自然地理学的创新视角
北京大学学报(自然科学版),第36卷,第4期,2000年7月
A cta Scientiarum N aturalium
U niversitat is Pekinensis,Vol.36,N o.4(Jul,2000)述 评R ev iew
1)国家自然科学基金重点(49831020)和面上(49871037)资助项目
收稿日期:1999 04 14;修回日期:1999 10 08
自然地理学的创新视角
1)
蔡运龙
(北京大学城市与环境学系,北京,100871)摘 要 综合性、地域性和人地关系研究,既是自然地理学深厚的科学传统,也是全球环境变化研
究中自然地理学可创新之所在。曾经在国家开发建设中作出独特贡献的自然地理学,要立足传统
主旨和学科基础,针对社会的新需求,在人与自然关系调控、国土整治和资源保育诸方面作出创新
性贡献。自然地理学研究对象的复杂性,要求以全新的思路和途径,建立贴切的 物理 模型,并重
视机理研究,在方法论上有所创新。明确界定一定地域空间和时间尺度上的科学问题,尤其搞清
不同尺度问题之间的关系,是自然地理学家可创新和可对全球变化作出独特贡献之处。在独特的
自然地理区域展开对独特问题的综合自然地理研究,往往能作出创新成果。自然地理学要突出我
国特色,重视我国国情,这既是解决实际问题之所需,也有利于加强我国学术在国际上的地位。
关键词 科学创新;自然地理学;综合性;地域性;人地关系
中图分类号 P 9
0 引 言
自然地理学是 研究自然地理环境的组成、结构、功能、动态及其空间分异规律的学科 [1],自然地理环境是地球表面岩石圈、大气圈、水圈、生物圈和人类相互作用的一个特殊圈层。自然地理学虽然是一门古老的学科,但仍然生机勃勃,这是因为自然地理环境与人类生存和发展的关系实在是太紧密了,人地关系恐怕是一个永恒的论题。独特的研究指向,使自然地理学一直保持着自己的学科地位。在环境变化成为全球关注的今天,其重要性更显突出。在环境进一步变化、资源更趋紧缺的未来,实践将向自然地理学提出新的要求;在科学技术突飞猛进,知识创新日益重要的时代,科学整体发展的趋势向自然地理学提出了新的挑战。自然地理学如何创新?是关系到学科发展方向的重要问题。
1 近现代自然地理学创新的启示
近代自然地理学肇始于洪堡,他综合的、辩证的、比较的自然要素 编整 被恩格斯赞誉为打破19世纪 保守自然观 的6大缺口之一[2]。
自然地理学中继承洪堡的德国学派代表人物帕萨格、施吕特尔创立了景观学,俄罗斯自然
地理学家道库恰耶夫创立了自然地带学说[3],以现代科学的眼光,把对自然现象的区域综合描述传统改造成对空间分异和地域结构的规律探讨。其影响之深远,从现代地理学美国学派的文化景观[4]和当今风靡全球的景观生态学[5]的发展中可见一斑。
一般认为生物学家卡逊的 寂静的春天 [6]
是现代环境运动的开路先锋,其实自然地理学家们早就敏锐地指出了工业社会以来人类活动显著改变地球面貌的事实并发出警告。马什的 人与自然:人类活动改变了的自然地理 [7]一书可能是第一个系统论证这个问题的著作,比卡逊的 寂静的春天 早近100年,甚至比恩格斯的名言 我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利。对于每一次这样的胜利,自然界都报复了我们 [8](写作于1873 1883年,)早10~20年。托马斯在其主编的名著 人类在改变地球表面的作用 [9]一书中进一步作了充分的论述。
美国科学院院士、当代自然地理学家怀特开自然资源、自然灾害和人类环境综合科学研究的先河[10],至今仍是自然地理研究的主流方向之一[11~13]。怀特的弟子凯兹、伯顿等人,是目前最大的自然科学国际合作项目 国际地圈 生物圈研究计划(International Geosphere Bio sphere Program ,简记为IGBP) 中若干核心项目,以及最大的社会科学国际合作项目 全球环境变化的人类因果研究计划(International Hum an Dimensions of Global Environmental Change Prog ram,简记为IHDP) 的主要始作俑者;IHDP 项目中有一半由地理学家领导,地理学家在很多IGBP 项目中也有突出的表现[14],表明自然地理学在当代全球变化研究中起着不可替代的作用。
中国自然地理学家在自然地理区划、土地类型、区域自然地理方面[15],以及地表热量与水分平衡、化学元素迁移和转换、生物地理群落方面[16],不仅其研究成果为当时的国家建设和经济发展作出了独特的贡献,而且其学术思想比之当前全球变化研究中逐渐获得共识的地球生物化学循环和地球系统科学,早了30年。
