时空耦合思想融入高中地理过程类问题探究的教学策略*——以“东北黑土脆弱区的综合治理”为例

张艳梅

（福建省厦门集美中学, 福建 厦门 361021）

地理事象主要是指从地理学视角所观察到的地理事物和现象，是时间要素与空间要素共同作用的产物。不同的空间要素对地理事象的作用强度不同，使地理事象形成的速度不同。某种地理空间要素的异变，也可能产生不同的地理事象。空间要素对地理事象影响的时间长短不同，产生的累积效应不同，累积的量超过一定的阈值时，地理过程发生变化，进而产生多样化的地理事象。在核心素养背景下，高中地理教学应该重视对“地理过程”的剖析，引导学生探究地理事象的发生、发展和演变过程，从而促进学生对于地理过程类问题的深度认知能力的提升。时空耦合思想融入高中地理过程类问题探究的思维路径如图1所示。

图1 时空耦合思想融入地理过程类问题探究的思维路径

生态脆弱区的形成是在区域内空间要素的相互作用下，由于生态系统结构不稳定，自我修复能力差，而遭受生态退化的潜在威胁的结果。不合理的人类活动改变了某个空间要素的强度或作用过程，使整个空间要素系统稳定性变差，产生了生态环境问题。在时间要素的累积作用下，生态环境问题不断加剧，进而演变成为生态脆弱区。对生态脆弱区的治理伴随着人地关系的改变及经济技术水平的不断改进，进而正面影响生态脆弱区的综合治理过程。

我国东北地区是世界上重要的黑土分布区，也是我国重要的商品粮基地。经过长时间的开垦，东北地区黑土退化严重，成为黑土脆弱区，给生态环境及经济社会带来了严重的问题。本文以“东北黑土脆弱区的综合治理”为例，从黑土的形成、退化及综合治理过程进行深度剖析，探究在高中地理教学中培养学生对地理过程类问题的深度认知能力的方法。

一、基于时空要素耦合视角，多要素综合说明东北黑土形成过程

时间和空间要素是影响地理事象形成、发展与演变的主要因素。空间要素关注的是区域内的自然环境要素与人文环境要素及其相互影响。时空耦合思想从时间累积视角分析空间要素对地理事象的形成与发展的影响，从时间序列角度分析地理事象形成与发展的演变过程，关注时间要素的特殊节点。

1.基于空间要素，多要素综合说明影响黑土形成的机制

空间要素是空间中的自然与社会经济要素。在分析地理事象的形成过程中，首先需要罗列出具体的空间因素，进而分析这些因素对地理事象的形成、发展与演变过程的影响。

情境：黑土地是世界上最肥沃的土壤，有“一两土二两油”的比喻，在我国主要分布在黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区。

问题：结合土壤形成的主要因素，从收支平衡的角度说明影响黑土形成的主要因素。

基于空间要素分析东北地区黑土的形成，主要从黑土的堆积与侵蚀作用入手，结合收支平衡理论，可知黑土的形成是因为其堆积作用大于侵蚀作用，进而分析自然要素及人为要素对黑土堆积与侵蚀作用的影响。

2.时空要素耦合，结构化呈现东北黑土形成过程

空间因素影响地理事象的发展方向与速度，时间要素对地理事象的形成与发展形成累积效应，当累积的量超过一定阈值，可能会使地理事象发生变化，进而形成新的地理事象。从空间要素来看，早期人类活动对黑土形成过程的影响作用较小，黑土的形成主要受制于自然地理要素的系统作用，在长时间的累积作用下，黑土的厚度不断加深，改变着土壤肥力，形成了深厚而肥沃的黑土地。

情境：黑土形成过程缓慢，在自然条件下形成1厘米厚的黑土层需要200～400年。

问题：东北地区黑土形成速度较慢，从时间要素说明东北地区形成深厚黑土地的主要原因。

从时间序列来看，早期人类对自然环境的改造作用相对较弱。东北地区纬度相对较高，气候寒冷且低温期较长，故人类活动对东北地区的干预作用相对较弱，使东北地区的黑土堆积作用大于侵蚀作用。在长时间的累积作用下，东北地区的黑土层厚度不断加深，逐渐形成了深厚的黑土层。东北地区黑土地形成过程的结构化思维如图2所示。

