综合自然地理学发展的新展望

陈国阶

（中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041）

1 综合系统研究是认识自然本质的要求

尊重自然、顺应自然、保护自然、人与自然和谐是可持续发展认识论的基础.这个“自然”，就是诞生人类并以之赖以生存和发展的自然环境，其实就是综合自然地理系统.无疑，要真正做到人与自然的协调，就必须对综合自然地理系统的性质、结构、功能、变化和演替规律有深刻、科学、量化的认识，进而有适应与运用的能力.

自然地理学具有区域性和综合性的特征，这是大家公认的.但笔者认为综合性和区域性不是自然地理学所特有，许多自然科学和社会科学的独立学科都具有综合性和区域性，研究对象往往都具有多因素、多成分、多空间尺度的特点，无论是物理学、化学、生物学，还是社会学、经济学都如此.只是不同学科研究的综合层次和空间层次不同而已.这里必须指出的是，自然地理学，更扩大一点说，地理学的研究对象的综合性更复杂，因素更多，包括无机过程、有机过程、生命过程，包括地质运动、地貌演化、气候变化、水文特征、生物系统、土壤性质，空间上包括微观、中观、宏观，从生态系统到景观、区域到全球，是真正包罗万象的大综合，是涵盖其他综合的超级综合［1］.

这种综合系统的研究符合人类认识自然的规律，遵从从单因子到多因子、从点到网到面、从孤立到系统、从部门到综合、从简单到复杂、从静态到动态、从线性到非线性、从封闭系统（这是大多数实验科学的选择）到开放系统的发展历程，是适应人类面对复杂系统必需的科学响应.当代科学的昌明，当然离不开各部门、各专业学科的纵深发展和技术创新，但是更应该归功于众多学科构建起的庞大科学与技术体系，相互借鉴、相互支撑、学科融合、协同攻关，既加速各专业学科的飞速发展，又共同构建起当代科学文明的大厦.综合系统学科的出现和发展是科学进步的必然产物，是科学认识论的一次飞跃，是科学新时代的召唤.

实际上，地球上的各类物质运动都是在综合系统的时空制约下进行的.综合是物质存在的基本属性，特别在包含生命体系的自然复合耗散系统中，多因素、多结构、多层次、多形态之间的相互作用、相互影响、相互制约、相互协调是事物存在及其运动发展的常态、依据和本质特征.因此，研究综合自然地理的本质和规律是科学研究的崇高目标，是全面认识自然、合理利用自然、科学顺应自然、有效保护自然的基本功.

2 综合自然地理学的学科定位与追求

自然地理学在自然科学体系中有其独特的研究对象、学科定位和地位.其主攻方向是研究从全球表生系统及其多等级自然区域系统的结构、功能及变化规律，是对自然因素最多、时空层次最多、物质运动形态最复杂、整体性与区域分异性交替并进、变化过程纷繁跌宕的地球表层巨系统的研究，这是别的学科所不能代替的；其社会功能是摸清人类的自然家底，为人与自然协调提供理论依据和科学支撑，为谋求人类福利和环境安全奠定科学基础.在庞大的科学体系中扮演着既综合又有特定研究对象和特色的学科角色.

综合自然地理学一直将上述理念作为其认识论基础和哲学思想.强调自然地理类型、区域、全球不同空间层次的综合系统过程；强调各自然因素之间、各地理区域类型之间、各不同自然空间层次之间的相互联系、相互作用、相互影响；强调某一自然因素的变化都会影响其他自然因素并最终导致整个自然地理综合系统的变化；强调任何单个自然因素的专业研究都必须在自然地理综合系统的观念指导下进行；强调人类对某种或某单项自然资源的开发都应考虑其引发的综合效果.由此，自然地理学一直贯穿着综合系统高于优于多个单因素算术之和的理念；贯穿着整体利益大于部门利益的理念.可以说，综合自然地理学的哲学思维是正确的，理念是先进的，是经得起历史实践的检验的.

