地球表层组成要素的演化过程及相互作用关系研究是当前国际学术界关注的前沿研究领域。中国西部地区既是开展地表过程研究的理想场所，又处于经济欠发达地区，稳定高端基础研究队伍对学科建设及区域可持续发展均至关重要。本文着重回顾分析了在国家自然科学基金资助下，中国西部地表过程研究在干旱气候与环境变化、冰冻圈变化及其与其他圈层的相互作用、沙漠化及其防治、生态水文过程与生态恢复等方向基础研究队伍的稳定发展、领军人才的不断成长以及所取得的具有国内外重要影响的研究成果。
中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心是管理CERN陆地生态系统台站水环境长期监测的专业分中心，也是从事生态水文学研究的一个学术团队。长期以来，CERN水分分中心致力于先进的生态水文观测方法和技术的引进与研究，先后在大型蒸渗仪、涡度相关技术、实验遥感方法、大孔径闪烁仪和同位素技术应用于生态水文过程的观测方面做了许多卓有成效的工作，对生态水文过程野外观测方法先进技术的应用在国内起到引领作用。CERN水分分中心也开展了以陆面蒸散过程机理与模拟的研究，围绕华北农田作物蒸散过程模拟方法，从早期的经验模型，到具有物理基础的模型，发展到基于水碳耦合机理的蒸散过程模拟方法。未来的发展，需要进一步深入推进新技术新方法在生态水文过程观测中的应用，并构建不同生态系统生态水文过程机理模型，为流域和区域水资源管理及生态系统管理提供科学数据和科学工具。
在综述城市化对地面气温资料序列影响研究进展的基础上，总结评估了不同空间尺度上地面气温序列中城市化影响的性质和强度。在城市台站和局地尺度上，多数研究均发现城市化对地面气温序列影响明显；区域尺度的研究主要集中在中国、美国和欧洲等少数地区，研究结果存在较大的差异，但采用严格遴选乡村站资料的分析都得到了城市化影响很明显的结论。在中国大陆地区，国家级气象台站年平均地面气温的上升趋势中，至少有27.3%可归因于城市化影响；对于全球或半球陆地平均气温序列而言，研究工作还很不充分，但一般认为城市化影响较小，可能不超过总增温的10%。现有研究还表明，城市化对地面气温序列的影响随时间和区域有不同的表现；城市化对包括中国在内的东亚地区近半个世纪长序列地面气温趋势的影响是非常显著的，但对欧洲地区的明显影响可能主要发生在20 世纪早期甚至19 世纪后期。目前的研究仍然存在一些问题和困难，其中包括研究覆盖的区域和时间段有限、乡村站遴选标准不统一、城市化影响偏差订正方法有待完善等。
岩溶地区含水介质结构的多重性和岩溶地貌形态的高度复杂性，使岩溶系统的水文效应和水资源的评价与预测一直都成为水文研究的重点和难点。在岩溶含水介质特点和岩溶水文形成过程的基础上,本文着重评述了黑箱模型、概念性模型、物理性模型和分布式水文模型在岩溶水文模拟中的应用。其中黑箱模型包括基于核函数的算法、回归模型、人工神经网络和小波分析；概念性模型包括蓄泄模型和流量过程线衰减函数；物理性模型主要包括达西定律、Darcy-Weisbach 方程、有限元法和等效连续多孔介质；分布式水文模型主要是SWMM模型，并分别对各类模型的概念、方法、应用效果以及存在的优缺点等进行了分析。最后指出了研究中存在的一些不足，并就岩溶流域水文模拟的进一步研究提出了相应的建议，这对于解决岩溶区的水资源可持续利用问题有重要意义。
