地理—生态过程研究的进展与展望

关键词: 结构; 过程; 集成; 地理学; 生态学

1 地理—生态过程研究进展概况

地理过程是指地表环境 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อ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]。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[15]为理论框架, 在此框架下生态系统应向热力学稳定态 演化; 然而, 生态系统很少达到稳定态, 也不1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 到人与生物圈计划, 再到千年生态系统评估; 从国际地圈—生物圈计划 到全球变化的人文影响计划等。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 和社会文化过程。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。

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。

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。

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1致性的处理, 往往是进行动态分析的先决条件。

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,ท 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。

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。

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。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。

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。

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。

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

1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, 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1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10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:

针对单1尺度分析结构与过程的作用机理;

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;

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;

探讨不同尺度划分体系 对结构、过程、结构与过程作用关系的影响效应;

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。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:

自然、经济、社会单1系统内部的要素、过程时空变化规律与特征;

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;

自然、经济ผ、社会不同系统之间多要素或过程之间的综合与集成;

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;

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1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:

人类活动影响下的生态—水文过程;

生物地球化学循环过程;

流域水、沙及化学物质迁移过程;

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:

生态系统物质循环与全球变化;

流域物理、化学和生物过程及其资源、环境和灾害效应;

土地利用/ 土地覆被变化过程及生态环境效应;

城市化过程对区域生态环境的影响与效应;

生态系统过程与生态系统服务功能;

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。

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。

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1步创新研究提供基础。

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

[1]