然而，对于复合开放巨系统的结构、功能、运动过程 、变化规律的研究是十分困难的［2-3］.因为巨系统包含成千上万的子系统、众因素，包括众多层次，仅要认识这些子系统与子层次、多因子之间的排列组合及其结构类型就可能是个天文数字.它们之间以及它们和系统外界之间不断进行物质、能量、信息交换，气象万千.而我们对事物的认识总是期望由模糊到明确，由混沌到清晰，由无序到有序，由非线性到线性，由定性到定量，由杂乱到规律，由繁杂到简明.这样，人类才好确认、好相信、好把握、好运用、好落实.由此，崇高目标与实现目标的手段之间存在巨大的距离.实事求是地说，消除这个距离是永无止境的目标，是一个无穷尽的追求.也就是说，追求科学、定量和精准的综合是一个逐步探索、逐步深化、逐步逼近的过程.

为此，我们的新期盼，就是要借助现代科学的新理论、新方法、新技术，先易后难，逐步攻克对综合自然系统认识不透、准确描述自然过程不精、定量分析不足、揭示自然过程本质不深等基础科学问题，提高学科的整体水平，更好服务于人类.

3 综合自然地理学发展的评估

回顾自然地理学发展的历程，应该说，国内外一大批著名地理学家已为此作了巨大的努力，从德国洪堡开始，出现了许多开拓者.近几十年来，在综合自然地理学研究上不仅取得一批服务于国家发展战略的重要成果，在学术上也取得了一定的进展［4-7］.

3.1 综合研究由抽象到具体综合的理念产生历史悠久.中国古代的“天人合一”就是最大的综合，天就是大自然.早期综合只是片言只语，海阔天空，高度抽象，没有边界，算不上科学.到了近现代，有了综合地理考察，综合自然地理区划，综合自然地理图集、遥感综合自然图像等对社会经济起直接指导作用的成果［8］.

3.2 综合研究由定性到定量早期的研究大多都以定性描述为主，在自然地理区划中，自然地理区界线的划分和区域性质的确定，往往都凭经验，选出区域的主导因素如地形等，进行分区.而对区域的自然地理特征大多只能用文字表述.现代，对区域自然地理特点或状态可建立综合评价体系进行定量评价，地理界线的划分可采用模糊数学方法，更接近实际.而大量的气象观测资料、大量的野外观测台站为综合地理过程的研究提供了定量成果.在区域自然地理综合分析、生态系统结构与功能、生态系统服务与权衡、区域环境评价、自然灾害综合评估、环境演变预警、全球气候变化对自然系统影响乃至人地关系等的研究中，都已大量应用非线性数学方法、数学模型、计算机软件、模拟仿真、系统动力学模型等新方法、新技术，使综合定量研究取得新进展［9-10］.

3.3 综合研究由静态到动态随着遥感技术与方法的不断发展，对地球表生过程的动态监测、成像，已广泛应用，研究区域自然景观、土地利用、地表覆盖等综合自然地理过程的动态变化已成为可能，并且成果累累.其对地球表层特别是生态圈，不论陆地和海洋还是水陆交错带都可综合成像，取得多谱带、多角度、多尺度、多信息、多时段、多因素组合的综合系统信息，并能初步直观地判别综合自然地理的成分和空间结构［11］.系统动力学模型等系统分析方法的引进和应用，提升了动态与定量分析水平.

3.4 综合研究得到部门自然地理学研究新成果的支撑地貌学、气候学、水文学、植物学、动物学、土壤学、景观学等，近年都有大量实际调研、监测、分析研究成果，包括能揭示自然地理过程的微观、定量研究成果；以及水热平衡、化学地理、生物群落、水土流失、土壤-植物物质运动等，揭示了综合自然过程的物质、能量和信息变化，为下一步的综合深化研究，打下良好基础.