细沟侵蚀是坡耕地时常发生的一种侵蚀形式。细沟侵蚀对坡面土壤侵蚀产沙有重要贡献，而且是坡面侵蚀由面蚀向沟蚀发展的过渡。本文分析了细沟侵蚀影响因素和临界条件研究取得的进展和存在的不足。影响细沟侵蚀的主要因素有降雨径流、土壤、地形、土壤表面特征和土地管理等因素，其中，前4 者有多种指标来表征其效应，而土壤表面特征的影响还处于定性研究阶段。坡面需要达到特定的临界条件才可能发育细沟，细沟发生临界条件的研究主要从临界径流条件、临界土壤条件和临界地形条件等角度出发，各临界条件并非定值，而是关乎其他因素的综合指标。最后，本文对今后细沟侵蚀影响因素和临界条件研究可能的研究内容和方向进行了展望。
开展气候变化对植被生产力及分布格局影响的研究较多，但分析植被地理分布与气候条件之间适应关系的研究还不多见。本研究以气候与植被关系为基础，采用植被对气候变化响应的时滞性，模拟不同植被类型对气候变化的动态响应过程，以当前气候条件和未来气候变化情景下植被地理分布实际发生和潜在的转变情况来定量表达植被地理分布与气候条件间的适应关系，评价植被地理分布对气候变化的适应性。结果表明，当前气候条件下(1961—1990 年)，中国植被对气候变化适应性总体较好，适应性较差的地方主要为森林—灌丛和草地—荒漠的交界处，植被的地理分布已经有所改变，约占5%；在华东地区森林—灌丛过渡带、内蒙古地区的灌丛—草地过渡带以及青藏高原南部的草地生态系统等对气候的适应性也较差，约占35%，这些地区的植被有退化的倾向，植被的地理分布有可能会发生变化。中国植被对未来气候变化(IPCC-SRES-A2 情景2071-2100)的适应性总体较好，84%的植被变化表现为正向的变化，特别是在西北地区，未来气候条件将有所改善，这些地区的植被覆盖可能会有所提高。植被潜在的变化中约79%的植被可以适应未来的气候，但在青藏高原南部和内蒙古地区及西北的部分地区的草地生态系统对未来气候变化的适应性较差，有退化的倾向。
根据国内外研究成果，结合自身的科研体会，借用“巧妇面临无米之炊”时可能用到的“借、替和种米”的应对逻辑，将无测站流域水文预测(Predictions in Ungauged Basins, PUB)的研究方法归纳为移植法、替代法和生成法。将移植法归类为两种，一是当研究地区没有测站资料(简称无资料)而周边某个地区有测站资料(简称有资料)时，如果有资料区的自然地理环境与研究地区相似，直接移用该有资料地区的资料到无资料区，即直接移植法；二是倘若周边不只一个区域有资料，那么就借用所有这些点的信息，采用插值法得到无资料区的资料，即间接移植法。定义替代法为如果本研究区域或者相似区域没有资料，但有可能“求出”资料的辅助信息，则挖掘这些信息的方法。将替代法分为两类，一是根据本研究区域其他信息，通过模型模拟、同化、融合、从本学科和多学科领域挖掘信息等技术，得到本研究区所需资料。二是根据其它研究区域其他信息得到本研究区所需资料，包括就地外延和对比流域法。定义生成法为通过获取第一手资料开展水文预测的方法，包括野外实验和室内实验。通过梳理PUB的这些研究途径，探索了PUB方法发展的可能突破口，旨为推动PUB的研究提供思路。
降水变化对农业生产与经济社会发展具有重要意义。根据河北省85 个常规地面气象站降水资料，利用小波变换Morlet 方法，分析了河北省1965-2005 年不同时间尺度下降水序列的主要周期变化过程及其空间变化特征。结果表明：近41 年河北省年降水量主要存在3 个尺度的变化周期，分别是18a、8a 和4a，其中，18a 尺度存在于近41a，8a 尺度主要集中在20 世纪90 年代，4a 尺度集中在70 年代。在时间上，18a 尺度经历了5 个枯丰交替变化；8a 尺度上则有10 个丰枯交替。在空间上，不同地区降水的多时间尺度特征具有明显的差异，河北省北部和中东部地区年降水量分别以12 ~ 18a 大尺度及8 ~ 12a 中尺度周期变化为主，降水相对稳定；西部地区则主要以3-8a 小尺度周期变化为主，降水变率较大。