另一方面,自然地理学也有错过创新时机的教训。60年代环境保护运动蓬勃开展之时,国际地理学界正热衷于 数量革命 和批判 地理环境决定论 ,本来可在环境研究中大显身手的自然地理学错过了主动参与的大好时机。直到环境保护运动由仅关注污染扩展为 大环境 保护,自然地理学才又在环境运动中活跃起来并树立独特的地位。
回顾近现代自然地理学的创新,主要是针对当时社会的一些重大实际问题,在综合性、地域性和人地关系上不断提出新的学术思想;而若隔离于社会的重大需求,学科的发展必然处于被动,创新受到限制。我国自然地理学在国家经济建设(尤其是农业生产和资源开发)中曾经起到了独特而重要的作用。面对新的时代需求,自然地理学应该在国家可持续发展(尤其是人与自然关系、国土整治和资源保育诸方面)的研究中作出创新性贡献。2 当代全球关注与自然地理学的创新领域
环境变化已是当代最重要的全球性研究主题,美国生物学家卢伯辰科认为 21世纪将是环境(科学)的世纪 [17]。另一些美国生物学家指出: 全球环境变化是由人类支配的 [18]。人类社会在环境变化中的作用如此重要,以至于即使是自然科学家也在寻求一种新的 社会契约(social contract) ,为的是不仅更好地认识地圈、生物圈和人类圈(anthroposphere)之间的相互作用,而且更好地将研究成果应用到全球可持续发展的实际政策中[14]。用卢伯辰科的话说: 这种契约强烈召唤新的研究途径和管理途径,例如,需要各种创新机制来促进对跨越多时空577 第4期 蔡运龙:自然地理学的创新视角
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尺度的复杂问题和多学科问题的研究,来鼓励社会问题研究的部门合作和国际合作,来有效地构筑政策、管理和科学之间,以及公共部门和私有部门之间的桥梁 [17]。
IGBP设立的一系列子计划正是反映了科学发展对这种社会需求的响应,包括:
1)国际全球大气化学计划(International Global Atmosphere Chemistry,简记为IGAC);
2)水文循环的生物圈方面(Biosphere Aspects of the H ydrological Cy cle,简记为BACH);
3)全球变化和陆地生态系统(Global Change and T errestrial Ecosystems,简记为GCTE);
4)全球海洋生态系统动态(Global Ocean Ecosystem Dynamics,简记为GLOBEC);
5)海岸带的地 海相互作用(Land Ocean Interactions in the Coastal Zone,简记为LOICZ);
6)全球海洋通量研究(Joint Global Ocean Flux Study,简记为JGOFS);
7)过去的全球变化(Past Global Chang e,简记为PAGES);
8)土地利用与土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,简记为LUCC)。
同样,IHDP也打破了学科界限,力图以新的途径来研究人类社会对环境变化的贡献、环境变化对人类社会的影响、人类社会对环境变化的适应和减缓对策。已设立的计划包括:
1)土地利用与土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,简记为LUCC);
2)全球环境变化与人类安全(Global Environmental Change and Human Security,简记为GECHS);
3)全球环境变化的体制方面(Institutional Dimensions of Global Environmental Change,简记为IDGEC);
4)产业转型(Industrial T ransformation,简记为IT)。
其中的LUCC计划为IGBP和IH DP共同设立,是由自然地理学家倡议和领导的。其目标是:更清楚地认识地方、区域和全球尺度上的土地利用和土地覆被变化(土地退化、荒漠化、生物多样性丧失等)状况和过程,认识这些过程中的自然和人文驱动力。LUCC典型地反映了自然科学和社会科学的综合趋势,IGBP和IHDP的其他子计划也都有强烈的跨学科指向。
这种在人与自然相互作用、多学科知识综合、多时空尺度综合、与实际结合诸方面的科学创新目标,与研究地球表面地圈、大气圈、水圈、生物圈和人类圈相互作用之自然地理环境的自然地理学的研究主旨和发展趋势是一致的,自然地理学在上述新的科学领域中有广阔的创新机会。自然地理学的独特作用在于:架设自然科学与社会科学之间的桥梁,建立地方尺度研究、区域尺度研究和全球尺度研究之间的联系,填平区域差异及其认识上的鸿沟。
