自然地理學方法研究與學科發展*

李雙成 許學工 蔡運龍

（北京大學地理科學研究中心 北京大學城市與環境學院 北京 100871）

1 引言

作為地理學的重要分支學科，現代自然地理學在過去近兩個世紀中經歷了跌宕起伏的發展歷程。從早期的自然地理學一支獨大，到后來自然與人文地理共同繁榮；從自然地理學整體發展，到內部各個分支學科紛紛脫離母體；從極力融入自然科學的“范型學科”體系，到當代自然地理學的多元化發展；從研究區域性的自然環境特征，到關注全球性的環境變化與人類福祉。在此過程中，留下了許多有關自然地理學發展的事件和標志性成果，從中可以梳理出發展的路徑和驅動力，進而可以明晰未來的發展趨勢。

中國現代自然地理學在上世紀初由歐美引入，50—60年代深受前蘇聯學派影響，到改革開放后，各種學派和思潮紛至。新中國建立以后，中國自然地理學發展的驅動模式以“任務帶學科”為主，即以國家需求為目標導向，強調自然地理學的應用性。誠然，這種發展模式對于中國自然地理學的發展起到了很大的促進作用。但學科本身有其固有的訴求和發展邏輯，既要考慮國家需求，也要考慮學科發展。沒有學科的深入研究，沒有基礎理論的提高，在滿足日益增長的國家需求上已顯得捉襟見肘[1]。

目前，在新的社會和科學發展環境下，國內外自然地理學的發展面臨著許多挑戰。例如，實證主義地位受到沖擊，人本主義和結構主義等思潮涌入；科學共同體對自然地理學發展前景爭論紛紛；自然地理學母體的“空心化”狀況尚未得到有效遏制；綜合研究難有實質性突破；學科自身理論、方法和技術不能完全對重大社會需求提供有效支撐等。面對這些挑戰，“地理學方法研究”項目的“自然地理學方法研究”課題，對自然地理學哲學與方法論、自然地理學思想與理論、自然地理學研究技術與手段進行挖掘、梳理、凝練與集成，為自然地理學的繼承和創新提供方法支撐，并以此把握當代自然地理學的前沿領域與未來趨勢。

2 自然地理學方法研究進展

2.1 研究內容

2.1.1 國內外自然地理學思想、理論、方法和技術的梳理和提練

應用文獻閱讀、著作翻譯、訪談和歸納分析等方法，研究、整理和分析國內外自然地理學的思想、理論、方法和技術及其流變過程，在此基礎上提煉出學科發展的規律性特征，為推動中國自然地理學學科創新發展提供支撐。具體研究內容包括：通過剖析國外自然地理學思想與方法變革案例，厘清自然地理學思想變化過程的脈絡；通過挖掘和梳理自然地理學哲學與方法論，探尋自然地理學發展過程的哲學基礎；通過分析自然地理學研究技術與手段的演進過程，明晰技術手段在自然地理學發展中的作用與地位。

2.1.2 中外自然地理學的發展階段和發展特征的對比分析

通過梳理國內外自然地理學發展的重大事件，對自然地理學發展階段及其特征、發展重心遷移及其特征等進行初步總結；在回顧中國綜合自然地理學發展過程的基礎上，對其發展趨勢做出了前瞻性預估，并以綜合自然區劃為例加以說明；以黃秉維學術思想為例，總結了中國地理學家的自然地理學術思想及其對自然地理學發展的貢獻。通過上述研究試圖找出中外自然地理學發展過程及其驅動因素方面的差異。

2.1.3 自然地理學方法研究成果的推介

充分利用一年一度的中國地理學學術年會、自然地理專業委員會年度會議等場合，積極推介本課題在自然地理學思想、理論和方法等方面的提煉和總結成果；以中國自然地理專業委員會的名義召開專題學術研討會，吸引全國同行共同關注自然地理學思想方法方面的創新與發展；以網站和個人博客等形式發布最新的研究成果和進展動態；邀請國內外著名學術專家舉辦講座。

2.1.4 專著教材編寫和翻譯

在全面整理和分析國內外自然地理學思想方法的基礎上，撰寫和編譯自然地理學重要專著、教材，通過研討會和個人咨詢等形式征求相關專家學者對譯著的意見和建議，據此進一步完善。

