“耦合”作为物理学的经典概念,为许多学科提供了一套阐述多主体相互作用的思路和方法。“集成”不是来自特定学科,但因其高度的概括能力被广泛应用于自然和人文科学领域。地球科学是应用这两个概念最多的学科之一。地理学作为自然与人文交叉学科,具有区域性、综合性和复杂性特征。在使用耦合概念时,不同地理分支具有不同的理解,为此,地理学者有必要明确界定不同学科、不同情景下耦合概念的内涵,从而更准确地探索陆地表层格局、过程和机制。首先,从地理要素耦合、地理空间耦合、地理界面耦合、地理空间尺度耦合、地理关系耦合、地理耦合解译六个方面,对地理耦合的内涵进行全面解析和界定,并给出了相应的研究实践案例。其次,从地理学的视角认识理解集成,并以“黑河流域生态—水文集成研究”重大研究计划的地理实践为例,介绍实现地理集成的基本路径。最后,提出理解地理“耦合”与实现地理“集成”之间的联系。
作物物候是农作物重要的植物属性,不仅反映作物的生长发育状况,其变化也影响作物产量,是一种能够指示气候变化的综合响应指标。以气温升高为主要标志的全球气候变化对作物物候产生了重要影响,开展全球气候变化下作物物候变化特征及其影响机制研究对于揭示全球变化对作物生长发育过程影响及其产量形成机制具有重要的理论意义和实践价值。目前,作物物候变化及其影响因素是国内外研究的焦点和热点问题,前人已开展了大量而卓有成效的研究工作。本文侧重介绍全球气候变化下作物物候变化的主要研究进展,包括作物物候变化的驱动因子及其影响机制和作物物候主要研究方法,并探讨未来研究仍亟待解决的关键科学问题,以期为深入认识全球气候变化对农业物候的影响机理以及指导区域农业生产实践提供理论依据。
为了应对全球气候变化,《巴黎协定》提出各国将以“国家自主贡献”（INDC）的方式参与全球温室气体减排行动,而在“国家自主贡献”排放目标情景下区域降水变化的格局和特征尚不清楚。中亚地区位于欧亚大陆腹地,是中国“一带一路”倡议发展的关键地区。本文研究了中亚地区的降水变化对全球INDC排放的响应,基于参与国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的33个全球气候模式的模拟。结果表明：在INDC目标情景下,到21世纪末中亚地区的平均年降水量相对现代水平（1985—2005年平均）增加10.6%（4.6%~13.3%）,其中高纬度地区的响应大于低纬度地区。进一步看,中亚地区极端强降水事件随着气候变暖而持续增加,但极端持续干期事件在不同区域呈现不同的变化趋势。考虑极端降水事件相关风险,极端强降水和持续干期事件的人口暴露度在中亚大部分区域都增加,将全球温升控制在较低水平（如2.0 ℃或1.5 ℃）可显著降低暴露度。以上结果有助于增进对未来极端气候事件风险的认识,为中亚这一生态脆弱地区的气候变化的减缓与适应政策提供参考。
海河流域夏季降水的空间分布具有明显的季节内变化特征,利用海河流域148个地面气象台站逐日降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了流域夏季各月降水关键区的分布变化以及与其对应的大气环流系统的季内配置差异,并定量计算了主要环流系统对季内各月关键区降水的影响作用大小。结果表明：海河流域夏季降水关键区稳定表现出一种季节内变化,即以海河流域东北部滦河和北三河下游台站降水贡献率最大值区为轴心,从初夏（6月）至盛夏（7月和8月）,降水关键区在季节内呈顺时针移动,由海河流域东北部移至流域东部和南部再移至流域东部和中部。初夏,东北冷涡活动对流域关键区降水影响最显著,相对贡献率达69.6%;盛夏7月,流域关键区降水异常主要和西太平洋副热带高压（西太副高）脊线位置有关,其相对贡献率在60%以上;8月,西太副高脊线和东亚夏季风指数对流域关键区降水的相对贡献大小相当。海河流域降水关键区在夏季各月的分布变化,与这些环流系统的季内变化路径（南北摆动或向北推进）具有很好的一致性。
