中山大学马克思主义与当代中国期末课程论文

1、1 博士生课程马克思主义与当代中国期末论文博士生课程马克思主义与当代中国期末论文 自然地理学研究方法的综述与思考自然地理学研究方法的综述与思考 单位：中山大学单位：中山大学 地理科学与规划学院地理科学与规划学院 学号：学号：15110689 姓名：姓名：王壬王壬 摘要摘要： 为理清和掌握自然地理学的科学研究思维和方法， 综述与思考了自然地理学的基础研 究方法， 并立足于水文水资源方向做更细致的探讨。 本文将自然地理学基础研究方法划分为 数学方法、物理实验方法、化学实验方法和 3S 技术 4 个方面，并从气候、土壤、水文、地 貌、生态环境等不同研究方向做应用举例。作者认为，一名地理学者很难完全掌

2、握各方面研 究方法，擅长某一方法领域而对其他领域有所涉猎也是合理的；在地球系统科学的背景下， 系统论、信息论、控制论及耗散结构等理论方法在自然地理系统的研究中将发挥作用；与其 他学科的交叉融合及新领域的应用，自然地理学将更有建树；高新技术的快速发展，将会有 更多的新方法、新技术手段引入到地理科学中，完善研究的不足和扩宽研究领域。 关键词：关键词：研究方法；自然地理学；水文水资源 地理学是一门传统的学科，它是一门研究地球表层现象（包括自然现象和人文现象）时 空分布、组成结构、变化运动和规律的学科，被认为是研究自然科学和人文科学的“桥梁”1。 当前，地理学大致可划分为三个学科专业，即自然地理学（水

3、文、土壤、气象、地貌和生态 环境等方向）、人文地理学（经济、人口、文化、交通、旅游和城市等方向）及地理信息科 学（地理信息工程、GIS 应用和遥感应用等方向）2-4。地理科学在长期发展后，地理学不 同的学科专业下延伸和交叉融合了众多研究方向， 甚至部分方向脱胎换骨， 独立成更细的科 学方向，如水文及水资源学专业、气象与气候学专业、环境科学和资源科学等。因此在当今 时代，再也不能出现古时“上知天文，下知地理”的全才。然而，学科的发展必须适应时代 的变化和需要，不同的专业方向也存在共同的科学研究思维、研究方法5。其中，自然地理 学是地理学的重要分支， 是一门以地球表层自然现象为研究对象的学科， 其

4、学科体系从整体 到局部来构建，自然地理学可分为综合自然地理学和部门自然地理学（水文地理学、土壤地 理学、气象气候学、地貌学和生物地理学等），其共同特点是强调空间概念，呈现综合性和 区域性特征，重视机理、格局和过程的研究，其中涉及到空间异质性、距离影响和尺度效应 等地理科学独有的问题6-7。同时，不同的研究方向下各有其独特的科学研究思维和方法， 本文综述和思考了自然地理学基础的研究方法， 并立足于水文水资源方向， 进一步探讨和例 举自然地理学的科学研究思维和方法，以及简要对比地理学不同学科间研究方法的异同。 1 自然地理学的基础研究方法自然地理学的基础研究方法 自然地理学作为自然科学的一部分，

5、有其独特的科学研究思维和方法， 并且已交叉和引 入了其他学科的理论、方法和手段，但基础的研究方法和手段大致可以从学科的角度归类， 本文划分为数学方法、物理实验方法、化学实验方法、GIS 与 RS 技术。 1.1 数学方法数学方法 在上世纪六七十年代， 计量革命高潮将地理学推向了定量化研究的新阶段， 数学则是精 确化、定量化的有效工具和手段。数学方法在自然地理学中的作用或应用，主要体现在各种 数学模型、数学理论及方法中，具体如：峰度系数、偏差系数、主成分分析方法、层次分析 法、聚类分析方法、线性规划方法、模糊数学方法、灰色系统方法、人工神经网络方法、支 持向量机方法、系统动力学方法、小波分析方法

