傅伯杰
FU Bojie
收稿日期: 2018-01-17
修回日期: 2018-01-22
网络出版日期: 2018-01-28
版权声明: 2018 地理科学进展 《地理科学进展》杂志 版权所有
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作者简介:
作者简介：傅伯杰(1958-),男,中国科学院院士,研究员,博士生导师,中国地理学会理事长(S110001618M),主要从事地理学综合研究,E-mail: bfu@rcees.ac.cn。
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摘要
自然地理学是地理学的基础学科,也是地理学综合研究的基石。本文在梳理自然地理学主要研究进展的基础上,思考了新时代自然地理学的发展方向。在全球环境变化驱动下,自然地理学及其分支学科在传承中得到新的发展。自然地理学近年来的研究进展主要表现为自然地理过程综合与深化、陆地表层系统集成、陆海相互作用和区域生态环境管理应用等方面。自然地理学及其分支学科的发展需要面向全球环境变化和人类需求,探索应用新技术新方法,开展多要素多过程集成研究,发展并完善地理模型,模拟和预测环境变化与可持续发展,服务于国家重大需求和政府决策。在发展过程中,亟待关注以下前沿领域与方向：①地貌学需要重点加强地貌学与全球环境变化及人类活动关系研究;②生物地理学有待深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索,连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求;③水文学需要开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究,发展生态水文学、社会水文学、水文形态学等新兴学科领域;④自然地理学有待全方位介入气候变化研究,在气候变化国际重大研究计划、气候变化框架公约等方面发挥更加积极的支撑功能;⑤综合自然地理需要面向国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,在资源环境承载力评估、生态安全格局与生态文明建设等领域作出积极贡献;⑥自然地理学需深化耦合自然与人文要素及过程研究,建立发展复杂系统模拟模型,分析和模拟变化环境下的自然、人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化规律。
关键词：
Abstract
Physical geography is the cornerstone of comprehensive study in geography. On the basis of reviewing the main research progress of physical geography, this article discussed the new research directions of physical geography. Driven by global environmental changes, physical geography and its branches have achieved significant progress. Recent progress in physical geography mainly includes research on the synthesis of physical geographic processes, land surface system integration, land-sea interaction, and physical geography application for regional ecological or environmental management. Physical geography needs to face the global climate change and human needs, explore new methods of technology application, carry out integrated multi-factor and multi-process research, develop geographical models, model future environmental dynamics and sustainable development, and serve the national priorities. In the process of physical geography development, we should pay more attention to the following frontier areas and directions: (1) geomorphology needs to focus on the study of geomorphology and global environmental change, and geomorphology and human activities; (2) biogeography needs to focus on the exploration of frontier fields such as attribute geography, global change biogeography, and to connect spatial distribution in biogeography and human needs under the background of change; (3) hydrology needs to integrate the multi-factor, multi-process, and multi-scale research, and to promote the development of ecological hydrology, social hydrology, and hydrological morphology; (4) physical geography needs to play a key role in the research of climate change, and serve major international research projects in climate change; (5) comprehensive physical geography research needs to meet national priority demands, focusing on the coupling of human-land system, resource and environment carrying capacity assessment, ecological security pattern, and ecological civilization construction; (6) physical geography needs to merge the natural and human elements and processes, develop complex system simulation models, and analyze the coupling mechanism of natural and human factors and the dynamic change of land surface system.