本文融合数据库技术、GIS 技术和软件工程方法，对中国科学院知识创新工程重要方向性项目“跨流域调水对陆地水循环影响与水安全研究”的核心软件平台“中国陆地水系统综合模拟与虚拟现实平台”的数据库功能进行了设计，并利用GIS 软件和商业数据库建立了“区域水系统多源信息数据库”。针对平台数据资料在空间分布、时间尺度和数据形式上的多样性分布格局，采用了时空同一化的集成策略和多数据库构建模式，有效消除了信息孤岛效应，实现了对跨流域水资源优化配置相关数据、信息和知识的综合利用，为平台提供一体化数据支撑服务。
草地作为陆地生态系统的主体类型之一，受到人类活动和全球变化的广泛影响。这些因素在直接影响草地生态系统地上植被生长和群落动态的同时，还直接或间接地影响着草地生态系统的各种地下生态过程。土壤微生物是指示草地生态系统各地下生态与生物地球化学过程对外部干扰响应的良好指标，其中微生物量是土壤微生物活性和大小度量的重要参数，是土壤有机质中最活跃的组分之一，能够敏感地反映土壤生态系统水平的微小变化，在各种土壤生化过程研究中具有非常重要的意义。研究综述了自然因子(土壤温度、土壤湿度、pH值)、人为干扰(放牧、开垦、施肥)和全球变化(大气CO2浓度升高、气候变暖)对草地生态系统土壤微生物量影响的研究进展，并指出目前的研究由于基础薄弱、研究样地间的差异以及各研究处理间的差异，土壤微生物量对各种干扰的响应仍存在很大的不确定性，在今后的研究中应加强长期性的野外定位试验研究、多因子的综合控制实验研究以及N输入对微生物量影响的研究等，并进一步完善和发展测量微生物量的新技术和新方法。
农业非点源污染主要输出污染物——磷已经成为决定水体富营养化的关键因子，但农业非点源污染具有空间分布的广泛性、不确定性等特点，对其控制和治理难度较大。目前通过识别农业非点源磷流失潜在高风险区，从而更加有的放矢的制定相应的管理措施已经成为提高农业非点源磷控制效率的有效途径。磷指数法(Phosphorus Index, PI)是考虑多因子协同作用，通过构建指标体系来评估磷流失潜在风险的有效方法，该方法简单、实用，并且注重与GIS的结合使评估结果具有更好的可视性和可操作性。本文对PI 法的提出、因子选取、计算方法等关键技术环节的改进进行系统的评述，并总结该方法目前应用的范围和尺度，以促进该方法在中国的发展和应用。
为查明腾格里沙漠沙丘CO2浓度和昼夜变化规律，利用红外CO2监测仪在2009 年夏季对腾格里沙漠西南部的民勤沙丘CO2浓度变化进行了昼夜连续观测，研究了不同类型、不同深度沙丘CO2浓度变化。研究得出：所有实验点CO2浓度在深度上的变化与通常观测的不同，2 m和4 m处的CO2浓度都比1 m处的大；固定沙丘的昼夜CO2浓度累积值大于半固定沙丘的昼夜CO2浓度累积值，而半固定沙丘的昼夜CO2浓度累积值又大于流动沙丘的昼夜CO2浓度累积值；沙丘白天CO2浓度累积值高于夜间；在极端干旱的腾格里沙漠西南部，不论是固定沙丘、半固定沙丘还是流动沙丘，CO2浓度在一昼夜内也具有清楚的变化规律，即从当日09:00 左右到次日09:00 点左右均呈现由低到高再到低的变化，但CO2浓度升降相对于大气温度的升降具有一定的滞后性，滞后时间约1 ~ 3 h；沙丘CO2浓度和大气温度之间存在显著的正相关关系，温度是决定CO2昼夜浓度变化规律的主要因素。在极端干旱的民勤沙漠区，各类沙丘沙层中的CO2浓度都明显高于空气CO2浓度。
