自然地理学是一门以基础研究见长的自然科学,其研究对象是与人类生存和发展密切相关的自然环境。中国的自然环境复杂多样,自然地理学家根据国家需求和区域发展在应用基础和应用研究方面同样取得显著成效,为国家重大经济建设、社会发展的规划,宏观生态系统与资源环境保护及区域可持续发展做出了重要贡献。本文总结了1949—2019年中国自然地理学在自然环境区域差异与自然区划、土地利用与覆被变化、自然灾害致灾因子和风险防控、荒漠化过程与防治、黄淮海中低产田改造、冻土区工程建设、地球化学元素异常和地方病防治、自然地理要素定位观测、地理空间分异性识别和地理探测器等方面的实践与应用,指出了未来自然地理学的应用研究方向。
海绵城市建设的本质是城市水系统的重构,明晰海绵城市系统所涉及的水循环过程是海绵城市研究中最根本、最重要的问题。以海绵城市建设区为研究对象,本文定义了海绵城市系统的内涵,明确海绵城市系统的输入项与输出项,探讨了基于海绵城市系统的城市水循环过程,即海绵城市建设区“大气水—地表水—土壤水—管网水—地下水”转化过程。分别从明确海绵城市建设区的降水与污染物输入、掌握典型海绵设施的径流及污染物转化过程、重视排水管网径流监测与汇流特征参数确定、准确分析海绵城市建设区的径流及污染物外排过程、综合评估海绵城市建设的生态与地下水回补效益共5个方面,系统梳理了海绵城市系统的研究现状及未来的研究要点,以期为海绵城市建设的基础理论研究与工程实践提供启发和帮助,促进中国城镇化转型发展。
1998—2012年全球地表平均温度发生变暖停滞（Hiatus）,然而Hiatus现象是否在全球各地均存在尚有争议,其在西北地区的表现及特征缺乏深入研究。本文基于1960—2019年气温地面观测数据,利用累积距平曲线、Mann-Kendall突变检验、滑动t检验及Yamamoto检验进行气候突变分析,结合线性倾向估计进行气候变化趋势分析,对西北地区气候变化中的Hiatus现象及其特征进行了探讨。结果表明：① 西北地区年均气温在1986年、1996年和2012年分别突变,1996年突变升温后在1998—2012年间保持高位震荡;② 1998—2012年间西北地区年均温变化率为-0.20 ℃/10a,呈现明显Hiatus现象,分季节看,冬季降温幅度最大,夏季仍保持升温,春季均温比秋、冬季提前1年开始和结束停滞期,从空间上看,西北地区东南部降温最显著,青藏高原不存在Hiatus;③ 2012年Hiatus结束后西北地区气温普遍快速升高,季节上以冬季升温最快,空间上以南疆升温最快。综合来看,1998—2012年的Hiatus现象在除青藏高原外的西北地区表现明显,停滞后的快速升温值得高度关注。
局地气候分区（LCZ）框架自2012年提出以来,在城市热岛研究领域备受重视,但目前对LCZ框架下城市热岛（简称LCZ城市热岛）时空分异特征仍缺乏系统性总结。本文以统计和“荟萃分析”为手段,系统梳理了2012—2019年LCZ城市热岛研究在数据获取手段、时空格局和影响因素3个方面的进展,并对今后研究进行了初步展望。结果表明,迄今为止全球范围内已在超过130座城市开展了LCZ城市热岛研究,这些城市主要集中于中纬度（35°N~55°N）的亚洲和欧洲地区,且主要聚焦于以近地表气温表征的“冠层热岛”和以地表温度表征的“地表热岛”。具体而言：① 在温度数据获取方面,站点观测（文献数量占比42.5%）、模型模拟（38.3%）与移动测量（19.2%）是获取气温的主要方法,其中模型模拟方法占比逐年升高。而卫星热红外遥感是获取地表温度的主要手段（86.5%）。② 在时空格局方面,就全球而言,LCZ气温的类间极值差（均值为3.1 K）显著低于地表温度的类间极值差（9.8 K）,且该极值差通常在夏季或冬季较大;冠层热岛与地表热岛均存在显著的“LCZ类内热岛”现象。③ 在影响因素方面,多数研究局限于定性分析地表结构、覆盖、材质和人类活动的影响,而普遍忽略了建筑布局与邻近LCZ类型等潜在因素的作用。本文将有利于从整体上更好地把握LCZ城市热岛的研究进展与今后的发展趋势。
