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对自然地理区划方法的认识与思考
地理学报
ACTAGEOGRAPHICASINICA
第63卷第6期
2008年6月
Vol.63,No.6
June,2008
对自然地理区划方法的认识与思考
郑度,欧阳,周成虎
(中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)
摘要:
在研习和继承前人区划研究工作与成果的基础上,着重于自然地理区划方法论及其体
系的探讨。
首先,深入阐述了自然地理区划的内涵,认为:
自然地理区划既是区域划分的结
果,也是区域划分的方法与过程,同时还是认识地理特征和发现地理规律的一种科学方法。
第二,假设性认为自然地理区划是客观存在的,针对不同的区划目的和采用不同的区划原则
所形成了不同类型的自然地理区划,如部门区划与综合区划、区域区划与类型区划等,则构
成了对区划对象的多角度认识,并且这些区划间存在内在联系,具有一定的一致性和可转换
性。
第三,在分析总结各种自然地理区划方案研究的基础上,提出了包括区划本体、区划原
则、区划等级系统、区划模型和区划信息系统的自然地理区划范式,其中自然地理区划原则、
等级系统和区划模型构成了区划方法的核心,并且通过区划模型,实现区划原则、指标体系
和单位等级系统的综合。
最后,论文对自然地理区划信息系统研究所涉及的主要科学问题和
主要功能作了简要的说明和讨论,并指出:
在地理空间单元理论的指导下,可以实现在统一
的科学框架下的各种自然地理区划的集成,并为开展综合区划研究提供可用的技术方法。
关键词:
自然地理区划;区划方法;区划模型;区划信息系统
地理学是一门公认的具有悠久发展历史的学科,拥有丰富的方法论和大量的工作文
献资料[1]。
柯本的气候地带性、道库恰也夫的自然地带学说等均为自然地理区划研究的宝
典与传世之作。
作为一种方法论,自然地理区划在系统地理学和区域地理学的研究中得
到广泛的应用,并成为获取地理知识的重要途径。
同时,自然地理区划本身也是地理学
的核心研究内容和重要的基础性工作[2,3]。
更有学者认为,自然区划是自然地理学的重大
理论之一,是制定和实施社会经济发展战略的重要科学基础[4-6]。
所以,在地理学的研究
中,对自然地理区划理论与方法的探讨具有头等重要的意义[7]。
然而,当审阅地理方法研
究文献,研习自然地理区划的本质,剖析自然地理区划方法论的核心与体系,探索信息
时代的区划方法之变化等问题时,却又难以勾画出自然地理区划方法之体系。
虽然各种
地理区划间存在一定的相似性,但又未能形成统一的方法体系。
本文试图从自然地理区
划作为一种地理科学方法论和作为地理学规律表达的一种形式等方面,对自然地理区划
的性质、方法、以及区划信息系统等问题进行探索性分析与研究。
1自然地理区划本质之分析
1.1自然地理区划概念的内涵
自然地理区划是地理研究中常见的名词与经常使用的方法,但对自然地理区划概念
及其内涵的认识,却存在多方面的解释。
前人研究成果涵盖了自然地理区划概念所包含
的三种基本含义:
一是区域划分的结果,即常见的各种区划方案与区划图;二是区域划
收稿日期:
2007-06-22;修订日期:
2008-04-28
基金项目:
中国科学院知识创新工程项目(KZCX3-YW-08);中国科学院学部重大咨询项目“新疆生态建设与可持续发
展战略研究”[Foundation:
KnowledgeInnovationProgramoftheCAS,No.KZCX3-YW-08;Consulting
ProjectofAcademicDivisionsofChineseAcademyofSciences]
作者简介:
郑度(1936-),中国科学院院士,长期从事自然地理学研究。
E-mail:
zhengd@
563-573页地理学报63卷
分的方法与过程,也即建立区划方案的过程;三是认识地理特征和发现地理规律的一种
科学方法,即地理学研究的一种方法论。
正如前苏联地理学家兹沃雷金在讨论农业生态
区划时指出:
自然区划的概念含有多种含义,既是研究某些事实的积累并对其揭示,又
是探讨应用事实并使之易理解的方法,还是一份登载有必要文字说明、图表、以及其他
附件的地图[8]。
首先,自然地理区划是表达地理现象与特征的区域分布规律的一种方法。
