科学理解中国自然与人文地理环境变迁的历史逻辑、基本规律和发展趋势,有助于找准历史方位,确立国土空间开发保护格局优化方向,推进“美丽中国”建设与经济社会可持续发展。本文集成现有研究成果,梳理了两千年来中国自然与人文地理环境变迁过程,总结了主要要素的变迁特点,探讨了这些历史变迁对“美丽中国”建设的启示。研究表明,两千年来中国自然地理环境变化主要表现为气候的多尺度准周期波动、黄土高原破碎化、北方地区沙漠化土地扩张、河口三角洲海岸在泥沙沉积作用下逐步外移、黄河和长江中下游湖泊萎缩、森林和温带草原面积下降。人文地理环境变迁突出表现在人口增长和格局变化、经济中心向东南迁移、耕地向外围扩张、交通网络由道路网和运河网向立体化综合交通网转变。依据上述变化的历史逻辑,未来基本自然地理格局和地理界线仍将长期存在,长江和黄河中下游星罗棋布的湖泊水系已难再现,南粮北运成为历史,但森林覆盖率仍有较大提升空间,交通网络建设仍需进一步推进,同时还要加强沿海城市应对气候变化威胁的防控体系建设。
人地关系演变的历史、规律和机制是地理学研究的重要科学问题。在人类社会演化的不同阶段,人与环境相互作用的模式存在显著差异,揭示人地关系在时间维度上的演变轨迹和机制可为有效衔接古今人地关系研究提供重要依据。基于对过去人地关系研究案例的分析和总结,我们提出“支点”概念模型尝试解释人地关系演变的规律和机制。当特定区域人口数量增长到一定程度时,自然生态系统和人类社会系统达到平衡状态,随后的气候环境变化和人类活动变化都有可能打破其平衡状态。人类社会系统在面对生存环境变化压力时可能出现两种不同方式的响应：① 通过人口数量的调节适应生存环境变化而达到新的平衡,其特点是人与环境相互作用的模式（人类社会与自然生态系统平衡“支点”位置）不变;② 通过人类社会组织结构或技术革新方式使社会适应生存环境变化的“韧性”增强,体现为人与环境相互作用模式发生改变。随着时间的推移,社会韧性呈增强趋势,人地关系演变的主导因素也整体呈现由自然因素向人为因素的偏移。最后,以河南、山西和陕西三省仰韶文化时期（约公元前5000—公元前3000年）至周代（公元前1046—公元前256年）的人地关系研究为例,运用“支点”概念模型分析了其演变机制。
国家科技基础资源调查专项“中国南北过渡带综合科学考察”将秦岭—大巴山定义为中国南北过渡带的主体,秦巴山地植被南北变化研究,对于揭示中国南北过渡带地域结构的过渡性、多样性和复杂性具有重要意义。基于植物群落实地调查数据,本文将中国南北过渡带东段分为：东秦岭北麓（EQMN）、东秦岭南麓（EQMS）、东大巴山北麓（EBMN）和东大巴山南麓（EBMS）4个地理单元,从植物物种、群落结构和物种多样性三个层面,对区域气候分界问题进行研究。结果表明：① 植物种类层面,EQMN主要为北方植物,EQMS出现常绿树种且北方植物减少,东大巴山以喜湿喜热的南方植物为主。② 群落结构层面,EQMN群系有4个（北方群系3个,南方群系0个,广布群系1个）、EQMS有6个（北方群系3个,南方群系1个,广布群系2个）、EBMN群系有4个（北方群系0个,南方群系2个,广布群系2个）、EBMS群系3个（北方群系0个,南方群系3个,广布群系0个）,只有EQMS群系出现南北性质混合;③ 丰富度层面,随着纬度增加,科、属、种3个分类群物种多样性均减小,但南北方植物混合现象开始在EQMS出现。本文对植被变化序列的研究增加了对东秦巴山地南北分界线判断的科学性,东秦岭南麓更适合作为暖温带—北亚热带的分界线。