作为中国商品粮的主要生产基地,东北地区频发的低温冷害给中国粮食安全带来了严重的影响,及时、准确和大范围评估低温冷害灾损是降低损失、快速恢复生产的重要前提。本文以鄂伦春为例,提出了一种快速评估低温冷害对大豆生产影响的新方法。首先诊断出该地区典型冷害事件发生的年份为1989年、1995年、2003年、2009年和2018年;然后基于本地化后CROPGRO-Soybean模型设置512组低温冷害和田间管理组合模拟情景;其次构建了1600组包括3个变量（有效积温距平值（CDD）、模拟的叶面积植被指数（LAI）和产量）的冷害脆弱性模型;最后依托Google Earth Engine（GEE）平台逐像元提取大豆关键生育期早晚窗口内最大的宽动态植被指数（WDRVI）及对应的日期（DOY）,将WDRVI转化为大豆种植格点的实际LAI,结合构建的冷害脆弱性模型逐像元计算出产量和减产率。主要发现如下：① 校准后的CROPGRO-Soybean模型能较为准确地模拟不同冷害情景下的大豆生长发育过程;② 大豆遭受全生育期的降温情景（1~3 ℃）的减产幅度比局部降温情景（4个生育期随机生成连续5日温度为0 ℃）的减产幅度大;③ 历史冷害年1989年、1995年、2003年、2009年平均减产率约为9.6%、29.8%、50.5%和15.7%,与实际6.4%、39.2%、47.7%和13.2%的减产率相比,冷害灾损评估结果具有较好的精度且误差均在一倍方差以内;④ 运用该方法评估2018年冷害田间尺度的产量损失,并利用Sentinel-2A影像进行10 m高精度制图。结果显示,该方法能够快速、准确地评估不同尺度的低温冷害灾损情况,为作物估产以及农作物灾害损失评估的业务化运行提供了新的思路。
为研究区域旱涝特征以及对作物产量影响,在对比标准化降水蒸散指数和降水温度均一化指标的基础上,利用信息扩散和混沌时间序列分析技术,探讨作物各生育阶段的旱涝演化规律,以及不同生育阶段发生旱涝对产量的影响。以西安市为典型区域,将玉米作为研究对象,根据1951—2015年气象资料和玉米单产等数据,利用该文提出的方法进行分析。研究结果表明：① 西安市玉米各生育阶段的旱涝随时间变化的趋势呈现波峰、波谷交替起伏形式,表现出一定的周期性。2008年后各生育阶段均表现出向相对丰水方向发展的趋势。② 西安市玉米各生育阶段大多数处于正常状态,频率大约为45%。出苗—拔节阶段发生重旱的比例最大,达4.62%。拔节—抽雄阶段发生中涝（含）以上程度的频率最大,达15.39%。③ 玉米各生育阶段的旱涝时间序列的最大李雅普诺夫指数均大于0,各时间序列呈现一定程度的混沌特性。④ 拔节—抽雄阶段相对于其他生育阶段,产量和旱涝相关关系较明显,一定程度上反映出该阶段对水分的敏感性。
基于印度尼西亚2001—2018年FIRMS MODIS活跃火（Active Fire）位置数据,通过GIS渔网（1 km×1 km）定量分析了该国活跃火的发生概率、强度及其对厄尔尼诺的响应。结果表明：① 印度尼西亚18年间至少发生过一次活跃火的区域（即“有火区”）占22.79%,五大岛屿“有火区”以加里曼丹岛最多,巴布亚岛最少。活跃火发生以低概率为主,集中在8—10月,加里曼丹岛和苏门答腊岛分布最多;中概率分布较少,苏门答腊岛东部低地平原和加里曼丹岛南部及西南沿岸最为集中;高概率零星分布,大部分集中在爪哇岛和苏拉威西岛。② 活跃火的发生强度以1级（1次/a）和2级（2~3次/a）为主,3级（4~7次/a）次之。1~5级（1~22次/a）活跃火主要集中在加里曼丹岛和苏门答腊岛,6级（23~165次/a）活跃火集中在爪哇岛、苏门答腊岛和苏拉威西岛,且强度从中心向四周递减。此外,不同概率组内活跃火的发生强度也不同,低、中、高概率活跃火分别以1次/a、1~3次/a、2~7次/a为主。③ 印度尼西亚8—10月活跃火对强、弱厄尔尼诺的敏感度不同,其响应表现在活跃火频次与影响面积显著增加,厄尔尼诺越强,活跃火响应程度越高。其中,苏门答腊岛响应程度最高,巴布亚岛最低。