人类发展史是一部与自然灾害的抗争史。水、旱、蝗并称中国历史上的三大自然灾害，其中尤以蝗灾为甚。水旱与气候环境关系密切，而蝗灾与气候环境的相关研究复杂且不足。因此，本文首先基于系统收集的飞蝗史料构建中国历史蝗灾记录数据库，建立不同时空尺度的蝗灾年份、等级、频数和县次序列；然后以蝗灾序列为主线作了一系列的比较研究，得出了一些新的认识；进而探索中国历史时期蝗灾大发与频发的社会影响和环境意义，并给出科学的生态解释，以期为探究“气候—灾害—社会”之动态巨系统提供新的视角。
频繁发生的旱灾已成为限制中国西北半干旱区农业发展和生态环境建设的主要扰动因子。社会-生态系统恢复力理论可以加深人们对干旱环境中的社会学与生态学交互过程与机理的理解，提高当地系统抵御旱灾的能力。社会—生态系统恢复力是指系统能够承受且可以保持系统的结构、功能、特性以及对结构、功能的反馈在本质上不发生改变的干扰大小。目前，恢复力的研究大多停留于定性的、概念上的描述，缺乏对恢复力可操作性的实证案例研究模式。本文以甘肃省榆中县为例，从社会、经济和生态3 个角度选择水分敏感因子，构建社会—生态系统，建立了恢复力测定的定量模型，计算了过去15 年来榆中县社会—生态系统对干旱的恢复力变化，并分析了影响恢复力变化的因素。
草地是陆地生态系统主体生态类型之一，其土壤呼吸是全球碳循环的重要过程之一，草地土壤呼吸的动态变化将直接影响全球碳平衡。相对于其他陆地生态系统，草地对全球变化的响应更为迅速。因此，在全球变化的趋势下，草地土壤呼吸将首先受到影响。本文综述了全球变化下CO2浓度上升、全球气温升高、全球降水增多、放牧、草地农垦以及土地利用管理措施(施肥、灌溉)的草地土壤呼吸响应。土壤呼吸对大气CO2浓度上升和全球气温升高的响应都存在增加、减少和无显著变化3 种情况，这与大气CO2浓度上升和全球气温升高引起的土壤含水量、土壤N的可利用性等因素的改变与否有关。土壤呼吸Q10受到土壤温度、土壤含水量、降水、土壤深度、土壤有机碳、海拔高度、土地利用方式和时间尺度等因素的影响。降水增多一般可以促进土壤呼吸，但降水引起的温度以及土壤通透性的降低也会导致土壤呼吸的降低。因放牧强度、频度和方式的差异，放牧对土壤呼吸的影响出现增加、减少和无显著影响的不同结果；人工剪草对土壤呼吸及其各组分的影响也存在差异。草地农垦后，土壤呼吸增强，土壤碳损失约为20% ~ 50%。施肥对土壤呼吸的影响有增加、减少和无显著影响，因肥料种类和施用剂量等而异。在干旱和半干旱地区，灌溉会促进草地土壤呼吸。但是，目前全球变化对草地土壤呼吸的综合影响尚不清楚，因此深入探讨草地土壤呼吸对全球气候变化和土地利用变化的响应等仍是今后努力的主要方向。
依据自然地带性和区域分异规律进行自然区划历来是自然地理学的重要研究内容。它不仅是获取地理知识的重要途径，而且可为拟定和实施社会经济发展规划以及保护、改良和合理利用生态与环境提供必要的科学依据。本文在简要回顾国内外自然地理区划研究发展历程的基础上，总结了中国近年来自然地理区划研究工作的特点：区划要素类型多样、自然综合区划“生态化”明显、区划空间单元及其尺度系列完整、区划技术方法鲜有创新、区划方法论有所重视、区划方案应用指向进一步强化。分析了当前自然地理区划研究工作中存在的学术问题：认识论研究欠缺、方法论研究薄弱。最后，对自然地理区划的未来发展进行了展望：持续增加的国家需求、不断规范化的区划工作，并提出了地理区划的几个发展趋势。
