綜合自然地理學發展的新展望

陳國階

（中國科學院成都山地災害與環境研究所，四川 成都610041）

1 綜合系統研究是認識自然本質的要求

尊重自然、順應自然、保護自然、人與自然和諧是可持續發展認識論的基礎.這個“自然”，就是誕生人類并以之賴以生存和發展的自然環境，其實就是綜合自然地理系統.無疑，要真正做到人與自然的協調，就必須對綜合自然地理系統的性質、結構、功能、變化和演替規律有深刻、科學、量化的認識，進而有適應與運用的能力.

自然地理學具有區域性和綜合性的特征，這是大家公認的.但筆者認為綜合性和區域性不是自然地理學所特有，許多自然科學和社會科學的獨立學科都具有綜合性和區域性，研究對象往往都具有多因素、多成分、多空間尺度的特點，無論是物理學、化學、生物學，還是社會學、經濟學都如此.只是不同學科研究的綜合層次和空間層次不同而已.這里必須指出的是，自然地理學，更擴大一點說，地理學的研究對象的綜合性更復雜，因素更多，包括無機過程、有機過程、生命過程，包括地質運動、地貌演化、氣候變化、水文特征、生物系統、土壤性質，空間上包括微觀、中觀、宏觀，從生態系統到景觀、區域到全球，是真正包羅萬象的大綜合，是涵蓋其他綜合的超級綜合［1］.

這種綜合系統的研究符合人類認識自然的規律，遵從從單因子到多因子、從點到網到面、從孤立到系統、從部門到綜合、從簡單到復雜、從靜態到動態、從線性到非線性、從封閉系統（這是大多數實驗科學的選擇）到開放系統的發展歷程，是適應人類面對復雜系統必需的科學響應.當代科學的昌明，當然離不開各部門、各專業學科的縱深發展和技術創新，但是更應該歸功于眾多學科構建起的龐大科學與技術體系，相互借鑒、相互支撐、學科融合、協同攻關，既加速各專業學科的飛速發展，又共同構建起當代科學文明的大廈.綜合系統學科的出現和發展是科學進步的必然產物，是科學認識論的一次飛躍，是科學新時代的召喚.

實際上，地球上的各類物質運動都是在綜合系統的時空制約下進行的.綜合是物質存在的基本屬性，特別在包含生命體系的自然復合耗散系統中，多因素、多結構、多層次、多形態之間的相互作用、相互影響、相互制約、相互協調是事物存在及其運動發展的常態、依據和本質特征.因此，研究綜合自然地理的本質和規律是科學研究的崇高目標，是全面認識自然、合理利用自然、科學順應自然、有效保護自然的基本功.

2 綜合自然地理學的學科定位與追求

自然地理學在自然科學體系中有其獨特的研究對象、學科定位和地位.其主攻方向是研究從全球表生系統及其多等級自然區域系統的結構、功能及變化規律，是對自然因素最多、時空層次最多、物質運動形態最復雜、整體性與區域分異性交替并進、變化過程紛繁跌宕的地球表層巨系統的研究，這是別的學科所不能代替的；其社會功能是摸清人類的自然家底，為人與自然協調提供理論依據和科學支撐，為謀求人類福利和環境安全奠定科學基礎.在龐大的科學體系中扮演著既綜合又有特定研究對象和特色的學科角色.

綜合自然地理學一直將上述理念作為其認識論基礎和哲學思想.強調自然地理類型、區域、全球不同空間層次的綜合系統過程；強調各自然因素之間、各地理區域類型之間、各不同自然空間層次之間的相互聯系、相互作用、相互影響；強調某一自然因素的變化都會影響其他自然因素并最終導致整個自然地理綜合系統的變化；強調任何單個自然因素的專業研究都必須在自然地理綜合系統的觀念指導下進行；強調人類對某種或某單項自然資源的開發都應考慮其引發的綜合效果.由此，自然地理學一直貫穿著綜合系統高于優于多個單因素算術之和的理念；貫穿著整體利益大于部門利益的理念.可以說，綜合自然地理學的哲學思維是正確的，理念是先進的，是經得起歷史實踐的檢驗的.

