刘焱序
, 杨思琪
LIU Yanxu, YANG Siqi
通讯作者:
收稿日期: 2017-12-9
修回日期: 2018-01-18
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：刘焱序(1988-),男,陕西西安人,博士后,主要从事综合自然地理与景观生态学研究,E-mail: yanxuliu@bnu.edu.cn。
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摘要
面对变化中的全球环境以及变化中的学科热点,以“变化背景下自然地理学新发展与新挑战”为主题的第一届全国自然地理学大会于2017年11月20-22日在南京召开。聚焦地理学与可持续发展、自然地理要素与过程集成、空间数据挖掘与系统决策等当代自然地理学研究的前沿内容,通过学科前沿理论的凝练,引导自然地理过程研究的继续深化;依托理论与方法创新;在典型流域、区域实现了自然地理过程的初步集成,切实服务于人地耦合视角下的可持续社会决策。深化自然地理学分支学科的过程研究、推进综合自然地理学的发展、提升陆地表层系统观测和模拟水平,将有助于进一步巩固自然地理学在地理科学学科体系中的基础学科地位,为满足国家重大战略需求和全球可持续发展作出重要的学科贡献。
关键词：
Abstract
In the face of the changing global environment and disciplinary hot spots, the first National Physical Geography Conference —with the topic of "New Development and New Challenges of Physical Geography in the Context of Change"— was held in Nanjing on 20-22 November 2017. The forefront contents of contemporary physical geography research, namely combination of geography and sustainable development, integration of physical geographical elements and processes, and system decision with spatial data mining have been the focus. At present, Chinese physical geographers have made the subject theories more concise; deepened the physical geographical process studies; achieved preliminary integration of physical geographical processes in critical regions and basins based on theoretical and methodological innovations; and practically supported decision making for the sustainable development of the coupled social-ecological system. In future research, we should deepen the process research of subdisciplines in physical geography, promote the development of a comprehensive physical geography, and improve the observation and simulation of the land surface system. These will further consolidate the position of physical geography as a foundation in geographical sciences, and make important contributions to global sustainable development and meet the demands of national key development strategies.
Keywords：
地理学作为研究地理要素和地理综合体的空间分异规律、时间演变过程及区域特征的学科,通过耦合研究自然和人文要素与过程,揭示地球表层人与环境相互作用的机理,旨在“探索自然规律,昭示人文精华”(傅伯杰等, 2015)。其中,自然地理学是研究自然地理环境的特征、结构及其地域分异规律的形成和演化的学科(蔡运龙, 2010)。自然地理学聚焦地球陆地表层及其外围的特征和形成过程,重视了解当代地球环境必不可少的空间变异和时间过程,其目的是认识地球自然环境怎样成为人类活动的基础并受人类活动的影响(Gregory, 2000; 蔡运龙, 宋长青等, 2009)。近年来,国际自然地理学的研究前沿集中体现在对人地系统要素集成的关注和对人地系统重点过程的深化,研究趋向在于可持续发展目标下的复杂人地系统模拟(傅伯杰, 2017)。自然地理学在面向可持续的人地系统要素关联(Turner et al, 2012)、人地系统承载力预警(Liu et al, 2015)、全球综合风险的系统应对(Helbing, 2013)、食物—能源—水综合可持续利用(Gao et al, 2017)、全球环境污染与人类健康(Lelieveld et al, 2015)等人地系统研究前沿进展中作出了基础性贡献,为全球和区域资源环境问题的治理提供了重要决策依据。
面对全球环境变化和我国社会经济快速发展,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也催生了中国社会对自然地理学发展的迫切需求(蔡运龙, 李双成等, 2009)。1950s以来,基于有限的历史图件和野外调查经历,中国地理学者依托丰富的经验积累,总结发展地理学综合研究理论体系(林超, 1981; 陈传康, 1988),通过自然区划(黄秉維, 1958)、土地利用调查(吴传钧, 1979)等研究成果,为国家可持续国土开发建设布局等宏观战略提供科学指引(郑度等, 2016)。近30年间,随着遥感与GIS技术的兴起与发展、野外监测站点的不断增加,实验观测数据和数理统计手段已成为中国自然地理学者的基本实证研究工具,对中国可持续生态保护、土地规划、环境治理、灾害防范提供了理论与方法支撑(蔡运龙等, 2004; 冷疏影等, 2005)。目前,中国自然地理学在地表格局、生物过程、碳循环、物理过程、植被—水文相互作用以及第四纪古环境等领域成为研究热点,自然地理过程研究、地表各个圈层相互作用研究以及人地关系研究等方向领域正在不断发展深化(冷疏影等, 2016)。尤其是近几年来,以自然地理要素、过程研究为基础的陆地表层系统综合集成研究在黑河流域等重点区域取得重要进展(程国栋等, 2014)。面向当前全球环境变化所产生的复杂资源环境问题,以及自然地理学学科研究热点领域的变化背景,2017年首届全国自然地理学大会的召开,强调中国自然地理学研究从分支走向综合、从学科深化走向多学科交叉,对中国地理学发展具有重要历史意义,开启了中国自然地理学研究的新篇章。