秦岭位于暖温带与亚热带交界处,也是中国南北地理分界线,秦岭南北坡植被对干湿变化响应敏感性,可以折射出暖温带、亚热带地区主要植被类型对干湿变化的响应规律和机制特征,对深入理解不同气候带植被变化规律具有重要意义。本文利用秦岭山地32个气象站点的气象数据和MODIS NDVI时间序列数据集,探讨了2000—2018年秦岭南北坡NDVI和SPEI时空变化特征,揭示了南北坡植被对干湿变化响应敏感性及其空间差异。结果表明：① 2000—2018年秦岭植被覆盖情况整体显著改善,但秦岭南坡NDVI上升幅度和面积占比均高于北坡,南坡植被比北坡改善情况好。秦岭湿润化趋势不显著,但秦岭北坡湿润化速率和面积占比均大于南坡。② 秦岭北坡植被比南坡植被更易受干湿变化影响,秦岭北坡植被对3—6月总体干湿变化最为敏感,南坡植被对3—5月（春季）干湿变化最为敏感。秦岭南北坡植被主要受3~7个月尺度干湿变化影响,对11~12个月尺度的干湿变化响应较弱。③ 秦岭有90.34%的区域NDVI与SPEI呈正相关,大部分地区春季湿润化能促进全年植被生长;随海拔上升,植被对干湿变化响应敏感性先上升再下降,海拔800~1200 m是植被响应最敏感的海拔段,海拔1200~3000 m随海拔上升植被响应敏感性下降;南北坡草丛均是对干湿变化响应最为敏感的植被类型,但秦岭北坡多数植被类型对干湿变化响应比南坡敏感。
新疆是对全球变化响应最敏感地区之一,分析全球变暖背景下新疆干湿气候变化及其影响,对应对和适应未来气候变化带来的影响具有重要意义。基于气象水文观测资料,对新疆区域干湿气候变化及其影响评估进行了探讨。结果表明：① 20世纪80年代中后期以来新疆气温升高,降水量增加,呈“暖湿化”特征;但1997年之后,干旱变化趋势、干旱频率、干旱发生月份等均有明显增加,导致70%以上的区域变干,新疆气候出现了从“暖湿化”向“暖干化”转折的强烈信号,即发生了“湿干转折”;② 新疆气候转折对区域生态和水资源造成明显的影响,归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）经历了先增后减的变化过程,1982—1997年植被趋于“变绿”,但1997年之后植被长势迟滞,土壤水分明显下降,生态逆转,生态负效应凸显;③ 新疆河流径流变化出现明显的区域差异,对干湿气候转折响应复杂,受冰雪融水对径流补给比例的影响,发源于天山的河流径流对区域干湿变化有正响应,但发源于昆仑山的河流径流响应不明显。研究结果表明气候“湿干转折”和极端气候事件加剧背景下新疆干旱化急剧增加,水循环系统和生态系统不稳定性加剧,相关成果可为区域干旱灾害防灾减灾和风险管理提供有价值的决策参考。
基于“致灾因子—孕灾环境—承灾体”3个维度,利用空间主成分分析法（SPCA）开展新疆南部地区风沙扩散风险评价,然后借助最小累积阻力模型（MCR）优化关键景观格局组分,构建多层次生态网络。结果表明：① 区域致灾因子危险性较高,孕灾环境较为脆弱;和静县、阿合奇县生态本底较好,而盆地及其南部各县易于风沙扩散,尤其是和田地区、且末县及若羌县;绿洲人口和农业生产高度聚集,易损性较大。② 46.53%的区域沙源丰富,立地条件差,风沙扩散风险较高。区域下垫面植被覆盖度和土壤类型是影响风沙扩散的最主要因素,风场强度是区域沙源扩散的主要诱因。③ 基于MCR模型,构建20条生态廊道连通生态源地,包括5条河流型、9条道路型和6条绿带型廊道;其中,1号和4号廊道纵贯塔克拉玛干沙漠,其余廊道沿塔里木盆地外缘呈圆环形分布;同时,判别出30个生态节点,包括A类生态节点7个,B类生态节点23个,主要分布在和田地区和巴州,可以通过建设防护林带、提高地表植被覆盖等措施降低风沙扩散风险。研究结果为中国北方干旱、半干旱地区风沙扩散风险防控与景观格局优化提供了技术支撑。
冻融侵蚀是青藏高原草甸覆盖区的主要侵蚀方式,以气候条件一致的藏东地区斜坡表层土壤侵蚀为对象,基于区域地质条件和土体赋存特征,分析了土壤剥蚀输移的力学过程,探索了缓变的隐性因子和灾变的显性因子对冻融侵蚀的作用机制。结果表明：① 地表冻融侵蚀是自基岩风化和土壤演化起始,经历冻融拉裂破坏与沙土输移,到重新裸露基岩的一个循环演化过程;② 冻融侵蚀输移驱动力为受全因素控制的重力和径流动水压力,抗侵蚀力则由土壤二元结构特征和植被根系锚固力控制,多因素耦合作用下,冻融侵蚀演化具有“多因素,同表观”的特征;③ 基于土体极限平衡状态的破坏机制,冻融侵蚀分为牵引式的逐级崩解型和牵引—推移复合式的多级崩解型,两者在侵蚀强度和触发因素上均存在显著区别;④ 引入冻融侵蚀强度特征参数并建立其与构造、地形、植被、岩性等因子之间的关系式,提出基于小流域土壤侵蚀观测的冻融侵蚀强度估算公式。基于力学过程和土体破裂机制建立的侵蚀强度多因素估算方法,可有效减小区域适宜性产生的误差,并且为制定精细化的不同工况下的冻融侵蚀防治对策提供理论基础。
