自然地理学的研究前沿是在学科发展和社会需求的共同驱动下形成的。对资源环境问题的全球性关注和我国可持续发展面临的重大问题对自然地理学提出了一系列需求。国际地圈生物圈计划、全球环境变化人文因素计划、世界气候研究计划、生物多样性计划以及地球系统科学联盟中的许多领域包含着自然地理学的研究前沿，我国国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委员会地球科学部优先发展领域、科技支撑计划等也提出了一系列自然地理学的研究前沿。若干自然地理学的新方法和技术已被应用于数据采集、模型模拟、实验室分析、自然地理过程研究、环境变化研究、全球自然地理学研究。本文概括了所有这些前沿领域和论题。

近年来，在来自国民经济建设巨大需求的推动下，我国地貌与第四纪学服务于国民经济建设，取得了长足的进展。本文对近年来(主要为2006-2008 年间) 我国在地貌与第四纪方面所取得的主要进展进行了综述，包括构造地貌、流水地貌、风沙地貌、冰川地貌、河口与海岸地貌和第四纪环境演变方面的进展。同时，还指出了学科发展中存在的问题。文中对未来发展进行了展望，提出了推动学科发展的若干建议：(1) 加强地貌学基本理论研究；(2) 加强应用地貌研究，更好地为国家建设的重大需求服务；(3) 加强地貌学的实验研究；(4) 加强人才队伍建设。

湿地景观研究是近十余年来新兴的热点领域，极大地推进了湿地学科发展。但是，由于湿地景观研究体现的是湿地与景观方法有机结合，其在发展过程中还存在许多问题。本文在对我国湿地景观研究现状系统分析基础上，重点阐明了湿地景观概念、分类、遥感信息提取精度、多源数据可比性、结构与格局研究方法、景观过程与功能研究内容与尺度等制约湿地景观研究的主要问题。并指出了未来发展方向: (1) 重视湿地景观分类研究；(2) 重视湿地景观破碎化研究；(3)重视发展基于过程和功能的景观格局研究方法；(4) 重视多尺度湿地生物多样性研究；(5) 重视湿地景观管理研究。

抽样调查是地理研究、资源评估、环境问题研究和社会经济问题研究的重要手段。对于地理分布的各种资源， 由于调查数据往往具有空间相关性， 传统的抽样调查理论无法满足日益增长的空间抽样需求。空间抽样理论是对具有空间相关性的各种资源和调查对象进行抽样设计的基础。本文详细论述了空间抽样理论发展现状。首先介绍了空间抽样的产生和发展， 以及空间抽样所要研究的四个问题。然后介绍了基于设计的和基于模型的抽样统计推断方式， 以及它们适用的范围。最后本文详细论述了Kriging 理论在抽样理论的应用、前向、后向和双向样本布局方法和六种空间抽样样本优化选择标准。

在人类活动深刻影响和全球环境变化背景下,传统地理—生态过程研究正发生深刻变化。本文在概述地理—生态过程研究概况的基础上,指出：(1) 地理—生态过程研究的基本科学问题包括结构与过程、综合与集成两大方面,涉及结构、功能、动态、驱动力、过程、机制、要素集成、过程集成、区域集成等科学要点；(2) 地理—生态过程研究的重点集中在尺度—结构—过程相互作用、自然—经济—社会相互联系、地貌—水文—生态过程相互耦合、地理—生态过程与资源环境效应相结合等领域；(3) 地理—生态过程研究的发展呈现出系统化、综合性、交叉性和应用性的发展趋势；(4) 未来地理—生态过程研究的重大论题包括地表系统中的物质、能量和生物流过程研究,地表环境变化的驱动力研究,区域综合和区域内异质性研究,尺度推绎与转换研究,地理学的整体性研究,方法论创新,应用研究等内容；(5) 未来地理—生态过程研究应当注意加强观测、实验、调查与模拟,加强遥感与野外观测的结合,加强区域综合和全球研究,加强学科交叉等。

通过考虑水的自然循环与水在人类活动影响下的循环 (二元水循环),后者包括水资源开发利用率、耗水率、污水排放浓度影响,探讨了二元水循环下河流生态需水“质”与“量”的综合评价,以区别以往仅从自然水循环 (一元) 出发评价河流生态需水的缺陷。建立了二元水循环下的河流生态需水的水量与水质计算方法,并确定了河流生态需水的“质”与“量”的评价标准,实现了河流生态需水水量与水质的综合评价。以辽河流域为例进行实证分析,计算了一元水循环下西辽河、东辽河、辽河干流、浑太河、东北沿黄渤海诸河等水资源分区的河流生态需水,分别占径流的39.3%、63.0%、43.9%、43.3%、43.5%,采用Tennant推荐流量及等级进行评价,结果是：除西辽河属于“中”等级外,东辽河、浑太河、辽河干流、东北沿黄诸河等均在“好”等级以上,东辽河达到“极好”等级。与之对应的二元水循环下的河流生态需水比例分别是57.5%、74.1%、60.8%、60.3%、60.4%,综合评价结果显示：从水量角度评价,西辽河不能达到生态需水“量”的标准,其余能够达标,从水质角度评价,西辽河、浑太河、辽河干流、东北沿黄诸河等均不能够达到“质”的标准,东辽河可以达标。从“量”与“质”相结合的角度评价,仅有东辽河可以达标。因此,水质状况是决定辽河流域河流生态需水是否满足生态系统需求的主要问题。

