雨強度和下墊面組合的時變非線性產流規律被發現，從理論上揭示了水文非線性系統響應函數的物理機制，創建了水文時變增益非線性系統模型，顯著提高了徑流估算的準確性。在流域徑流形成與轉化過程中，土壤—植物—大氣系統（SPAC）是聯系下墊面、土壤、植被的關鍵物理過程，其中蒸散發是徑流形成與“五水”轉化研究中的一個薄弱環節。中國蒸散發的研究開始于20世紀 50年代以來開展的農田水量平衡、水面蒸發和蒸滲儀觀測，鄧根云（1979）和傅抱璞（1981）等對Penman蒸發公式、Budyko公式進行了改進，用于水文預報和農業灌溉指導。20世紀90年代以后微氣象、遙感技術逐步應用于不同尺度的蒸散發研究，也開發了系列數學計算模型。Liu等（2002）和 Mo等（2005）通過大量野外觀測實驗和模擬研究，揭示了華北平原蒸散發時空變化規律，確定年尺度土壤蒸發與總蒸散發比例約為 30%。在SPAC系統水分能量轉換研究的基礎上，提出了與植被動態過程、流域空間變異性相聯系的蒸散發估算模型。集成單元時變增益非線性機理和SPAC系統界面過程水熱交換的非線性機制，通過DEM和GIS，將機理認識拓廣到流域空間分異性的水文模擬，同時耦合了水庫閘壩及調水工程、工農業取用水等人類活動，構建了基于物理過程的流域水循環模擬系統平臺，用于預測和評估變化環境下流域水文水資源的響應，以及徑流形成過程與流域下墊面、人類活動和氣候變化的相互作用機制。

2.7 過去人—地相互作用

人—地關系演變的過程與機制研究是地理學研究的核心科學問題之一，而過去人與環境相互作用研究是探討不同時間尺度人地關系演化規律和影響因素的重要途徑，也是自然地理學研究的熱點。該領域的研究在近幾十年取得了很多重要的進展，尤其在新石器文化演化與農業起源、史前人類定居青藏高原和歐亞大陸東西方交流的歷史等方面，中國學者取得了國際領先水平的研究成果，為認識人類文明和人地關系演化的軌跡和動力奠定了重要基礎。

2.7.1 新石器時代與農業文明大約1萬年前，人類從舊石器時代進入新石器時代，生計模式也從狩獵采集過渡到動植物的馴養與利用。研究現代農作物的野生祖本何時、何地、何因、何種方式被人類馴化并傳播到世界各地，是多學科領域關注的前沿科學問題。從20世紀90年代開始，浮選法、植硅體和淀粉粒分析在中國考古學的廣泛應用為推進該問題的研究起到了重要作用。中華文明是農耕文明，起源于黃河流域的粟作農業（種植粟（Setaria italica）與黍（Panicum miliaceum））和起源于長江流域的稻作農業是形成這套文明系統的經濟基礎。對大量考古遺址出土的植物遺存的研究表明，華北分布著中國北方最為密集的20～10 kaBP（指距今）的重要考古遺址，這些遺址的植物遺存證據顯示人類在末次冰盛期時已經選擇類似狗尾草一類的植物進行采集和加工；11～9 kaBP，人類對粟的野生祖本青狗尾草進行了馴化；～8 kaBP，馴化完成，粟作農業基本形成；～6 kaBP，中國北方黃河流域已經進入到粟作農業階段。在長江中下游，人類在10 kaBP前后已開始馴化野生水稻；8.5～8.0 kaBP，水稻在長江中游地區完成馴化，但直到～6.0 kaBP，長江下游成熟的稻作農業才得以建立。

成熟的粟作農業和稻作農業向四周擴散，距今8000年前后在黃河以南長江以北形成粟—稻混作區，距今 4000年粟—稻組合出現在福建和臺灣的考古遺址。粟作農業向西擴散，距今4000多年前在中亞東部與西亞來的小麥相遇。在農業起源和傳播研究的基礎上，探尋人類怎樣主動或被動地通過生業模式的調整來應對環境變化，逐漸成為研究過去人—地關系演化的主要內容，形成了環境考古這一文理交叉的新的學科生長點。而古環境DNA提取等技術的發展，將會推動該領域研究不斷取得新進展。