然而，對于復合開放巨系統的結構、功能、運動過程 、變化規律的研究是十分困難的［2-3］.因為巨系統包含成千上萬的子系統、眾因素，包括眾多層次，僅要認識這些子系統與子層次、多因子之間的排列組合及其結構類型就可能是個天文數字.它們之間以及它們和系統外界之間不斷進行物質、能量、信息交換，氣象萬千.而我們對事物的認識總是期望由模糊到明確，由混沌到清晰，由無序到有序，由非線性到線性，由定性到定量，由雜亂到規律，由繁雜到簡明.這樣，人類才好確認、好相信、好把握、好運用、好落實.由此，崇高目標與實現目標的手段之間存在巨大的距離.實事求是地說，消除這個距離是永無止境的目標，是一個無窮盡的追求.也就是說，追求科學、定量和精準的綜合是一個逐步探索、逐步深化、逐步逼近的過程.

為此，我們的新期盼，就是要借助現代科學的新理論、新方法、新技術，先易后難，逐步攻克對綜合自然系統認識不透、準確描述自然過程不精、定量分析不足、揭示自然過程本質不深等基礎科學問題，提高學科的整體水平，更好服務于人類.

3 綜合自然地理學發展的評估

回顧自然地理學發展的歷程，應該說，國內外一大批著名地理學家已為此作了巨大的努力，從德國洪堡開始，出現了許多開拓者.近幾十年來，在綜合自然地理學研究上不僅取得一批服務于國家發展戰略的重要成果，在學術上也取得了一定的進展［4-7］.

3.1 綜合研究由抽象到具體綜合的理念產生歷史悠久.中國古代的“天人合一”就是最大的綜合，天就是大自然.早期綜合只是片言只語，海闊天空，高度抽象，沒有邊界，算不上科學.到了近現代，有了綜合地理考察，綜合自然地理區劃，綜合自然地理圖集、遙感綜合自然圖像等對社會經濟起直接指導作用的成果［8］.

3.2 綜合研究由定性到定量早期的研究大多都以定性描述為主，在自然地理區劃中，自然地理區界線的劃分和區域性質的確定，往往都憑經驗，選出區域的主導因素如地形等，進行分區.而對區域的自然地理特征大多只能用文字表述.現代，對區域自然地理特點或狀態可建立綜合評價體系進行定量評價，地理界線的劃分可采用模糊數學方法，更接近實際.而大量的氣象觀測資料、大量的野外觀測臺站為綜合地理過程的研究提供了定量成果.在區域自然地理綜合分析、生態系統結構與功能、生態系統服務與權衡、區域環境評價、自然災害綜合評估、環境演變預警、全球氣候變化對自然系統影響乃至人地關系等的研究中，都已大量應用非線性數學方法、數學模型、計算機軟件、模擬仿真、系統動力學模型等新方法、新技術，使綜合定量研究取得新進展［9-10］.

3.3 綜合研究由靜態到動態隨著遙感技術與方法的不斷發展，對地球表生過程的動態監測、成像，已廣泛應用，研究區域自然景觀、土地利用、地表覆蓋等綜合自然地理過程的動態變化已成為可能，并且成果累累.其對地球表層特別是生態圈，不論陸地和海洋還是水陸交錯帶都可綜合成像，取得多譜帶、多角度、多尺度、多信息、多時段、多因素組合的綜合系統信息，并能初步直觀地判別綜合自然地理的成分和空間結構［11］.系統動力學模型等系統分析方法的引進和應用，提升了動態與定量分析水平.

3.4 綜合研究得到部門自然地理學研究新成果的支撐地貌學、氣候學、水文學、植物學、動物學、土壤學、景觀學等，近年都有大量實際調研、監測、分析研究成果，包括能揭示自然地理過程的微觀、定量研究成果；以及水熱平衡、化學地理、生物群落、水土流失、土壤-植物物質運動等，揭示了綜合自然過程的物質、能量和信息變化，為下一步的綜合深化研究，打下良好基礎.