图2 东北地区黑土形成过程的结构化思维

黑土是东北地区的气候、地形、成土母质及生物等自然要素及人类活动对黑土堆积作用与侵蚀作用的影响及黑土腐殖质化或矿物质化的过程综合作用的结果。在空间要素的影响下，东北地区的黑土堆积作用大于侵蚀作用，但东北地区由于气温低，成土过程缓慢，黑土承受着雨水溅蚀、风力侵蚀、流水侵蚀、冻融侵蚀等作用，因此黑土的成土速度较慢，平均每形成1厘米厚的黑土层大概需要200～400年。

3.区域背景分析，说明东北黑土退化潜在风险

地理事象是随着时间推移而不断发生变化的。从自然要素角度分析，东北地区的黑土处于不断的累积过程之中。但是，目前东北地区出现了严重的生态环境问题。

情境：东北黑土区地形特点为坡缓、坡长较长。黑土土质疏松、抗侵蚀能力弱。近年来，东北黑土地退化严重，东北黑土区表层土壤每年流失3～10毫米，平均土层厚度已由20世纪50年代的60～70厘米下降至目前的20～30厘米。[1]

问题：结合东北地区的自然背景，说明其对黑土退化的潜在影响。

黑土土质疏松，抗侵蚀能力较弱。东北地区以温带季风气候为主，冬春季多大风，表层黑土面临着风力侵蚀的威胁。春季冻土层尚未融化，大量的季节性积雪融水不易下渗，形成坡面径流；夏季降水较多且较为集中，雨水溅蚀对表层黑土的侵蚀作用明显，降水强度较强且持续时长较长时，可能形成大面积的坡面径流。故东北地区的黑土承受着风力侵蚀、流水侵蚀、冻融侵蚀等作用，存在着严重的退化风险。东北地区黑土存在潜在退化风险的结构化思维如图3所示。

图3 东北地区黑土存在潜在退化风险的结构化思维

二、系统性思想探寻主导变量，剖析东北黑土脆弱区演变过程

地理环境中的要素是相互关联的，某个要素的变化可能会导致其他要素变化，进而导致生态系统结构发生改变。东北黑土区经历了“具有退化的潜在威胁，到逐步退化产生生态环境问题，再到成为生态脆弱区”的过程。探究诱发这个过程产生的主导变量，可为东北黑土脆弱区的综合治理提供方向。

1.结合真实生产情境，厘清东北黑土地“变瘦”“变薄”过程

教学中真实情境的引入可以引导学生用地理的视角观察地理现象，关注地理事象的变化，进而用所学的地理知识解释地理现象，促进地理学科与生产生活实际的深度融合。

情境：自20世纪50年代以来，我国不断地开发、利用东北黑土地。东北地区的农民多采取顺坡垄作的耕种方式。顺坡垄作，又叫顺坡种植，是指垄的方向和坡向平行的种植方式，

问题：说明东北地区采取顺坡垄作对黑土“变瘦”“变薄”的不利影响。

东北地区发展农业的同时，一方面改变了地表植被状况，将自然植被更替为人工植被，减少了植被对土壤的补充，改变了黑土的供养平衡状况，使有机质由累积大于消耗转变为累积小于消耗。东北地区以温带季风气候为主，夏季降水充足。为了便于排水以及农作物的通风和采光，东北地区的农民采用了顺坡垄作的耕种方式。但顺坡垄作的垄沟在雨季利于排水的同时，也增加了坡面径流的汇集，增加了坡面径流对黑土表层的侵蚀，使东北黑土不断“变瘦”“变薄”。

情境：东北地区的传统耕作方式以浅耕为主（耕作深度在20厘米以内），通过犁铧或旋耕翻松土壤，以达到疏松耕层土壤目的，但也因此形成了坚硬的犁底层。

问题：结合东北地区的传统耕作特点，说明其对加剧黑土“变瘦”“变薄”的不利影响。

经过长期的耕作，东北地区的自然土壤不断熟化，形成人工土壤。自然土壤中的有机质层及剖面结构发生改变，逐渐形成了紧实的犁底层及疏松的耕作层。犁底层的形成改变了其与耕作层之间水分与养分的迁移过程，不利于地表水体的下渗，使雨季或融雪季节坡面径流对表层土壤的侵蚀增强；耕作层的土壤不断被翻松，进一步降低土壤的抗侵蚀能力，加剧表层土壤被侵蚀的程度，加剧了黑土“变瘦”“变薄”的程度。