2017年全国自然地理学大会于2017年11月20-22日在南京召开,由中国地理学会主办、南京大学承办。本次大会主题是“变化背景下自然地理学新发展与新挑战”,是首届独立命名的全国自然地理学大会。本次大会是中国历届自然地理学相关会议中规模最大的会议,共吸引了来自国内外260多家单位近3000位代表汇聚南京,分享新发现、交流新思想、共绘新时代中国自然地理学发展蓝图。作为中国自然地理学发展进程中的里程碑事件,本次会议全面展示了近年来我国自然地理学各领域取得的新进展,提出了推动自然地理学研究的继续深化和综合集成,在我国自然地理学学科发展中发挥重要的引领作用。
参加本次会议的院士、知名专家学者在大会特邀报告中就当代地理学和自然地理学研究的热点领域进行深入探讨。傅伯杰院士、刘丛强院士、秦大河院士、David Thomas教授、李新研究员、郭华东院士、Michacel Meadows院士、樊杰研究员、宋长青教授、朴世龙教授、李满春教授从不同角度分享了研究成果和认知高度。本文将大会特邀报告所涉及内容归纳为：地理学与可持续发展、自然地理要素与过程集成、空间数据挖掘与系统决策3方面。这3项内容涵盖了当代自然地理学研究的前沿内容,其逻辑关系如图1所示。
图1 当代自然地理学研究的热点领域归纳
Fig.1 Prominent fields of contemporary physical geography research
随着“联合国千年发展目标”、“2030年可持续发展议程”以及“未来地球”计划对可持续发展的定义和探讨,可持续发展概念逐步具体和深化。可持续发展研究聚焦人文、社会和生态系统的综合管理,强调交叉综合,尤其是环境的可持续成为国际上可持续发展研究最为关注的议题(Kates, 2011)。在可持续发展的目标引领下,可持续科学研究尤其关注全球气候变化、生物多样性丧失以及其他贫困问题所带来的实际挑战及其应对(Takeuchi, 2017)。地理学研究聚焦地球表层人与环境相互作用的机理,面向全球和区域资源环境实际问题的解决,具有综合性、交叉性、区域性特点(傅伯杰等, 2015)。其研究范式正经历着“对地理学知识的描述”、“格局与过程的耦合”,向“对复杂人地系统的模拟和预测”转变(傅伯杰, 2017)。由于地理学研究强调人地关系、自然和人文要素的综合,因而在推动实现全球可持续发展目标具有天然优势。针对全球和区域生态与环境变化和人类可持续发展的挑战,有必要进行地球表层系统科学领域的多学科交叉综合和系统研究,从而为国家和全球可持续发展作出基础性贡献。
面向全球可持续发展的地理学在学科发展指向层面为中国自然地理学的发展提供了切实目标。聚焦人地系统耦合理论与方法,自然地理学各分支学科的交叉融合,以及自然地理学与人文地理学和地理信息科学等相关学科的交叉融合,成为当代地理学研究的前沿热点。当代地理学和自然地理学研究前沿在于采用定量化的手段、基于地理过程运行机理,实现地理学综合研究并服务于系统决策。其中,自然地理学研究所提供的观测与模拟成果将为地理科学发展实现从知识创造到社会决策的贯通提供基础性、机理性的支持。
地理学在转向地理科学的进程中,更加注重分析格局分布的内在原因以及格局对大气、水文、生物过程的影响;研究主题更加强调陆地表层系统的综合集成研究(宋长青, 2016; 傅伯杰, 2017)。自然地理要素时空格局与大气、水文、生物、社会等过程的耦合研究更加深入,体现了当代自然地理学的重要发展。立足温室气体排放(Tian et al, 2016)、自然资源管理(Gao et al, 2017)、灾害风险应对(Helbing, 2013)等多学科交叉的可持续研究主题,自然地理过程与社会过程的结合成为国际前沿领域。在新的时代背景下,自然地理要素与过程研究既更为深入,又更加综合,而寻找开展综合研究的具体路径是当代地理学者所面临的重要挑战。
近年来,自然地理要素与过程的集成研究作为中国自然地理学研究的前沿领域,已得到了学界的广泛共识并取得重要进展,冰冻圈科学(秦大河等, 2014)、干旱区地貌过程(Thomas, 2013)、黑河流域生态—水文—社会集成研究(李新等, 2012)、泛第三极科学(陈发虎等, 2017)、全球植被变化与气候变化的交互作用(Zhu et al, 2016; Zeng et al, 2017)等主题为中国自然地理学发展做出了重要的学科贡献。总结上述前沿成果可以得出,自然地理要素与过程的集成作为学科发展的重点内容,不仅需要关注自然要素综合、自然过程综合,更需要聚焦自然和社会的要素与过程综合,从而切实服务于社会决策(傅伯杰, 2017)。
随着数字地球学科的发展,资源卫星获得的大量地球数据亟待进行空间数据挖掘以推动成果产出,科学大数据业已成为科学研究新途径,科学范式开始从模型驱动向数据驱动发生转变(郭华东等, 2014)。当前,多分辨率、全天候、全波段、多要素地球立体观测逐步实现(Crowther et al, 2015; Pekel et al, 2016),大数据、可视化和虚拟现实技术走向应用(Jean et al, 2016)。在地理大数据时代,对空间数据的挖掘可进一步加深对空间数据的理解,并更好地服务于空间决策支持。通过多源空间数据的支持,将从根本上推动自然地理学研究更加定量、更加综合。
地理学研究目标不仅在于解释过去,更在于服务现在、预测未来(傅伯杰等, 2015)。中国自然地理学在发展过程中与人文地理学和地理信息科学长期结合,并在系统决策中发挥重要的科技支撑作用。主体功能区、资源环境承载能力等综合研究的不断深化,为我国国土空间开发保护格局优化配置提供了重要理论创新,为国家和区域治理提供了重要决策依据(樊杰, 2016)。例如,在地理信息技术支持下的“多规合一”,探索有效优化资源的空间配置,产生显著的生态、社会和经济效益(李满春等, 2017)。面向服务国家战略需求的学科发展导向,在当前自然地理学研究从概念模型走向定量表达的基础上,需进一步从统计模型走向模式模拟,构建更完善、精确的空间决策支持系统,在方法上提升自然地理学对可持续发展决策的支持能力。
本次会议通过9个主题41个专题对当代自然地理学进展进行集中展示。主要包括：自然地理学理论与进展;地貌学与地貌过程;气候、全球变化与文明;生物地理、生态系统与碳循环;水土过程;环境地理;自然地理敏感区域和关键带研究;人与自然地理耦合;自然地理学重要事件和人物。本文将上述9个主题归纳为前沿理论的凝练、过程研究的深化、重点区域的集成、社会决策的支持和人物事件的回顾5个方面(图2)。总体而言,当前中国自然地理学研究的新发展表现为：通过学科前沿理论的凝练,引导自然地理过程研究的继续深化;依托理论与方法创新,在典型流域、区域实现了自然地理过程的初步集成,切实服务于人地耦合视角下的可持续社会决策。
图2 2017全国自然地理学大会主要论题归纳
Fig.2 Main topics of the 2017 National Physical Geography Conference
围绕“自然地理学理论与进展”这一主题,“自然地理学前沿进展”专题总结了自然地理学学科最新发展态势,讨论交流了有关地貌学、生物地理学、土壤地理学、气候学、水文学等分支学科在各自研究领域不断深化过程中的进展与前沿,并探讨了学科及分支学科的前沿和发展趋势;“自然地理学的综合”专题介绍了自然地理要素、格局与过程的内在机理和方法论,围绕土地利用/覆被变化的生态响应、黄土高原植被和坝地协同拦沙效应、海岸带综合陆海要素及陆海统筹联动、生态工程的生态效益监测与评估、寒冷气候与北方农业活动的耦合关系等议题展开讨论;“资源环境情报分析与科学服务决策机制”专题讨论了资源环境战略情报研究、资源环境文本知识挖掘、科学服务决策机制与实践等问题,针对地理科学文献计量分析、水—能源—粮食纽带与地球科学整合、支撑海洋重大项目的战略情报、中国地理学者学术发表意愿等主题进行交流。
在“未来地球”计划的推动下,自然地理研究的“生态化、人文化”特征凸显,生态系统服务、人地系统耦合、脆弱性、社会—生态系统恢复力等自然—人文交互作用理论愈加受到自然地理学研究的重视。揭示岩石圈、大气圈、水圈和生物圈等地球表层各大圈层相互作用的复杂机制,亟需进一步明晰地球表层系统或陆地表层系统的要素集成途径。输入变量增加所导致的多要素、多过程研究的不确定性,以及由点至面的多尺度研究在时空尺度推绎中产生的高度不确定性等问题,亟待厘清其影响因素。如何通过学科理论的凝练,深化对自然和人文要素相互作用机理的认识,成为自然地理学理论研究需要长期关注的学科议题。