但是，以上進展是相對于自然地理學自身發展而言的，若將其與其他自然科學學科的發展比較，與當代自然科學新理論、新方法、新技術層出不窮的新形勢比較，則明顯存在著對研究客體認識不深，過于粗放，缺乏精確定量化等突出問題；與綜合系統研究的崇高目標相比，則存在著與方法論和技術支撐不對稱、不匹配、不適應等突出矛盾；與人和自然關系需要更科學的理論指導、更可行的調控方案相比，則顯現出心有余而力不足的尷尬局面.由是，使得在實踐中區域自然地理綜合的優勢得不到充分發揮，完整性、全局性的服務功能得不到充分體現，部門利用和局部利益肢解了區域自然地理系統整體的功能，事倍功半.相應地，自然地理學的學科地位和功能也得不到應有的重視和功能顯示的平臺.

具體而言，綜合自然地理學很大程度上仍處于綜而不合，合而不一的狀態.例如，土壤學對土壤化學成分、土壤物理結構、土壤水分運動與水熱平衡、土壤與植物的物質與能量交換等都有重大理論成果和實踐碩果.氣候學和水文學己有大量的長時間系列觀測數據庫，運用非線性數學的方法，對許多非線性、不確定性的過程都己有更深的了解，氣象預測水平不斷提高，全球氣候變化的研究受到世界各國的普遍重視.植物學對物種、群落、生態系統、生理生態、植被演替、修復與保護等也都有巨大成果.其他如地貌學在水土流失、災害防治等方面也都有突出的貢獻.而綜合自然地理學對各分支學科提供的新發現、新規律、新數據、新領域，及其它們之間新構建的自然過程新的知識網絡、信息互動，缺乏統領、組織、系統優化的能力，使綜合研究成為簡單的部門地理學資料的拼盤，部門自然地理學發展優于綜合自然地理學.

人地關系研究是地理學的核心問題［12-13］，人與自然關系的過程和結果，最終都要落實到人類生活與發展的自然地理環境里.那么，人地關系中的“地”的本質特征是什么？在人類不同發展水平、不同發展階段、不同發展模式、不同作用強度等情景下，“地”的地位、作用、響應、反彈及變化規律如何？在人地協調的可能性、范圍、程度、條件、變動性、穩定性中，綜合自然地理系統扮演什么角色？如何寓環境與資源保護于經濟發展之中［14］？如此等等，綜合自然地理研究本應提供獨特的服務，起關鍵作用，但至今卻不盡人意.與系統生態學和其他區域科學相比［15-16］，也顯遜色.

當前，全國各地已進行或正在進行的主體功能區劃、環境功能區劃、生態功能區劃、自然保護區規劃、生態紅線劃定、國土空間區劃、開發區規劃等是與綜合自然地理關系最密切的科學活動，其基礎應該是自然地理區劃，應由綜合自然地理學提供規劃區綜合自然系統的特點、規律和精確的自然本底作支撐，應是綜合自然地理用武之地，但卻很不到位.更值得指出的是，綜合自然地理學的研究需要對各專門自然地理學、各野外觀測臺站、各地區、各部門、各歷史時期海量數據的收集和分析才能窺視綜合自然過程的端倪，而這些數據基本上卻為部門所有，互相封鎖，零散儲存，形不成綜合分析起碼的數據要求，成為綜合自然地理學深化研究難以跨越的障礙.

4 綜合自然地理學復興的機遇

綜合自然地理學面對的研究對象是復合、動態、開放的巨系統，這就決定著其研究的方法論和技術路線不能僅限于適應封閉系統研究的思路和實驗技術，而必須集現代各自然科學之長，為己所用.錢學森在有關發展地理學的論述時指出，研究和解決復雜巨系統的方法就是從定性到定量的綜合集成方法和信息綜合集成技術［17］.

現代，大量新理論、新方法、新技術的出現和廣泛應用，對研究復合巨系統提供了有力的支撐.從理論上講，系統論、信息論、控制論、協同論、突變論、耗散結構理論等為復合開放系統的研究提供理論指導.當代科學已經揭示，在任何事物的變化中，非線性隱含著線性，不確定性中包含著確定性，混沌中包含著清晰，無序中存在有序，這些都是事物存在的自然屬性，是事物運動的客觀本質.研究還進一步明確，自組織系統結構的產生或新結構的出現往往由少數幾個序參量所決定，即在巨系統無數的因子中，在結構出現的臨界點附近，起關鍵作用的只有少數幾個因子［18-20］.因此，謀求對復雜系統的研究得出線性、確定性、定量、清晰、規律性的科學結論是有客觀基礎的，是可行的.這不僅為綜合自然地理學的研究提供了理論支撐，堅定了信心，而且明確了方向，啟發了新思維，找準了努力探索的目標［21］.