植被生长季长度和生长强度是形态上影响植被生产力变化的重要因子。全球变暖情景下,北半球中高纬度大部分地区植被生长季显著延长并对植被生产力产生正向反馈,而植被生长强度变化情形及对生产力的控制作用并不清晰。中国东北地区属于中纬度温带地区,具有较高的植被覆盖度和丰富的植被类型,探索其植被生长季长度和强度的变化及对生产力的控制作用有利于理解和应对该地区的生态系统变化。以中国东北为研究区,基于1982—2015年长时序遥感植被指数数据（NDVI3g）,利用曲率求导法确定植被生长季开始点（SOS）、结束点（EOS）、生长季长度（LOS）和夏季最大生长季强度（GM）等关键物候参数,然后利用相对重要性（RI）方法定量分析了生长季长度和强度对植被生产力长期变化趋势的相对贡献及时空格局。结果表明：① 研究区整体的植被生产力和生长强度呈现增强趋势,而生长季长度呈现缩短趋势,导致生长强度成为控制生产力变化趋势的主要因素（RI = 70%）;② 在不同植被覆盖区域,生长季长度和生长强度对生产力的影响程度具有显著的空间差异。西部草原区植被生产力受生长强度控制最为显著（RI = 93%）,其次为针叶林（RI = 66%）和阔叶林区（RI = 62%）,农作物区生产力受生长强度影响最小（RI = 56%）。生长季长度对植被生产力的控制在农作物区最为显著（RI = 40%）,在其他区域的影响约为27%~35%。各植被覆盖区生长强度与生产力均为正相关,生长季长度与生产力均为负相关;③ 气候因素（降水、温度）和物候变化均对主要贡献因子生长强度产生影响,其中SOS的变化对生长强度的影响程度和空间范围最为显著,主要表现为SOS推迟促进生长强度增强。本研究基于遥感数据发现1982—2015年间中国东北地区植被生长更加旺盛,但是植被生长活动主要受生长强度的影响,该研究可以为植被生产力变化模拟的参数选择提供新的线索。
重金属污染物因具有持久性和难降解性,严重影响生态系统健康。青藏高原湖泊远离人类污染区,是研究人类污染物远端效应的理想区域。基于定年数据,湖泊沉积物可以追踪近百年内的人类污染物变化趋势。环境磁学具有经济、快捷和无损耗的特点,被广泛证实可以有效指示重金属污染;但目前还缺乏对青藏高原湖泊沉积物中的相关环境磁学研究。为此,选取青藏高原南部枪勇错1899—2011年的沉积物,进行系统的环境磁学分析,探讨磁性矿物与重金属Hg的相关关系及环境指示意义。结果表明：1899—2011年磁性矿物的类型没有发生变化,可分为4类组分,其中：组分C1（赤铁矿）占比不断增多,C2（针铁矿）占比相应减少,C3和C4（磁铁矿）的占比基本保持不变。样品的饱和等温剩磁和低频磁化率与Hg含量相关性较低。然而C1组分与Hg含量呈现良好的正相关关系。本文认为在近百年全球和青藏高原气温不断增高的趋势下,枪勇错的主要补给——枪勇冰川融化加速,导致原来被冰川或冰尘封存的人类污染产生的Hg重新释放。在这个过程中,C1（赤铁矿）组分因表面积大而易于富集Hg,最终二者一同随融水进入到枪勇错。本研究表明,环境磁学可以应用于青藏高原南部湖泊的重金属研究,并为揭示Hg在青藏高原南部湖泊中的富集过程提供新的视角。