聚焦“地貌学与地貌过程”,地貌学在现代自然地理学中的作用、河流地貌过程、物源分析方法在地表过程中应用、地貌年代学与环境演化、数字地貌与区域地貌制图等专题的探讨,显示出地貌学与自然地理其他各分支的交叉,尤其展示了近年来地貌学在研究方法工具上的不断创新。关注“气候、全球变化与文明”,树木年轮与气候环境变化、植被动力过程与古气候重建、气候环境变化与文明演化、华夏山水的演变与人类活动等专题的讨论,重现了我国和周边国家的区域历史气候,并揭示其对历史人类活动的影响。面向“生物地理、生态系统与碳循环”,谱系地理、属性地理、全球变化生物地理、物种分布大尺度格局与保护四个方面成为生物地理学研究的前沿领域(刘鸿雁等, 2017);基于植被遥感、通量观测、碳循环模型模拟等深入解析了全球陆地生态系统碳循环,以及陆地生态系统的氮磷收支、迁移、转化过程;利用野外观测、遥感反演、模型模拟等多种手段,展示了过去和现代不同时间尺度极端气候的发生规律、机制以及生态系统响应过程和反馈机制。立足“水土过程”,水文水资源系统分析与模拟及不确定性、面向区域生态保育和环境治理的水文学、土壤地理与土壤过程等议题,对水土过程的机理进行解析,而变化环境下的水土资源管理与调控、信息化技术在水土环境变化监测中的应用等专题则展现了水土过程研究的社会决策应用前景。解读“环境地理”问题,对不同类型自然地理单元中人类引发的环境问题加以广泛探讨,健康地理学持续发展,对区域污染物迁移过程及其环境影响的探索则在机理层面提供了对环境地理过程的新认识。
基于更精细的观测数据,以及更具体的研究对象,自然地理过程研究近年来更具微观化、层次化、模型化的特点(冷疏影等, 2005)。值得关注的是,径流形成、植被演替、污染物迁移、土壤侵蚀等自然地理过程往往在多个地表圈层中发生,普遍受人类活动的影响,并作用于区域社会经济过程。因此在对自然地理过程研究的深化,不仅需要进一步聚焦各自然地理过程的内在数理逻辑和非线性关系,更需要区分多尺度下地表格局与过程耦合的不同特征,更加精准地揭示不同区域、不同尺度的自然地理过程发生机理,从而使研究成果更有效地预测未来并服务于可持续决策。
立足“自然地理敏感区域和关键带研究”,中国自然地理学者对自然地理过程在干旱区沙漠、荒(石)漠化地区、沿海区域、鄱阳湖流域、喀斯特地区、丝绸之路经济带以及黑河流域的集成进行了初步或深入的探索。各专题聚焦自然过程—人类活动耦合作用,主要将区域风沙或水文过程与生态过程的耦合作为集成研究的切入点,以格局与过程耦合的机理阐释为主,为区域可持续发展提供科学依据。尤其是以黑河流域为代表的内陆河流域生态水分过程与模拟集成研究中,通过建立联结观测、实验、模拟、情景分析,揭示不同尺度生态-水文过程的相互作用规律以及人类活动和气候变化影响下的过程机理,研发出耦合生态、水文和社会经济的流域集成模型,可为区域水资源管理决策提供重要支持。
在自然地理格局与过程的耦合中,基于直接观测的耦合通常在较小的空间尺度上进行,观测成果可作为较大尺度系统分析与模拟的基础(傅伯杰等, 2015)。基于区域相对详尽的定量观测资料,气候变化背景下的区域响应与适应集成研究成为自然地理学综合研究的重要前沿议题。在黑河流域的集成研究中,荒漠植被生态水文特征与生态适应机制、不同下垫面蒸散发模拟、生态水文耦合模拟、数字土壤制图方法集成等一系列主题,对自然地理过程研究的区域集成具有较为深刻的启发意义。由于区域集成研究需要建立在明晰自然地理过程发生机制的基础上,过程研究的深化是重点区域集成的前提条件。
围绕“人与自然地理耦合”议题,人地系统耦合机理与过程、城市自然地理学、城市水安全、长江经济带生态环境保护与绿色发展、耕地资源调查评价与粮食安全预警、自然环境与旅游可持续发展等专题,主要侧重于人文地理学与地理信息科学和自然地理学的学科交叉。在可持续发展目标的宏观引导下,城乡发展与资源优化配置、城市水资源管理、流域绿色发展、粮食安全、生态旅游等与社会发展决策密切相关的地理学研究内容得到广泛探讨,为国家和区域可持续发展、生态文明建设提供理论依据和实践借鉴。
对社会决策的支持是凝练自然地理前沿理论、深化自然地理过程研究,乃至进行重点区域集成的最终目标与应用出口。就学科发展而言,中国自然地理学与人文地理学和地理信息科学等相关学科的交叉融合更加广泛深入;而就学科挑战而言,陆地表层系统的复杂性与不确定性仍显著地影响研究成果的决策支持能力。降低系统模型参数取值的不确定性,提升陆地表层系统模式模拟水平,成为提升自然地理研究社会决策支持能力的关键途径。
在变化背景下,中国自然地理学在与可持续科学对接、要素与过程集成、空间数据挖掘与系统决策等领域取得新发展(图3)。地理学与可持续发展议题的深度融合为自然地理要素与过程集成确定了目标导向,自然地理要素与过程集成结果则为陆地表层系统决策提供了机理解析途径;地理空间数据的挖掘与融合为自然地理要素与过程集成提供了基础数据支持,而陆地表层系统决策成果直接服务于国家和区域可持续发展实践。面对变化中的全球环境以及变化中的学科热点,中国自然地理学也面临着过程研究深化和区域集成模拟的新挑战,本文将其总结为以下3方面。
(1) 深化自然地理学分支学科的过程研究,夯实自然地理格局与过程耦合理论基础。当前,自然地理学分支学科在地貌过程、气候变化过程、生物地理过程、水文过程、土壤过程等方面持续取得进展,但仍不足以对陆地表层系统过程集成提供充分的参数支持。自然地理学分支学科过程研究无疑是进行学科交叉与成果集成的基础环节,自然地理单一过程研究势必将更加微观、更加深入(冷疏影等, 2005)。面对全球变化下陆地表层系统的剧烈改变,在格局分析的基础上深入厘清地貌、气候、生物、水文、土壤等地理过程的形成与演化机制,进一步凝练自然地理前沿理论、深化自然地理过程研究,成为自然地理学在科学发现层面的重要挑战。
(2) 推进综合自然地理学的发展,聚焦陆地表层系统集成前沿议题。我国综合自然地理学研究在国际地理学研究领域处于领先地位,并在近30来不断发展(李双成等, 2017; 彭建等, 2017)。面对复杂的全球变化以及可持续发展的需求,自然地理学必须进行更高层次的综合和集成,加强多学科间的交叉融合,注重人与自然地理的耦合研究。在学科交叉融合的背景下,综合自然地理学也将在连接自然地理学分支学科过程中扮演更为重要的角色。依托自然地理学分支学科对自然地理过程形成机理的深度解析,寻求定量化的陆地表层系统综合途径,继承并发扬地理学交叉性、综合性学科优势,成为自然地理学在提升学科价值层面的重要挑战。
(3) 提升陆地表层系统观测和模拟水平,面向未来可持续发展决策。陆地表层过程交互的复杂性为地理学综合研究带来了诸多困扰和挑战,尤其是数据和模型的不确定性制约了对自然地理过程形成与演化机制的系统解析。为控制和减少不确定性,有必要关注模型预测和观测结果的互补性,进一步研发数据同化算法,提高模型预测精度(李新, 2013)。通过长期的野外观测、综合调查以及模型模拟的集成,提高对地理大数据的空间挖掘能力,将有助于应对并解决空间与时间上更为复杂的自然地理格局和过程耦合问题。面向全球环境变化下的不同区域发展情景,提供更高精度的多要素、多过程、多尺度模式模拟结果,满足国家和区域可持续发展战略需求,成为自然地理学在服务社会决策层面的重要挑战。
总之,自然地理学各部门学科的交叉和融合,既是变化背景下中国自然地理学发展的重要成果,也是未来中国自然地理学学科发展的重要导向。
深化自然地理学分支学科的过程研究、推进综合自然地理学的发展、提升陆地表层系统观测和模拟水平,有助于进一步巩固自然地理学在地理科学学科体系中的基础学科地位,为在国际上建设具有中国特色的地理学、满足国家重大战略需求和全球可持续发展作出更重要的学科贡献。
The authors have declared that no competing interests exist.