從方法論上看，現代新方法、新技術層出不窮，非線性數學的發展，包括子波分析、分形、投影尋蹤、神經網絡等為非線性過程的定量分析提供有用工具；特別值得指出的是，近年蓬勃發展的大數據、互聯網、云計算和智能平臺將復合巨系統的研究推上一個新臺階.其中，大數據的收集和分析，使無數隨機產生的數據、各行各業采集的數據、海量科學觀測和實驗的數據、社會分散的統計數據，即分散、孤立、隨機、偶得、單獨，很難分出條理、規律的數據，本質上恰恰是自然過程或社會過程活生生真實現象的記錄，匯成巨量的數據庫，并通過云計算，從海量、隨機性、非線性、不確定性、混沌性、模糊性、無序性隱藏下的聯系性、系統性、有序性、規律性、科學性揭示出來，使巨系統的性質、結構、功能、變化等得到認識，用于科學抽象、理論概括、規律認定.

再次，自然地理學自身專業的分化也有利于綜合的研究.綜合與部門分化是對立的統一.當代科學發展具有兩大特點：一是專業化、精細化、微觀化的縱深探索，許多領域研究分支越來越多，范圍越來越窄，如生物學從生物化學、生物物理學、生物生理學到細胞學、生物分子學、基因，越來越專越細越微觀.二是綜合化.學科之間相互滲透、相互交叉、界線越來越模糊，研究對象越來越復雜、越來越系統和綜合，某種意義上也越來越宏觀，如生物學從物種、種群、群落到生態系統、景觀、區域生態直至人類生態.

表面上看，這兩種趨勢似乎是分道揚鑣，實際上卻在向系統綜合認識事物的本質的共同目標上一起奮進.多學科、多專業、多角度、多層面深化研究的成果，使許多未被認識的科學盲點得到察明，許多信息空白得到填補，不同學科之間的界線得到突破，互不聯系的專業之間有了共同的交叉領域，互相滲透，不僅開拓了許多新領域、新學科，為綜合研究提供新視野、新思維、新方法，更重要的是，突破專業研究的空間局限，構建起跨領域綜合研究的信息網絡、交換渠道和綜合分析平臺.因此，專業化越細越分化，不同學科專業之間的交叉點、融合機會就越多，各專業的聯系就越多，系統綜合的基礎就越鞏固，從海量信息中理出規律的可能性就越大，綜合研究的理論基礎就更扎實，定量分析就更能實現，更符合事物本質.

5 綜合自然地理學應重點探索的領域

5.1 綜合自然地理學基本理論的探索現在我們已認識到自然地理系統是一個遠離平衡態的開放系統，在這個系統中，無序化與有序化過程并存，但有序是小機率，低穩定，難維護，非常態，只能相對逼近，不能百分之百實現.而混沌、無序是大概率，是常態，是普遍現象.為此，我們需要從特定的自然地理區域入手，摸清自然系統的成分、結構、功能及相互作用機制，特別是競爭、穩定、變化與協同的關系；深入揭示自然地理系統不斷與外界進行物質、能量交換的特征、過程和強度；揭示負熵輸入的方式與自然地理系統響應的秘密；揭示自然地理系統變化的內在機理與外部動力的關系；揭示自然地理系統正向演替與逆向演替的條件、過程、邊界；研究特定區域優化的自然地理結構模式、因子配搭、能量與物質交換強度；研究區域自然地理過程和穩定性的熵變化.這當然是一個不斷探索，永無止境的過程.但我們總應該為此目標不斷探索、不斷深化，不斷逼近真實.