以冰川融水补给为主的喜马拉雅山北坡的卡鲁雄曲流域,近20年平均气温以0.34 ^oC/10a的趋势上升,高于西藏年均温0.26 ^oC/10a的增长率,更是明显高于全国和全球气温的增长率,且极端最高温都出现在20世纪90年代。后10年气温 (1994~2003年) 比前十年 (1983~1993年) 升高0.5 ^oC,径流量增加了26%；不同月份径流增加强度不同,10~2月增加了44%,7~9月增加了27%,3~6月增加了24%。径流对气候变化的响应最灵敏 (一年中有8个月的增加趋势通过了α = 0.05的显著性检验),尤其是秋冬季的径流 (增加趋势超过α = 0.01的显著性检验)。受冰川消融和季风影响,不同时期的径流有不同的影响因素,但存在共性,即气温对径流起着积极主导作用,而降水对径流的影响具有不确定性,即正负双面效应。

冬克玛底河流域作为青藏高原腹地长江源区典型代表性高寒山区流域,有较大面积的冰川、积雪存在。本文以冬克玛底河流域2005年5~10月的实测水文、气象资料为基础,运用SRM融雪径流模型对不同分带数对融雪径流模拟效果的影响和不同测站气温分别作为气温驱动变量对融雪径流模拟效果的影响分别进行了模拟试验。结果表明：不同分带会对SRM模型融雪径流量模拟产生一定的影响；而不同的气温作为驱动变量对模拟的效果影响很大,这表明SRM模型对气温驱动变量非常敏感。同样根据流域内径流与气温降水的相关分析看到日径流量与气温相关性较好,线性相关系数最好达到0.72,而径流与降水线性相关系数为0.20。根据以上模拟实验和相关分析选择合适的分带和具有代表性的站点气温,SRM模型模拟的两个优度指标最好可达到Nash-Sutcliffe 系数 (R2) = 0.83和体积差 (Dv) = 0.95%。 考虑到SRM 模型对气温的敏感性,利用最终选择的模拟方案并结合气温升高1 ^oC气候情景假设来考虑气温、降水和径流之间的关系。模拟结果表明：气温升高1 ^oC后,(1) 模拟时期内的径流总量由原来模拟的25.5 × 10⁶ m³增加到33 × 10⁶ m³；(2) 冰川物质平衡线从原来的 5600上升到5750米,冰川消融区从5.8 km²增大到13.5 km²,冰川消融量增加,对径流量的贡献明显增大。(3) 气温的升高加速积雪融化并改变降水形态是径流在5~6月变大的主导因素。7~10月份的径流变大则主要是由于冰川消融。

为了对亚太地区的环境灾害、环境破坏和环境退化及其影响进行监测和评估，由日本环境省发起的亚太地区环境革新战略项目 (APEIS) 环境综合监测子项目 (IEM) 自2001年开始，建立了一个以MODIS卫星数据和地面观测资料为基础的综合环境监视网络系统。该网络系统起初是由日本国立环境研究所 (NIES) 和中国科学院地理科学与资源研究所 (IGSNRR)共同合作建成的。之后，新加坡国立大学和澳大利亚联邦科学产业研究组织 (CSIRO) 地球观测中心也正式宣布加入，该系统覆盖整个亚太地区。美国宇航局 (NASA) 提供了一套MODIS的高级数据产品，然而，这些产品没能在亚洲地区利用当地的实测资料进行充分地比较和验证。APEIS项目旨在提供利用该地区精确地面观测数据进行了比较验证的高质量数据集。利用该数据集可以推导出水分亏缺指数、沙尘暴指数、地表面温度、土地覆盖变化, 以及净第一性生产量等一系列生态环境指标，从而对环境破坏、环境退化和生态脆弱区进行长期有效的监测。为了评价水资源、食物生产等生态系所提供的产品与服务的现状和变化特征，本研究还开发了一个可利用MODIS数据的流域环境综合管理模型。该模型已经被用于对流域规模的水、热、碳循环、泥沙转移以及农业生产等生态要素的模拟和评估，并利用高精度的观测资料对其进行了验证。利用该模式可以对流域生态系统所提供的产品与服务的有效利用，以及流域的可持续发展提供一系列战略性的政策选项。