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当代自然地理学态势 [J].https://doi.org/10.11821/yj2010010001 URL [本文引用: 1] 摘要
认识自然地理学的发展态势,有助于把握学术前沿.当代自然地理学不仅研究组成自然环境的各个要素及其相互作用,研究空间过程和区域差异,也研究随时间进程而发生的各种过程及其中的各种关系,将一定时间或空间尺度上获得的结果推演到其他尺度,将自然地理学的研究成果应用于解决实际的资源、环境管理问题.国际自然地理学的新领域可以概括为自然地理系统、自然地理过程、景观与环境变化、人类活动与环境变化、全球自然地理学和文化自然地理学.中国现代自然地理学源于本土地理学并受欧美地理学和俄罗斯地理学的影响,在满足国家和社会需求方而表现突出,但在学术思想、理论和方法方面,独立的建树和自主创新尚待加强.我国自然地理学未来发展趋势是走向更加综合、站在全球变化的高度、走向更深入地揭示关键过程及其动态变化的机理机制、更加重视高新技术的运用、更加密切地为实现区域可持续发展服务,并需要加强科学思维、科学方法和科学工具的研究和创新.
New perspectives on physical geography [J].https://doi.org/10.11821/yj2010010001 URL [本文引用: 1] 摘要
认识自然地理学的发展态势,有助于把握学术前沿.当代自然地理学不仅研究组成自然环境的各个要素及其相互作用,研究空间过程和区域差异,也研究随时间进程而发生的各种过程及其中的各种关系,将一定时间或空间尺度上获得的结果推演到其他尺度,将自然地理学的研究成果应用于解决实际的资源、环境管理问题.国际自然地理学的新领域可以概括为自然地理系统、自然地理过程、景观与环境变化、人类活动与环境变化、全球自然地理学和文化自然地理学.中国现代自然地理学源于本土地理学并受欧美地理学和俄罗斯地理学的影响,在满足国家和社会需求方而表现突出,但在学术思想、理论和方法方面,独立的建树和自主创新尚待加强.我国自然地理学未来发展趋势是走向更加综合、站在全球变化的高度、走向更深入地揭示关键过程及其动态变化的机理机制、更加重视高新技术的运用、更加密切地为实现区域可持续发展服务,并需要加强科学思维、科学方法和科学工具的研究和创新.
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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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中国地理科学的国家需求与发展战略 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2004.06.002 URL [本文引用: 1] 摘要
中国未来的产业优化与升级、农业发展、高技术产业发展、国际贸易、城市化、人口健康、资源综合利用和社会可持续发展、能源结构优化、环境改善、国家安全都需要地理学做出贡献.为此,中国地理学要以国家需求为导向,解决国家发展中的重大地理学问题;要加强基础研究,在若干主攻方向上占领国际学术前沿阵地;要充分发挥我国的地理优势,发展具有中国特色的地理科学;要整合和提升已有基础,造就优秀地理学家群体;要建立地理研究的高新技术体系,建成世界一流的地理研究和实验基地;产出具有世界影响的地理科学成果.未来中国地理学的战略重点是:以综合的观点和学科交叉的方式研究地球表层系统的演变及其动态机制,创新理论体系;在方法上发扬地理学综合方法和区域研究方法,开拓格局与过程耦合的技术路线,发展地球信息科学与"数字地球",发展地理实验;组织科技攻关:加强第一手数据的获取;要在国土整治研究、区域可持续发展研究、全球变化及其区域响应研究、地理信息应用研究等应用方向与技术上取得突破.为了发展中国地理科学,需要在政策与社会、投入、教育、组织等方面提供保障.
National demands for and development strategies of Chinese geography [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2004.06.002 URL [本文引用: 1] 摘要
中国未来的产业优化与升级、农业发展、高技术产业发展、国际贸易、城市化、人口健康、资源综合利用和社会可持续发展、能源结构优化、环境改善、国家安全都需要地理学做出贡献.为此,中国地理学要以国家需求为导向,解决国家发展中的重大地理学问题;要加强基础研究,在若干主攻方向上占领国际学术前沿阵地;要充分发挥我国的地理优势,发展具有中国特色的地理科学;要整合和提升已有基础,造就优秀地理学家群体;要建立地理研究的高新技术体系,建成世界一流的地理研究和实验基地;产出具有世界影响的地理科学成果.未来中国地理学的战略重点是:以综合的观点和学科交叉的方式研究地球表层系统的演变及其动态机制,创新理论体系;在方法上发扬地理学综合方法和区域研究方法,开拓格局与过程耦合的技术路线,发展地球信息科学与"数字地球",发展地理实验;组织科技攻关:加强第一手数据的获取;要在国土整治研究、区域可持续发展研究、全球变化及其区域响应研究、地理信息应用研究等应用方向与技术上取得突破.为了发展中国地理科学,需要在政策与社会、投入、教育、组织等方面提供保障.
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中国自然地理学的发展趋势与优先领域 [J].
科学研究需要把握学科的发展趋势和优先领域。影响自然地理学发展的主要因素包括社会需求、学科自身性质和其他学科的影响。自然地理学当前发展态势包括积极参与多学科研究计划、新思维和新领域的出现、模式(model)作为重要手段、在认识自然演变机理的基础上解释空间格局、成果得到更广泛应用等。未来自然地理学将出现更加综合、在全球变化的高度上进行研究、更深入地揭示过程及其动态变化的机理机制、更多运用高新技术武装、更加密切地为实现区域可持续发展服务等趋势。中国自然地理学未来的优先领域是:人类活动对全球变化的影响及适应,土地变化过程及其生态环境效应与调控,城市化过程及其资源环境效应与调控,流域地表过程与综合管理,土壤演变过程及其对土壤质量的影响,资源与生态的可持续性,污染物的区域环境过程、健康风险与控制,灾害形成机制与综合风险管理,生态系统服务功能综合评估。要加强特殊自然地理区域的综合研究,包括区域综合理论研究,寒区现代地表过程对气候变化的响应,干旱化过程与人地关系演化,湿地生态过程、服务功能与恢复模式,风成环境与风成过程及其调控,喀斯特生态系统的演变过程与可持续性,青藏高原生态屏障作用及区域生态安全,山地灾害与环境相互作用及区域生态安全。
Future development trends and priority areas of physical geography in China [J].