在此基礎上，研究人地關系中“地”的性質、功能、與人相互關系的機制.人類是自然地理系統演化的產物.人類和所有生命體一樣，本能地在不斷努力爭取自已最有利的生態位.但人類的利益訴求往往并不與自然地理系統的正向演替相一致，這就構成了人地矛盾，而人是始作傭者.人類本是希望自然地理系統較有序、較易適應、較易利用、更有價值、更易駕馭，但往往卻適得其反，常常造成無序混亂狀態的擴大或加重，在某些局部區域甚至造成自然系統的崩潰，并禍及自身.自然地理系統的無序和混亂不能無補償地自然地產生有序，我們要讓其向有序的方向發展，使之在一定程度上可認識、可遵循、可順應、可控制，就必須向自然做功，輸入負熵，做出補償.

在這個過程中，人類需要弄清其活動所在的區域自然地理然系統的性質，弄清最脆弱的自然結構和空間點位，明確最敏感的因素或主導因子，確定抗干擾的最大承受力.才能在具體區域、具體活動、具體過程中，管控好人類活動的性質、強度、范圍及其補償措施，也才能為人類對自然地理綜合系統的認識、適應、利用（空間配置、開發方案、利用強度、保護措施、持續協調策略制定等）、協調提供科學基礎，提供戰略選擇，提供保護與協調的方案，為其他利用目的的綜合規劃提供自然本底與控制底線.從科學實質上處理好人地協調問題［20］.

5.2 深化不同層次的綜合研究1）自然地理區域中不同自然因素的相關研究，即尋找在一定區域中某一種自然因素自身的變化規律和特征，進而進行兩要素、三要素、多要素之間的相互關系、相互作用過程分析，以探明單、雙、多自然要素不同組合、不同層次關系的變化差異和共同點，分析不同自然要素在自然綜合體中的角色、地位、功能與競爭協同，將對自然地理綜合研究推進到更深層次和量化的階段.

2）不同區域自然地理綜合相關分析，即以某一特定區域為基點，分析其與周邊不同性質或類型區域的相互關系，不同區域之間矛盾與協調及其轉變機制，揭示不同區域物質、能量和信息交換與循環的特征.揭示不同區域之間和區域內部不同空間層次的內在聯系、分異與協同規律，為自然地理區劃提供更準確的科學支撐，也為人類開發因地制宜提供更可靠的依據.

5.3 自然地理界面研究自然地理界面是相鄰的不同性質自然地理系統互相作用所形成的具有特點的交接帶，又稱自然地理交界帶［22-23］.它是普遍存在的一種自然空間現象和實體.其特點是具有不同于其周圍與之交接的自然地理空間單元的性質，既是交界帶又是過渡帶，往往具有較明顯的自然地理空間標志性，如山地與平原、水體與陸地、干旱區與濕潤區等.自然地理界面是自然多因素交叉、多自然過程強烈作用的區域，具有地貌類型多樣性、生物多樣性、景觀多樣性、生態系統多樣性、氣候多樣性、自然地理結構復雜性、多變性、過渡性的特點；交界帶的邊界、范圍具有模糊性，清晰確定也十分困難.但它對揭示自然地理系統的結構、功能和物質、能量交換卻具有典型意義，并且是自然地理區劃的重要依據.當前必須集中研究如下問題：1）自然地理界面的邊界和范圍的確定，即以定量、明確的科學指標，相對準確接近客觀實際的在模糊、漸變的自然空間中劃出具體明晰的邊界和范圍；2）研究自然地理界面自身的結構、功能及其與周邊區域的相互作用、差別與聯系；3）研究自然地理界面生態多樣性與生態脆弱性的關系，為什么具備多樣性的區域反而不穩定，易受干預而變化、退化，進而論證生物多樣性與生態系統穩定性的最佳空間尺度；4）研究全國與當前生態功能區、自然區劃相適應的自然地理界面層次體系及劃分標準.

5.4 山地綜合自然地理研究與平原、海洋、臺地、高原比較，山地具有最大的表面積，是地質、地貌、氣候、水文、植被、動物、土壤等自然要素在平面投影面積上最密集的區域，具有物種多樣性、群落多樣性、生態系統多樣性、景觀多樣性、自然地帶多樣性（垂直、經度、緯度、坡向、非地帶等）、地貌類型多樣性、自然地理區域類型多樣性等特點，具有綜合自然地理結構復雜、自然地理界面交叉、自然過程多變、自然要素相互作用緊密、空間層次與格局多態等復合系統結構和功能.較能全面體現綜合自然地理的本質特征，是綜合自然地理研究理想之地.當前還有許多神秘的大自然之謎等待我們去揭示［24］.

