■ 自然地理学是研究作为人类家园——地球表层的科学，主要通过物质迁移与能量转换、自然要素和人类活动的交互耦合，研究自然地理要素和自然景观的性状成因、演变过程、发展规律、空间差异及区域特征，认识地球自然环境怎样成为人类活动的基础并受人类活动的影响。
自然地理学以解决资源、环境、灾害和发展面临的复杂问题为其应用指向，为合理利用自然资源、保护生态环境、防灾减灾、实现人与自然和谐相处提供科学依据。《自然地理学前沿》通过阐释自然地理学总体发展态势与发展方向，并分别就地貌学、气候学、水文学、生物地理学、土壤地理学、综合自然地理学和地理系统模型模拟等分支学科，分析其发展态势与发展方向，力图总体呈现当代自然地理学的研究前沿，从学科发展战略层面对自然地理学未来重点研究领域进行分析预判。
自然地理学从产生伊始就经历了跌宕起伏的发展历程，但基于人地耦合这一永恒的主题，自然地理学虽然古老但又生机勃勃，在发展过程中不断创新，为人类认识和了解地球表层系统提供了重要的科学支撑。作为一门经世致用的学科，自然地理学一直以其特色的认知方式、综合的研究范式和独特的学科地位，为全球和区域资源环境问题的治理提供了重要决策依据。
近年来，在全球变化大背景下，面向可持续发展的时代要求，自然地理学也始终发挥其学科特色，在国土空间优化、资源环境保护、生态文明建设、自然灾害防治等研究中发挥着举足轻重的作用。以空间组织观念为核心、理性主义与经验主义相结合，构成了自然地理学特色的认知方式；重视多要素交叉与多过程综合效应、关注多尺度关联，形成了自然地理学综合的研究范式。自然地理学不仅为生态文明建设重大议题提供了基础科学支撑，也对可持续发展目标的达成具有重要作用。
自然地理学研究具有整体性、综合性、区域性和交叉性的学科特点，而尺度性、动态性和多样性也在学科发展中具有重要意义。21 世纪以来，自然地理学在当代科学发展与社会需求的驱动下，其性质、内容、方法、作用等都发生了显著变化，既继承了传统自然地理学思想，又吸收了其他学科的先进理念。自然地理学研究从早期的整体发展，到内部各个分支学科纷纷脱离母体；从极力融入自然科学的“规范型学科”体系，到当代自然地理学的多元化发展；从研究区域性的自然环境特征，到关注全球性的环境变化与人类福祉，自然地理学发展被时代赋予了新的含义和使命。总体上，自然地理学研究主题已逐渐从传统的自然地理格局研究向格局与过程耦合、人地系统耦合等议题转化，研究方法逐渐走向综合性与定量化，并正在实现微观过程机理与宏观格局的结合，呈现出新的发展态势。在更加综合的地理学研究趋向下，强化自然地理学分支学科的交叉，以及自然地理学与其他学科的交叉，成为解决自然地理学乃至地理科学重要科学问题的关键途径。
自然地理学不仅强调部门自然地理学的发展，更注重综合研究。自然地理学发展的关键科学问题不仅源于部门自然地理学，更源于自然地理学的综合研究。从传统研究对象出发，自然地理学综合研究的主要领域包括综合自然地理区划、土地研究、景观生态、生态系统服务和陆地表层系统地理过程等（图1）。近年来，从地理角度研究生态系统服务受到越来越多的关注，进一步扩展了自然地理学的综合研究范围（Fu and Pan，2016）。图1 自然地理学的综合研究（Fu and Pan，2016）综合考虑自然地理学综合研究、部门自然地理学发展动态，面向我国生态恢复、环境保护、自然资源利用和可持续管理、国际战略等诸多国家重大需求，我国自然地理学的发展需要重点关注如下科学问题。（1）如何深化地表不同尺度格局和过程的耦合研究。作为全面理解复杂地理实体的基础，格局和过程耦合已成为自然地理学综合研究的重要方向。地貌、气候、水文、生物、土壤、海洋等部门自然地理学都需要深化不同时空尺度上格局和过程的耦合研究，并针对不同尺度建立尺度转换分析机制。