环境变化及其对策研究所涉及的学科其实还更多,自然地理学与相关学科的交叉可以产生不少新的研究课题。例如,可以与医学结合研究环境与健康的关系,实际上世界卫生组织已将人体健康的概念扩展为 整体健康(health for all) ,包括人体健康(healthy indiv iduals)、家庭和社区健康(healthy fam ilies and communities)、社会健康(healthy societies)和环境健康(healthy environments)。自然地理学还可以与心理学结合研究环境感知和环境行为问题,与农学结合研究食物保障问题,与教育学结合研究环境教育问题,等等。
3 方法论创新
自然地理学不断提出新的问题,发现新的研究领域,由此产生了许多新的学科,这可以说是自然地理学对科学的重要贡献。唯独在方法论方面,自然地理学很少有重大建树和提出挑
战性问题。自然地理学的方法论发展,从经验主义到实证主义,现今已呈现出多元化的局面[19]。所谓 多元化 ,指的是多种多样学科的方法都被引进自然地理学,而自然地理学自身的方法论却缺乏过硬的特色和独立性。
现代科学中各学科的交叉、汇合已是大趋势,现在已很难用研究对象的独特性来界定学科范围,学科的特色和独立性往往体现在研究视角和方法论上。自然地理学的研究视角主要是综合性、地域性和人地关系,其特色至今无别的学科可以替代。但在方法论方面,自然地理学长期苦于无过硬的独特性,这既限制了它科学地位的提高,又常常使所发现的新研究领域被其他有方法论专长的学科占据。自然地理学有点象李尔王,他把领地分给女儿们,自己却落得一无所有。
自然地理学在方法论上少有建树,主要原因之一恐怕是研究对象的极端复杂性。既然综合性和人地关系涉及众多因子及其复杂的相互关系,地域性涉及若干空间尺度及其相互关系,往往就无法可解,而只能进行描述性的解释。60~80年代的数量革命浪潮中,许多著名自然地理学家都尝试引进系统论方法解决这个问题。例如,乔利曾企图建立自然地理系统[20],哈盖特试图建立地球表层系统[21],贝尼特和乔利企图建立环境系统[22]
,威尔逊曾企图建立自然环境系统[23],索恰瓦曾企图建立地理系统学说[24]。然而,这些尝试基本上没有超出概念模型的范围,实质性的突破至今乏善可呈,原因仍在于研究对象的极端复杂性。以系统论尚可建立 黑箱化 模型,但对 白箱化 的机理探讨则显得无力。
然而,正是这种复杂性,成为方法论突破点之所在。国际上,复杂科学已初见端倪[25],其创新之处在于,以不同于现有科学的全新思路,不仅建立贴切的 物理 (事物之原理)模型,而且找出相应的算法,借助计算机求解;不仅在形态和过程研究中不断深入,而且重视机理研究。这应该是一直对付复杂系统的自然地理学在方法论上的努力方向和可创新之处,例如上述LUCC 计划着力探究过程及其驱动力,不仅要回答传统的w hat 和where 的问题,而且要回答w hy 和how 的问题,搞清机理和提出解决办法。4 传统与创新
处理好传统与创新的关系,是任何学科都必须重视的问题。脱离传统就没有基础,不仅无从创新,搞不好还会失去学科地位。自然地理学研究地球表面地圈、大气圈、水圈、生物圈和人类圈相互作用的自然地理环境的组成、结构、功能、动态及其空间分异规律,在这种传统和研究主旨的基础上创新,才能在众多学科研究指向趋同、学科竞争日益剧烈的今天不失特色,自立于学科之林,作出独特贡献。
例如,引入数学模型是对传统描述性方法的创新,但如果忽视地理学定性研究的基础,就会流于形式,失去地理学意义,与现实相去甚远。正如系统论创立者贝塔朗菲所言: 数学模型的优点人所共知:明确、可作严密的演绎、可用以检验观测数据;但这并不意味着可以轻视或放弃用普通语言表述的模型。语言模型 比一个用数学表示但却是强加于现实和歪曲真相的模型好 [26]。又例如,数字化地球也是当前一大创新领域,但需要有对地球表层组成、结构、功能、动态及其空间分异规律的定性研究,才能既见规律,也见趋势;既能反映实质,也能预测和解决实际问题,否则数字化就仅仅是一种表现形式。正是自然地理学的学科性质和研究传统,决定了他在这个创新领域中有重要地位。
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5 明晰界定科学问题才能创新