2.7.2 史前人類定居青藏高原史前人類對生存環境的適應，是過去人與環境相互作用研究的重要方向。青藏高原作為世界上面積最大、海拔最高的地理單元，是對人類生存（尤其是永久定居）最具挑戰性的地區之一。因此，史前人類向青藏高原擴散與定居的歷史，以及人類適應高寒缺氧環境的過程與機制，是備受關注的熱點科學問題，而中國科學家則在該領域的研究中發揮了重要的作用。

最遲從20世紀70年代開始，西藏卡若、曲貢等遺址的發現和發掘正式開啟了青藏高原史前人類活動歷史的研究，隨后大量地表石器地點的發現則昭示著人類進入青藏高原的時間可能早至幾萬年前。然而，由于多數遺址缺少埋藏地層和直接測年結果，青藏高原史前人類活動的時空框架直到2000年以后才開始逐步得以建立。邱桑手腳印遺址的測年結果顯示，人類在末次盛冰期或者在全新世早期已經生活在高原海拔4200 m以上地區。第二次青藏科考研究發現，泉華中保存的邱桑手腳印可能是多期形成的。中外合作團隊的研究，揭示人類最晚于距今1.5萬年前到達青藏高原東北部，而在全新世早中期人類活動強度則明顯增加。最新研究表明，攜石葉技術的現代人已于距今3～4萬年前到達青藏高原腹地，而在距今16萬年前丹尼索瓦人已經生活在青藏高原東北部，這不僅將青藏高原人類活動歷史向前推進幾萬甚至十幾萬年，而且獲得了人群種屬和文化內涵等重要信息。史前人類對高海拔環境適應機制研究近年也取得了關鍵突破，Chen等（2015b）研究顯示耐寒農作物大麥和家畜羊的引進和利用，是促成人類在距今3600年之后大規模永久定居青藏高原的主要動力。然而，也有學者提出狩獵采集人群已于全新世早期定居青藏高原的觀點，但存在較大爭議。此外，遺傳學和語言學研究也得出了與考古學研究基本一致的結論，并發現了高海拔人群的環境適應基因 EPAS1，且認為該基因來自丹尼索瓦人。

2.7.3 歐亞大陸史前時代東西方文化交流歐亞大陸史前東西方文化交流歷史研究是地理學、考古學和人類學等多學科長期關注的科學問題。21世紀初以來，該方向的研究取得了快速的發展。一方面，歐亞大陸不同地區考古材料的積累為研究東西方文化交流歷史提供了關鍵的材料；另一方面，自然科學的研究方法和模型模擬在考古學研究中的廣泛應用，使更多古人類信息得到有效的提取。通過對歐亞大陸出土文化遺存史前遺址時空分布的梳理，西亞起源文化元素（如金屬器、權杖頭等）東傳，東亞起源文化元素（如東亞風格的彩陶）西傳的歷史脈絡逐漸清晰。在此基礎上，史前東西方文化交流的時空框架也得到了重建。

相對于器物遺存，分別起源于東亞的農作物粟黍和西亞的農作物小麥大麥與家畜羊的遺存由于可以被直接測年，成為研究歐亞大陸史前東西方文化交流歷史更有效的材料。Zhao（2009）提出小麥跨大陸傳入中國的3條可能路線，Long等（2018）根據山東省趙家莊和丁公等遺址出土的小麥遺存直接測年結果，提出小麥在龍山文化時期（4.6～4 kaBP）已從歐亞草原傳入黃河下游。Liu等（2019）系統總結了植物考古的研究結果，探討了主要農作物水稻、粟黍、小麥、大麥和高粱在歐亞非大陸的傳播歷史。董廣輝等（2017b）從農作物傳播的視角，梳理了歐亞大陸史前東西方交流的時空過程，認為東西方文化交流在4.5 kaBP左右在哈薩克斯坦東部出現，3.5 kaBP之前主要集中在中亞東部和中國西北地區，在漢代之前東西方文化交流的范圍已經擴展至歐亞大陸東西兩側。

歐亞大陸史前東西方文化交流對人與環境相互作用的模式產生了重要影響。以絲綢之路關鍵組成部分的甘青地區為例，該地區的東西方文化交流在4 kaBP左右出現。在此之前，氣候冷干事件是導致新石器文化轉型和人類生存空間收縮的重要因素，人類活動對環境雖然有影響但非常微弱。西亞文化元素傳入后，4～3.5 kaBP的氣候冷干趨勢則導致多支青銅文化的空間分異，而青銅文化遺址的分布空間則較新石器時代顯著拓展，耐寒的作物大麥和家畜羊的傳入和利用促使人類在氣候冷干背景下大規模永久定居至青藏高原高海拔地區。此外，冶金技術的傳入，還促使人類活動對生存環境的影響顯著增強。