在格局和过程耦合的研究中，需要加强遥感监测、样带调查、地面观测、室内实验、模型模拟等多种手段的综合应用与集成。（2）如何开展气候变化背景下区域响应和适应的集成研究。全球气候变化是全球变化过程中的不争事实。全球气候变化显著影响着地貌形态、水文循环过程、生物地理格局、陆海交互作用、土壤演化与物质循环。我国不同区域自然生态环境和社会经济条件差异显著，全球气候变化带来的问题和适应性措施具有显著的区域差异。我国自然地理学工作者不仅需要关注全球气候变化对自然生态过程影响的基础研究，更需要重点针对气候变化敏感区和生态系统脆弱区，开展综合集成研究，加强区域集成模型研发，探求相应区域人类社会和生态系统的适应性策略。（3）如何辨析地球表层系统中人与自然的交互作用机制。人类活动深刻影响着地球表层系统的演变，在不同尺度改变着自然生态系统，展现出其影响效应的高度复杂性和空间异质性。传统自然地理学研究往往弱化了人类活动的作用。现代自然地理学的发展，不仅需要解析人类活动对自然地貌、水文水资源、土壤性状、物种和生态系统的影响机制，更需要关注自然生态系统改变对人类的影响，辨析不同时空尺度人与自然的交互作用机制，进而为国家可持续发展提供新的知识和解决方案。（4）如何从自然地理学视角推动生态系统服务研究。生态系统服务是连接自然生态系统和人类社会系统的桥梁，是当代地理学研究的热点和前沿领域。生态系统服务研究越来越重视时空异质性、空间流动性和供给需求的区域匹配性。自然地理学可以充分发挥其区域性、综合性和系统性的特点，基于“格局—过程—服务—可持续性”研究范式，为生态系统服务的权衡协同分析、局地与远程耦合、人类福祉效应等提供支撑。（5）如何促进多源数据融合与地理模型研发。长期定位监测、实地调查、室内实验和遥感监测等多源数据是自然地理学研究的基础。然而，随着自然地理学研究问题的多样化，通过各种方法获得的数据往往具有不同的属性特征，如何有效融合多源地理数据已经成为自然地理学研究的迫切需求。同时，由于自然环境的复杂性，自然地理学研究中所采用的模型往往面临多种形式的不确定性，亟待完善模型对自然过程、人地系统的有效刻画，提高模型的模拟能力和精度，研发我国本土化的地理模型。（6）如何深化我国典型地理单元的集成研究，拓展全球问题的国际合作。我国幅员辽阔，拥有青藏高原、黄土高原、长江流域、黄河流域等千姿百态的自然地理单元，针对这些地理单元开展综合集成研究，对我国生态文明建设与可持续发展具有重大意义。同时，地球表层系统是由相互作用的自然地理过程组成的，碳排放、陆海输沙、生物地球化学循环、陆—气和海 — 气通量等地理过程不仅具有区域性影响，也具有大洲乃至全球意义。但是，我国自然地理学以往的研究往往关注我国区域性的问题，对于全球问题的关注相对不足。加强对全球问题的研究并积极组织国际重大研究计划，不仅能够提高我国自然地理学研究的国际化水平，更能够服务于我国的国际化发展战略。在学科发展过程中，部门自然地理学与综合自然地理学既需要凸显自然地理学的综合性、交叉性的学科优势，又需要提升对人地系统耦合的精细化模拟能力。自然地理学作为地理学的重要基础，需要在机理认识上取得突破，在研究方法上取得进展，自然地理学分支学科及其综合研究中的以下科学问题有待于自然地理学学者进行深入思考（图2）。图2 自然地理学发展的科学问题及思考（傅伯杰，2018a）（1）地貌学学科发展新的生长点？传统地貌学聚焦营力作用下地貌形态的变化；现代地貌学需要加强地貌过程与生态水文过程、社会经济过程、气候变化动态等多圈层过程的耦合分析，加强数值模拟、高分辨率遥感技术等新技术、新方法在地貌学研究中的应用，在综合与集成研究中探索新的学科分支与领域方向，重点加强地貌学与全球环境变化研究、地貌学与人类活动研究等。