2.创设良好结构情境，查明东北黑土地“变硬”过程

结构良好情境是指能用学生所学知识解释的问题情境。东北地区的黑土不断退化，呈现出变“薄”、变“瘦”与变“硬”的状况，引导学生从变“薄”、变“瘦”与变“硬”之间关联的视角去查明东北地区黑土地的退化过程。

情境：为了补充土壤肥力，东北地区的化肥施加量不断增多，使东北地区黑土地不断板结，黑土地“变硬”状况愈发严重。

问题：说明东北地区化肥增加对黑土地“变硬”的不利影响。

因为东北地区黑土不断“变瘦”“变薄”，黑土地的生产力逐渐下降。为了保证黑土地农作物产量的稳定，东北地区的农民需要不断增施化肥。化肥的过量使用使黑土地资源遭到污染，同时使土壤产生板结现象，土壤不断“变硬”，污染及板结的土壤使微生物生存环境变差，微生物数量减少。东北地区形成黑土脆弱区的结构化思维如图4所示。

图4 东北地区形成黑土脆弱区的结构化思维

3.创设不良结构情境，摸透东北黑土地“伤痕累累”过程

教学过程中创设复杂程度不同的结构不良问题情境，使得问题与真实情境相关联，从而促进学生运用地理思维解决现实中的问题，培养学生创新素质和地理实践能力。[2]东北地区地形以平原为主，坡度较小，流水侵蚀程度理应较轻，教学中创设了东北地区侵蚀沟形成的不良结构情境，引导学生思考真实情境下的地理问题。

情境：东北黑土区地形特点如图5所示，为缓坡、坡长较长。东北黑土分布区形成了数万条侵蚀沟，且呈加剧发展的态势。

图5 东北地区地形特点示意图

问题：假设A、B、C三地降水强度与时长相同，坡度相同，比较A、B、C三地地表径流的差异。说明东北黑土区的坡型（凹坡或凸坡）与坡长对侵蚀沟形成的影响。

东北地区地形以缓坡为主，坡度较小，但坡长较长。在降水强度较大及降水时长较长的时期，坡长越长，坡面径流的汇集量越大，坡面径流的侵蚀作用越强。东北地区缓坡长，且黑土较为疏松，抗侵蚀能力较弱，使冲沟不断发育，进而形成侵蚀沟。坡型也是影响土壤侵蚀的一个重要因素，在凹形坡，坡面径流的流速加快，汇集量增多，加剧成为侵蚀沟的可能。侵蚀沟的数量不断增多，使耕地数量减少，农业发展机械化难度加大，人们将不太适宜开垦的土地作为耕地资源，又进一步加剧了东北黑土脆弱区形成的可能。

从系统的角度分析，伴随着东北黑土脆弱区的脆弱程度不断加深，范围不断扩大，东北地区旱灾及洪涝灾害的频次不断增多，空气质量及水资源质量不断下降，给当地及周边地区的生态环境造成了极大的威胁，同时威胁着我国的粮食安全。东北黑土脆弱区发展过程的结构化思维如图6所示。

图6 东北黑土脆弱区发展过程的结构化思维

三、追求人地和谐发展，探讨东北黑土脆弱区综合治理过程

人地和谐发展是自然环境与社会经济环境发展的最终目标。在生态文明建设的今天，东北地区不断改进耕作方式，填埋侵蚀沟，制订相应法规，对东北黑土脆弱区进行综合治理，以使其永续利用，实现人地和谐发展。

1.优化耕作方式，调整黑土地供养失衡过程

为了改善黑土地退化的状况，东北地区不断优化耕作方式，从“顺坡垄作”到“横坡垄作”，从“浅耕”到“深耕”或“少（免）耕种”，推行“秸秆还田”，使表层土壤的侵蚀状况不断减轻，改善黑土地供养失衡状况。[3]