2.2 主要成果

2.2.1 專著《自然地理學方法》

上篇除對自然地理學方法論和研究方法體系進行概述外，主要是闡述各分支學科的研究方法，包括地貌學、氣候學、水文學、土壤地理學、生物地理學、海洋地理學以及綜合自然地理學等。下篇梳理了自然地理學學科交叉與應用研究方法，包括：自然地理界面研究方法、專門對象的綜合研究方法、人類活動與環境變化研究方法、全球和區域地理綜合研究方法、自然地理應用研究方法、自然地理系統研究方法，以及研究方法的創新等。

2.2.2 專著《自然地理學研究范式》

在對自然地理學研究范式發展歷程進行總結的基礎上，從自然地理的一般研究過程、預測、分類與分區、格局與過程、尺度推繹等方面闡述了自然地理學的研究范式，并對發展中的地理復雜性科學范式做了展望。

2.2.3 教材《自然地理學方法》

作為一本教材，該書在介紹自然地理學的研究內容、特殊性、研究方法發展歷程的基礎上，基于科學研究的基本程序，從自然地理信息（數據）的獲取、處理與分析和自然地理方法應用兩個層面，來闡述自然地理研究的傳統和現代方法。

2.2.4 譯著《科學、哲學和自然地理學》

從科學哲學層面探討了自然地理學的相關議題，包括自然地理學中的觀念、自然地理解釋的形式、自然地理系統分析的框架、自然地理學的復雜性以及自然地理學的社會學論題如社會網絡、倫理規范等。

2.2.5 譯著《地理學科學研究方法導論》

該書內容涉及到地理學研究的各個過程和環節。從地理科學的方法簡要介紹入手，闡述了地理學中的數據收集、物理測量、行為觀察和檔案制作、調查與訪談、取樣、統計分析、可靠性分析、信息技術以及倫理道德等。

2.2.6 譯著《自然地理學的當代意義：從現象到原因》

第一部分陳述了自然地理學的發展歷史；第二部分以作者們自傳的方式陳述了自然地理學是如何引人入勝的；第三部分是本書的核心，主要通過對具體研究概念和應用的探討來審視“研究意義”；第四部分“未來展望”，在個人、科研、背景以及文化意義的交換與互動的重要性方面評述了某些具體的挑戰與方向。

3 自然地理學的研究范式演進與前沿領域

3.1 研究范式的演進

3.1.1 前實證主義研究范式（1850—1950）

自然地理學在一些國家發展成一種綜合、連貫的方法，有時具有“地文學”風格。內部學科分化顯著，地貌學、氣候學、土壤學和生物地理學成為自然地理學的主流。盡管出現了這些分支學科，地貌學中戴維斯所創立的演進思想的方法論影響到了整個自然地理學。這一階段地理科學哲學的發展尚不被重視。

對自然地理學產生影響的理論包括赫頓和賴爾的均變論和達爾文的進化論。前者“將今論古”的現實主義理論和方法使自然地理學從虛構的“超自然”神的歸因中引向了進化、科學的發展道路，后者孕育出戴維斯地貌發育侵蝕旋回學說。

推動自然地理學發展的直接動因首先是探險與調查。延續19世紀中期以前的探險和考察傳統，一般由地理學會組織，旨在填補特定地區的地理資料，進行實地觀測和測量，編繪地形圖，建立新理論如冰川理論、地貌沉積旋回等。其次是自然保護。喬治·帕金斯·馬什1864年發表的《人與自然：被人類活動改變的自然地理》將自然保護與自然地理學聯姻，推動了自然地理學對土壤侵蝕、土地擾動等現實問題的關注。

3.1.2 實證主義研究范式（1950—1980）

自然地理學發展特征表現為：第一，自然地理學逐漸向“范型科學”靠攏，建立比較完善的實證分析范式；第二，自然地理學定量化浪潮高漲，一些地理定量化分析專題和期刊出版；第三，自然地理學研究范式的“系統化”，地理系統和自然地理系統的概念、理論和思維被普遍接受，在20世紀70年代后逐步確立了系統研究范式；第四，各個分支學科研究不斷深入，離心傾向更加明顯；第五，戴維斯的地貌旋回思想受到沖擊，出現一些新的地貌解釋理論；第六，以“3S”技術的出現和使用為標志，自然地理學獲取和分析數據的能力得到質的飛躍。