水库运行改变了坝下游水沙输移条件,在河道冲刷的同时,引起水位过程出现适应性调整。本文以长江中游荆江河段为对象,采用多项式拟合法,对比分析1991—2016年间分级流量—水位变化特征,采用基于河流动力学原理的分离变量法,识别河道冲淤、下游控制水位及河床综合糙率等变化对分级流量—水位变化的影响程度。研究表明：1991—2016年间,长江中游荆江河段同流量—枯水位呈下降趋势,2009年以来降幅增大;河道冲刷是引起同流量—枯水位下降的主控因素,河床综合糙率增加抑制了同流量—枯水位下降起到积极作用。1991—2016年间,荆江河段同流量—洪水位经历了先减小后增大的“凹”线型变化,2003年以前洪水特征为“高洪水流量—高水位”,2009年以来逐渐演化为“中大洪水流量—高水位”,同流量—洪水位特性发生转变;河床综合糙率增大是同流量—洪水位抬升的主控因素,河道冲刷抑制了同流量—洪水位的抬升态势。在航道条件及防洪情势上,应重点防控近坝段沙质河段冲刷引起的水位下降溯源传递作用,其洪水流量—水位特性的转变,不利于减缓荆江河段的防洪压力。
重庆主城区河段河道泥沙冲淤事关防洪、航运及码头作业等,是三峡水库泥沙问题的重点内容之一。本文依据原型观测资料,以三峡水库175 m试验性蓄水前后河段的泥沙冲淤规律为基础,结合河床组成分析和一维数学模型,计算提出河段悬移质泥沙走沙基本条件,并应用于减淤调度实践中。结果表明：① 三峡水库175 m试验性蓄水后至2012年重庆主城区河段河床冲刷强度下降,主走沙期推迟至汛前消落期,2013年后上游来沙减少使得河床冲刷强度再次增大;② 当寸滩站流量大于4000 m 3/s、坝前水位低于167 m时,河段开始走沙;当寸滩站流量增大至超过5000 m 3/s、坝前水位下降至163 m时,河段走沙能力增强;加大水库自163 m水位的消落速度,能够避免库尾河段产生累积性淤积。
提高黄河下游游荡段的输沙能力是河道治理的主要任务,而河道输沙效率（排沙比）受到来水来沙条件和河床边界条件的共同影响。本文基于1971—2016年花园口—高村河段（简称花高段）的实测水沙及地形资料,计算了花高段的平均河相系数及水沙条件（来沙系数和水流冲刷强度）,从汛期和场次洪水2个时间尺度,定量分析了排沙比与水沙条件及前一年汛后主槽形态之间的响应关系。分析结果表明：① 汛期和场次洪水排沙比与来沙系数呈负相关,与水流冲刷强度呈正相关,临界的汛期不淤来沙系数为0.012 kg?s/m 6,场次洪水排沙比与来沙系数及水量比的决定系数为0.76;② 游荡段排沙比与河相系数呈负相关,当河相系数大于15 /m 0.5时,河段排沙比基本小于1;③ 以来沙系数与河相系数为自变量的汛期排沙比计算式的决定系数为0.82,计算精度较高,对于场次洪水排沙比而言,断面形态的影响权重大于来沙系数。这些排沙比计算公式能够反映游荡段的输沙特点,有助于定量掌握断面形态及水沙条件对河道输沙能力的影响。
2002年开始的黄河调水调沙改变了进入黄河口的水沙条件,必然引起尾闾河道地貌的显著调整。根据黄河尾闾河道利津以下的断面实测高程数据,建立基于正交曲线网格的河道DEM,结合河床形态与水沙条件变化,综合研究黄河尾闾河道冲淤的时空演变及其影响因素。结果表明,调水调沙以来尾闾河道冲刷明显,2002—2017年累计冲刷6240万m 3,根据冲淤速率可以分为3个阶段：快速冲刷阶段（2002—2005年）冲刷速率为1443万m 3/a;冲刷减慢阶段（2006—2014年）冲刷速率为139万m 3/a;以及淤积阶段（2015—2017年）,淤积速率为263万m 3/a。其中,调水调沙初始4年尾闾河道的冲刷量占总冲刷量的80%,2006年以后冲刷强度逐渐减弱,甚至转为淤积。从季节上看,主要表现为汛期冲刷,非汛期淤积;从空间上看,越往口门方向,冲刷强度越小。调水调沙改变了入海水沙的年内分配,造成了尾闾河道的持续冲刷,入海流路也发生多次调整。但经过多年冲刷,河床整体下切,加上河口淤积延伸影响,调水调沙对尾闾河道的冲刷效率在持续降低。受河口海域淤积影响,近口门段在经历冲刷后转为淤积,河道纵比降减缓,增加了尾闾的不稳定性。