尺度问题是土地变化驱动力研究中的热点和难点。统计方法在土地变化驱动力研究中应用广泛，而目前对此类研究所需考虑的尺度问题尚未有针对性的论述。本文通过总结目前土地变化驱动力分析中主要的统计方法，识别出其中亟待处理的5 种尺度问题，即研究区空间幅度、空间粒度、时间幅度、时间粒度和土地分类精度5 个因素变化对分析结果的影响。并且认为此5 种尺度问题的本质都是数据在空间或时间上聚合对统计分析结果的影响，若缺乏妥善处理，土地变化驱动力分析的结果将表现出不真实性，可能带来2 方面的风险：一是土地变化驱动力分析结果无意义；二是引导出错误的对策。土地变化驱动力研究中有3 种思路可处理该问题：①研究基本实体的明确界定；②敏感性分析或变化速率分析；③寻找回避尺度问题的恰当方法。3种思路均可借鉴，但仍有待进一步探讨。
采用延河流域和安塞县2000 和2006 年的土地利用/覆被遥感影像，结合实地调研获取的2000-2006 年该区域生态建设尤其是退耕还林还草数据，分别在流域尺度和县域尺度上，采用主成分分析法对延河流域及位于延河流域上中游的安塞县土地利用/覆被变化及其驱动力进行了分析，建立了耕地面积变化的驱动力模型。研究表明，在这两个尺度上，影响耕地面积变化的关键因素都是总人口和农作物播种面积。以此为基础，基于不同尺度上共同驱动力因子之间的相互关系，建立了不同尺度上耕地变化模型的尺度转换方法。对于不同尺度的土地利用/覆被变化模型，无论其模型形式的复杂程度如何，只要不同尺度上的关键驱动因子相同或存在明确的定量关系，就可以基于关键驱动力因子的定量关系进行不同尺度上土地利用/覆被模型的尺度转换。研究成果为土地利用/土地覆被变化的尺度转换方法研究提供了新思路。
城镇建设用地空间扩展是城镇化发展的首要体现，建设用地结构和数量的变化都会对建设用地的使用效益带来一定的影响。本文利用2000 和2005 年三峡库区土地利用图，采用ArcGIS 技术，分析了三峡库区城镇建设用地与其他地类在空间上的转换情况。由于城镇建设用地扩展，耕地面积锐减，耕地向城镇用地转换面积达到6004.77 hm2，并且平均图斑面积达到115.48 hm2。本文对比了城镇建设用地在扩展过程中占用农用地的区域差异，城镇扩展年占用农用地的面积较多的区域是巴南区、江北县和重庆市区。以河流为中心，建立缓冲区分析城镇建设用地扩展的强度，在缓冲区半径0~10 km范围内是库区城镇建设用地扩展的重点区域。结合城镇建设用地的变化分析，采用DEA模型，从库区城镇建设用地效益值、DEA有效性、规模效益的角度，对建设用地效益展开了评价，并采用ArcGIS 技术将效益值、DEA有效性、规模效益空间化，研究表明库区城镇建设用地效益值较高的区域分布在库区下游区、重庆市区，城镇建设用地效益整体上在提高，并且区域之间的差距在逐渐缩小。并根据评价情况，对库区城镇建设用地效益提出了建设性建议。