科学研究需要把握学科的发展趋势和优先领域。影响自然地理学发展的主要因素包括社会需求、学科自身性质和其他学科的影响。自然地理学当前发展态势包括积极参与多学科研究计划、新思维和新领域的出现、模式(model)作为重要手段、在认识自然演变机理的基础上解释空间格局、成果得到更广泛应用等。未来自然地理学将出现更加综合、在全球变化的高度上进行研究、更深入地揭示过程及其动态变化的机理机制、更多运用高新技术武装、更加密切地为实现区域可持续发展服务等趋势。中国自然地理学未来的优先领域是:人类活动对全球变化的影响及适应,土地变化过程及其生态环境效应与调控,城市化过程及其资源环境效应与调控,流域地表过程与综合管理,土壤演变过程及其对土壤质量的影响,资源与生态的可持续性,污染物的区域环境过程、健康风险与控制,灾害形成机制与综合风险管理,生态系统服务功能综合评估。要加强特殊自然地理区域的综合研究,包括区域综合理论研究,寒区现代地表过程对气候变化的响应,干旱化过程与人地关系演化,湿地生态过程、服务功能与恢复模式,风成环境与风成过程及其调控,喀斯特生态系统的演变过程与可持续性,青藏高原生态屏障作用及区域生态安全,山地灾害与环境相互作用及区域生态安全。
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自然地理学、地球表层学和综合地理学 [J].Physical geography, epigeosphere science and integrated geography [J]. |
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丝绸之路与泛第三极地区人类活动、环境变化和丝路文明兴衰 [J].
泛第三极地区主要包括了青藏高原和其北侧的亚洲内陆干旱区,西至高加索等山脉,东至黄土高原西部。该区地处欧亚大陆腹地,是史前和历史时期东西方交流的主要通道,不同民族和多种文化历经了复杂而长期的接触、交流、冲突、融合和沉淀,开辟了东西方文明交流的便利通道,深刻地影响了人类文明发展的进程。研究泛第三极地区人类扩散、人类活动、环境变化和丝路文明兴衰及其相互关系,分析这一关键区域的社会环境发展规律,对于增强丝绸之路沿线各国的历史文化认同、揭示丝绸之路沿线地区的自然和社会演变规律,具有十分重要的理论与现实意义,同时也将为绿色丝绸之路建设提供历史借鉴和决策参考。泛第三极地区人类活动历史、文明演化过程及其与环境变化的相互作用应当成为我国的重点研究领域。
Human activities, environmental changes, and rise and decline of Silk Road civilization in Pan-Third Pole Region [J].
泛第三极地区主要包括了青藏高原和其北侧的亚洲内陆干旱区,西至高加索等山脉,东至黄土高原西部。该区地处欧亚大陆腹地,是史前和历史时期东西方交流的主要通道,不同民族和多种文化历经了复杂而长期的接触、交流、冲突、融合和沉淀,开辟了东西方文明交流的便利通道,深刻地影响了人类文明发展的进程。研究泛第三极地区人类扩散、人类活动、环境变化和丝路文明兴衰及其相互关系,分析这一关键区域的社会环境发展规律,对于增强丝绸之路沿线各国的历史文化认同、揭示丝绸之路沿线地区的自然和社会演变规律,具有十分重要的理论与现实意义,同时也将为绿色丝绸之路建设提供历史借鉴和决策参考。泛第三极地区人类活动历史、文明演化过程及其与环境变化的相互作用应当成为我国的重点研究领域。
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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 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 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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我国国土空间开发保护格局优化配置理论创新与“十三五”规划的应对策略 [J].
我国空间管制和区域治理存在的核心问题是：长远和顶层的战略缺失或近期出现战略碎片化迹象,规划和政策因忽略区域差别化而针对性差,配套体系不完整,约束性手段欠缺等。针对这些问题,亟需在国土空间优化配置理论、区域协调发展理论、城市化和城乡发展一体化理论等方面实现创新。结合我国＂十三五＂规划在该领域面临的重大问题,文章以＂创新、协调、绿色、开放、共享＂的发展理念为主线,以国土空间开发保护战略格局、东西双向开放战略对我国区域发展格局的影响、主体功能区和资源环境承载能力、精准扶贫和差异化的城镇化模式,以及党的十八届五中全会公告引起社会普遍关注的二胎政策的区域响应等为主要内容,重点讨论了未来空间管制和区域治理的理论创新的关键命题,包括深入研究影响国土空间格局变化和区域发展的新因素和新机制,修订和完善国土开发保护的空间结构组织原理,建构区域差异化发展模式和区域政策体系,揭示促进不同类型区域之间利益均衡的调控机理。文章还尝试运用新理念和新思路,针对＂十三五＂规划应对策略提出了新建议,以期为＂十三五＂规划在城镇化与区域发展领域的研制工作提供参考。
Theoretical innovation in optimization of protection and development of china’s territorial space and coping strategy of 13th five-year plan [J].
我国空间管制和区域治理存在的核心问题是：长远和顶层的战略缺失或近期出现战略碎片化迹象,规划和政策因忽略区域差别化而针对性差,配套体系不完整,约束性手段欠缺等。针对这些问题,亟需在国土空间优化配置理论、区域协调发展理论、城市化和城乡发展一体化理论等方面实现创新。结合我国＂十三五＂规划在该领域面临的重大问题,文章以＂创新、协调、绿色、开放、共享＂的发展理念为主线,以国土空间开发保护战略格局、东西双向开放战略对我国区域发展格局的影响、主体功能区和资源环境承载能力、精准扶贫和差异化的城镇化模式,以及党的十八届五中全会公告引起社会普遍关注的二胎政策的区域响应等为主要内容,重点讨论了未来空间管制和区域治理的理论创新的关键命题,包括深入研究影响国土空间格局变化和区域发展的新因素和新机制,修订和完善国土开发保护的空间结构组织原理,建构区域差异化发展模式和区域政策体系,揭示促进不同类型区域之间利益均衡的调控机理。文章还尝试运用新理念和新思路,针对＂十三五＂规划应对策略提出了新建议,以期为＂十三五＂规划在城镇化与区域发展领域的研制工作提供参考。
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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: 4] 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: 4] 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: 4] 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: 4] 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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科学大数据与数字地球 [J].https://doi.org/10.1360/972013-1054 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
<p>大数据研究正发展为科技、经济、社会等各领域的关注焦点，诸多国家已将大数据研究上升至国家战略层面. 本文从时空角度论述了大数据的缘起、内涵与发展势态，分析了科学大数据成为科学研究新途径的历程——科学范式开始从模型驱动向数据驱动发生转变. 给出了科学大数据的定义及科学大数据计算的应对策略. 进一步地论述了数字地球学科的基本理论框架和数字地球中的数据系统，指出了数字地球学科具有大数据的鲜明特点. 最后以“胡焕庸线”形成机理的空间认知研究为例，具体阐述了数字地球学科中的大数据研究的理论和方法.</p>
Scientific big data and Digital Earth [J].https://doi.org/10.1360/972013-1054 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
<p>大数据研究正发展为科技、经济、社会等各领域的关注焦点，诸多国家已将大数据研究上升至国家战略层面. 本文从时空角度论述了大数据的缘起、内涵与发展势态，分析了科学大数据成为科学研究新途径的历程——科学范式开始从模型驱动向数据驱动发生转变. 给出了科学大数据的定义及科学大数据计算的应对策略. 进一步地论述了数字地球学科的基本理论框架和数字地球中的数据系统，指出了数字地球学科具有大数据的鲜明特点. 最后以“胡焕庸线”形成机理的空间认知研究为例，具体阐述了数字地球学科中的大数据研究的理论和方法.</p>
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中国綜合自然区划的初步草案 [J].Zhongguo zonghe ziran quhua de chubu caoan [J]. |
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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: 3] 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: 3] 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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地理信息技术支持的“多规合一”: 以常州市新北区为例 [J].Multiple planning integration based on geo-information technology: A case study of Xinbei district in Changzhou [J]. |
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北京大学综合自然地理学研究的发展与贡献 [J].https://doi.org/10.11821/dlxb201711003 URL [本文引用: 1] 摘要
北京大学的综合自然地理学缘起于1952年全国院系调整时在本校设置的自然地理学学科,在半个多世纪的发展历程中,经历了学科初创和完善等阶段,逐渐形成了面向学科前沿和国家需求的综合自然地理学学科体系.针对日趋严峻的气候变化、资源环境和社会经济发展问题,北京大学综合自然地理学在陆地表层过程及机理、土地利用/覆被变化及其生态环境效应、生态系统服务与人类福祉、生态风险评价与安全格局构建、自然地域系统划分等方面进行了开拓创新,取得了丰硕成果,引领了中国综合自然地理学的发展.展望未来,北京大学综合自然地理学将持续进行水、土、气、生等自然地理要素与过程的综合研究,认识人类活动与全球环境变化对主要自然地理过程和格局的影响机理,通过构建观测数据与地表系统模型融合系统,定量评估要素与过程耦合的区域资源环境效应及其对社会经济的影响,在生态文明建设、主体功能区划、国土开发整治和流域综合管理等国家战略服务方面做出更大贡献.