6、、分形理论方法以及信息论、控制论等。这 些理论方法在自然地理学中均有应用， 发挥的作用主要包括研究地理对象的统计特性与变化 2 过程、综合评估研究对象属性的状态、依据对象属性特征进行分区分类（模式识别）、寻找 优化的目标或决策方案、 揭示影响因子及各因子间的相互关系、 预测评估研究对象的未来状 态，如描述河流形态、土壤缝隙形态的分形研究；自然灾害风险评估的概率统计方法；综合 评估水资源系统可持续性、脆弱性或承载力的综合评估方法，其中涉及各种赋权、分类和预 测的方法； 采用人工神经网络、 支持向量机或系统动力学等方法对研究对象的变化进行预测 和情景模拟8-10。 1.2 物理物理实验实验方法方法

7、 自然地理学的研究过程也利用了物理学的手段和方法。 如在数据采集阶段对气温、 水温、 雨量、径流的监测；利用地温和水温识别地下水补给区和排泄区；第四纪研究中磁学在环境 监测、古气候反演方面的应用；利用 14C 和光释光测年技术进行古环境重建；利用环境示踪 剂和同位素评估古气候变化、水循环演变；从泥炭沉积物、湖泊沉积物、冰芯、树木年轮、 石笋等提取的地球化学数据， 可以提取古生态学证据以反映环境变化； 电子扫描显微镜可以 详细检查颗粒表面，研究包括有机物、冰渍和土壤在内的其他物质；室内布局物理设备和条 件进行模拟，如风沙流中风洞实验、颗物粒径测量以及河渠下渗率、河道冲刷率、水土流失 与保持方面的

8、物理实验，等等。 1.3 化学实验方法化学实验方法 自然地理学的微观研究方向， 化学实验方法为揭示地物微观特征提供了手段。 地球表层 自然界化学元素的监测与分析，如不同剖面土壤、水、河流湖泊底泥中总氮、总磷、重金属 及各种化学元素数据的测量分析；水、土壤、生物等地球表层物质微生物特征的研究；碳、 氮循环， 碳氮元素与植物的关系及相互影响， 等等。 这些研究工作对于揭示环境污染的状况、 追踪污染物的来源， 以及提出应对环境变化的对策和优化工农业结构布局提供了数据和实验 手段支持，以及进一步分析各种化学元素与人类社会、生物和环境变化之间的相互关系。 1.4 3S 技术技术 在计算机科学技术的迅速发

9、展和六七十年代计量地理革命兴起的背景下， 以全球定位系 统（Global Position System, GPS）、现代地图与制图技术、地理信息系统（Geographical Information System, GIS）技术和遥感（Remote Sensing, RS）技术为代表的高新技术也越来 越成熟，为自然地理学的研究提供了新的研究思维和技术手段，在数据采集、存储、分析、 可视化和管理的研究过程中不可或缺，甚至被认为拯救了地理学。GIS 对地物进行栅格或矢 量格式在计算机中存储和描述， 为不同时空尺度的海量地理数据采集、 管理和分析提供了技 术支撑；RS 能够对地球系统多时间分辨率、

10、大面积并持续动态的监测，为地理科学的研究 提供了数据来源；GIS 的研究思维为建立研究地物要素的时空模型，也提供了范式；并且， GIS 和 RS 在自然地理学的各个领域方向均有应用，如国土资源的规划与布局、综合制图和 遥感在资源环境中的应用、 距离分析、 行为模式识别、 时空模型构建、 时空尺度效应问题等， 各种基于 GIS 基础软件平台的分布式水文模型（SWAT 模型等）、分布式气候模型均是在 GIS 和 RS 技术成熟的基础上发展起来的。因此，GIS 和 RS 的技术方法对现代自然地理学 的飞跃发展提供了重要技术手段。 2 自然地理学水文水资源方向研究方法自然地理学水文水资源方向研究方法

11、由于地球表层物质的多样性， 自然地理学方向众多， 但自然地理学能够在科学界占据一 席之地并发挥独有作用，其根本原因是因为地球表层现象不是孤立的，各要素间相互联系、 彼此影响，虽然部门自然地理学、各种学科方向不断深入细化，但自然地理学的综合特性、 区域特性是其他学科无法替代的11。 不同方向的研究方法有共性又有其独特之处， 因此本文 拟结合较熟悉的水文水资源研究方向，对该学科的科学研究方法作简要思考。 自然地理学的水文水资源方向主要研究地球上水的分布、组成、运动及其规律，水是沟 3 通地表岩石圈、土壤圈、大气圈和生物圈相互联系的介质，对圈层变化及圈层相互作用发挥 纽带作用。当前，水文水资源方向又