對自然地理學產生影響的理論和方法包括：第一，系統論、控制論、信息論為主的系統科學理論對地理系統思維的產生以及系統地理學的建立提供了理論基礎，界定了自然地理系統的范圍、組成、結構和功能，系統分析方法在自然地理學中逐漸占據主流；第二，數理統計為地理計量革命提供方法支撐，并建立了大量的自然地理模型，逐漸形成從問題假設與描述、數據收集、模型建立、模型檢驗以及模擬結果解釋的研究方式；第三，地理哲學逐漸受到重視與關注。

此階段推動自然地理學發展的動因有以下三個方面：第一，科學哲學思潮：邏輯實證主義在“范型學科”的成功，誘導了自然地理學向實證化方向演進；第二，自然地理學內部科學家的范式轉型“沖動”；第三，新的觀測、實驗和分析技術的出現與發展。

3.1.3 后實證主義研究范式（1980至今）

上世紀80年代中期以后，自然地理學的發展面臨著新的社會和科學發展環境，因而呈現出范式轉型的趨勢，表征為實證方法論的“全能”地位受到沖擊，各種社會和科學思潮蜂擁而至，復雜性科學思維逐漸滲透，科學共同體對自然地理學發展前景和趨勢的認識不盡一致。

從研究范式角度講，自然地理學目前呈現出解構型分析范式、系統分析范式和復雜性分析范式并存，方法論體系動態更新的范式轉型期。

3.2 前沿領域

目前對資源環境問題的全球性關注和可持續發展面臨的重大問題，對自然地理學提出了一系列需求。國際上實施的重大科學研究計劃如國際地圈生物圈計劃、全球環境變化人文因素計劃、世界氣候研究計劃、生物多樣性計劃等，包含著許多自然地理學的前沿研究領域。我國各類科技計劃也提出了一系列自然地理學的前沿研究議題。歸納起來有以下幾個方面：

3.2.1 全球環境變化及其區域響應與適應

當今矚目的全球環境變化問題是與長期以來人類活動影響的緩慢累積過程有著密切的關系[2]。全球環境變化及其區域響應涉及古地理環境演變、土地變化科學、減輕自然災害、典型區域環境定位研究以及全球環境變化的對策等眾多領域，其目標是為解決人類社會面臨的巨大環境壓力和挑戰提供科學與技術支持。該領域的關鍵科學問題是：幾十年至百年尺度的全球變化事件的發生規律和特征；全球變化的成因、人類活動的誘發機制及主導全球變化的相互作用的物理、化學和生物學過程；全球變化早期信號的捕捉、監測與預警；全球變化過程的建模、模擬與預測；重大全球變化事件的影響及后果；全球變化減緩、規避與適應對策。

3.2.2 陸地表層過程機理與格局研究

強調不同空間尺度上多種自然過程的相互作用研究，以及自然過程和人文過程的相互作用研究，揭示陸地表層系統關鍵要素、過程的機制與演化規律，揭示區域可持續發展中人為作用與自然作用的關系。該領域的關鍵科學問題是：關鍵要素變化過程與機制；關鍵要素相互作用與模擬；界面過程與物質遷移轉化規律；地理系統中界面過程的綜合研究；格局與過程的綜合研究，包括結構、功能、動態、驅動力、過程、機制。主要研究方向包括：陸地表層環境要素的演化過程與機理，陸地表層系統關鍵要素與過程的相互作用與模擬，生態過程與系統演化；尺度、結構、過程相互作用，自然、經濟、社會相互聯系，地貌、水文、生態過程相互耦合；流域水系統與生態系統和氣候的相互作用，自然災害風險管理與預案情景分析，自然地域系統的綜合研究，典型地區環境演化過程，綜合格局-過程的模型耦合、有效性檢驗與驗證等。