以秦淮河流域为例,构建HEC-HMS模型,采用统计学分析方法,在两期历史景观分布情况下,研究洪水特征值（洪量、洪峰）与不同景观的景观格局指数间的响应关系,提出并构建基于景观格局的洪水生态风险（洪水—景观生态风险）指数,结合空间分析方法,进行全流域风险的时空变化分析和特征子流域间的对比分析。结果表明：不同类型景观的景观格局与洪水特征值间均具有一定程度的响应关系,景观类型不同,其响应指标与程度不同;2003—2017年,研究区风险程度有所增加,空间差异明显;景观格局对区域洪水影响显著,避免景观的大面积聚集发展,增加各类景观周边的景观丰富度,提高景观间的接触面积,有助于减弱城市化进程中建设用地景观面积增加带来的洪水危害,发挥景观的生态正效应。
环境胁迫反映人类生产生活过程中污染物输出对区域环境系统产生的综合压力。本文基于县域污染物排放和人口社会经济数据库,运用熵权法综合测度县域环境胁迫指数（ESI）,解析2012—2016年京津冀地区环境胁迫的时空格局及各类主体功能区环境胁迫特征,并针对县域环境胁迫的空间效应,在STIRPAT模型框架基础上,运用地理加权回归方法定量估计县域环境胁迫的社会经济驱动力。结果表明：① 京津冀地区面临的环境胁迫态势显著缓解,2012年以来ESI降幅达到54.68%。其中,以北京、唐山、天津、石家庄等中心城区以及滨海新区下降最为显著,县域环境胁迫程度由中心城区向外围呈梯度递减,到2016年环境胁迫高等级县域已经消除;② 5年间京津冀地区县域环境胁迫的空间溢出效应趋强,并在津唐地区呈现空间锁定和路径依赖;③ 优化开发和重点开发区域两类城市化地区是京津冀水气环境的主要承压区,其环境胁迫程度占京津冀地区全域的65.98%,仍然是环境污染防治与管控的重点区域;④ 人口规模和经济发展水平是县域环境胁迫的控制性因素,此外还受环境处理技术水平、农业生产投入强度、国土开发强度以及城镇化等因素影响;⑤ 各驱动因素对县域环境胁迫的驱动作用存在空间异质性,需针对驱动力作用强度及其空间差异,采取差别化环境治理与源头减排对策,精准提升京津冀地区环境协同管制效果。
土地沙漠化敏感性评估是沙漠化监测的重要内容之一,也是研究如何防止和治理沙漠化的重要课题。本文以中国西北干旱区作为研究区,利用遥感技术和GIS空间分析技术为支撑,通过构建“土壤—地形—水文—气候—植被”沙漠化敏感性综合评价指标体系,并借助空间距离模型计算了沙漠化敏感性指数,进而定量评估2000年、2005年、2010年和2017年西北干旱区土地沙漠化敏感性的时空演变特征,在此基础上引入地理探测器等方法对其主要驱动因素进行了深入分析。研究结果表明：① 地形、土壤、气候、植被和水文等5个方面相互影响,彼此制约,共同构成中国西北干旱区沙漠化敏感性分布和变化的本底条件;② 西北干旱区沙漠化敏感性总体上呈现周边低、内部高的分布特征,低敏感区主要分布在阿尔泰山、天山、昆仑山、阿尔金山和祁连山等地,而高敏感区则主要分布在准噶尔盆地、塔里木盆地和内蒙古高原等大部分地区,包括塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠腹地。沙漠化敏感性的空间分布具有显著的区域性,高敏感区和低敏感区界限分明、分布集中;③ 从时空演变看,2000年以来沙漠化敏感性变化以稳定型占据主导,而整体上敏感性表现为缓慢降低趋势,说明潜在沙漠化区域逐年减少,区域沙漠化治理工作取得了一定成效;④ 西北干旱区的各驱动因素中,土壤及气候起直接作用,是最主要的影响因素,而植被是改变沙漠化敏感性最活跃、最基本的因素。除此之外,地形的分布和水文的变化对沙漠化敏感性起到一定的限制作用,而社会经济因素是影响区域沙漠化敏感性最为快速的因素,且经济发展对促进区域沙漠化敏感性的增长作用有逐渐加强的趋势。从整体来看,中国西北干旱区土地沙漠化得到了有效遏制,沙漠化治理工作取得了积极成效,但在全球气候变化加强和社会经济发展进入新常态的大背景下,中国沙漠化监测评估和治理工作仍然任重而道远。