区划是为
科学认识区划对象,为经济建设和社会发展服务的[9]。
所以,自然地理区划最直接的理解
就是对区域的划分,建立以区划图形式表示的区划方案。
我国地理学家黄秉维在论述自
然地理区划的作用时指出:
自然地理区划是适应论述地理需要的一种方法。
区划把地理
特征相同的地方归在一起,相异的地方另划一区,既可免支离破碎的弊病,且可省重复
论述的麻烦[10]。
也正因为如此,地图在自然地理区划研究中,占有一席之地,为有效地表
达自然地理区划方案和揭示区域分布规律,提供了科学技术途径。
反之,自然地理区划
也为地图学的研究提供了一定的科学基础。
例如,自然区划方法和制图学都要研究不同
区域的主导因素和主要标志、不同区域各种地理要素的质量和数量特征、地理要素间的
相互制约与相互依存的关系,所以自然区划为解决制图综合问题提供了理论基础[7]。
现代
电子地图技术的发展,为展示多途径、多视角的区划方案提供了动态、系列化的表现手
段。
第二,自然地理区划是地理区域划分的方法与技术手段。
赫特纳非常强调区划的区
域分解过程,他认为:
区划就其概念而言,是整体的一种不断分解,一种自然地理区划
就是地表不断分解为它的部分,这些部分在空间上相互连接[11]。
邓静中在开展农业区划工
作时指出:
区划就是区域的划分,区划是一种手段,一种表现形式,生产力合理布局才
是它的实质内容和目的[12]。
在区划过程中,既可根据地域分异规律将地表依次划分为不同
等级的各种区域,形成自上而下的区域分割方法;又可根据地域组合规律,将具有相同
性质的小块地理空间单元合并为更高一级的区域,形成自下而上的空间聚类方法。
两者
互为补充,共同构成了区划的全部过程。
这方面工作不仅是自然地理区划研究的重要组
成部分,也是传统区划研究工作的主体。
第三,自然地理区划也是地理学研究的经典方法之一。
区划是从区域角度观察和研
究地域综合体,探讨区域单元的形成发展、分异组合、划分合并和相互联系,是对过程和类
型综合研究的概括与总结[2]。
所以,大多数地理工作者都在其研究中自觉或不自觉地运用
区划方法,例如早期的科学考察,一般都遵循分区中找典型的科考工作方式。
在信息社
会时代,自然地理区划单元则成为海量空间信息集成的对象与基础;同时,通过地理信
息转换分析,则可以建立不同自然地理区划系统间的关系,并可实现系统间的相互转换
或建立新的区划系统。
因此,在现代地理学研究中,应进一步深化区划及其以区划为基
础的空间分析研究,并密切和当前正在推进的全国林业区划、主体功能区规划等工作结
合起来。
1.2自然地理区划的类型
自然地理区划类型丰富多样。
按分类单位体系的不同,自然地理区划可分为区域区
划和类型区划;按主导要素的多少,区划可分为部门区划和综合区划。
(1)部门区划与综合区划
部门区划和综合区划是最为常见的两类区划。
部门区划以区域中某一成分或要素为
区划对象,其针对性更强,应用更具体。
因此,部门区划的种类繁多,如地貌区划、水
文区划、植被区划、灾害区划等等;综合区划的对象是地域综合体,早期的自然地理区
划大多是针对自然要素进行的,所以综合区划主要指综合自然区划,并且多直接服务于
农业生产。
在实际的地理研究工作中,常常需要将部门区划和综合区划结合在一起,形
5646期郑度等:
对自然地理区划方法的认识与思考
成系列化的方案,从而达到对区域地理规律的多角度、多层次的认识。
例如,1956年中
国科学院自然区划工作委员会所领导开展的中国自然区划,包括气候、地貌、水文、潜
水、土壤、植物、动物、昆虫区划和综合自然区划;傅伯杰所主持完成的中国生态区划
包括了生态地域区划、生态资产区划、生态胁迫过程区划、生态敏感性区划、以及生态
环境综合区划等五方面[13]。
地球系统中各个要素和过程相互联系、相互作用。
因此,部门区划和综合区划之间
也存在着密切的联系,并可以相互转换。
正如陈述彭所指出:
就区划工作而言,综合区
划与部门区划是密切联系的,各种自然要素的部门区划是综合区划的先行工作,综合自
然区划又是各种生产技术部门区划的基础。
在综合自然区划图上,不仅要表达区域综合
体的分异等,同时还要表示其内部结构,论述不同类型综合体间相互依存性[5]。
面对区域
经济与社会的高速快速发展,区划所服务的对象发生了变化,需要将自然与人文要素综
合,陆地系统与海洋系统并重,最近我国地理学家又提出开展新时期的综合自然区划研