3.2.3 海洋資源、環境與生態系統研究

與陸地表層系統一樣，將海洋系統作為自然地理學的重要研究范疇，研究海洋系統的結構、功能及其資源效應。該領域的關鍵科學問題是：海洋動力過程與環境變化；海洋生態系統與生物地球化學過程；海洋生態系統服務功能與生物多樣性；陸-海相互作用及其環境效應；深海大洋環境與生態系統；極區環境變化與海-陸-氣-冰相互作用。研究方向包括：海岸-陸架沉積體系形成機制和氣候環境演化記錄；流域-海岸相互作用；人類活動對近海可持續海洋生態系統影響；近海復合污染機理及其對生態系統的影響；南極冰蓋斷面的氣候與環境變化[3]。

3.2.4 自然資源和生態系統服務與人類福祉關系研究

研究自然資源空間格局及變化過程，生態系統服務功能形成機制，自然資源與生態系統服務功能對區域社會經濟發展的影響。該領域的關鍵科學問題包括：主要自然資源形成與演化的地學基礎與區域差異；區域發展的自然資源保障功能與承載力；區域開發自然資源引起的生態環境效應；不同類型和不同區域生態系統服務的價值及時空變化；不同尺度下生態系統結構與功能-生態系統服務-人類社會福祉之間的內在雙向聯系；生態系統服務通過什么樣的內在途徑與社會經濟系統發生作用，進而影響到人類社會福祉？不同層次主體如個體、家庭、企業和政府的權衡行為如何影響不同類型的生態系統服務?全球氣候變化情景下，區域生態系統服務功能如何變化？

3.2.5 災害形成機制與綜合風險防范管理

針對不同類型的自然災害，從地球系統科學角度認識復雜的災害系統，研究致災和成害機制。該領域主要關鍵科學問題是：在全球開放系統下的人與自然相互作用過程和災害風險形成機制；全球變暖背景下的世界災害風險發展趨向及其時空格局的變化趨勢；全球環境變化與自然災害風險時空的可預報性；全球環境變化與生態災難風險時空變化的可預報性；全球化進程與災害風險在全球的傳播與擴散機制；災害發生后對區域乃至全球化的影響和反饋機制。自然災害風險防范的重大管理問題包括：全球環境變化背景下的適應各種災害風險的制度設計；適應不同區域防范各類災害風險的標準體系；區域與全球災害風險防范模式；區域防范災害風險經驗的總結與推廣應用；考慮不同情景（時空尺度不同、成因機制不同、承災體脆弱性與恢復性差別突出等）下的區域災害風險模擬及高風險區劃分[4]。

3.2.6 人類活動對環境變化的影響及其調控原理

關鍵科學問題是：資源利用對環境的影響；工程建設對生態與環境的影響；有毒污染物時空分布和環境風險；自然過程與人類活動導致環境異常的識別與調控。研究方向包括：城市化的空間格局演變及其環境效應；土地利用變化及其生態效應；污染物在圈層界面的遷移過程、動力學機制；環境中持久性有毒污染物的生態毒理和生態風險；地下水中典型污染物的遷移轉化機理與修復原理；重大工程建設的環境效應及地質災害防治；礦產資源、能源開發利用的環境效應與調控[3,5]。

4 自然地理學未來展望

4.1 機遇與挑戰

4.1.1 發展機遇

從社會需求分析，隨著全球范圍環境、資源、生態問題的加劇，需要更加科學的理論來指導社會實踐。全球環境變化帶來的種種負面效應的解決，愈來愈嚴重的“城市病”的診治，受人為擾動的生態系統的管理和土地利用方式的優化與設計等，均為其不斷發展和完善提供了機遇。

從學科發展條件分析，隨著科學技術水平的不斷提高，獲取地球表層各個自然要素信息的途徑與手段更加便捷和多樣，對空間信息的管理、處理和分析能力得到顯著增強，這為自然地理學向著更加“全球化”、“精致化”和“實用化”方向發展提供了技術保證。

從科學發展整體環境分析，不同學科之間的交叉滲透日益顯著，尤其是國內外重大科學研究計劃的實施，使得以綜合見長的地理學在其中得以發揮重要作用。自然地理學作為聯結自然與人文科學的紐帶，其作用域必將會不斷擴大，學科自身的“離心化”趨勢也會得到一定程度的遏制。