发达国家的经验表明,基于低影响开发的雨洪管理措施可以有效缓解城市雨洪灾害。聚焦中国海绵城市建设过程中新旧城区的关联性问题,提出“现状评估—低影响开发指标分解—建设效果模拟验证”的雨洪管控路径。以湖南省凤凰县为例,基于城市内涝模型,对新旧城区进行雨洪风险性评估与改造可行性评估,在现状评估基础上,构建低影响开发控制指标分解体系,实现低影响开发理念和技术从宏观控制策略到详细规划过程中的落实,最后通过内涝节点的滞水量计算验证雨洪管控效果。结果表明：凤凰县旧城区所面临的雨洪淹没风险高于新城区;旧城区现状年径流总量控制率明显低于新城区,且旧城区改造可行性较低。在新旧城区协调统筹的整体性视角下,构建“城区—街区—地块”的三级指标分解体系可以实现径流总量与峰值的消减,但在暴雨情境下,单独依靠低影响开发措施缓解内涝较为困难,基于滞水量完善灰色基础设施可以有效控制短时强降雨导致的雨洪灾害。
作为主要的气候强迫因子,CO2与人类活动密切相关,但很多研究往往忽视了陆地生态系统碳汇对人为排放CO2增温的消减作用。俄罗斯、加拿大、中国和美国是世界上地域面积最大、且社会经济处于不同发展阶段的4个国家,将短时期内CO2排放所引起的辐射强迫进行量化分析,对于评估人为和自然因素对气候的影响非常重要。本文基于CO2同化数据,利用“碳—气候”参数化方案,在分析人为碳排放及其气候效应的同时,考虑陆地生态系统碳汇的气候效应,进而得到4个国家的全球辐射强迫。结果显示：① 2000—2016年,4个国家人为排放的CO2均呈明显增加趋势（0.125 Pg C a -1）,但陆地生态系统的碳汇作用也不断增强（0.003 Pg C a -1）;其中,中美两国总的人为碳排放占了4个国家的87.19%,而俄罗斯陆地生态系统的吸收碳能力最强,总量达14.69 Pg C。② 截至2016年,陆地生态系统的降温效应达-0.013 W m -2,可消减人为碳排放增温效应的45.06%。充分说明若不考虑陆地生态系统,将会明显高估人为碳排放的增温效应。③ 整体上,相对于2000年和工业革命前的CO2浓度水平,4个国家总的人为碳排放分别贡献了0.32 W m -2和0.42 W m -2的全球辐射强迫。本文还进一步探讨了温度与辐射强迫的线性关系,相对于单一的人为或者自然因素而言,综合两者的辐射强迫,与相应时段的气温变化可解释度最高,达30.3%。
冰川为干旱区人类福祉和社会经济发展提供必不可少的资源与服务,开展冰川服务价值评估及时空特征研究对于区域社会经济可持续发展和环境保护具有重要意义。基于祁连山第一次和第二次冰川编目数据,通过构建冰川服务价值评估体系,并结合单位面积服务价格法、价值当量因子法和冰川服务价值变化指数等方法,评估祁连山冰川服务价值及时空变化。结果表明：① 2016年祁连山冰川服务价值为243.54亿元,气候调节和径流调节构成该地区冰川最主要的服务,其次是淡水资源供给和水力发电,四者分别占总价值的60.58%、33.14%、3.47%和1.75%,其他类型服务价值约为2.59亿元。② 在祁连山各水系中,疏勒河流域冰川服务价值最高（77.71亿元,占31.91%）,其次为哈尔腾河流域（43.21亿元,占17.74%）和北大河流域（32.81亿元,占13.47%）。在行政区划上,青海省的祁连山冰川服务价值高于甘肃省11.38亿元,其中海西蒙古族藏族自治州和酒泉市境内的冰川服务价值较高,分别为111.24亿元（占45.68%）和77.58亿元（占31.86%）。③ 1956—2010年期间,祁连山冰川服务价值量损失4.35亿元,且冰川服务价值变化呈现经向地带性分异规律,价值损失自西向东呈加快趋势。