复杂系统的研究从一些具体、可操作的问题上入手较好,论题太大很难深入。这里的 具体、可操作 ,一方面是指论题范围要有明确界定,避免大而无当的弊病。诸如 人地关系 、 可持续发展 之类的论题都太大、太空泛和不可证实或证伪,必须找出其中可证实或证伪、可操作的论题,才能深入下去,有所创新。另一方面也指对研究的时间尺度和空间尺度要有明确界定,不同尺度的问题是不一样的[27],不能眉毛胡子一把抓,使问题越搞越糊涂。只有先搞清一定尺度上的特定问题,才能进一步搞清不同尺度上各种问题之间的关系。从这样的具体问题入手,才能作出真正的创新性成果。
综观国际上国家和区域尺度的自然地理学研究现状,发达国家微观研究较多,颇深入细致;欠发达国家则多为宏观研究。这从一个侧面反映了二者在学术上的差距,同时也是国情使然。发达国家的宏观问题似乎已经搞清和理顺,欠发达国家则普遍无力顾及微观问题。我国学者的研究尚能兼顾二者,是我们的长处所在。目前一个新的动向是中观尺度(区域)的研究越来越受到重视。
全球环境变化是当前科学界和决策界都很关注的重要问题,但自然地理学家是从区域的综合影响(im pact)和响应(response)来研究全球环境变化的,而且着重近现代的变化。这样一种研究视角(Global change,regional challenge;Thinking globally,acting locally)在最近举行的IGBP第五次科学顾问委员会(SAC V)上受到高度重视[28]。这次大会强调指出,全球变化研究成果应在决策中起作用,而决策者更关注的是直接与区域和地方相关的问题。因此IGBP 必须重视区域综合研究,应该发展新的视角,清楚地界定区域和地方尺度上的科学问题,聚焦危急区、脆弱区或热点地区,正视多学科和多空间尺度的综合。
总之,搞清一定空间和时间尺度上的科学问题,尤其搞清不同尺度问题之间的关系,正是自然地理学家可创新和可对全球变化作出独特贡献之处。
6 重视中国国情,在独特区域和独特问题的研究中创新
在独特的自然地理区域展开对独特问题的综合自然地理研究,有 地利 之便,往往能作出独特的创新成果。众所周知,我国独特的自然地理区域有青藏高原、黄土高原和西南喀斯特地区等。我国在青藏高原和黄土高原的研究成果已经产生了世界性的影响,但在西南喀斯特地区的综合研究还很薄弱,是一个很有创新潜力的地区。
我国西南碳酸盐类岩石出露面积达54万平方公里,是世界上面积最大、发育最完全的喀斯特连续地带,多为山区,土层薄瘠,水土流失严重,旱涝等灾害频繁,是典型的生态脆弱区、危急区和热点地区。这里生活着近一亿人口,包括壮、苗、布衣、侗、瑶、彝等三十一个少数民族,人口四千多万。恶劣的自然条件,加上历史、社会、经济诸因素的影响,使这里长期处于十分封闭的环境中,经济发展水平低下,自我发展的能力很差,相当部分群众尚未解决温饱问题,是我国 八七扶贫攻坚计划 中的一块 硬骨头 ,与黄土高原同为中国贫困与环境退化问题最为突出的地区,人地关系冲突表现得非常尖锐。由于传统喀斯特研究基本上只关注地貌、水文和气候等无机过程,这里的综合研究至今还未真正展开,迫切需要探索所有要素间相互作用的整体运动及其与人类生存、发展的关系。在这个特殊地域内研究整个生态系统的动态过程,研究人
和自然的关系,为这一脆弱生态系统的综合整治和可持续发展提供科学技术支持和指导,应该是当前地学研究的一个重要前沿课题。因此,沿着自然地理学综合性、地域性和人地关系的创新传统,针对国家扶贫攻坚和生态建设的需求,在西南喀斯特地区明确一定时空尺度上的科学问题,开展综合自然地理学研究,是我国自然地理学在未来能够创新的一个领域。
此外,中国作为海洋国家,海洋自然地理研究前景看好。中国沿海地区经济高速增长是一个独特的现象,其发展过程中面临一系列紧迫的资源、环境、灾害和人地关系问题。东亚季风动态及其环境影响既是全球环境变化中的重要问题,也对认识和解决我国的资源、环境、灾害有重大意义。我国有世界上最大的农林牧交错带,这一生态脆弱带中有苦干自然地理问题需要研究。我国干旱区面积广大,荒漠化问题突出。我国有世界上最悠久的土地利用历史和最丰富的土地类型,在全球LUCC 研究中的地位独一无二。所有这些问题,既是国家的重大需求,也为自然地理学的创新提供了广阔的空间。
7 结 语
在理论、方法和手段上,自然地理学要追踪国际学术前沿,应尽可能避免对国际学科发展不甚了了,课题立项在低层次重复的情况。在研究内容上,自然地理学要立足传统主旨和学科基础,针对社会的新需求,侧重关键的、尺度明晰的、可操作的论题,在具体问题上深入,作出大成果。研究区域上,自然地理学要突出我国特色,重视我国国情,这既是解决实际问题之所需,也有利于加强我国学术在国际上的地位,因为 越是民族的,也越是世界的 。
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CAI Yunlong