2.8 生物地理

生物地理學是研究生物圈中各種生物的地理分布規律、生物圈各結構單元（各地區）的生物種類組成、特征及其與自然環境之間相互關系的科學，分為植物地理學和動物地理學等。在全球變化和經濟全球化的趨勢下，從微觀和宏觀尺度兩個方向深化生物地理學的研究，探討動植物的適應性和競爭性的變化趨勢及其驅動機制，對學科理論和方法進步以及生態文明建設具有重要作用。20世紀初，西方學者如 L.Diels、Handel-Mazzetti、F.K.Ward等及中國學者胡先骕、劉慎諤、李惠林等開啟了早期中國植物地理學研究。20世紀中后期，吳征鎰（1965）發表的“中國植物區系的熱帶親緣”成為中國植物區系地理學系統全面研究的標志。吳征鎰（1979）將中國植物區系劃分為2個植物區、7個亞區和22個地區、11個亞地區；此后完善中國植物區系的分區系統，將中國植物區系分為4個植物區、7個亞區、24個地區和49個亞地區。此外，吳征鎰和王荷生（1983）將中國種子植物屬劃分為15大分布區類型和31個變型，此后又進一步完善。吳征鎰等（2003）基于傳統的系統進化并結合地理分布式樣，系統闡明了中國科屬植物地理特征。伴隨分子生物地理學的誕生，中國已有超過300個以上的科屬或支系開展了分子生物地理學的研究，Chen等（2018）綜合分析了中國種子植物主要支系的分子生物地理進化，并結合古植物學證據等指出中國植物區系是中新世以來，在季風氣候形成的背景下發展起來的年輕的植物區系，并將中國植物區系的核心分成了西翼的“杜鵑植物區系”和東側的“水杉植物區系”。譜系地理學的出現，為探討植物區系的種群分化歷史供了直接的證據，至今為止，也有超過120個物種開展了譜系地理學的研究，揭示了中國植物區系冰期的避難所。

植物地理學研究已步入了多學科交叉融合、各類數據集成的大數據時代，植物地理學的研究由定性的現象認識和描述階段，逐步進入到了定量解釋植物地理現象和探索其形成機制的紀元。利用大數據，可客觀地揭示中國植物地理空間格局、特有中心及分區等。結合分子系統發育和分子生物地理甚至基因組進化等，能揭示區系的起源、形成時間與進化機制。近年來，整合系統發育信息到不同尺度的植物地理研究中，用以探討區系的系統發育多樣性、進化潛力及形成時間，并形成了系統發育區系學，如中國植物區系的研究、青藏高原植物區系的來源、云南植物區系分區等。近來譜系地理學證據也為探討植物區系的次級分區及地理分界線等提供了新的視野，生態位模型或物種分布模型概念的提出為分析物種空間格局提供了新的方法，這也是生物地理學發展的新趨勢，如華南及越南北部有眾多古老支系的成因分析。

動物地理學研究方面，以張榮祖為代表的中國科學工作者做了開創性和系統性的工作。首先，闡明了陸棲脊椎動物區系起源和演變概貌，提出中國動物的種數，陸棲脊椎動物約有2000余種，約占全世界總種數的10.2%。其次，研究發現中國陸棲脊椎動物的主要分布型可歸為10類，物種相似分布型的產生是物種為適應外在條件在分布上趨同演化所形成的，與地質發育與自然地理條件相聯系。第三，陸棲脊椎動物對自然條件的適應，不僅表現在區系分布的特征上，而且也表現在同一環境中各種動物在生態習慣上有不同程度的相似性。中國氣候—植被帶各具不同的動物生活條件，所以在各帶中動物的組成和生態也各不相同。中國范圍內可劃分為8個基本的生態地理動物群。第四，根據對中國現代陸棲脊椎動物及昆蟲地理分布的研究，中國大陸的動物區系分屬于世界動物地理區劃的兩個界（古北界和東洋界），此兩界在中國大致以淮河—秦嶺一線為限。界內進一步劃分為若干地理區和地理亞區。