Keywords：
自然地理学是地理学的基础学科,是地理学综合研究的基石。目前,自然地理学研究主题已逐渐从传统的自然地理格局研究向格局与过程耦合、可持续发展议题深化,研究方法逐渐走向综合性与定量化,并正在实现微观过程机理与宏观格局的结合,呈现出新的发展态势。为研究自然地理学的学科发展规律和趋势,凝练关键科学问题和战略方向,寻找新的学科增长点,推动自然地理学乃至地理学的发展,在国家自然科学基金委—中国科学院联合资助下,我们承担了学科发展战略研究项目“自然地理学的机遇与挑战：发展战略研究”,组织国内自然地理学及分支学科的相关学者开展自然地理学的学科发展战略研究,并在2017年首届全国自然地理学大会上设置了“自然地理学前沿进展”分会场,研讨自然地理学及分支学科的最新进展、前沿和发展方向。本专辑是学者们在前期文献调研、学科前沿分析的基础上形成的系列文稿,主要包括地貌学、气候学、水文学、生物地理学、土壤地理学、综合自然地理学和自然地理模型等自然地理学及分支学科的前沿和热点问题,分为自然地理学总论、自然地理学分支学科和自然地理学综合研究三部分。本文是对自然地理学的总体论述,是在梳理自然地理学主要研究进展的基础上,探讨自然地理学的学科发展方向和前沿领域,以期服务于自然地理学乃至地理学的发展。
自然地理学早期研究以单一自然要素和过程为主。近年来,在全球环境变化驱动下,自然地理学研究形成气候变化、生态系统服务、格局与过程耦合、模型、尺度等研究热点,地貌学、气候学、水文学、生物地理学、综合自然地理学等分支学科在传承中得到新的发展,并出现城市自然地理学、流域与区域综合等新兴方向,其研究进展主要表现为：自然地理过程综合、陆地表层系统集成、陆海相互作用和区域生态与环境管理应用等方面。其中,自然地理过程综合与深化为自然地理学综合研究提供了基础支撑,陆地表层系统集成与陆海相互作用研究是自然地理学格局与过程耦合、自然要素与人文要素结合的核心展现,而区域生态与环境管理应用则是自然地理学面向国家和区域重大战略需求和决策应用中的重要体现(图1)。
在全球变化背景下,国际上发起了多个国际研究计划,如1986年发起的国际地圈—生物圈计划(IGBP)、1988年设立的政府间气候变化专门委员会(IPCC)、1991年发起的国际生物多样性计划(DIVERSITAS)、1996年设立的国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)等。在国际研究计划引领下,自然地理学立足水文学与水资源、生物地理学与生态系统、地貌学与第四纪环境、冰冻圈等研究领域,在对水循环过程、生态水文过程、水文模型及不确定性、植被—气候关系、生物多样性维持机制及气候响应、生态系统碳循环、地貌演化历史过程、环境变化定量重建、冰冻圈生态系统、冰冻圈古气候重建、污染物空间过程等热点问题探索中,推动了自然地理过程的综合与深化研究。
当前,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(冷疏影等, 2005)。伴随着地理空间观测手段的不断进步和数理模拟算法的研发应用,自然地理过程研究也表现出精细化、多尺度和模型化的特点。具体体现在自然地理过程研究使用更精细的观测数据测度更具体的研究对象,关注径流形成、植被演替、污染物迁移、土壤侵蚀等过程中的物质多界面转化和传输过程;多尺度研究正在全面开展,试图解释群落、生态系统、坡面、小流域/流域、区域、全球等不同尺度的地球表层过程发生机理;自然地理过程的内在数理逻辑和非线性特征得到充分重视,数据挖掘与机器学习等研究方式逐渐被自然地理过程研究所关注(傅伯杰等, 2015)。依托观测更精准、尺度更全面、算法更先进的自然地理研究方法,自然地理过程综合研究正在由传统的多元经验知识及概念综合走向模型化、系统化等更高层次的综合。
自然地理过程的综合及其深化研究也体现在地球表层圈层界面过程研究、物理化学与生物过程耦合研究等领域,诸如生态水文过程视角下的陆海输沙与植物蒸散,陆地生态系统碳、氮、水循环(Zhou et al, 2015; Piao et al, 2017; Zeng et al, 2017)及其综合研究(Feng et al, 2016; Wang et al, 2016)等。其中,水作为一种多功能性的资源,存在于多种环境过程之中,水文过程不仅是联系自然要素的介质,也是连接自然系统和社会系统的纽带(陆志翔等, 2016);相应地,水文过程是最需要也是最容易和其他过程进行综合集成的自然地理过程。如与生态过程相结合形成生态水文学,与土壤过程相结合形成水文土壤学,与社会经济过程相结合形成社会水文学,以水和土为主形成并发展了地球关键带研究等。人类活动对于自然地理过程有着深刻的影响,将人类活动纳入自然地理过程,对不同尺度自然人文要素进行集成分析,辨析自然人文过程的耦合作用机理,对于揭示结构与过程的演变规律与特征具有重要意义。我国内陆河流域,通过建立流域科学观测—试验、数据—模拟研究平台,实现水文—生态—社会经济耦合系统集成研究(程国栋等, 2014),是自然地理过程综合与深化研究的突出代表,而“食物—能源—水”系统关联与耦合研究也逐渐发展为自然地理过程综合研究中新的典型案例。自然地理学与其他学科交叉融合过程中所形成的新的分支学科与领域,如社会水文学、生态水文学、地球关键带、人类地貌学、全球变化生物地理学等,均有效地推动了自然地理过程综合和深化研究。
陆地表层系统是地球表层最复杂、最重要、受人类活动影响最大的子系统。陆地表层系统的集成研究是伴随着全球气候变化、地球系统科学和可持续发展等领域的研究发展而来(冷疏影等, 2005)。21世纪初,地球系统科学联盟(ESSP)设立四项“联合计划”,包括全球碳计划(GCP)、水系统计划(JWP)、全球环境变化与食物系统计划(GECAFS)、全球环境变化与人类健康计划(GECHH),标志着综合集成、跨学科交叉的研究视角得到全球变化研究的高度重视。2012年,未来地球计划(Future Earth)在整合以往各项研究计划的基础上,提出了动态星球、全球发展、可持续性转型三大研究主题。未来地球研究计划进一步推动了不同学科和不同部门之间的交叉与融合。在这一过程中,陆地表层系统的集成研究成为自然地理学乃至地理科学研究的前沿领域,是应对全球环境变化与可持续发展挑战的基础学科(傅伯杰, 2017)。
陆地表层系统集成研究以人地系统研究为核心,以格局—过程—服务—可持续性研究为纽带,强调自然过程与人文过程的有机结合,注重知识—科学—决策的有效链接,研究主题涵盖气候变化、土壤、水文水资源、土地利用、碳循环、全球化、遥感、模型模拟等多个方面。在具体研究过程中,陆地表层系统集成研究往往以流域或区域集成的方式开展,通过不同尺度监测调查、模型模拟、情景分析和优化调控,耦合格局与过程、自然与社会多个方面,探讨流域/区域可持续发展的方向与途径(Kates, 2011; Gao et al, 2017)。目前,陆地表层系统集成研究不仅强调格局与过程耦合、过程与服务耦合,更强调多要素、多尺度、多学科和多源数据集成。模型或模型系统的建立作为系统集成分析的关键,不仅需要模拟自然过程,也需要耦合生态、人文和社会经济模型,实现多模型集成。此外,陆地表层系统集成也依赖于系统整体的分析方法,需要分析探讨系统的脆弱性、恢复力或弹性、适应力等。伴随着可持续性科学和全球可持续发展目标的提出,陆地表层系统科学与可持续发展已经成为综合自然地理学乃至地理学的核心领域和方向。