利用2000—2009 年MODIS NDVI数据，基于每个像元的生长季NDVI峰值进行了像元水平的线性趋势分析，研究珠穆朗玛峰自然保护区南坡和北坡的植被覆盖的空间分布和变化特征。结果表明：①保护区内植被覆盖显著改善区域和轻微改善区域NDVI-Max的年平均增加率分别为3.06%和1.25%；显著退化区域和轻微退化区域NDVI-Max的年平均减少率分别为2.82%和1.09%。②2000—2009 年，保护区南坡的植被覆盖整体上呈现上升趋势，22.59%的区域显著改善，19.05%的区域轻微改善，24.75%的区域保持稳定；北坡的植被覆盖整体上呈现下降趋势，19.5%的区域严重退化，24.43%的区域轻微退化，38.12%的区域保持稳定。③南坡有植被覆盖的8 种土地利用类型中，山区旱地植被覆盖呈现退化趋势，其余土地利用类型都呈现上升趋势；北坡有植被覆盖的10 种土地利用类型中，植被覆盖都呈现退化趋势。
以珠江三角洲地区为研究对象，利用1988、1998、2006 年3 个时相的建设用地解译数据，运用GIS 空间分析手段，定量分析了地理区位因子对建设用地扩展的影响。结果表明，地理区位因子，包括离城市中心距离、离干线公路距离、离海岸线距离以及地形等因素会对建设用地扩展的方向、规模、强度等产生重要影响。地理区位因子对建设用地扩展具有明显的空间指向作用，受中心城市集聚与扩散作用以及交通可达性的影响，建设用地扩展围绕城市中心呈现距离递变规律，并向郊区、临路、临海以及平原区等优势区位集聚，从而使建设用地扩展表现出明显的空间指向性，即郊区指向、道路指向、海洋指向和平原区指向。
以武汉城市圈为例，根据城市圈内各县域社会经济发展对土地资源需求的区域差异，探讨分区异步元胞自动机模型在耕地利用布局优化中的应用。模型根据各县域建设用地需求优先度确定异步演化速率，根据各县域土地利用变化的规律结合粮食自给率和建设用地满足程度确定分区转换规则，根据全区域的粮食安全得到全局终止条件，以此实现武汉城市圈2020 年耕地利用优化布局。优化结果显示，在武汉城市圈耕地总量满足全区域粮食安全的基础上，黄陂区、应城市、新洲区、汉阳区、潜江市、黄冈市市辖区、鄂州市市辖区、孝感市市辖区、武昌区、仙桃市、黄梅县、武穴市、阳新县、咸宁市市辖区和赤壁市等建设用地优先度较高的区域建设用地需求均得到了满足；团风县和通城县虽然建设用地优先度较低，但是建设用地需求量较小，建设用地需求也得到了满足；其他县(市、区)由于建设用地需求量和建设用地优先度之间存在一定的矛盾，建设用地需求量没有得到完全满足。结果表明，基于分区异步元胞自动机的耕地区际优化模型在全区域耕地保护和粮食安全的基础上，考虑了社会经济发展对建设用地需求的区域差异，能够协调建设用地和耕地之间的矛盾，实现在区域间合理配置建设用地和耕地保护指标。
本文以贵州省猫跳河流域为例，运用环境经济学理论和方法，计算了流域不同时期不同土地利用结构下的土壤侵蚀经济损失，分析了流域土壤侵蚀经济损失现状结构、土壤侵蚀经济损失的动态变化及其与土地利用结构的关系。结果表明：①2007年流域土壤侵蚀经济损失37381.64×104元，其中氮、磷、钾、有机质养分损失33739.98×104元，占土壤侵蚀总损失的90.26%。旱地和灌草地土壤侵蚀经济损失最大，分别占年土壤侵蚀经济损失的47.08%和44.24%。流域北部下游地区土壤侵蚀单位面积经济损失较大。②近30年来，流域年土壤侵蚀经济损失经历了由趋向增加到减少的过程。1973—1990年，流域年土壤侵蚀总经济损失增加了3092.98×104元，增加了8.74%。1990—2007年，流域年土壤侵蚀总经济损失减少了11162.43×104元，减少了22.99%。究其原因，这主要与不同时期土地利用结构具有密切关系。旱地和灌草地是流域土壤侵蚀经济损失发生的主要土地利用类型，清镇、平坝、修文是流域土壤侵蚀防治和治理的重点区域。