Recent research progress at Peking University and contributions to integrated physical geography [J].https://doi.org/10.11821/dlxb201711003 URL [本文引用: 1] 摘要
北京大学的综合自然地理学缘起于1952年全国院系调整时在本校设置的自然地理学学科,在半个多世纪的发展历程中,经历了学科初创和完善等阶段,逐渐形成了面向学科前沿和国家需求的综合自然地理学学科体系.针对日趋严峻的气候变化、资源环境和社会经济发展问题,北京大学综合自然地理学在陆地表层过程及机理、土地利用/覆被变化及其生态环境效应、生态系统服务与人类福祉、生态风险评价与安全格局构建、自然地域系统划分等方面进行了开拓创新,取得了丰硕成果,引领了中国综合自然地理学的发展.展望未来,北京大学综合自然地理学将持续进行水、土、气、生等自然地理要素与过程的综合研究,认识人类活动与全球环境变化对主要自然地理过程和格局的影响机理,通过构建观测数据与地表系统模型融合系统,定量评估要素与过程耦合的区域资源环境效应及其对社会经济的影响,在生态文明建设、主体功能区划、国土开发整治和流域综合管理等国家战略服务方面做出更大贡献.
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陆地表层系统模拟和观测的不确定性及其控制 [J].
不确定性是定量认识陆地表层系统的最大挑战之一.本文讨论了陆地表层系统中不确定性的来源及减小和控制不确定性的可能途径.从模型模拟的角度,不确定性的首要来源是影响陆地表层的参数、状态变量和近地表大气状态等边界条件的高度异质性.从观测的角度,我们首先用代表性误差的概念统一了由尺度代表性所引起的误差.代表性误差也主要来源于空间异质性,对于定点观测,它指将模型单元的模型状态映射到某一观测在其所代表性空间上的观测值时的误差,对于遥感观测,它是将地表变量映射到遥感原始观测的误差.从控制和减小系统不确定性的角度论证了模型和观测互补的重要性,提出应以随机的观点对待复杂的陆地表层系统;并通过对两种现代数据同化方法的介绍,说明数据同化是如何通过最大限度地融合模型和观测信息,来处理和控制不确定性,从而增强系统的可预报性和可观测性的.我们认为,新一代模型应描述动力学系统的统计分布,而观测应捕捉空间异质性,度量观测的代表性误差.
Characterization, controlling, and reduction of uncertainties in the modeling and observation of land-surface systems [J].
不确定性是定量认识陆地表层系统的最大挑战之一.本文讨论了陆地表层系统中不确定性的来源及减小和控制不确定性的可能途径.从模型模拟的角度,不确定性的首要来源是影响陆地表层的参数、状态变量和近地表大气状态等边界条件的高度异质性.从观测的角度,我们首先用代表性误差的概念统一了由尺度代表性所引起的误差.代表性误差也主要来源于空间异质性,对于定点观测,它指将模型单元的模型状态映射到某一观测在其所代表性空间上的观测值时的误差,对于遥感观测,它是将地表变量映射到遥感原始观测的误差.从控制和减小系统不确定性的角度论证了模型和观测互补的重要性,提出应以随机的观点对待复杂的陆地表层系统;并通过对两种现代数据同化方法的介绍,说明数据同化是如何通过最大限度地融合模型和观测信息,来处理和控制不确定性,从而增强系统的可预报性和可观测性的.我们认为,新一代模型应描述动力学系统的统计分布,而观测应捕捉空间异质性,度量观测的代表性误差.
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黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计 [J].https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2012.05.0481 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
<p>介绍了“黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验”的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力，建立国际领先的流域观测系统，提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中，①基础试验：搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备，开展一系列关键生态和水文参量的观测；发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网，为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络，度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络，并辅之以地面同步和加密观测，开展遥感产品真实性检验。②专题试验：开展“非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验”，采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵，为揭示地表蒸散发的空间异质性，实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展，发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验：在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验，将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型，通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开，全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下，开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产，发展尺度转换方法，建立多源遥感数据同化系统。</p>
HiWATER: An integrated remote sensing experiment on hydrological and ecological processes in the Heihe River Basin [J].https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2012.05.0481 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
<p>介绍了“黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验”的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力，建立国际领先的流域观测系统，提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中，①基础试验：搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备，开展一系列关键生态和水文参量的观测；发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网，为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络，度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络，并辅之以地面同步和加密观测，开展遥感产品真实性检验。②专题试验：开展“非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验”，采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵，为揭示地表蒸散发的空间异质性，实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展，发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验：在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验，将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型，通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开，全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下，开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产，发展尺度转换方法，建立多源遥感数据同化系统。</p>
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试论地理学的性质 [J].
对于地理学,曾有不少地理学者下过定义,但是至今还没有一个定义为大家所公认。这是因为地理学所研究的是非常复杂的现象,其复杂程度远远超过其它学科,因此,不是简短的定义所能表达的。又因为每个地理学者在研究地理学的时候,只能研究某些方面,各有所偏重,见解也就有所不同。因此,与其从定义出发,不如就有关地理学性质的几个问题进行讨论,也许更有意义。
Some remarks on the nature of geography [J].