4.1.2 面臨的挑戰

從學科內部分析，盡管當代大尺度資源和環境問題的解決依賴于多個學科的共同參與，自然地理學整體性的思維和分析方法與技術對于解決這些復雜問題效能更高，然而自然地理學發展面臨的重大挑戰依然是解決學科自身發展中的“離心化”傾向。要解決這一問題，綜合分析的手段和水平需要進一步提高。但限于綜合分析對象的極端復雜性，目前難以做到真正綜合。另外，自然地理學目前有“人文化”的趨勢，這固然是地理學綜合性的體現與要求，但如何改變人們對于自然地理學如此轉向而更加“偏軟”的看法，如何更好地汲取相鄰學科的方法和技術而又不失本學科特點等都是需要解決的難題。

從學科發展外部環境分析，傳統上自然地理學以地球表層自然要素的空間結構、時間變化以及相互關系作為研究對象，而目前相鄰學科如地質學和大氣學等都紛紛涉足地球表層系統研究，即所謂“大氣向下，地質向上”，地理學特別是自然地理學的“生存空間”受到擠壓。在此情形下，如何協調與其他學科的競合關系，也是自然地理學面臨的挑戰之一。

4.2 發展趨勢

未來的自然地理學是以先進空間信息獲取與處理以及復雜性科學理論為技術與理論支撐，以地球表層要素或子系統相互作用的復雜性、人文性以及可調控性為研究范疇，以解決全球及區域資源、環境、生態和社會問題為應用方向，在地球系統科學體系中具有可辨識獨立地位的重要應用基礎性科學。

4.2.1 自然地理學的“多元化”發展

隨著人類活動對自然界擾動強度的不斷增大，自然地理學研究對象的本體特征被重新解構，自然地理學出現了“多元化”發展的趨勢。表現為自然地理學的“文化轉向”、自然地理學“政治化”和“生態化”傾向等。

自然地理學的“文化轉向”是順應全球化發展趨勢，解決人口、資源與環境之間的矛盾以及在自然地理學領域里出現的一系列重大問題而產生的地理學知識領域的學術變革和范式轉折，也是對傳統自然地理學研究視角和方法論的創新[6]。其科學命題包括：如何感知、認識和設計自然或景觀；以綜合的地理觀研究技術、文化和自然資源之間相互聯系；生態系統和人類社會系統之間的復雜相互作用[5]。

自然地理學“政治化”傾向表征為，開始注重自然生態系統時空格局以及自然資源利用強度的區域差異與人類福祉及社會公平正義的關系，如土壤侵蝕和土地退化的社會原因和后果、自然資源配置和利用及其后果，以及生態系統服務功能與生計之間的關系等。

自然地理學的“生態化”傾向表征為生態學的關系型范式在自然地理過程研究中得到廣泛應用，生態（物）地理過程與地域劃分研究在自然地理學中的重要性不斷提高。自然地理學在大尺度生態課題研究中發揮越來越重要作用，如全球尺度的碳格局研究等。區域性的生態模擬與評價、生態系統服務功能與LUCC及區域可持續發展之間的關系將會成為自然地理學關注的重要議題。

4.2.2 自然地理學的“全球化”視角

自然地理學認識到傳統小尺度、短時期和當時狀態的研究，既導致學科分裂，也在解決實際問題時有所局限。一種解決途徑就是聯系全球問題進行自然地理學研究，并需要加強不同尺度間各種因素交互作用的研究。尤其在氣候變化方面，所有的國家都重視兩大基本問題：一是全球氣候變化將如何影響各國的自然資源、環境變化和人類發展？二是指向政策響應的各種國際壓力，特別是減少溫室氣體排放的國際條款，將如何影響各國的產業、經濟和社會發展？[5]

從本體論和認識論角度分析，自然地理學研究對象的全球化特質將進一步強化。研究范圍涵蓋整個地球表層系統，包括陸地和海洋系統，全球尺度的諸多研究議題如自然和人文過程、真實與虛擬地理空間、地理關系與網絡將在自然地理學中占據重要地位。

從技術論角度分析，自然地理學的“全球化”趨勢將得以全方面彰顯。在地理信息獲取及其定位上，全球觀測網絡、遙感和全球定位系統將發揮更大效能；在地理信息管理、分析與處理上，網絡GIS、云計算以及其他一些基于互聯網的模型工具等將對全球尺度地理問題的解決提供技術支撐。