面对全球变化和人类活动对河口与海岸地区的整体影响,海岸带作为地球系统物质能量循环过程中的固态、液态和气态三相接触带受到重点关注。海岸带作为地球系统的重要子系统,其水文动力过程、生态系统过程、痕量气体交换过程以及人类活动过程的耦合作用研究涉及自然科学和社会科学的多个领域。海岸地区海陆交互作用计划(LOICZ)于1993年正式成为IGBP核心研究计划,旨在探索全球变化和人类活动影响下海洋、陆地与大气的物质能量交换,评估海平面升降的影响等海岸系统对全球变化的社会经济响应。2003年以来,LOICZ更加关注陆海界面过程的集成、海岸带生态系统变化、海岸带社会—生态系统脆弱性、陆海交互作用的可持续调控等内容。2015年,未来地球计划推动LOICZ更名为未来地球海岸计划(FEC),动态海洋、全球发展与海岸的关系、海岸带可持续发展成为陆海相互作用研究的前沿方向(骆永明, 2016)。
河流入海物质通量研究是陆海相互作用研究的基础内容,并可分解为淡水通量、泥沙通量、污染物通量等不同研究对象,对该物质通量的全面观测及准确模拟是理解与预测陆海生物地球化学循环的重要依据。海岸带人类活动不仅在物理层面直接影响地貌过程,显著影响海岸带生态过程,改变生态系统结构与功能,导致生态系统服务的变化;海洋生物资源过度捕捞、近海富营养化、海洋垃圾等问题导致近海生物多样性降低,同样影响着海岸社会—生态系统可持续性(吕永龙等, 2016)。全球气候变化一方面通过海平面上升增加了沿海城市的灾害风险,另一方面通过潮汐、大气干沉降等过程改变近海化学物质,影响人类的生产生活条件。以构建可持续的海岸系统为目标,需充分发挥自然地理学综合性、交叉性的学科特点,从海岸地貌塑造过程、陆海气生物地球化学循环、海岸带生态系统服务、海岸带环境及灾害风险等多个研究视角切入,致力于陆海相互作用研究的系统集成,切实服务于海岸带可持续发展。
区域和全球尺度上环境、资源利用和可持续发展问题,已经成为人类社会发展面临的重大挑战。立足地理空间视角,自然地理学者积极参与可持续性研究,深入理解人类与环境的交互作用,识别与解读环境变化及其影响的能力,通过解析环境变化的原因、影响及缓解策略,为构建可持续的生态与环境做出贡献(Gregory, 2000; Day, 2017)。长期以来秉承“以任务带学科”的发展理念,中国现代自然地理学在满足国家和社会需求方面表现突出;在自然地理学家组织或参与下,综合自然区划、全国农业区划、国土综合开发和整治规划、生态功能区划、资源环境承载力评价等实践经验成为诸多分支学科形成和发展的基本动力。自然地理学所关注的地表格局形成和演化过程集中反映人口、资源、环境与发展的复杂冲突,对应着当前社会对资源环境问题的全球性关注和对区域可持续发展严峻挑战的高度重视,体现了全球和国家对自然地理研究的重大需求(蔡运龙等, 2009)。
面向生态系统管理的复杂性,生态系统可持续管理议题充分展现了自然地理研究综合性与实践性的特征。开展陆地生态系统变化情景分析并制定针对性适应方案,为适应气候变化提供了可操作的森林、牧场、淡水可持续管理途径(Grant et al, 2012; Fares et al, 2015)。在考虑生物多样性、生态系统功能和生态系统服务三者相互关联的基础上构建生态系统服务补偿机制,为提升生态系统保护的综合社会效益提供了有力支撑(Naidoo et al, 2008; Kinzig et al, 2011)。在我国大力推进生态文明建设的时代背景下,自然地理学在生态安全格局评价、识别、构建与调控等领域,也具有广阔的应用前景(彭建等, 2017)。在具体研究过程中,需要基于格局—过程—服务—可持续性的研究框架,在分析地理格局与过程、地理过程与服务相互作用机制的基础上,以可持续发展为导向,通过情景分析与模拟,设计维护区域生态安全的地理空间格局。
目前,地理学的发展已经远远超出其传统应用领域。国土空间优化、资源环境保护、生态文明建设、灾害防治等主题都涉及地理学,需要地理学在科学认知与发现方面给予强大学科支持。自然地理学作为地理学的重要基础,需要在机理认识上取得突破,在研究方法上取得进展,未来重点研究领域包括：地表格局与过程耦合、气候变化背景下的区域响应与适应集成研究、地球系统人文要素的分析、基于地理视角的生态系统服务研究、多源数据集成和模型开发、地理单元集成研究、全球战略和国际研究计划等(Fu et al, 2016)。在学科发展过程中,部门自然地理学与综合自然地理学既需要更加强调自然地理学的综合性、交叉性的学科优势,又需要深度提升对人地耦合系统的精细化模拟能力。面对更加深入的学科交叉趋势和可持续发展的战略需求,自然地理学及其分支学科的发展需要面向全球环境变化和人类需求,探索应用新技术新方法,开展多要素多过程集成研究,发展并完善地理模型,模拟和预测环境变化与可持续发展,进而服务于国家重大需求和政府决策(图2)。在具体研究过程中,自然地理学分支学科及其综合研究中的以下科学问题有待于自然地理学者的深入思考：
(1) 地貌学学科发展的新生长点是什么?传统地貌学聚焦营力作用下地貌形态的变化;现代地貌学需要加强地貌过程与生态水文过程、社会经济过程、气候变化动态等多圈层过程的耦合分析,加强数值模拟、高分辨率遥感技术等新技术新方法在地貌学研究中的应用,在综合与集成研究中探索发展新的学科分支与领域方向,重点加强地貌学与全球环境变化研究、地貌学与人类活动研究等。
(2) 生物地理学研究是否就是研究生物的地理空间分布?植物地理学和动物地理学是生物地理学研究的经典内容。现代生物地理学需要在生物地理空间分布经典研究内容基础上,综合应用DNA测序、生态模型、遥感等技术方法,结合全球变化与人类福祉,加强微观、宏观分析和多尺度综合研究,深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索,连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求。
(3) 对水文学的研究是否还停留在物理过程研究方面?传统水文学强调水循环的物理过程。现代水文学需要在此基础上,关注全球变化、人类活动、生物演替和水循环的交互作用,综合遥感、同位素、模型等技术方法,开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究,发展生态水文学、社会水文学、水文形态学(hydromorphology)等新兴学科领域和方向。
(4) 自然地理学研究如何全方位介入气候变化研究?气候变化是全球面临的重大挑战。气候变化研究是近几十年来全球关注的重大科学问题,形成了系列国际研究计划,成为科学界研究的前沿热点。自然地理学所研究的地理过程、圈层相互作用、陆地表层系统等与气候变化密切相关。然而,在已有的气候变化国际重大研究计划、联合国气候变化框架公约等科学研究和政策讨论中,自然地理学尚未充分发挥其学科支撑功能,亟需探索和加强自然地理学在气候变化研究中的贡献和作用。
(5) 综合自然地理研究还停留在土地类型划分和自然区划方面吗?土地类型划分和自然区划是综合自然地理学研究的经典内容。然而,社会经济的快速发展对综合自然地理学研究提出了新的需求。现代综合自然地理学需要面向国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,发挥学科综合优势,在资源环境承载力评估、国土开发整治与优化、生态安全格局与生态文明建设、一带一路建设等领域中做出积极的贡献。
(6) 自然地理学如何深化自然要素和人文要素作用机理,如何建立模型预测其未来变化?人类活动对地表过程影响的范围、强度和幅度不断扩大,已成为地表环境变化的主要驱动力之一。要深入理解现代环境变化机理和准确预测未来变化趋势,自然地理学需要耦合自然与人文要素与过程,避免分支学科相互独立造成的空心化,通过发展系统整体的综合方法,建立复杂系统模拟模型,探讨变化环境下的自然要素与人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化特征,深化陆地表层系统集成研究与决策应用研究,为区域、全国乃至全球可持续发展提供科学依据。
The authors have declared that no competing interests exist.