2.9 自然地理地帶性

德國學者 C.Troll最早提出了“三維地帶性”的概念，擬闡明山地或高原地理環境具有多向變化的特點，是對地理環境復雜性的重要認識方式。中國是一個多山和擁有獨特地域單元（特別是青藏高原）的國家，其三維地帶性的研究經歷了類型劃分、規律性探討、驅動力分析、規律應用等幾方面。中國老一代學者對中國山地植被垂直帶系統歸屬、劃分和變化規律做了詳細的調查和科學分析。比如，黃錫疇（1962）從氣候空間分異角度，明確了中國北方山地垂直帶結構類型的歸屬問題。張新時（1994）從宏觀上概括了中國山地植被垂直帶系統的基本類型及其與水平地帶的關系。在3S技術系統和現代地理信息圖譜理論發展的大環境下，中國新一代學者將垂直帶空間規律和山體效應研究推向新的發展高度。相關研究建立了中國及歐亞大陸山地垂直帶譜信息系統，并通過山體效應的定量化研究，全面系統地揭示了全球林線、雪線等關鍵地理界限的高度變化規律和機理。

青藏高原是研究地理現象三維地帶性的天然實驗室。中國老一代學者對青藏高原三維地帶性的研究做了開創性和基礎性的貢獻。鄭度（1996）對青藏高原的三維地帶性進行了全面深入的研究，包括垂直自然帶譜結構類型的劃分，主要帶譜系統的基本特征及空間分布模式。王金亭等（1994）則從不同地理要素歸納了關于青藏高原的植被地帶性的不同觀點。在可持續發展和生態文明建設背景下，相關研究中突出了高原土地利用和土地覆被主要類型的三維格局分布、動態變化及生態作用，注重典型區三維空間特征與人類活動關系的相互作用，以及高原區域適應對策；特別對珠峰地區土地覆被的三維地帶性進行了精確刻畫，提出了適于山地垂直帶定量分析的垂直帶的“垂直分布上/下限”“核心分布帶”和“優勢帶”等科學術語與科學表述某類型的垂直分布型的分布模式系統，并對三維分布變化的驅動力進行了探索；基于三維地帶性規律提出的加強青藏高原生態與環境監測和研究、區域適應和生態建設等建議，為青藏高原國家生態安全屏障保護與建設做出了實際貢獻。

3 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，并在水資源管理、土地利用（土壤侵蝕）、生態系統服務、污染防治研究方面成為自然地理學家的研究對象?？v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于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于國際前沿；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，今后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。

3.1 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，一戰二戰前后的德國，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。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。中華人民共和國成立以后，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，于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，基于國家需求，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于國際領先水平。

中國在亞洲內陸干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。今后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/氣候事件在干旱化進程中的相對作用；實施沙漠鉆探以探究沙漠景觀和內陸干旱化的異同，并需要在基于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。干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干旱區。關于亞洲夏季風變化，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。未來基于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系的重要舉措；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。關于西風區氣候變化，不僅在區域上需要考慮整個中東亞干旱區，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濕度是否確如黃土記錄指示的出現同步變化，機理如何？西風區溫度變化有何特征，不同時間尺度水熱配置怎樣？隨著全球進一步升溫，西風區會變得更濕還是更干，“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，包括生物標志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。在年分辨率的樹輪氣候重建中，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后應當主攻的方向。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系。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系和環境影響，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并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。

3.2 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，采用了研究對象的樣品采集、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采用了定位觀測、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，采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并受人類活動的影響，牢牢占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，并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，在湖泊濕地研究方面，未來應以建立系統定位觀測和模式模擬為基礎，統籌考慮污染、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系，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，理解湖泊濕地水文過程和生態功能，為濕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系的水與氣候、水與環境、水與生態、水與社會聯系的水系統科學復雜性。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，并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，今后還應當將研究區域擴展到泛第三極地區，進行國際土壤侵蝕制圖，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，借鑒生物學的最新手段，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征、區系起源與歷史演化、人類擴散與區域生物組成變遷的關系研究，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后的重點。

3.3 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于世，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于距今 6500萬年前首先在中部碰撞，然后向兩側逐漸關閉，從大洋俯沖到大陸俯沖的轉換及大陸巖石圈俯沖的殼幔作用過程，導致印度與歐亞大陸巖石圈的南北雙向俯沖，形成獨特的青藏高原巖石圈大地構造，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，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，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范例，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。搶救性地鉆取青藏高原冰芯，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?？焖僮兓谋ㄐ枰碌谋O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）、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，提出冰川變化假說并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范例，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征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）基于區域研究的視角，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系，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。