对于地理学,曾有不少地理学者下过定义,但是至今还没有一个定义为大家所公认。这是因为地理学所研究的是非常复杂的现象,其复杂程度远远超过其它学科,因此,不是简短的定义所能表达的。又因为每个地理学者在研究地理学的时候,只能研究某些方面,各有所偏重,见解也就有所不同。因此,与其从定义出发,不如就有关地理学性质的几个问题进行讨论,也许更有意义。
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北京大学生物地理学与生态学的发展与成就 [J].Development and achievements of biogeography and ecology at Peking University [J]. |
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从自然区划、土地变化到景观服务: 发展中的中国综合自然地理学 [J].From natural regionalization, land change to landscape service: The development of integrated physical geography in China [J]. |
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冰冻圈变化及其对中国气候的影响 [J].https://doi.org/10.11676/qxxb2014.080 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
冰冻圈是全球气候变化的显著因子和指示器，也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层，在地球气候系统中占据举足轻重的地位。在全球变暖背景下，冰冻圈研究受到前所未有的重视，成为气候系统研究中最活跃的领域之一；冰冻圈变化正在引起的一系列社会经济影响是当前全球变化和可持续发展最为关注的热点之一。文中给出了气候变暖背景下近几十年来全球和中国冰冻圈的变化特征，以及未来可能的变化趋势；着重从气候效应角度，综述了青藏高原和欧亚积雪、北极和南极海冰、冻土与冰川变化对中国气候影响的研究成果；并讨论了中国冰冻圈科学研究的未来发展方向。
Progress in studies of cryospheric changes and their impacts on climate of China [J].https://doi.org/10.11676/qxxb2014.080 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
冰冻圈是全球气候变化的显著因子和指示器，也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层，在地球气候系统中占据举足轻重的地位。在全球变暖背景下，冰冻圈研究受到前所未有的重视，成为气候系统研究中最活跃的领域之一；冰冻圈变化正在引起的一系列社会经济影响是当前全球变化和可持续发展最为关注的热点之一。文中给出了气候变暖背景下近几十年来全球和中国冰冻圈的变化特征，以及未来可能的变化趋势；着重从气候效应角度，综述了青藏高原和欧亚积雪、北极和南极海冰、冻土与冰川变化对中国气候影响的研究成果；并讨论了中国冰冻圈科学研究的未来发展方向。
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地理学研究范式的思考 [J].https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2016.01.001 URL [本文引用: 1] 摘要
地理学主要关注陆地表层自然和人文要素的空间分异规律研究,针对这一复杂系统的不同问题应该选择不同的研究方式。本文在思考以往地理学研究方式的基础上,将地理学研究范式概括为：地理经验科学研究范式、地理实证科学研究范式、地理系统科学研究范式和地理大数据研究范式。对不同地理科学问题应选取不同的范式加以研究,对有些复杂科学问题应采用多种研究范式加以解决。
On paradigms of geographical research [J].https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2016.01.001 URL [本文引用: 1] 摘要
地理学主要关注陆地表层自然和人文要素的空间分异规律研究,针对这一复杂系统的不同问题应该选择不同的研究方式。本文在思考以往地理学研究方式的基础上,将地理学研究范式概括为：地理经验科学研究范式、地理实证科学研究范式、地理系统科学研究范式和地理大数据研究范式。对不同地理科学问题应选取不同的范式加以研究,对有些复杂科学问题应采用多种研究范式加以解决。
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开展土地利用调查与制图为农业现代化服务 [J].Kaizhan tudi liyong diaocha yu zhitu wei nongye xiandaihua fuwu [J]. |
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全球变化背景下中国自然地域系统研究前沿 [J].Frontiers in terrestrial system research in China under global change [J]. |
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Mapping tree density at a global scale [J].https://doi.org/10.1038/nature16178 URL PMID: 26675733 [本文引用: 1] 摘要
The global extent and distribution of forest trees is central to our understanding of the terrestrial biosphere. We provide the first spatially continuous map of forest tree density at a global scale. This map reveals that the global number of trees is approximately 3.04 trillion, an order of magnitude higher than the previous estimate. Of these trees, approximately 1.39 trillion exist in tropical and subtropical forests, with 0.74 trillion in boreal regions and 0.61 trillion in temperate regions. Biome-level trends in tree density demonstrate the importance of climate and topography in controlling local tree densities at finer scales, as well as the overwhelming effect of humans across most of the world. Based on our projected tree densities, we estimate that over 15 billion trees are cut down each year, and the global number of trees has fallen by approximately 46% since the start of human civilization.
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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: 2] 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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The changing nature of physical geography [M]. |
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Globally networked risks and how to respond [J].https://doi.org/10.1038/nature12047 URL PMID: 23636396 [本文引用: 2] 摘要
Today's strongly connected, global networks have produced highly interdependent systems that we do not understand and cannot control well. These systems are vulnerable to failure at all scales, posing serious threats to society, even when external shocks are absent. As the complexity and interaction strengths in our networked world increase, man-made systems can become unstable, creating uncontrollable situations even when decision-makers are well-skilled, have all data and technology at their disposal, and do their best. To make these systems manageable, a fundamental redesign is needed. A `Global Systems Science' might create the required knowledge and paradigm shift in thinking.
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Combining satellite imagery and machine learning to predict poverty [J].https://doi.org/10.1126/science.aaf7894 URL [本文引用: 1] |
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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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The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale [J].https://doi.org/10.1038/nature15371 URL PMID: 26381985 [本文引用: 1] 摘要
Assessment of the global burden of disease is based on epidemiological cohort studies that connect premature mortality to a wide range of causes, including the long-term health impacts of ozone and fine particulate matter with a diameter smaller than 2.5 micrometres (PM2.5). It has proved difficult to quantify premature mortality related to air pollution, notably in regions where air quality is not monitored, and also because the toxicity of particles from various sources may vary. Here we use a global atmospheric chemistry model to investigate the link between premature mortality and seven emission source categories in urban and rural environments. In accord with the global burden of disease for 2010 (ref. 5), we calculate that outdoor air pollution, mostly by PM2.5, leads to 3.3 (95 per cent confidence interval 1.61-4.81) million premature deaths per year worldwide, predominantly in Asia. We primarily assume that all particles are equally toxic, but also include a sensitivity study that accounts for differential toxicity. We find that emissions from residential energy use such as heating and cooking, prevalent in India and China, have the largest impact on premature mortality globally, being even more dominant if carbonaceous particles are assumed to be most toxic. Whereas in much of the USA and in a few other countries emissions from traffic and power generation are important, in eastern USA, Europe, Russia and East Asia agricultural emissions make the largest relative contribution to PM2.5, with the estimate of overall health impact depending on assumptions regarding particle toxicity. Model projections based on a business-as-usual emission scenario indicate that the contribution of outdoor air pollution to premature mortality could double by 2050.