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自然地理学研究前沿 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2009.11.008 URL [本文引用: 1] 摘要
自然地理学的研究前沿是在学科发展和社会需求的共同驱动下形成的。对资源环境问题的全球性关注和我国可持续发展面临的重大问题对自然地理学提出了一系列需求。国际地圈生物圈计划、全球环境变化人文因素计划、世界气候研究计划、生物多样性计划以及地球系统科学联盟中的许多领域包含着自然地理学的研究前沿,我国国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委员会地球科学部优先发展领域、科技支撑计划等也提出了一系列自然地理学的研究前沿。若干自然地理学的新方法和技术已被应用于数据采集、模型模拟、实验室分析、自然地理过程研究、环境变化研究、全球自然地理学研究。本文概括了所有这些前沿领域和论题。
The research forefront of physical geography [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2009.11.008 URL [本文引用: 1] 摘要
自然地理学的研究前沿是在学科发展和社会需求的共同驱动下形成的。对资源环境问题的全球性关注和我国可持续发展面临的重大问题对自然地理学提出了一系列需求。国际地圈生物圈计划、全球环境变化人文因素计划、世界气候研究计划、生物多样性计划以及地球系统科学联盟中的许多领域包含着自然地理学的研究前沿,我国国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委员会地球科学部优先发展领域、科技支撑计划等也提出了一系列自然地理学的研究前沿。若干自然地理学的新方法和技术已被应用于数据采集、模型模拟、实验室分析、自然地理过程研究、环境变化研究、全球自然地理学研究。本文概括了所有这些前沿领域和论题。
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黑河流域生态—水文过程集成研究进展 [J].https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2014.04.0431 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
<p>国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态—水文过程集成研究”(简称黑河计划)贯穿地球系统科学的思维, 针对我国内陆河地区严峻的水—生态问题, 探索流域尺度提高水效益的理论和方法。计划执行4年来, 建立了遥感—监测—实验一体的流域生态水文观测系统及其相应的数据平台; 初步揭示了流域冰川、森林、绿洲等重要生态水文过程耦合机理, 认识了流域一级生态水文单元的水系统特征, 奠定了流域水循环、水平衡的科学基础; 计算了黑河下游生态需水量, 为黑河流域水资源优化管理厘定了重要的约束条件。今后几年将在高精度气、水、生、经时空数据的支持下, 耦合与集成流域综合模型, 保证我国流域科学能在世界前沿占一席之地。</p>
Advances in synthetic research on the eco-hydrological process of the Heihe River Basin [J].https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2014.04.0431 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
<p>国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态—水文过程集成研究”(简称黑河计划)贯穿地球系统科学的思维, 针对我国内陆河地区严峻的水—生态问题, 探索流域尺度提高水效益的理论和方法。计划执行4年来, 建立了遥感—监测—实验一体的流域生态水文观测系统及其相应的数据平台; 初步揭示了流域冰川、森林、绿洲等重要生态水文过程耦合机理, 认识了流域一级生态水文单元的水系统特征, 奠定了流域水循环、水平衡的科学基础; 计算了黑河下游生态需水量, 为黑河流域水资源优化管理厘定了重要的约束条件。今后几年将在高精度气、水、生、经时空数据的支持下, 耦合与集成流域综合模型, 保证我国流域科学能在世界前沿占一席之地。</p>
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地理学: 从知识、科学到决策 [J].https://doi.org/10.11821/dlxb201711001 URL [本文引用: 1] 摘要
地理学是研究地理要素或者地理综合体空间分布规律、时间演变过程和区域特征的一门学科,是自然科学与人文科学的交叉,具有综合性、交叉性和区域性的特点。随着地理信息技术发展与研究方法变革,新时期的地理学正在向地理科学进行华丽转身,研究主题更加强调陆地表层系统的综合研究,研究范式经历着从地理学知识描述、格局与过程耦合,向复杂人地系统的模拟和预测转变。在服务国内重大需求和国际全球战略过程中,地理学正在扮演愈发重要的角色,在新型城镇化、生态环境保护、水土资源管理、地缘政治等领域拥有广阔发展前景。中国地理学正面临前所未有的机遇,需要紧紧围绕国家重大需求,创新发展综合性的理论、方法和技术,逐步形成具有鲜明中国特色、深远国际影响的地理科学体系,为中国和全球的可持续发展服务。
Geography: From knowledge, science to decision making support [J].https://doi.org/10.11821/dlxb201711001 URL [本文引用: 1] 摘要
地理学是研究地理要素或者地理综合体空间分布规律、时间演变过程和区域特征的一门学科,是自然科学与人文科学的交叉,具有综合性、交叉性和区域性的特点。随着地理信息技术发展与研究方法变革,新时期的地理学正在向地理科学进行华丽转身,研究主题更加强调陆地表层系统的综合研究,研究范式经历着从地理学知识描述、格局与过程耦合,向复杂人地系统的模拟和预测转变。在服务国内重大需求和国际全球战略过程中,地理学正在扮演愈发重要的角色,在新型城镇化、生态环境保护、水土资源管理、地缘政治等领域拥有广阔发展前景。中国地理学正面临前所未有的机遇,需要紧紧围绕国家重大需求,创新发展综合性的理论、方法和技术,逐步形成具有鲜明中国特色、深远国际影响的地理科学体系,为中国和全球的可持续发展服务。
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新时期地理学的特征与任务 [J].https://doi.org/10.1016/S0168-9002(97)00311-2 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