（2）生物地理学只是研究生物地理分布？植物地理学和动物地理学是生物地理学研究的经典内容。现代生物地理学需要在生物地理空间分布经典研究内容的基础上，综合应用 DNA 测序、生态模型、遥感等技术方法，结合全球变化与人类福祉，加强微观、宏观分析和多尺度综合研究，深化植物属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索，连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求。（3）水文学研究还停留在物理过程研究方面？传统水文学强调水循环的物理过程。现代水文学需要在此基础上，关注全球变化、人类活动、生物演替和水循环的交互作用，综合遥感、同位素示踪、模型等技术方法，开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究，发展生态水文学、社会水文学、水文形态学等新兴学科领域和方向。（4）自然地理学如何全方位介入气候变化研究？气候变化是全球面临的重大挑战。气候变化是近几十年来全球关注的重大科学问题，形成了系列国际研究计划，成为科学界研究的前沿热点。自然地理学所研究的地理过程、圈层相互作用、陆地表层系统等与气候变化密切相关。然而，在已有气候变化国际重大研究计划、《联合国气候变化框架公约》等科学研究和政策讨论中，自然地理学尚未充分发挥其学科支撑功能，亟须探索和加强自然地理学在气候变化研究中的贡献和作用。（5）综合自然地理学停留在土地类型划分和自然区划？土地类型划分和自然区划是综合自然地理学研究的经典内容。然而，社会经济的快速发展对综合自然地理学研究提出了新的需求。现代综合自然地理学需要面向国家重大需求，聚焦人地系统耦合研究，发挥学科综合优势，在资源环境承载力评估、国土开发整治与优化、生态安全格局与生态文明建设、“一带一路”建设等领域中做出积极贡献。（6）如何深化自然和人文要素作用机理的研究？人类活动对地表过程影响的范围、强度和幅度不断扩大，已成为地表环境变化的主要驱动力之一。要深入理解现代环境变化机理和预测未来变化趋势，自然地理学需要耦合自然与人文的要素过程，避免分支学科相互独立造成的空心化，通过发展系统整体的综合方法，建立复杂系统模拟模型，探讨变化环境下的自然要素与人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化特征，深化陆地表层系统集成研究与决策应用研究，为区域、全国乃至全球可持续发展提供科学依据。自然地理学早期研究以单一自然要素和过程为主。近年来，在全球环境变化的驱动下，自然地理学研究形成了气候变化、生态系统服务、格局与过程耦合、模型、尺度等研究热点，地貌学、气候学、水文学、生物地理学、综合自然地理学等自然地理学分支学科在传承中得到新的发展，并出现城市自然地理学、流域与区域综合等新兴方向，其研究进展主要表现在自然地理过程综合与深化、陆地表层系统集成与陆海相互作用、区域生态与环境管理应用等方面（傅伯杰，2018a）。其中，自然地理过程综合与深化为自然地理学综合研究提供了基础支撑，陆地表层系统集成与陆海相互作用研究是自然地理学格局与过程耦合、自然要素与人文要素结合的核心展现，而区域生态与环境管理应用则是自然地理学面向国家和区域重大战略需求和决策应用的重要体现（图3）。图 3 自然地理学发展的总体框架（傅伯杰，2018a）21 世纪以来，中国自然地理学在与可持续性科学对接、要素与过程集成、空间数据挖掘与系统决策等领域取得新发展。地理学与可持续发展议题的深度融合为自然地理要素与过程集成确定了目标导向，自然地理要素与过程集成结果则为陆地表层系统决策提供了机理解析途径。