(Dep ar tment of Ur ban and Environmental Sciences,Peking Univer sity,Beij ing,100871)
Abstract T he study on synt hesis,region locality and human natural dimensions ar e not only a deep scien tific tradit ion of physical geogr aphy,but also a new insig ht in the research on global environmental change.
T here are broad development prospects and innov at ion opportunities for physical geography in the domain o f basic applied r esearch.Physical geo graphy has distinct ively contributed much to nat ional development and construction.Based on t he traditional themes and academic foundation and oriented to t he so cial de mands,physical geography will make innov ative fruits for man nature relation optimization,terr itorial man agement and resour ce conser vation.T he extreme complex ity of the study object r equires methodolo gical in novation of physical geography.In new insights and approaches,appropriate physical models should be es tablished and the mechanism study should be emphasized.Physical geography research pr ojects should clearly identify detail scientific questions,sett ing clear priorities o f what should be studied at the regional and local scales and how,and making the relationship of var ious issues at v ar ious spatial and temporal scales clear in particular.T hese may be the inno vat ion points and the unique contribution that physical geogra phers can do for global environmental change study.Integr ated researches on unique physical geo graphical reg ions and unique problems usually result in innovativ e achievements.Physical g eog raphy should pay more attention to Chinese char acterist ics and address Chinese situation.T his is not only the practical requirement o f the nation but also beneficial for strengthening the place of Chinese geogr aphy in t he inter national aca demic community.
Key words scientific innovation;physical geography;synthesis;regional and local scales;human natur al dimensions