地理学是“探索自然规律,昭示人文精华”的一门学科,具有综合性、交叉性特点。20 世纪80 年代以来,地理学在全球环境变化研究计划中扮演了重要角色,地理学的理论、方法和技术已经成为解决人类社会面临的可持续发展问题的基础。起源于全球环境变化研究,并结合了社会科学研究的“未来地球”研究计划,代表了新时期地理学发展的方向。当代地理学研究方法已经从勘察、观测、记录、制图等传统的研究方法向空间统计、对地观测、GIS、室内外模拟、建模、决策系统等现代科学方法转变,逐渐走向综合性、定量化;随着地理学面临的问题更加复杂、更加综合,地理学研究议题变得更为综合和多元,吸引了更为广泛的学科参与,地理学视角在越来越多的领域得到重视,概念和工具所属的学科边界正变得模糊。新时期的地理学正在走向地理科学。中国是研究人类社会的可持续发展问题的一个理想的地理科学试验场所,中国地理科学未来的发展需要以综合的角度加深对人地复杂系统全面而综合的理解,需要加强全球性问题的研究,全面提升中国地理科学国际化水平,普遍提高先进技术解析地理现象的能力,系统实现地理科学的社会服务价值,促进中国从地理学大国走向地理学强国。
The characteristics and tasks of geography in the New Era [J].https://doi.org/10.1016/S0168-9002(97)00311-2 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
地理学是“探索自然规律,昭示人文精华”的一门学科,具有综合性、交叉性特点。20 世纪80 年代以来,地理学在全球环境变化研究计划中扮演了重要角色,地理学的理论、方法和技术已经成为解决人类社会面临的可持续发展问题的基础。起源于全球环境变化研究,并结合了社会科学研究的“未来地球”研究计划,代表了新时期地理学发展的方向。当代地理学研究方法已经从勘察、观测、记录、制图等传统的研究方法向空间统计、对地观测、GIS、室内外模拟、建模、决策系统等现代科学方法转变,逐渐走向综合性、定量化;随着地理学面临的问题更加复杂、更加综合,地理学研究议题变得更为综合和多元,吸引了更为广泛的学科参与,地理学视角在越来越多的领域得到重视,概念和工具所属的学科边界正变得模糊。新时期的地理学正在走向地理科学。中国是研究人类社会的可持续发展问题的一个理想的地理科学试验场所,中国地理科学未来的发展需要以综合的角度加深对人地复杂系统全面而综合的理解,需要加强全球性问题的研究,全面提升中国地理科学国际化水平,普遍提高先进技术解析地理现象的能力,系统实现地理科学的社会服务价值,促进中国从地理学大国走向地理学强国。
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陆地表层系统地理过程研究回顾与展望 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-8166.2005.06.002 URL Magsci [本文引用: 2] 摘要
<p>近十几年来，地球表层过程研究在地球系统研究中的地位越来越重要，尤其强调将自然过程与人文过程有机地结合在一起，应对环境变化对科学提出的挑战。而自然过程与人文过程恰恰是地理过程的具体表现。从与陆地表层地理过程相关的国际重大科学计划的研究主题看，陆地表层地理过程的研究重点和核心已经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，从宏观向宏观与微观结合方向发展。未来若干年，我国的陆地表层系统地理过程研究应紧密围绕格局与过程、过程与效应、综合与集成组织科学问题。提高我国地理过程的研究水平，推动我国地理学基础研究迈上新台阶。</p>
Review of land surface geographical process study and prospects in China [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-8166.2005.06.002 URL Magsci [本文引用: 2] 摘要
<p>近十几年来，地球表层过程研究在地球系统研究中的地位越来越重要，尤其强调将自然过程与人文过程有机地结合在一起，应对环境变化对科学提出的挑战。而自然过程与人文过程恰恰是地理过程的具体表现。从与陆地表层地理过程相关的国际重大科学计划的研究主题看，陆地表层地理过程的研究重点和核心已经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，从宏观向宏观与微观结合方向发展。未来若干年，我国的陆地表层系统地理过程研究应紧密围绕格局与过程、过程与效应、综合与集成组织科学问题。提高我国地理过程的研究水平，推动我国地理学基础研究迈上新台阶。</p>
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社会水文学研究进展 [J].[本文引用: 1] 摘要
为了推动新兴学科——社会水文学的发展及其在流域水资源管理中的应用,有必要对有关社会水文学的研究工作进行阶段性总结,并对未来的研究方向进行展望。回顾了水文学的发展历程,理解社会水文学产生的背景,阐述社会水文学的概念及其内涵;辨析其与传统水文学、生态水文学和水文经济学等学科在研究内容、方法和理论等方面的异同点;介绍社会水文学的研究进展:本阶段着重于制度、政策和文化等社会因子在水文研究中的表达以及流域示范研究的开展,但大多数研究仍基于传统水文学背景、共进化背景或者水资源管理背景,社会水文学的理论和方法还不够成熟。未来应从以下方面加强社会水文学研究:1深入开展社会水文学社会部分的定量研究、综合历史分析和水文重建方法、充分利用现有不同流域案例促进过程社会水文学、历史社会水文学和比较社会水文学研究;2开展社会水文系统社会驱动力的研究,探寻社会水文学的动力机制;3引入非线性动力学理论刻画人-水耦合系统的复杂反馈机制,提高社会水文学的普适化数学表述;4积极推进"大数据"和知识挖掘技术在社会水文学研究中的应用。
Progress on socio-hydrology [J].[本文引用: 1] 摘要
为了推动新兴学科——社会水文学的发展及其在流域水资源管理中的应用,有必要对有关社会水文学的研究工作进行阶段性总结,并对未来的研究方向进行展望。回顾了水文学的发展历程,理解社会水文学产生的背景,阐述社会水文学的概念及其内涵;辨析其与传统水文学、生态水文学和水文经济学等学科在研究内容、方法和理论等方面的异同点;介绍社会水文学的研究进展:本阶段着重于制度、政策和文化等社会因子在水文研究中的表达以及流域示范研究的开展,但大多数研究仍基于传统水文学背景、共进化背景或者水资源管理背景,社会水文学的理论和方法还不够成熟。未来应从以下方面加强社会水文学研究:1深入开展社会水文学社会部分的定量研究、综合历史分析和水文重建方法、充分利用现有不同流域案例促进过程社会水文学、历史社会水文学和比较社会水文学研究;2开展社会水文系统社会驱动力的研究,探寻社会水文学的动力机制;3引入非线性动力学理论刻画人-水耦合系统的复杂反馈机制,提高社会水文学的普适化数学表述;4积极推进"大数据"和知识挖掘技术在社会水文学研究中的应用。
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中国海岸带可持续发展中的生态环境问题与海岸科学发展 [J].Sustainability associated coastal eco-environmental problems and coastal science development in China [J]. |