青藏高原为全球气候变化最为敏感的区域之一,探讨该地区土壤水分变化对近地面气温的影响将为青藏高原水汽循环研究及该地区对周边气候与环境的影响研究提供重要理论支撑。利用NCEP-CFSR数据集,基于土壤水分对近地面气温的影响机理,揭示了青藏高原不同季节、不同植被分区下土壤水分时空分异规律、土壤水分与蒸发率的响应与耦合状态及土壤水分通过蒸散发过程对近地面气温的影响。结果表明：① 不同季节下青藏高原土壤水分空间分布基本一致,除西北地区和喜马拉雅山脉外,整体呈现由东南向西北递减趋势,青藏高原地区存在干旱区变湿,湿润区变干的空间特征;② 青藏高原大部分区域土壤水分处于干湿过渡状态,其中青藏高原南部和东南部地区全年处于干湿过渡状态,而柴达木盆地几乎全年处于干旱状态;③ 近地面气温对土壤水分的响应在冬季最弱,在夏季最强且空间差异较小,其中在冬、春、夏季为负反馈,另外不同植被覆盖区近地面气温对土壤水分的敏感性差异很大。此项研究对于进一步探讨青藏高原地区陆气耦合状态及变化环境下的区域水汽循环及其效应具有重要理论意义。
冰川物质平衡变化是连接气候和水资源的重要纽带,对河川径流有重要的调节功能。本文采用MOD11C3和TRMM 3B43等多源遥感数据驱动度日模型,模拟了2000—2016年玛纳斯河（简称玛河）流域冰川物质平衡过程,并分析了冰川融水对径流的补给规律。结果表明： ① 通过构建气温及降水反演模型能有效校正气象遥感原数据的精度,且经降尺度后能较精细刻画冰川区气候变化特征。冰川区年均气温和降水量分别为-7.57 ℃和410.71 mm,海拔4200 m处为气候变化剧烈地带,气温直减率以其为界上下分别为-0.03 ℃/100 m和-0.57 ℃/100 m,降水梯度分别为-2.66 mm/100 m和4.8 mm/100 m,海拔大于4700 m后降水又以5.17 mm/100 m递增。② 研究期内流域冰川持续呈负平衡状态,累积物质平衡达-9811.19 mm w.e.,年均物质平衡介于-464.85~-632.19 mm w.e.之间。垂向物质平衡在消融区和积累区分别以244.83 mm w.e./100 m、18.77 mm w.e./100 m递增。2000—2002年、2008—2010年冰川消融减缓,2002—2008年、2010—2016年消融加剧,其中2005—2009年期间冰川亏损最为强烈。③ 年内河川径流对冰川物质平衡变化响应强烈,尤以7月、8月物质平衡亏损最为严重占全年总量的75.4%,使得同期河川径流量占全年径流总量的55.1%。年际冰川融水补给率波动于19%~31%之间,可能是不同年份降水和积雪融水补给率差异较大所致。玛河与天山北坡其他河流冰川融水贡献率非常接近,也进一步证实了本研究物质平衡估算结果的可靠性。本研究可为其他流域冰川物质平衡研究提供借鉴和参考。
利用美国环境预测中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）等美国科研机构开发的气象模式WRF 3.8版本,采用北京地区不同时期的土地利用数据,选取影响北京的一次典型暴雨过程,应用包含多层城市穹顶模式的模式参数化方案对其进行模拟研究。从小时降水模拟结果来看,景观城市化区域（城市下垫面）的扩张使得暴雨持续更久,使用2010年土地利用数据模拟的2012年7月21日暴雨过程小时降水量大于16 mm的时长较使用1990年土地利用数据模拟的结果增加了1 h;从累积降水结果来看,使用2010年土地利用数据模拟的24 h累积降水大于150 mm的区域较使用1990年土地利用数据模拟的结果增加了1534 km 2。本文中模拟的逐小时降水与实际情况存在一定的差距,未来的工作会深入研究模式的参数化方案和降水产生的机理进而深入地研究景观城市化进程对暴雨过程的影响。进一步研究需针对城市人为活动产生的大气气溶胶粒子、景观城市化密度变化等因子,探究景观城市化对暴雨的可能影响。