但是，以上进展是相对于自然地理学自身发展而言的，若将其与其他自然科学学科的发展比较，与当代自然科学新理论、新方法、新技术层出不穷的新形势比较，则明显存在着对研究客体认识不深，过于粗放，缺乏精确定量化等突出问题；与综合系统研究的崇高目标相比，则存在着与方法论和技术支撑不对称、不匹配、不适应等突出矛盾；与人和自然关系需要更科学的理论指导、更可行的调控方案相比，则显现出心有余而力不足的尴尬局面.由是，使得在实践中区域自然地理综合的优势得不到充分发挥，完整性、全局性的服务功能得不到充分体现，部门利用和局部利益肢解了区域自然地理系统整体的功能，事倍功半.相应地，自然地理学的学科地位和功能也得不到应有的重视和功能显示的平台.

具体而言，综合自然地理学很大程度上仍处于综而不合，合而不一的状态.例如，土壤学对土壤化学成分、土壤物理结构、土壤水分运动与水热平衡、土壤与植物的物质与能量交换等都有重大理论成果和实践硕果.气候学和水文学己有大量的长时间系列观测数据库，运用非线性数学的方法，对许多非线性、不确定性的过程都己有更深的了解，气象预测水平不断提高，全球气候变化的研究受到世界各国的普遍重视.植物学对物种、群落、生态系统、生理生态、植被演替、修复与保护等也都有巨大成果.其他如地貌学在水土流失、灾害防治等方面也都有突出的贡献.而综合自然地理学对各分支学科提供的新发现、新规律、新数据、新领域，及其它们之间新构建的自然过程新的知识网络、信息互动，缺乏统领、组织、系统优化的能力，使综合研究成为简单的部门地理学资料的拼盘，部门自然地理学发展优于综合自然地理学.

人地关系研究是地理学的核心问题［12-13］，人与自然关系的过程和结果，最终都要落实到人类生活与发展的自然地理环境里.那么，人地关系中的“地”的本质特征是什么？在人类不同发展水平、不同发展阶段、不同发展模式、不同作用强度等情景下，“地”的地位、作用、响应、反弹及变化规律如何？在人地协调的可能性、范围、程度、条件、变动性、稳定性中，综合自然地理系统扮演什么角色？如何寓环境与资源保护于经济发展之中［14］？如此等等，综合自然地理研究本应提供独特的服务，起关键作用，但至今却不尽人意.与系统生态学和其他区域科学相比［15-16］，也显逊色.

当前，全国各地已进行或正在进行的主体功能区划、环境功能区划、生态功能区划、自然保护区规划、生态红线划定、国土空间区划、开发区规划等是与综合自然地理关系最密切的科学活动，其基础应该是自然地理区划，应由综合自然地理学提供规划区综合自然系统的特点、规律和精确的自然本底作支撑，应是综合自然地理用武之地，但却很不到位.更值得指出的是，综合自然地理学的研究需要对各专门自然地理学、各野外观测台站、各地区、各部门、各历史时期海量数据的收集和分析才能窥视综合自然过程的端倪，而这些数据基本上却为部门所有，互相封锁，零散储存，形不成综合分析起码的数据要求，成为综合自然地理学深化研究难以跨越的障碍.

4 综合自然地理学复兴的机遇

综合自然地理学面对的研究对象是复合、动态、开放的巨系统，这就决定着其研究的方法论和技术路线不能仅限于适应封闭系统研究的思路和实验技术，而必须集现代各自然科学之长，为己所用.钱学森在有关发展地理学的论述时指出，研究和解决复杂巨系统的方法就是从定性到定量的综合集成方法和信息综合集成技术［17］.

现代，大量新理论、新方法、新技术的出现和广泛应用，对研究复合巨系统提供了有力的支撑.从理论上讲，系统论、信息论、控制论、协同论、突变论、耗散结构理论等为复合开放系统的研究提供理论指导.当代科学已经揭示，在任何事物的变化中，非线性隐含着线性，不确定性中包含着确定性，混沌中包含着清晰，无序中存在有序，这些都是事物存在的自然属性，是事物运动的客观本质.研究还进一步明确，自组织系统结构的产生或新结构的出现往往由少数几个序参量所决定，即在巨系统无数的因子中，在结构出现的临界点附近，起关键作用的只有少数几个因子［18-20］.因此，谋求对复杂系统的研究得出线性、确定性、定量、清晰、规律性的科学结论是有客观基础的，是可行的.这不仅为综合自然地理学的研究提供了理论支撑，坚定了信心，而且明确了方向，启发了新思维，找准了努力探索的目标［21］.