其次，從自然地理因素性質形成的聯系上看，地理位置、地貌、氣候、水文、植被、動物、土壤具有一定順序聯系規律.即前面因素的組合或共同作用決定后一個自然因素的性質，而不是相反，或者說，前面的自然要素及其組合對后面因素的影響和作用大于后面因素對前面因素的作用.例如，位置和地貌一確定，就決定氣候條件，而位置、地貌、氣候一確定就決定水文狀態，而上述的聯合又決定植被類型、植物分布，接著又決定動物的種類和生境，而上述綜合因素疊加，又決定土壤性質和類型.這種排列顯示，前者主導后者，而后者主導不了前者.山地以特定的地貌條件（包括海拔高度、地質、坡度、坡向等），對氣象氣侯、水文（包括河流特征、水文過程、水土運動等）、植被、動物、土壤等性質起著關鍵的作用，在許多自然過程中，山地對平原的影響大于平原對山地的影響，如洪水、水土流失、泥石流、滑坡等自然災害［21］.人類在建設山地生態屏障上，需要抓住主要矛盾，明確各自然因素的角色和相互作用的聯系與差異，才能有的放矢，事半功倍.

6 如何突破方法與技術的桎梏

6.1 大數據的收集與儲存大數據是綜合研究的基礎，對全球、全國和眾多區域的自然地理要素的數據，臺站觀測數據，歷史數據，隨機采集數據，分散數據，多學科獲得的數據，生產過程中獲得的各類數據等，盡可能地收集、儲存，作為綜合分析的數據源.就我國而言，目前遍布全國的與自然地理有關的專業觀測臺站就很多，除歷史較長的氣象站、水文站外，近幾十年來新建的生態站、森林站、草原站、地下水觀測站、水土流失、大氣污染、水質監測、土壤調查、地質災害、地面沉降、海洋調查、岸線調查、遙感監測等，完全可以形成較系統的、豐富的自然地理數據庫.若再加上各地無數的不定期采集的調查數據，化零為整，則更可提供大數據計算的基礎.當前的問題是數據為不同部門所占據，小庫或無大庫收集，或大庫集中不了眾多小庫.因此，有大庫而缺數據，大數據的優勢得不到發揮.對于綜合自然地理系統來說，數據越多，信息量越大，系統的不確定性就越少，能得出有序有規律的結果的機會就越大.可以說，大數據是尋找自然地理復雜系統有序性之源.整合自然地理數據資源，是自然地理綜合研究上新臺階的第一道必須攻克的關卡.

6.2 云計算的運用在大數據的基礎上，運用云計算，實現無數零散、孤立、無規則、無聯系、非線性、隨機、混亂數據的相互聯系、相關關系、相互作用分析，從雜亂中找出規律，從分散孤立中找出聯系，從混沌中找出清晰，從無序中尋找有序，從不確定中找出確定，從眾多因素中找出主導因素.凡此等等，將貌似隱藏很深、看得著卻摸不清的自然過程和規律揭示出來.就是說，零散、孤立、隨機、小樣本采集的數據，很難揭示自然地理過程的性質和規律，只有運用現代云計算，才能處理巨量的分散、表面不相關的數據隱含的有用信息，揭示茫茫大海中的規律，看清混沌世界中的清晰圖像.

6.3 多學科合作是創新綜合自然地理學的必由之路自然地理學作為一門綜合性學科，不是部門學科的拼盤和簡單匯總，而是要在部門學科之上進行更高層次的分析，探索新規律，確定系統綜合的新結構、新功能、新運動形態.因此，既要有較廣博的知識和扎實的專業基礎，又要掌握現代系統科學的新理論、新思維，更要學習現代新發展起來的新定量分析方法，在許多情況下往往非個人或單一學科的研究人員所勝任.因此，除了自然地理學人才相互合作，聯合攻關外，應該虛心向非自然地理學的其他多學科學習（特別是大數據、云計算等），爭取他們的幫助、傳授和合作，取長補短，讓當代最新的科學成果、理論和方法、技術進入自然地理研究領域，提升自然地理學綜合研究的水平.