自然地理學切入全球變化研究的關鍵包括：繼續提供與全球變化相關的數據（特別是遙感數據）；建立大氣環流模式與環境系統各部分模型之間的聯系；進一步發展關于全球變化空間影響的研究和調查；開展多學科和跨學科研究，包括建立與社會科學間的聯系[5]。

4.2.3 多學科的交叉、滲透與融合

多學科之間橫向交叉、滲透和融合豐富了自然地理學學科內涵，提高了研究水平，并不斷開拓新的研究領域，形成新的邊緣學科和交叉學科。一些面向特定地理對象的研究，如濕地、山地、沙漠和冰凍圈都融合了多種相鄰學科，衍生出許多新興學科；廣泛采用相似的模型和概念方法，加強了自然地理學內部的聯系：例如提倡流域生態系統的概念，鼓勵了生物地理學、地貌學和水文學之間的聯系；更廣泛地聯系參與國際重大科學研究計劃包括國際地質關聯計劃（IGCP），全球變化計劃（IGBP和IHDP），包含大量涉及自然地理研究的跨學科研究和跨國家調查。自然地理學各分支研究議程的主題在其他地球科學中已經凸顯[3]。

4.2.4 應用研究領域不斷拓展

自然地理學為社會服務的應用研究領域不斷拓展，趨向于多元化[3]。可以在自然資源的開發利用與保護、生態脆弱區域生態系統功能的恢復重建、全球環境變化監測與對策、城鎮區域規劃與動態監測、城市生態居住環境質量保障、重大自然災害監測與防御、人與自然關系的協調和區域可持續發展等領域發揮作用，為國家建設和人類美好未來做出積極的貢獻。

4.3 發展策略

4.3.1 加強科學哲學理論體系建設

為進一步鞏固自然地理學在自然科學中的地位，提高自然地理學的理論性，需要在本體論、認識論和方法論上加強科學哲學體系建設[7]，建構包括地理實證、地理系統思維、觀測技術手段和理論方法在內的地理科學哲學體系。在自然地理學中，秉持“整體系統”觀，堅持“科學實證”，積極探尋一般地理規律，用現代復雜性科學理論來指導學科發展[8]。

4.3.2 建立開放包容的學科體系

準確分析與把握自然地理學科發展目前所面臨的形勢和機遇，采取鞏固傳統研究領域，積極拓展新研究領域的發展策略，建立開放包容的學科體系。在學科外部，鼓勵自然地理學參與國內外重大科學研究計劃和學科體系建設，尤其是在地球系統科學領域發揮重要作用；在學科內部，通過強化綜合分析途徑，密切自然地理學分支學科與母體的聯系。

4.3.3 重視綜合分析研究

綜合分析既是科學發展和社會需求對自然地理學提出的要求，也是學科自身發展所必須。在未來的學科建設中，必須重視綜合分析研究。發展策略是：繼續提高自然地理過程和要素的綜合分析水平，加強重點區域綜合研究；積極探索綜合分析的研究范式和技術；拓展綜合分析的應用途徑尤其是彰顯自然與人文綜合對解決區域可持續發展問題的支撐作用。

4.3.4 完善學科“基礎設施”

自然地理學的不斷發展和壯大，離不開一些諸如人才培養、平臺搭建和項目引導等“基礎設施”的建設和完善。建議在地理教育、基地建設、項目立項、國際交流和學科發展規劃等方面繼續給予自然地理學發展強有力的支持。

1 蔡運龍，宋長青，冷疏影.中國自然地理學的發展趨勢與優先領域.地理科學，2009，29（5）：619-626.

2 潘玉君，武友德.地理科學導論.北京：科學出版社，2009.

3 蔡運龍，李雙成，方修琦.自然地理學研究前沿.地理學報，2009，64（11）：1363-1374.

4 中國地理學會編著.地理學學科發展報告（自然地理學）.北京：中國科學技術出版社，2009.

5 蔡運龍.當代自然地理學態勢.地理研究，2010，29（1）：1-12.

6 李雪銘，李建宏.自然地理學的文化轉向.地理科學進展，2010，29（6）：740-746.

7 蔡運龍.地理哲學研究若千問題自議.人文地理，1992，（4）：1-5.

8 李雙成，王羊，蔡運龍.復雜性科學視角下的地理學研究范式轉型.地理學報，2010，65（11）：1315-1324.