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Systems integration for global sustainability [J].https://doi.org/10.1126/science.1258832 URL [本文引用: 1] |
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High-resolution mapping of global surface water and its long-term changes [J].https://doi.org/10.1038/nature20584 URL PMID: 27926733 [本文引用: 1] 摘要
Abstract The location and persistence of surface water (inland and coastal) is both affected by climate and human activity and affects climate, biological diversity and human wellbeing. Global data sets documenting surface water location and seasonality have been produced from inventories and national descriptions, statistical extrapolation of regional data and satellite imagery, but measuring long-term changes at high resolution remains a challenge. Here, using three million Landsat satellite images, we quantify changes in global surface water over the past 32 years at 30-metre resolution. We record the months and years when water was present, where occurrence changed and what form changes took in terms of seasonality and persistence. Between 1984 and 2015 permanent surface water has disappeared from an area of almost 90,000 square kilometres, roughly equivalent to that of Lake Superior, though new permanent bodies of surface water covering 184,000 square kilometres have formed elsewhere. All continental regions show a net increase in permanent water, except Oceania, which has a fractional (one per cent) net loss. Much of the increase is from reservoir filling, although climate change is also implicated. Loss is more geographically concentrated than gain. Over 70 per cent of global net permanent water loss occurred in the Middle East and Central Asia, linked to drought and human actions including river diversion or damming and unregulated withdrawal. Losses in Australia and the USA linked to long-term droughts are also evident. This globally consistent, validated data set shows that impacts of climate change and climate oscillations on surface water occurrence can be measured and that evidence can be gathered to show how surface water is altered by human activities. We anticipate that this freely available data will improve the modelling of surface forcing, provide evidence of state and change in wetland ecotones (the transition areas between biomes), and inform water-management decision-making.
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Celebrating 10 years of Sustainability Science journal [J].https://doi.org/10.1007/s11625-017-0434-4 URL [本文引用: 1] 摘要
No Abstract available for this article.
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Reconstructing paleoenvironments and palaeoclimates in drylands: What can landform analysis contribute [J].https://doi.org/10.1002/esp.3190 URL [本文引用: 1] 摘要
Quaternary period palaeoenvironmental and palaeoclimatic reconstructions are based on a wide and diverse array of proxy data sets, some of which are geomorphological in nature. In drylands, where organic proxies may be limited, the use of landforms is particularly important, but challenging. The capacity to establish the age of depositional forms, particularly through the use of luminescence dating, has advanced the use of landforms in dryland palaeo-research, though interpretation of these ‘geoproxy’ records can be complex, especially at the nexus of palaeoclimate and palaeoenvironmental interpretations of past conditions. In this paper the use of aeolian and lacustrine forms in Quaternary research is considered, focusing on the relationships between dynamics, form and climate, and on the essential linkage between process research and palaeoenvironmental research. It is concluded that landform analysis is a critical part of dryland palaeoenvironmental/climate reconstruction, contributing a different set of data compared to other data sources, in terms of the elements of past conditions that are revealed. Five principles are identified to improve the use of geoproxy records in Quaternary research: (1) greater use of geomorphic process studies by Quaternary scientists, to better inform palaeolandform interpretation; (2) further development of the use of chronometric data, especially in terms of interpreting large data; (3) interpret landform records in location-specific contexts, not in general terms; (4) capitalise of the complexity of spatially-extensive landform records, which may offer better representations of real Quaternary environmental complexity than ‘at a point’ proxies; (5) establish ways of integrating spatially-extensive geoproxy records with other palaeoenvironmental records. These challenges are major, but not insurmountable, and should represent goals for geomorphologists, chronologists and quaternary scientists alike. Copyright 08 2011 John Wiley & Sons, Ltd.
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The terrestrial biosphere as a net source of greenhouse gases to the atmosphere [J].https://doi.org/10.1038/nature16946 URL PMID: 26961656 [本文引用: 1] 摘要
The terrestrial biosphere can release or absorb the greenhouse gases, carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O), and therefore has an important role in regulating atmospheric composition and climate. Anthropogenic activities such as land-use change, agriculture and waste management have altered terrestrial biogenic greenhouse gas fluxes, and the resulting increases in methane and nitrous oxide emissions in particular can contribute to climate change. The terrestrial biogenic fluxes of individual greenhouse gases have been studied extensively, but the net biogenic greenhouse gas balance resulting from anthropogenic activities and its effect on the climate system remains uncertain. Here we use bottom-up (inventory, statistical extrapolation of local flux measurements, and process-based modelling) and top-down (atmospheric inversions) approaches to quantify the global net biogenic greenhouse gas balance between 1981 and 2010 resulting from anthropogenic activities and its effect on the climate system. We find that the cumulative warming capacity of concurrent biogenic methane and nitrous oxide emissions is a factor of about two larger than the cooling effect resulting from the global land carbon dioxide uptake from 2001 to 2010. This results in a net positive cumulative impact of the three greenhouse gases on the planetary energy budget, with a best estimate (in petagrams of CO2 equivalent per year) of 3.965±653.8 (top down) and 5.465±654.8 (bottom up) based on the GWP100 metric (global warming potential on a 100-year time horizon). Our findings suggest that a reduction in agricultural methane and nitrous oxide emissions, particularly in Southern Asia, may help mitigate climate change.
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Classic period collapse of the central maya lowlands: Insights about human-environment relationships for sustainability [J].https://doi.org/10.1073/pnas.1210106109 URL PMID: 22912403 [本文引用: 1] 摘要
Abstract The ninth century collapse and abandonment of the Central Maya Lowlands in the Yucat n peninsular region were the result of complex human-environment interactions. Large-scale Maya landscape alterations and demands placed on resources and ecosystem services generated high-stress environmental conditions that were amplified by increasing climatic aridity. Coincident with this stress, the flow of commerce shifted from land transit across the peninsula to sea-borne transit around it. These changing socioeconomic and environmental conditions generated increasing societal conflicts, diminished control by the Maya elite, and led to decisions to move elsewhere in the peninsular region rather than incur the high costs of maintaining the human-environment systems in place. After abandonment, the environment of the Central Maya Lowlands largely recovered, although altered from its state before Maya occupation; the population never recovered. This history and the spatial and temporal variability in the pattern of collapse and abandonment throughout the Maya lowlands support the case for different conditions, opportunities, and constraints in the prevailing human-environment systems and the decisions to confront them. The Maya case lends insights for the use of paleo- and historical analogs to inform contemporary global environmental change and sustainability.
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Climate mitigation from vegetation biophysical feedbacks during the past three decades [J].
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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Greening of the earth and its drivers [J].
Global environmental change is rapidly altering the dynamics of terrestrial vegetation, with consequences for the functioning of the Earth system and provision of ecosystem services. Yet how global vegetation is responding to the changing environment is not well established. Here we use three long-term satellite leaf area index (LAI) records and ten global ecosystem models to investigate four key drivers of LAI trends during 1982-2009. We show a persistent and widespread increase of growing season integrated LAI (greening) over 25% to 50% of the global vegetated area, whereas less than 4% of the globe shows decreasing LAI (browning). Factorial simulations with multiple global ecosystem models suggest that COfertilization effects explain 70% of the observed greening trend, followed by nitrogen deposition (9%), climate change (8%) and land cover change (LCC) (4%). COfertilization effects explain most of the greening trends in the tropics, whereas climate change resulted in greening of the high latitudes and the Tibetan Plateau. LCC contributed most to the regional greening observed in southeast China and the eastern United States. The regional effects of unexplained factors suggest that the next generation of ecosystem models will need to explore the impacts of forest demography, differences in regional management intensities for cropland and pastures, and other emerging productivity constraints such as phosphorus availability.
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