从方法论上看，现代新方法、新技术层出不穷，非线性数学的发展，包括子波分析、分形、投影寻踪、神经网络等为非线性过程的定量分析提供有用工具；特别值得指出的是，近年蓬勃发展的大数据、互联网、云计算和智能平台将复合巨系统的研究推上一个新台阶.其中，大数据的收集和分析，使无数随机产生的数据、各行各业采集的数据、海量科学观测和实验的数据、社会分散的统计数据，即分散、孤立、随机、偶得、单独，很难分出条理、规律的数据，本质上恰恰是自然过程或社会过程活生生真实现象的记录，汇成巨量的数据库，并通过云计算，从海量、随机性、非线性、不确定性、混沌性、模糊性、无序性隐藏下的联系性、系统性、有序性、规律性、科学性揭示出来，使巨系统的性质、结构、功能、变化等得到认识，用于科学抽象、理论概括、规律认定.

再次，自然地理学自身专业的分化也有利于综合的研究.综合与部门分化是对立的统一.当代科学发展具有两大特点：一是专业化、精细化、微观化的纵深探索，许多领域研究分支越来越多，范围越来越窄，如生物学从生物化学、生物物理学、生物生理学到细胞学、生物分子学、基因，越来越专越细越微观.二是综合化.学科之间相互渗透、相互交叉、界线越来越模糊，研究对象越来越复杂、越来越系统和综合，某种意义上也越来越宏观，如生物学从物种、种群、群落到生态系统、景观、区域生态直至人类生态.

表面上看，这两种趋势似乎是分道扬镳，实际上却在向系统综合认识事物的本质的共同目标上一起奋进.多学科、多专业、多角度、多层面深化研究的成果，使许多未被认识的科学盲点得到察明，许多信息空白得到填补，不同学科之间的界线得到突破，互不联系的专业之间有了共同的交叉领域，互相渗透，不仅开拓了许多新领域、新学科，为综合研究提供新视野、新思维、新方法，更重要的是，突破专业研究的空间局限，构建起跨领域综合研究的信息网络、交换渠道和综合分析平台.因此，专业化越细越分化，不同学科专业之间的交叉点、融合机会就越多，各专业的联系就越多，系统综合的基础就越巩固，从海量信息中理出规律的可能性就越大，综合研究的理论基础就更扎实，定量分析就更能实现，更符合事物本质.

5 综合自然地理学应重点探索的领域

5.1 综合自然地理学基本理论的探索现在我们已认识到自然地理系统是一个远离平衡态的开放系统，在这个系统中，无序化与有序化过程并存，但有序是小机率，低稳定，难维护，非常态，只能相对逼近，不能百分之百实现.而混沌、无序是大概率，是常态，是普遍现象.为此，我们需要从特定的自然地理区域入手，摸清自然系统的成分、结构、功能及相互作用机制，特别是竞争、稳定、变化与协同的关系；深入揭示自然地理系统不断与外界进行物质、能量交换的特征、过程和强度；揭示负熵输入的方式与自然地理系统响应的秘密；揭示自然地理系统变化的内在机理与外部动力的关系；揭示自然地理系统正向演替与逆向演替的条件、过程、边界；研究特定区域优化的自然地理结构模式、因子配搭、能量与物质交换强度；研究区域自然地理过程和稳定性的熵变化.这当然是一个不断探索，永无止境的过程.但我们总应该为此目标不断探索、不断深化，不断逼近真实.