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陆源人类活动对近海生态系统的影响 [J].https://doi.org/10.5846/stxb201511182334 Magsci [本文引用: 1] 摘要
随着海岸带快速城市化和经济发展,人类活动对近海生态系统的影响日益增加。通过对国内外大量相关文献的分析和与国际专家的研讨,分别从海洋资源开发、海岸带城市化和环境变化等几个方面概述了陆源人类活动对近海生态系统的影响。目前陆源人类活动导致近海生态系统出现的主要问题有:海洋生物资源过度捕捞、海岸带富营养化、海洋酸化、珊瑚礁退化、海洋垃圾、以及海岸带矿产开采等高强度开发活动引发的重金属和持久性有机污染物污染等。这些问题会直接导致海洋生物群落结构变化、影响水质、降低海洋生物多样性,最终影响海洋生态系统服务功能,威胁海洋生态系统健康。这些问题的根源多来自陆地,必须将海洋和陆地作为一个有机整体,整合海陆系统相互作用的科学计划,推进海洋资源和近海生态系统的可持续管理。
Impacts of land-based human activities on coastal and offshore marine ecosystems [J].https://doi.org/10.5846/stxb201511182334 Magsci [本文引用: 1] 摘要
随着海岸带快速城市化和经济发展,人类活动对近海生态系统的影响日益增加。通过对国内外大量相关文献的分析和与国际专家的研讨,分别从海洋资源开发、海岸带城市化和环境变化等几个方面概述了陆源人类活动对近海生态系统的影响。目前陆源人类活动导致近海生态系统出现的主要问题有:海洋生物资源过度捕捞、海岸带富营养化、海洋酸化、珊瑚礁退化、海洋垃圾、以及海岸带矿产开采等高强度开发活动引发的重金属和持久性有机污染物污染等。这些问题会直接导致海洋生物群落结构变化、影响水质、降低海洋生物多样性,最终影响海洋生态系统服务功能,威胁海洋生态系统健康。这些问题的根源多来自陆地,必须将海洋和陆地作为一个有机整体,整合海陆系统相互作用的科学计划,推进海洋资源和近海生态系统的可持续管理。
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区域生态安全格局构建研究进展与展望 [J].https://doi.org/10.11821/dlyj201703001 URL [本文引用: 1] 摘要
近年来,城市化的不断推进使得生态系统面临巨大压力甚至诱发生态灾难,而另一方面人类对于生态系统服务福祉的提升提出了新要求,因此经济发展和生态保护两者之间的矛盾不断激化。生态安全格局作为沟通生态系统服务和人类社会发展的桥梁,目前被视为区域生态安全保障和人类福祉提升的关键环节。在系统梳理生态安全格局与城市增长边界、生态网络、绿色基础设施和生态控制线等概念内涵异同的基础上,从热点区域、生态源地指标筛选、生态阻力面设置与修正、相关研究成果应用等方面阐释区域生态安全格局构建的近今研究进展,并指出当前研究的主要不足;同时提出了区域生态安全格局构建的重点方向,即生态安全格局构建的重要阈值设定、有效性评价、多尺度关联和生态过程耦合等四个方面。
Research progress and prospect on regional ecological security pattern construction [J].https://doi.org/10.11821/dlyj201703001 URL [本文引用: 1] 摘要
近年来,城市化的不断推进使得生态系统面临巨大压力甚至诱发生态灾难,而另一方面人类对于生态系统服务福祉的提升提出了新要求,因此经济发展和生态保护两者之间的矛盾不断激化。生态安全格局作为沟通生态系统服务和人类社会发展的桥梁,目前被视为区域生态安全保障和人类福祉提升的关键环节。在系统梳理生态安全格局与城市增长边界、生态网络、绿色基础设施和生态控制线等概念内涵异同的基础上,从热点区域、生态源地指标筛选、生态阻力面设置与修正、相关研究成果应用等方面阐释区域生态安全格局构建的近今研究进展,并指出当前研究的主要不足;同时提出了区域生态安全格局构建的重点方向,即生态安全格局构建的重要阈值设定、有效性评价、多尺度关联和生态过程耦合等四个方面。
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The contribution of physical geographers to sustainability research [J].https://doi.org/10.3390/su9101851 URL [本文引用: 1] 摘要
A physical geographers’ scope of practice is not defined by any regulatory or academic organization, so perception of the potential contribution of physical geography to sustainability research has been nebulous or informal, at best. In order to understand what physical geographers can do to enhance sustainability, this paper describes a systematic review of peer-reviewed research on sustainability published in three physical geography journals. The results show that physical geographers are active in sustainability research in terms of a spatial perspective, an understanding of human interactions with the environment, and an ability to recognize, interpret, and project environmental change and its impacts. The depth of this understanding is facilitated by a physical geographers’ understanding of the natural world, process and system concepts, the ways that systems are linked and interact, and a willingness to deploy a wide range of methodologies to secure that knowledge. The expertise of physical geographers makes an important contribution to sustainability research and should be considered when multidisciplinary teams are assembled.