细颗粒物（PM2.5）个体暴露水平是健康效应研究中的关键问题,然而历史数据缺失和地面监测点覆盖范围小阻碍了相关研究。基于美国国家航空航天局遥感数据提供的气溶胶光学厚度（AOD）,融合地面监测、气象等多源数据进行建模来估算近地面PM2.5浓度,所得结果的空间覆盖范围广、时间连续性强、方法成本低。本文基于2018年京津冀鲁地区,引入气象、NDVI、时间节点、空间标识等50个特征分析AOD-PM2.5关系。鉴于传统插补方法单一所造成的信息损失,运用时空多视图插补方法来提高插补的精度和广度。考虑到特征的滞后作用、特征间相关性与偏相关性所导致的复杂关系,运用分布式感知深度神经网络模型来分别捕捉多源特征间的高阶特性。结果表明：① 时空多视图插补方法的相对误差为27.5%,数据平均缺失52.1%降至4.84%。② 分布式感知深度神经网络模型在时间预测上平均绝对误差、相对误差、均方误差、均方根误差分别为17.7 μg/m 3、46.8%、766.2 μg 2/m 6、26.9 μg/m 3,空间上,为16.6 μg/m 3、41.8%、691.5 μg 2/m 6、26.6 μg/m 3,从精度、稳健性、泛化能力和耗时方面综合来看,结果优于线性统计模型和常见深度学习架构。
利用DMSP-OLS夜间灯光数据和碳排放统计数据,构建碳排放面板数据模型,模拟了2000—2013年中国的碳排放量。运用探索性时空数据分析（ESTDA）框架体系,从时空交互视角分析2001—2013年碳足迹的空间格局和时空依赖动态演化;利用改进的Tapio脱钩模型对3个时间段336个地级单元环境碳负荷与经济增长之间的脱钩效应进行综合分析。研究表明：① 2000—2013年,中国的碳排放在时空演变上既表现出稳中有进的总体特征,也存在快速增长的阶段特征。② 碳足迹和碳赤字均呈逐年增长趋势,年均增长率分别为4.82%和5.72%;碳足迹和碳赤字整体北方大于南方,不同的行政单元尺度下碳足迹和碳赤字空间异质性特征明显。各地级单元碳足迹变异系数逐步增大,存在极为显著的空间自相关特征。③ LISA时间路径相对长度北方大于南方,且呈由沿海地区向中西部地区递增的趋势;LISA时间路径弯曲度整体上则由沿海地区向内陆地区递减。④ 综合脱钩指数整体以弱脱钩型为主,但弱脱钩型城市数量持续减少,扩张连接、扩张负脱钩区域数量逐渐增多且向中西部及东北地区聚集分布;全国平均脱钩弹性值逐步增长,变异系数持续下降。
在优化森林结构的同时保障其木材生产功能和生态功能,实现森林可持续经营,如何采取科学、合理的森林管理措施越来越受到人们的关注。本文选取采伐年龄、采伐斑块大小、采伐频率、采伐面积比例作为变量,以江西省泰和县为研究区,设定多种强度和方式的森林管理方案,耦合生态过程模型（PnET-II）和景观模型（LANDIS-II）模拟初始年（2009年）起,未来100年森林面积和生物量的动态变化情况。研究发现：① 森林对不同采伐变量的响应差异明显,采伐年龄对森林面积影响较小,采伐斑块面积仅对生物量有影响,采伐频率对面积和生物量均有较大影响,采伐面积比例是采伐变量中对森林影响最大的变量; ② 每10 a以20%的采伐面积比例,5 hm 2的采伐斑块,采伐21 a以上的杉木、26 a以上的松林、41 a以上的阔叶树种的采伐情景能够保证有林地的生物量较初始年有所增加,有效地保障红壤丘陵区人工林在木材生产的同时保持一定的生态功能。
张其昀是中国近代科学地理学的创建者之一,为中国近代的地理学教育、人文地理学、政治地理学、历史地理学、区域地理学等的发展做出了卓越贡献。在区域地理学方面,他较早地将西方近代区域地理学作品介绍到国内,将“Regional Geography”翻译为“方志学”,引入并阐释了西方区域地理学的概念、研究内容、研究方法等,并积极地将这些理论和方法运用到自己的研究中,创作出《本国地理》等经典著述,对中国近代区域地理学的发展具有开创之功。张其昀的区域地理学思想主要源于法国近代地理学家Blache的人地关系或然论、综合的区域研究等理论和方法,他研究区域地理学重视区域划分和实地考察,强调地图的运用和区域内人地关系的阐释,具有明显的“维达尔传统”特征。