情境：横坡垄作是垄的方向和坡向相互垂直，大致沿坡面等高线起垄种植的一种种植方式。

问题：说明与顺坡垄作相比，东北地区采取横坡垄作对减轻黑土表层侵蚀的积极影响。

随着农业生产技术的改进，东北地区的农民改进了耕作方式，改顺坡垄作为横坡垄作。与顺坡垄作相比，横坡垄作改变了坡面径流的方向，增加了坡面径流的下渗，一定程度上减少了坡面径流的流量。但是遇到某些年份，降水的强度较大，降水的时长较长，横向的垄沟汇集水量过大有可能会冲垮垄坎，使更大量的坡面径流汇集，可能会更大程度上加大坡面径流侵蚀，使表层土壤侵蚀更加严重，甚至可能会形成侵蚀沟，黑土地资源的质量进一步下降。

情境：近年来，东北地区改变了“浅耕+秸秆直接覆盖还田”耕作方式，采用了“深耕（耕作深度在20厘米以上）+秸秆留茬还田”或“少（免）播种，秸秆还田”等技术，既提高作物产量，又促进了黑土资源的永续利用。

问题：与“浅耕+秸秆直接覆盖还田”技术相比，说明“深耕+秸秆留茬还田”技术对黑土资源永续利用的积极影响。

随着对生态环境问题重视程度的不断提高，东北地区农业生产技术不断改进，与“浅耕”相比，“深耕”可以增加犁底层的深度，利于雨季时地表水的下渗，减轻坡面径流对表层土壤的侵蚀，同时利于作物从底层土壤中获取水分，增强作物的防旱抗涝能力。“秸秆留茬还田”与“秸秆直接覆盖还田”均可以补充土壤中亏损的养分并减轻土壤侵蚀状况，但前者对东北地区春季地温的回升影响相对较小，对东北地区农作物播种期影响较小，更有利于恢复东北黑土地的生产力。

2.制定相应法规，缩短黑土地综合治理进程

为了切实保护黑土地，缩短黑土地的综合治理进程，我国制定了相应的法律法规。

情境：近年来，我国出台了关于东北黑土地保护的相关法律法规，从黑土地保护、利用和修复等角度对东北黑土脆弱区进行综合治理。

问题：说明法律法规对加快东北黑土脆弱区综合治理的积极影响。

相关法律与法规的制订与落实，使资金、技术真正落实到黑土地资源恢复与保护过程中，惩治盗卖黑土资源的不法分子，确保黑土地资源的综合治理真正落到实处，加快东北黑土脆弱区的生态修复，利于缩短黑土地的综合治理进程。东北黑土脆弱区综合治理过程的结

构化思维如图7所示。

图7 东北黑土脆弱区综合治理过程的结构化思维

东北黑土地经历了“黑土资源的累积大于侵蚀的过程”“人类不合理的利用导致的生态脆弱区的形成与发展过程”及“生态脆弱区的综合治理过程”，不同的地理过程是空间要素与时间要素相互作用的产物，用时空耦合视角看待地理事象的发生、发展与演变，分析其主导变量及衍生变量，进而分析其对地理过程的影响，不断提升时空耦合视角下对地理过程性问题的深度认知能力。

四、应用时空耦合思想，探讨生态脆弱区形成与演变过程

高中地理教学中迁移应用已有知识或原理，用于解决其他类似或相关情境的地理问题，可以使教学提质增效。将“黑土脆弱区”的分析方法迁移应用到其他类型或地区的生态脆弱区，如黄土高原的水土流失、喀斯特地区的石漠化及西北干旱半干旱地区的沙漠化、华北地区的盐碱化等，引导学生认识从“具备生态脆弱区的潜在可能”到“生态脆弱区的形成与发展”再到“生态脆弱区综合治理”的过程，使学生对区域内的空间要素的系统性及时间要素的累积变化与突变进行叠加分析，层层递进，在已有的认知的基础上进行意义建构，不断完善对生态环境问题的深度认识。时空耦合视角下生态脆弱区形成、发展与综合治理过程的结构化思维如图8所示。

图8 时空耦合视角下生态脆弱区形成、发展与综合治理过程的结构化思维

总之，基于时空耦合思维对地理过程类问题的深入探讨不仅适用于各类生态脆弱区的综合治理问题的分析，而且可以将其拓展应用于大气的受热过程、水循环过程、地表形态改变过程、湖水盐度变化过程与岩石圈的物质循环过程等，使学生通过对相关问题系统的动态性分析，不断提高学生对地理学科问题的深度认知，并将其应用于解决现实中的地理问题，不断提高地理学科的育人价值。