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Sustainability: Five steps for managing Europe's forests [J].https://doi.org/10.1038/519407a URL PMID: 25810187 [本文引用: 1] 摘要
Support resilience and promote carbon storage, say Silvano Fares and colleagues.
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Revegetation in China’s Loess Plateau is approaching sustainable water resource limits [J].https://doi.org/10.1038/nclimate3092 URL [本文引用: 1] 摘要
Revegetation of degraded ecosystems provides opportunities for carbon sequestration and bioenergy production(1,2). However, vegetation expansion inwater-limited areas creates potentially conflicting demands for water between the ecosystem and humans(3). Current understanding of these competing demands is still limited(4). Here, we study the semi-arid Loess Plateau in China, where the 'Grain to Green' large-scale revegetation programme has been in operation since 1999. As expected, we found that the new planting has caused both net primary productivity (NPP) and evapotranspiration (ET) to increase. Also the increase of ET has induced a significant (p < 0.001) decrease in the ratio of river runoff to annual precipitation across hydrological catchments. From currently revegetated areas and human water demand, we estimate a threshold of NPP of 400 +/- 5 g C m(-2) yr(-1) above which the population will suffer water shortages. NPP in this region is found to be already close to this limit. The threshold of NPP could change by 36% in the worst case of climate drying and high human withdrawals, to C 43% in the best case. Our results develop a new conceptual framework to determine the critical carbon sequestration that is sustainable in terms of both ecological and socio-economic resource demands in a coupled anthropogenic-biological system.
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Integrated studies of physical geography in China: Review and prospects [J].https://doi.org/10.1007/s11442-016-1298-8 URL [本文引用: 1] 摘要
在中国的现代物理地理从中国传统的地理成长了并且被欧元美洲和俄国的地理学科深刻地影响了。自从 1950 年代，在中国的物理地理的综合研究在全面物理地理区域化，土地研究，风景生态学，和土地表面的领域里取得了显著进步地理过程。在过去几十年期间，在全球变化和快速的社会经济的转变的背景下面，一系列环境并且资源问题在中国蓬勃发展。解决这些问题并且支持物理地理的综合研究的发展，下列问题作为研究优先级被建议：(1 ) 陆地表面模式和过程联合；(2 ) 关于对全球变化的地区性的回答和改编的综合研究；(3 ) 地球系统的人的尺寸的分析；(4 ) 从一个地理观点的生态系统服务研究；(5 ) 多来源数据和模型开发的集成；(6 ) 唯一的地理单位上的综合研究；并且(7 ) 重要全球问题和相关国际程序。
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Finding pathways to national-scale land-sector sustainability [J].https://doi.org/10.1038/nature21694 URL PMID: 28406202 [本文引用: 1] 摘要
The 17 Sustainable Development Goals (SDGs) and 169 targets under Agenda 2030 of the United Nations map a coherent global sustainability ambition at a level of detail general enough to garner consensus amongst nations. However, achieving the global agenda will depend heavily on successful national-scale implementation, which requires the development of effective science-driven targets tailored to specific national contexts and supported by strong national governance. Here we assess the feasibility of achieving multiple SDG targets at the national scale for the Australian land-sector. We scaled targets to three levels of ambition and two timeframes, then quantitatively explored the option space for target achievement under 648 plausible future environmental, socio-economic, technological and policy pathways using the Land-Use Trade-Offs (LUTO) integrated land systems model. We show that target achievement is very sensitive to global efforts to abate emissions, domestic land-use policy, productivity growth rate, and land-use change adoption behaviour and capacity constraints. Weaker target-setting ambition resulted in higher achievement but poorer sustainability outcomes. Accelerating land-use dynamics after 2030 changed the targets achieved by 2050, warranting a longer-term view and greater flexibility in sustainability implementation. Simultaneous achievement of multiple targets is rare owing to the complexity of sustainability target implementation and the pervasive trade-offs in resource-constrained land systems. Given that hard choices are needed, the land-sector must first address the essential food/fibre production, biodiversity and land degradation components of sustainability via specific policy pathways. It may also contribute to emissions abatement, water and energy targets by capitalizing on co-benefits. However, achieving targets relevant to the land-sector will also require substantial contributions from other sectors such as clean energy, food systems and water resource management. Nations require globally coordinated, national-scale, comprehensive, integrated, multi-sectoral analyses to support national target-setting that prioritizes efficient and effective sustainability interventions across societies, economies and environments.
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Taking the "waste" out of "wastewater" for human water security and ecosystem sustainability [J].https://doi.org/10.1126/science.1216852 URL PMID: 22879506 [本文引用: 1] 摘要
Abstract Humans create vast quantities of wastewater through inefficiencies and poor management of water systems. The wasting of water poses sustainability challenges, depletes energy reserves, and undermines human water security and ecosystem health. Here we review emerging approaches for reusing wastewater and minimizing its generation. These complementary options make the most of scarce freshwater resources, serve the varying water needs of both developed and developing countries, and confer a variety of environmental benefits. Their widespread adoption will require changing how freshwater is sourced, used, managed, and priced.
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The changing nature of physical geography [M]. |
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What kind of a science is sustainability science [J].https://doi.org/10.1073/pnas.1116097108 URL PMID: 22114189 [本文引用: 1] 摘要
Sustainability science, as described by the PNAS website, is “…an emerging field of research dealing with the interactions between natural and social systems, and with how those interactions affect the challenge of sustainability: meeting the needs of present and future generations while substantially reducing poverty and conserving the planet's life support systems.” Over the past 7 y, PNAS has published over 300 papers in its unique section on sustainability science and has received and reviewed submissions for many hundreds more. What kind of a science is sustainability science?The article by Bettencourt and Kaur (1) on the evolution and structure of...