基于多源数据资料重建小尺度区域历史时期土地利用/覆盖变化,对深入理解土地利用变化的驱动力机制及其环境和气候效应具有重要意义。本文利用从流域尺度聚落格局演变重建到聚落尺度耕地数量和空间分布重建,再到流域尺度耕地格局重建的思路,以云南山地典型的中小流域为研究区,以历史文献资料、田野考察资料、历史地理学研究成果、档案资料、现代统计资料、地理基础数据为支撑,综合考虑区域自然因素（坡度、海拔高度）、人文因素（人口、政策、农业技术、耕地与居民点距离）,设计了历史时期山地小尺度区域耕地网格化重建模型,重建了1700—1978年具有明确时间和空间属性的网格化耕地格局。结果表明：① 掌鸠河流域的耕地面积近300 a增长6.3倍,垦殖率从1700年的2.1%上升到1978年的15.6%。② 不同地形区的耕地面积差异较为显著,其中山区和半山区的耕地面积最大,且增长速度最快;平坝区和中下游河谷区的耕地面积增长相对平缓,是自然环境、人口、政策和农业技术等因素综合作用的结果。③ 通过总耕地面积和人均耕地面积等对结果进行验证,证明了重建结果的合理性。本文设计的网格化重建模型可以为模拟具有明确时间和空间属性的小尺度区域历史耕地网格化数据集提供参考。
土地利用变化是全球变化的重要驱动力,模拟是研究土地变化重要的方法。退耕还林是中国山区土地利用变化的重要原因。当前退耕还林模拟在综合社会与空间途径方面的不足限制了退耕还林模拟的空间精度及后续社会效益研究。结合社会和空间途径精确模拟退耕还林的空间过程可为该工程实施提供科学依据。本文以云南省东川区铜都镇为研究区,基于人口普查数据、地理环境数据、实地调研数据,综合考虑农民、农户和政府3类主体,基于多主体模型构建了退耕还林工程实施的空间模型,模拟了2010—2015年铜都镇具有空间特征的农户年收入、农户/政府退耕意愿和退耕还林工程空间实施过程。研究发现退耕还林工程实施主要与坡度、交通和农户收入有关,与土壤肥力相关性较小,坡度25°~30°的耕地占了81.47%,离道路0~2 km交通条件较好的地段占56.37%,农户年收入较低的区域退耕还林比例较高,且退耕还林工程的实施显著提高了铜都镇收入,2010—2015年户均收入提高了1475元。本文模拟结果空间精度为91.12%。本文构建的退耕还林工程实施空间模拟方法可为其它区域提供方法借鉴,以期为中国生态保护和精准扶贫等工程实施提供科学支撑。
水土资源不仅是山区生态系统服务供给的一部分,同时也是山区经济发展的重要投入要素。本文以横断山区为研究对象,利用基尼系数法评估水土资源和经济发展之间的匹配状况,同时基于个体随机效应模型建立拓展的Cobb-Douglas生产函数模型实现了经济增长对水土要素的敏感性分析,引入经济增长阻尼模型定量测算了水土资源对横断山区经济发展的制约程度。结果表明：① 2006—2015年横断山区水资源、土地资源与GDP的区域基尼系数波动范围分别为0.260~0.298和0.389~0.424,水资源对不同产业的满足程度相对合理,而对土地资源的利用与经济发展较不匹配,尤其是第二、三产业;② 敏感性分析结果表明,横断山区土地资源的产出弹性是水资源2倍左右,土地资源的累计贡献率明显高于水资源,土地资源要素对经济增长贡献大于水资源要素。③ 水土资源增长阻尼平均水平分别为0.012和0.022,说明水资源和土地资源对横断山区经济发展均产生明显的约束作用,且受土地资源的限制较大。研究表明中国山区发展需要更加重视水土资源开发利用与经济增长需求的匹配,充分挖掘水土资源的利用潜力提高供给可以降低其对经济增长的制约程度。
俄罗斯地区油气资源储量十分丰富,未探明储量的地区也有巨大的资源应用前景。随着气候变化加剧,北极通航变为可能,俄罗斯也寄希望于通过北极航道,大力发展其能源贸易。本文将俄罗斯交通网络作为连接资源和港口的重点,采用空间统计方法刻化俄罗斯油气资源空间分布特征,并通过栅格成本距离法、加权平均旅行时间和区位优势潜力等方法量化各港口对油气资源的可达性,得出结论：① 油气资源集中分布在西西伯利亚平原,俄罗斯全域的港口可达性呈“西部高,中部低”的特征;② 俄罗斯东北地区港口的资源可达性普遍较差,西北地区港口资源可达性较好。综合考虑油气资源、地理位置和项目合作等方面,可重点建设萨别塔、摩尔曼斯克和符拉迪沃斯托克（海参崴）3个港口;③ 附近交通网络的布设密集度影响港口的资源可达性。随着气候变暖,冻土融化,加上中俄“冰上丝绸之路”倡议的逐步实施,未来远东地区港口的资源可达性可能有进一步提升的空间。