围填海影响下海湾形态变化能够深刻反映人类活动对海湾自然环境的影响程度,分析海湾形态变化对合理高效地利用与保护海湾资源具有重要意义。研究以东海区12个主要海湾（包括陆域与水域）为研究区,基于20世纪90年代以来6个时期的Landsat TM/OLI遥感影像数据,通过海湾岸线与湾面形态分析东海区主要海湾的变化特征,探讨围填海强度与海湾形态变化之间的相关性。主要结论为：① 1990—2015年,东海区主要海湾岸线总长度共波动增长66.65 km,2005—2010年间海湾开发最活跃,阶段内岸线增长量达38 km。岸线长度三沙湾最大（439 km）,泉州湾最小（105 km）;兴化湾增长最多（54.53 km）,罗源湾缩短最多（25.75 km）。自然岸线与人工岸线长度此消彼长,岸线人工化程度不断加强,东海北部海湾岸线总长度大于南部海湾。② 1990—2015年,东海区海湾岸线共向海推进26.93 km,合1.08 km/a,在1995—2000年及2005—2010年间推进最多,分别达7.10 km和 6.00 km,在1990—1995年间推进量最小,为2.97 km。杭州湾（4.93 km）和兴化湾（4.15 km）岸线向海推进距离最长,厦门湾推进（0.55 km）最短;东海南部海湾岸线迁移量平缓,北部海湾则更为剧烈,是东海区岸线迁移变化的主体。③ 1990—2015年间东海区主要海湾水域总面积由初期的13.85 km2减少至12.29 km2,累积减少11.23 %,海湾形状不断向复杂化演变。其中杭州湾海湾水域面积减少量最多,达到0.726 km2,占研究区的46.69 %。空间上,北部海湾水域面积减少量更大,而南部海湾水域面积减小速率更快。④ 1990年以来,东海区主要海湾人工化指数平均值和岸线开发强度指数均有所上涨,21世纪以来的开发利用度显著提高。南部（闽）海湾的开发利用程度较北部（浙沪）更为深入,北部海湾开发强度的年际波动差异更大。海湾开发强度与海湾岸线长度、人工岸线长度、海湾形态指数呈正相关关系,与自然岸线长度、海湾水域面积呈负相关关系。当海湾开发强度增加时,同时段内海湾围填海活动的强度也显著增加。
土地利用空间格局研究是土地利用/覆盖变化（LUCC）理论和实践的基础,对土地利用空间格局进行有效刻画有利于国土资源空间优化,提升土地利用规划和管理水平。由于土地利用空间格局的研究范畴尚不明晰,目前土地利用空间格局的研究对形状、斑块分布和结构等方面关注较少,缺乏对不同土地利用类型间相互关系的研究;同时,格局指标繁多且存在较大的相关性,如何建立指标与土地利用空间格局的对应关系值得进一步研究。本文在深刻理解土地利用空间格局内涵的基础上,将面积、形状和斑块分布总结为土地利用几何特征,将结构和多样性总结为土地利用类型特征,建立了土地利用空间格局刻画指标体系,利用模糊C均值聚类分析,明确了指标与空间格局间的对应关系。结果表明,中国土地利用几何特征可以划分为简单大斑块型、复杂大斑块型、复杂小斑块型、简单小斑块型和散布型五种,不同的几何特征反映了不同土地利用类型的面积、形状和斑块分布的特点,体现了区域土地利用类型的组合关系。2010年中国土地利用共存在61种不同的结构,但主要的结构类型仅有14种,结构特征具有明显的空间聚集性,体现了不同土地利用类型的空间分异性。中国土地利用多样性以3~5类为主,占比达66.69%,其特征总体上呈现“东北、东南高,西北低”的态势。该研究丰富了土地利用空间格局研究的理论体系,填补了中国土地利用整体空间格局刻画的空白。