地理空间数据的挖掘与融合为自然地理要素与过程集成提供了基础数据支持，而陆地表层系统决策成果直接服务于国家和区域可持续发展实践。面对变化中的全球环境及变化中的学科热点，自然地理学也面临着过程研究深化和区域集成模拟的新挑战。针对上述，自然地理学学科发展的总体思路，有必要重点聚焦以下学科发展内容。（1）深化自然地理学分支学科的过程研究，夯实自然地理格局与过程耦合理论基础。当前，自然地理学分支学科在地貌过程、气候变化过程、生物地理过程、水文过程、土壤过程等方面持续取得进展，但仍不足以对陆地表层系统过程集成提供充分的参数支持。自然地理学分支学科过程研究无疑是进行学科交叉与成果集成的基础环节，自然地理单一过程研究势必将更加深入。面对全球变化下陆地表层系统的剧烈改变，在格局分析的基础上深入厘清地貌、气候、生物、水文、土壤等地理过程的形成与演化机制，进一步凝练自然地理前沿理论、深化自然地理过程研究，成为自然地理学在科学知识发现层面的重要挑战。（2）推进综合自然地理学的发展，聚焦陆地表层系统耦合前沿议题。我国综合自然地理学研究在20 世纪 90 年代以来不断发展，在国际地理学研究领域目前已处于领先地位。面对复杂的全球变化及可持续发展的需求，自然地理学必须进行更高层次的综合和集成，加强多学科交叉融合，注重人与自然地理的耦合研究。在学科交叉融合的背景下，综合自然地理学也将在链接自然地理学分支学科过程中扮演更重要的角色。依托自然地理学分支学科对自然地理过程形成机理的深度解析，探寻定量化的陆地表层系统综合途径，继承并发扬地理学交叉性、综合性学科优势，成为自然地理学在提升学科价值层面的重要挑战。（3）提升陆地表层系统观测和模拟水平，服务未来可持续发展决策。陆地表层过程交互的复杂性给地理学综合研究带来了诸多困扰和挑战，尤其是数据和模型的不确定性制约了对自然地理过程形成与演化机制的系统解析。为控制和减少不确定性，有必要重视模型预测和观测结果的一致性，进一步研发数据同化算法，提高模型预测精度（李新，2013）。通过长期的野外观测、综合调查及模型模拟的集成，提高对地理大数据的空间挖掘能力，将有助于应对并解决空间与时间上更为复杂的自然地理格局和过程耦合问题。面向全球环境变化下的不同区域发展情景，提供更高精度的多要素、多过程、多尺度模式模拟结果，满足国家和区域可持续发展战略需求，成为自然地理学在服务社会决策层面的重要挑战。总之，自然地理学各部门学科的交叉和融合，既是变化背景下中国自然地理学发展的重要成果，也是未来中国自然地理学学科发展的重要导向。深化自然地理学分支学科的过程研究，推进综合自然地理学的发展，提升陆地表层系统的观测和模拟水平，有助于进一步巩固自然地理学在地理科学学科体系中的基础学科地位，为满足国家重大战略需求和全球可持续发展做出更重要的学科贡献。■ 本书立足学科前沿，结合国家战略需求，在论述地理学发展态势与前沿的基础上，系统阐述自然地理学的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点、总体发展态势、关键科学问题与发展方向，论述地貌学、气候学、水文学、生物地理学、土壤地理学、综合自然地理学和地理系统模型模拟等自然地理学分支学科的研究任务、研究现状与发展趋势、关键科学问题和优先研究领域。全书紧扣国际前沿科学问题和社会发展的迫切需求，力图从学科发展战略层面展现当代自然地理学的前沿方向，以期服务自然地理学与相关学科的发展。本书可供自然地理学、地貌学、气候学、水文学、生物地理学、土壤地理学、地理信息系统等相关专业的科研人员和高等院校师生阅读与参考，是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南。
（本文编辑：王芳）