在此基础上，研究人地关系中“地”的性质、功能、与人相互关系的机制.人类是自然地理系统演化的产物.人类和所有生命体一样，本能地在不断努力争取自已最有利的生态位.但人类的利益诉求往往并不与自然地理系统的正向演替相一致，这就构成了人地矛盾，而人是始作佣者.人类本是希望自然地理系统较有序、较易适应、较易利用、更有价值、更易驾驭，但往往却适得其反，常常造成无序混乱状态的扩大或加重，在某些局部区域甚至造成自然系统的崩溃，并祸及自身.自然地理系统的无序和混乱不能无补偿地自然地产生有序，我们要让其向有序的方向发展，使之在一定程度上可认识、可遵循、可顺应、可控制，就必须向自然做功，输入负熵，做出补偿.

在这个过程中，人类需要弄清其活动所在的区域自然地理然系统的性质，弄清最脆弱的自然结构和空间点位，明确最敏感的因素或主导因子，确定抗干扰的最大承受力.才能在具体区域、具体活动、具体过程中，管控好人类活动的性质、强度、范围及其补偿措施，也才能为人类对自然地理综合系统的认识、适应、利用（空间配置、开发方案、利用强度、保护措施、持续协调策略制定等）、协调提供科学基础，提供战略选择，提供保护与协调的方案，为其他利用目的的综合规划提供自然本底与控制底线.从科学实质上处理好人地协调问题［20］.

5.2 深化不同层次的综合研究1）自然地理区域中不同自然因素的相关研究，即寻找在一定区域中某一种自然因素自身的变化规律和特征，进而进行两要素、三要素、多要素之间的相互关系、相互作用过程分析，以探明单、双、多自然要素不同组合、不同层次关系的变化差异和共同点，分析不同自然要素在自然综合体中的角色、地位、功能与竞争协同，将对自然地理综合研究推进到更深层次和量化的阶段.

2）不同区域自然地理综合相关分析，即以某一特定区域为基点，分析其与周边不同性质或类型区域的相互关系，不同区域之间矛盾与协调及其转变机制，揭示不同区域物质、能量和信息交换与循环的特征.揭示不同区域之间和区域内部不同空间层次的内在联系、分异与协同规律，为自然地理区划提供更准确的科学支撑，也为人类开发因地制宜提供更可靠的依据.

5.3 自然地理界面研究自然地理界面是相邻的不同性质自然地理系统互相作用所形成的具有特点的交接带，又称自然地理交界带［22-23］.它是普遍存在的一种自然空间现象和实体.其特点是具有不同于其周围与之交接的自然地理空间单元的性质，既是交界带又是过渡带，往往具有较明显的自然地理空间标志性，如山地与平原、水体与陆地、干旱区与湿润区等.自然地理界面是自然多因素交叉、多自然过程强烈作用的区域，具有地貌类型多样性、生物多样性、景观多样性、生态系统多样性、气候多样性、自然地理结构复杂性、多变性、过渡性的特点；交界带的边界、范围具有模糊性，清晰确定也十分困难.但它对揭示自然地理系统的结构、功能和物质、能量交换却具有典型意义，并且是自然地理区划的重要依据.当前必须集中研究如下问题：1）自然地理界面的边界和范围的确定，即以定量、明确的科学指标，相对准确接近客观实际的在模糊、渐变的自然空间中划出具体明晰的边界和范围；2）研究自然地理界面自身的结构、功能及其与周边区域的相互作用、差别与联系；3）研究自然地理界面生态多样性与生态脆弱性的关系，为什么具备多样性的区域反而不稳定，易受干预而变化、退化，进而论证生物多样性与生态系统稳定性的最佳空间尺度；4）研究全国与当前生态功能区、自然区划相适应的自然地理界面层次体系及划分标准.

5.4 山地综合自然地理研究与平原、海洋、台地、高原比较，山地具有最大的表面积，是地质、地貌、气候、水文、植被、动物、土壤等自然要素在平面投影面积上最密集的区域，具有物种多样性、群落多样性、生态系统多样性、景观多样性、自然地带多样性（垂直、经度、纬度、坡向、非地带等）、地貌类型多样性、自然地理区域类型多样性等特点，具有综合自然地理结构复杂、自然地理界面交叉、自然过程多变、自然要素相互作用紧密、空间层次与格局多态等复合系统结构和功能.较能全面体现综合自然地理的本质特征，是综合自然地理研究理想之地.当前还有许多神秘的大自然之谜等待我们去揭示［24］.