区域生境质量决定了区域内生物多样性状况,是生态系统服务功能和生态系统健康程度的重要体现,生境质量变化研究对区域生态安全具有重要的意义,重建区域生境质量空间格局可以还原历史时期的生态环境本底,为揭示区域生态环境质量演变规律提供科学支撑。选取高程、坡度、坡向、GDP、人口、温度、降雨量、河流距离、城市距离和海岸线距离10个土地利用变化驱动因子,构建CA-Markov模型参数,模拟得到历史土地利用空间数据。在此基础上,运用InVEST模型重建泛长三角地区生境质量空间格局,并对计算得到的生境退化度指数和生境质量指数进行等级划分与统计分析。结果表明：① 土地利用模拟精度验证结果显示Kappa系数为0.88,土地利用空间格局重建方法可行,可以在此基础上开展生境质量模拟研究。② 泛长三角地区1975—2010年生境退化度逐期上升,生境退化等级在空间分布上呈圈层递变分布规律。生境质量则表现为逐期下降,高值区主要分布于山区,低值区大部分位于建成区;1975—2010年期间,低值区逐渐向周边高值区域演变,生境高值区域趋于破碎化。③ 1975—2010年生境质量时空变化特征表明：生境质量差等级区域,其生境难以修复,维持原状居多;生境质量较差等级区域易继续恶化,且易发生在建成区周边区域,占比为研究区总面积的6.40%;生境等级为良好和优等的区域,其生境等级易转换为差等和较差等级,使得该区域的生境破碎化,该类型的面积占比为研究区总面积的5.68%。④ 1975—2010年期间,研究区土地利用变化显著,对生境质量造成了巨大的影响;研究区生境质量逐期变差,其生境质量等级位于较差及以下区域面积占比均达到了60%以上,建设用地为生境质量最大的威胁因子。
土地城镇化是地理学与土地科学交叉的核心研究领域。随着中国城镇化水平不断提升,土地城镇化作为城镇化在空间的具体体现,已经成为学者和政府共同关注的焦点。土地城镇化受到省、市多层面因素影响,单一层面的影响因素并不能完全有效解释中国特殊行政体系下的多层级关系。本文采用熵值法对中国省、市两个层面影响因素的不同指标进行客观赋权,建立两层线性模型,对2005年和2016年全国102个具有代表性的城市土地城镇化影响因素进行实证研究。结果表明：① 市级层面,2005年要素投入和公共服务是影响城市土地城镇化的主要因素,其中以要素投入最重要。2016年经济发展水平成为最关键的影响因素,要素投入、公共服务、人口集聚对土地城镇化的影响程度依次降低。② 省级层面,区域经济发展水平差异是土地城镇化的主要影响因素。政府资源保护态度、生态和农业资源与市级因素以及城市建成区面积呈显著负相关。根据区域所处发展水平的不同,政府开发态度、地理区位与市级因素存在复杂的影响关系。③ 1978年改革开放以来,中国土地城镇化是工业化和城镇化共同作用的结果,土地城镇化进程逐步由政府主导转向经济驱动。多层级土地城镇化研究,可以更好地解析不同层面影响因素对土地城镇化水平影响机制和跨级关系,为更合理精准的城镇化政策制定提供理论依据。
城市规划建设用地标准是科学配置城市各类建设用地的技术规范和编制、修订城市总体规划的基础。针对中国现行城市规划建设用地标准存在的用地指标控制阈值高低差距较大、气候修订缺乏地域分异和地形地貌因素缺失等问题,本文按照“总量—结构”控制的建标思路,提出了标准建立、修订的分步式流程框架和定量测算方法,通过条件设定建立了普适性的建设用地基础标准,进而选择城市人口规模、日照间距系数、河谷地（山间盆地）宽度、地形坡度等关键指标,定量分析了各指标与基础标准之间的关系,形成与基础标准配套的气候和地形地貌修订标准。主要研究结果包括：确定了设定条件下适用于全国不同地区的由人均建设用地面积和人均单项用地类型结构控制的建设用地基础标准;按城市人口规模等级对基础标准进行了量化修订;定量测算了人均居住用地面积随日照间距系数变化的情况,提出了按纬度方向变化的人均建设用地气候修订标准;阐释了河谷地（山间盆地）宽度变化与公园绿地的配置,量化分析了地形坡度与人均建设用地面积变化的关系,建立了针对山地、丘陵地区城市规划建设用地的地形地貌修订标准。