12、可细分为水文学方向和水资源学方向，水文方向研究侧 重于自然界中水的起源、分布、组成及其运动规律的研究，基础核心内容是水循环过程、产 汇流机制、分布式水文模拟以及水文过程与物质循环过程、大气过程、生态过程的相互作用 等， 水资源方向研究侧重于水与人类社会关系及水资源管理方面的研究， 核心内容是水资源 评价、水资源配置与调度、水资源管理和水利信息化等方面。自然地理学水文水资源方向主 要的研究方法与自然地理学基础研究方法整体相一致， 同样涉及到数学方法、 物理实验方法、 化学实验方法和 GIS、RS 技术等 4 方面。数学方法的应用如：水文要素的特征统计、周期 分析及其预测；水资源系统脆弱性、可持续

13、性及承载力的评估；干旱的监测与评估等。物理 实验方面如利用同位素技术追踪水质污染、水循环过程，利用 3H、14C、4He 及其他惰性气 体、36Cl、CFC、SF6 等测定地下水年龄等。化学实验方法主要体现在水质和生态水文研究 方向，对水中化学元素的测量、水中化学元素与生物的交互作用等方面。GIS 技术在分布式 水文模型开发、应用上起着关键作用，是基础性平台和各种空间数据分析的基础，以及水资 源管理信息系统开发、水联网的建设等方面。RS 技术在水量和水质监测、生态水文研究等 方向提供了技术手段，如洪涝、干旱的监测；湖泊富营养化的监测；湖泊水位变化对候鸟或 植被生长的影响；土地利用/覆被变化的水

14、文响应等。 水循环过程贯穿了水文及水资源学的各个研究领域， 包括自然水循环和社会水循环两方 面，从水汽输送、降水、地表和地下径流、蒸散发以及各个水物质的界面转换过程，到人类 活动对自然水循环的干扰影响。 因此水文水资源学不同研究方向也是对各水循环过程以及不 同界面转换过程的研究。 此外， 科学哲学中的方法论在自然地理学水科学研究中也可见一斑， 如辩证思维： 人类活动对水资源的影响， 导致水资源管理落后、 水资源浪费、 水环境污染等， 另一方面水多、水少、水脏反过来影响经济社会，损害经济健康发展、破坏人类生产生活环 境等，这些科学命题都是辩证分析的。 3 结束语结束语 本文从 4 个基础方面对自

15、然地理学的科学研究方法进行总结归纳， 需要承认的是， 一名 地理学者很难在较短期内掌握各方面的研究手段， 擅长某一研究方法领域而对其他领域有所 涉猎是为一种较为合理的方法。 作者认为， 与其他单独研究自然界某一要素或现象的科学相比， 自然地理学具有系统综 合和区域的独有特点，因此在当前倡导地球系统科学的背景下，系统论、信息论、控制论及 耗散结构等理论方法在自然地理系统研究中将发挥作用。同时，随着知识和方法的膨胀，与 其他学科的交叉融合及在新领域的应用，自然地理学将更有建树。高新技术的快速发展，如 GIS、RS、GPS、虚拟现实和智慧地球等，将会有更多的研究方法和技术引入到地理科学中， 完善研究

16、的不足和扩宽研究领域，这既是地理科学发展的挑战也是机遇。 4 参考文献：参考文献： 1李双成, 许学工, 蔡运龙. 自然地理学方法研究与学科发展J. 中国科学院院刊.学科发 展, 2011, 26(4): 399-406. 2汤茂林. 问题主导还是方法主导？对我国人文地理学研究的方法论思考J. 人文 地理, 2013, (5): 19-23. 3汤茂林. 我国人文地理学研究方法多样化问题J. 地理研究, 2009, 28(4): 865-881. 4齐清文, 姜莉莉, 张岸, 等. 地理信息科学方法论的理论体系研究J. 测绘科学, 2010, 35(4): 5-9. 5陆大道. 地理科学的价值与地理学者的情怀J. 地理学报, 2015, 70(10): 1539-1551. 6蔡运龙, 李双成, 方修琦. 自然地理学研究前沿J. 地理学报, 2009, 64(11): 1363-1374. 7傅伯杰. 地理学综合研究的途径与方法: 格局与过程耦合J. 2014, 69(8): 1