其次，从自然地理因素性质形成的联系上看，地理位置、地貌、气候、水文、植被、动物、土壤具有一定顺序联系规律.即前面因素的组合或共同作用决定后一个自然因素的性质，而不是相反，或者说，前面的自然要素及其组合对后面因素的影响和作用大于后面因素对前面因素的作用.例如，位置和地貌一确定，就决定气候条件，而位置、地貌、气候一确定就决定水文状态，而上述的联合又决定植被类型、植物分布，接着又决定动物的种类和生境，而上述综合因素叠加，又决定土壤性质和类型.这种排列显示，前者主导后者，而后者主导不了前者.山地以特定的地貌条件（包括海拔高度、地质、坡度、坡向等），对气象气侯、水文（包括河流特征、水文过程、水土运动等）、植被、动物、土壤等性质起着关键的作用，在许多自然过程中，山地对平原的影响大于平原对山地的影响，如洪水、水土流失、泥石流、滑坡等自然灾害［21］.人类在建设山地生态屏障上，需要抓住主要矛盾，明确各自然因素的角色和相互作用的联系与差异，才能有的放矢，事半功倍.

6 如何突破方法与技术的桎梏

6.1 大数据的收集与储存大数据是综合研究的基础，对全球、全国和众多区域的自然地理要素的数据，台站观测数据，历史数据，随机采集数据，分散数据，多学科获得的数据，生产过程中获得的各类数据等，尽可能地收集、储存，作为综合分析的数据源.就我国而言，目前遍布全国的与自然地理有关的专业观测台站就很多，除历史较长的气象站、水文站外，近几十年来新建的生态站、森林站、草原站、地下水观测站、水土流失、大气污染、水质监测、土壤调查、地质灾害、地面沉降、海洋调查、岸线调查、遥感监测等，完全可以形成较系统的、丰富的自然地理数据库.若再加上各地无数的不定期采集的调查数据，化零为整，则更可提供大数据计算的基础.当前的问题是数据为不同部门所占据，小库或无大库收集，或大库集中不了众多小库.因此，有大库而缺数据，大数据的优势得不到发挥.对于综合自然地理系统来说，数据越多，信息量越大，系统的不确定性就越少，能得出有序有规律的结果的机会就越大.可以说，大数据是寻找自然地理复杂系统有序性之源.整合自然地理数据资源，是自然地理综合研究上新台阶的第一道必须攻克的关卡.

6.2 云计算的运用在大数据的基础上，运用云计算，实现无数零散、孤立、无规则、无联系、非线性、随机、混乱数据的相互联系、相关关系、相互作用分析，从杂乱中找出规律，从分散孤立中找出联系，从混沌中找出清晰，从无序中寻找有序，从不确定中找出确定，从众多因素中找出主导因素.凡此等等，将貌似隐藏很深、看得着却摸不清的自然过程和规律揭示出来.就是说，零散、孤立、随机、小样本采集的数据，很难揭示自然地理过程的性质和规律，只有运用现代云计算，才能处理巨量的分散、表面不相关的数据隐含的有用信息，揭示茫茫大海中的规律，看清混沌世界中的清晰图像.

6.3 多学科合作是创新综合自然地理学的必由之路自然地理学作为一门综合性学科，不是部门学科的拼盘和简单汇总，而是要在部门学科之上进行更高层次的分析，探索新规律，确定系统综合的新结构、新功能、新运动形态.因此，既要有较广博的知识和扎实的专业基础，又要掌握现代系统科学的新理论、新思维，更要学习现代新发展起来的新定量分析方法，在许多情况下往往非个人或单一学科的研究人员所胜任.因此，除了自然地理学人才相互合作，联合攻关外，应该虚心向非自然地理学的其他多学科学习（特别是大数据、云计算等），争取他们的帮助、传授和合作，取长补短，让当代最新的科学成果、理论和方法、技术进入自然地理研究领域，提升自然地理学综合研究的水平.