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Paying for ecosystem services: Promise and peril [J].https://doi.org/10.1126/science.1210297 URL [本文引用: 1] |
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Global mapping of ecosystem services and conservation priorities [J].https://doi.org/10.1073/pnas.0707823105 URL PMID: 18621701 [本文引用: 1] 摘要
Global efforts to conserve biodiversity have the potential to deliver economic benefits to people (i.e., "ecosystem services"). However, regions for which conservation benefits both biodiversity and ecosystem services cannot be identified unless ecosystem services can be quantified and valued and their areas of production mapped. Here we review the theory, data, and analyses needed to produce such maps and find that data availability allows us to quantify imperfect global proxies for only four ecosystem services. Using this incomplete set as an illustration, we compare ecosystem service maps with the global distributions of conventional targets for biodiversity conservation. Our preliminary results show that regions selected to maximize biodiversity provide no more ecosystem services than regions chosen randomly. Furthermore, spatial concordance among different services, and between ecosystem services and established conservation priorities, varies widely. Despite this lack of general concordance, "win-win" areas-regions important for both ecosystem services and biodiversity-can be usefully identified, both among ecoregions and at finer scales within them. An ambitious interdisciplinary research effort is needed to move beyond these preliminary and illustrative analyses to fully assess synergies and trade-offs in conserving biodiversity and ecosystem services.
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Weakening temperature control on the interannual variations of spring carbon uptake across northern lands [J].https://doi.org/10.1038/nclimate3277 URL [本文引用: 1] 摘要
Ongoing spring warming allows the growing season to begin earlier, enhancing carbon uptake in northern ecosystems. Here we use 34 years of atmospheric COconcentration measurements at Barrow, Alaska (BRW, 71 N) to show that the interannual relationship between spring temperature and carbon uptake has recently shifted. We use two indicators: the spring zero-crossing date of atmospheric CO(SZC) and the magnitude of COdrawdown between May and June (SCC). The previously reported strong correlation between SZC, SCC and spring land temperature (ST) was found in the first 17 years of measurements, but disappeared in the last 17 years. As a result, the sensitivity of both SZC and SCC to warming decreased. Simulations with an atmospheric transport model coupled to a terrestrial ecosystem model suggest that the weakened interannual correlation of SZC and SCC with ST in the last 17 years is attributable to the declining temperature response of spring net primary productivity (NPP) rather than to changes in heterotrophic respiration or in atmospheric transport patterns. Reduced chilling during dormancy and emerging light limitation are possible mechanisms that may have contributed to the loss of NPP response to ST. Our results thus challenge the `warmer spring-bigger sink mechanism.
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Reduced sediment transport in the Yellow River due to anthropogenic changes [J].https://doi.org/10.1038/ngeo2602 URL [本文引用: 1] 摘要
The erosion, transport and redeposition of sediments shape the Earth's surface, and affect the structure and function of ecosystems and society(1,2). The Yellow River was once the world's largest carrier of fluvial sediment, but its sediment load has decreased by approximately 90% over the past 60 years(3). The decline in sediment load is due to changes in water discharge and sediment concentration, which are both influenced by regional climate change and human activities. Here we use an attribution approach to analyse 60 years of runoff and sediment load observations from the traverse of the Yellow River over China's Loess Plateau - the source of nearly 90% of its sediment load. We find that landscape engineering, terracing and the construction of check dams and reservoirs were the primary factors driving reduction in sediment load from the 1970s to 1990s, but large-scale vegetation restoration projects have also reduced soil erosion from the 1990s onwards. We suggest that, as the ability of existing dams and reservoirs to trap sediments declines in the future, erosion rates on the Loess Plateau will increasingly control the Yellow River's sediment load.
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Climate mitigation from vegetation biophysical feedbacks during the past three decades [J].https://doi.org/10.1038/nclimate3299 URL [本文引用: 1] 摘要
The surface air temperature response to vegetation changes has been studied for the extreme case of land-cover change; yet, it has never been quantified for the slow but persistent increase in leaf area index (LAI) observed over the past 30 years (Earth greening). Here we isolate the fingerprint of increasing LAI on surface air temperature using a coupled land-atmosphere global climate model prescribed with satellite LAI observations. We find that the global greening has slowed down the rise in global land-surface air temperature by 0.09 +/- 0.02 C since 1982. This net cooling effect is the sum of cooling from increased evapotranspiration (70%), changed atmospheric circulation (44%), decreased shortwave transmissivity (21%), and warming from increased longwave air emissivity (-29%) and decreased albedo (-6%). The global cooling originated from the regions where LAI has increased, including boreal Eurasia, Europe, India, northwest Amazonia, and the Sahel. Increasing LAI did not, however, significantly change surface air temperature in eastern North America and East Asia, where the effects of large-scale atmospheric circulation changes mask local vegetation feedbacks. Overall, the sum of biophysical feedbacks related to the greening of the Earth mitigated 12% of global land-surface warming for the past 30 years.
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Global pattern for the effect of climate and land cover on water yield [J].https://doi.org/10.1038/ncomms6918 URL PMID: 25574930 [本文引用: 1] 摘要
Abstract Research results on the effects of land cover change on water resources vary greatly and the topic remains controversial. Here we use published data worldwide to examine the validity of Fuh's equation, which relates annual water yield (R) to a wetness index (precipitation/potential evapotranspiration; P/PET) and watershed characteristics (m). We identify two critical values at P/PET=1 and m=2. m plays a more important role than P/PET when m2. When P/PET1, suggesting that any land cover changes in non-humid regions (P/PET<1) or in watersheds of low water retention capacity (m<2) can lead to greater hydrological responses. m significantly correlates with forest coverage, watershed slope and watershed area. This global pattern has far-reaching significance in studying and managing hydrological responses to land cover and climate changes.
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