究的设想和计划[14,15]。
(2)类型区划与区域区划
类型区划和区域区划是区划系统划分的另一种体系,也是比较难以理解的一种划分。
郑度依据区划所采用的方法不同,将自然地理区划分为类型区划和区域区划[16]。
类型区划
和区域区划的结果都体现为地理空间单元系统,通过地理空间信息单元理论则可以将类
型单元和区划单元联系起来。
其中类型区划侧重于对每种类型进行定性描述和指标确定
(阈值),形成不同的种类;而区域区划则是根据一定目的和要求,将相似性的地理信息单
元合并,将差异性较大的信息单元分开,从而将整个区域划分成不同子区。
严格的说,
自然界没有不是区域属性的类型。
如自然带、自然地区、自然地带的划分虽然都具有类
型意义,但有又鲜明的区域特色,在实际中可以根据不同的目的有所侧重[16]。
许多学者从区划单元的空间分布特征出发,阐明区域区划与类型区划的差别和联系。
黄秉维认为:
区域区划每一单位在地域上是相邻的,具有空间不可重复性;类型区划的
每一单位允许相互隔离,空间上可以重复[17]。
类型区划便于求同和比较,可以较准确地定
出分类指标,较严格地划出一致的地域;区域区划则便于辨异和表达区域单元的独特
性[18]。
因此,区域区划划出的是现代自然过程中相互依存的个体,而类型区划则划分出自
然历史过程形成的具有共同特征的区域[18]。
任美锷等认为:
区域区划的各级单位应该都有
地区名称,以表明它们的明显的个体性和空间的不重复性[19]。
陈述彭从方法论的角度,阐
明了两者的联系,认为:
区域区划和类型区划都是认识自然的方法,是可以相互转化的
概念[7]。
1.3自然地理区划中的时间概念
在现有的自然地理区划研究中,时间概念最被忽视,或者大多数自然地理区划只是
针对区划对象的一定时间段的平均状况而开展。
在诸多自然区划中,由于区划对象的变
化相对缓慢,在区划研究的时段内,可以近似认为区划对象具有不变性,因而,时间变
化影响可以忽略。
例如,我国目前的综合自然区划七大方案中所采用的活动积温、干燥
度等指标均为多年平均值。
所以,自然地理区划所依据的相似性或差异性特征,均是长
时间序列内的平均状况。
在某种意义上,可以认为这些区划属于静态区划,或称为均值
区划,这些区划既不考虑年内的可能变化,也不考虑多年变化率。
但在现实中,要素场
的平均态一般不易出现。
例如,在一些区域研究中,要素场的指标极值状况下对区域分
析的影响不容忽视,如我们通常以≥10oC积温作为农作物生长的重要指标,但在我国西
北地区,极端最低温度往往是造成某些作物不能生长的主要原因。
近年来,随着工业化与城市化的进程不断加快,人类活动对自身生存空间的影响已
愈来愈强烈。
由此而带来的一些自然环境的改变及生态系统的退化已经可以在短短的几
565地理学报63卷
十年甚至几年之内看到,如全球气候变暖所带来的冰川消融,过渡放牧造成的大面积草
场沙化及人为滥捕滥杀导致一些区域野生动物的灭绝。
对于这些对象的区划研究,时间
要素就需要在区划中给予充分的考虑,否则该区划的意义和作用就极为有限。
因此,区
划也应充分反映自然区域内要素的时变特征,区划除了表达在特定时期条件下区域特征
的差异,还应通过建立一组动态区划来反应区域发展变化的规律与趋势。
2自然地理区划方法论
在传统的地理学研究中,自然地理区划方法主要包括区划的原则和方法两方面[2],但
从方法论的角度看,自然地理区划本身包含多方面的内容,并构成一种体系,形成独特
的地理学研究方法,正如邓静中指出:
农业现状区划是综合反映一定地区实际存在的农
业生产地域分异的地域单元系统[12]。
因此,区划原则和方法虽是自然地理区划研究的核心
内容,但并不构成其全部。
这里,我们从一般方法论的角度,对自然地理区划的原理、
方法等作进一步分析和探讨,以期反映自然地理区划方法深刻内容。
2.1自然地理区划的理论基础
区域的划分主要是依据地理区域所存在的内在相似性或差异性,而形成和控制这种
区域相似性或差异性的背景则是地理地带性规律,正如任美锷等指出:
地带性与非地带
性之间的矛盾,乃是自然区域的基本矛盾[20]。
因此,地理地带性规律是一切自然地理区划
的基本理论基础。
在我国的各种自然区划中,水平地带性规律基本上控制了区划最高级
单位,例如黄秉维提出的综合自然区划的温度带、侯学煜植被区划的植被区域等均是根
据水平地带性规律划分的。
既然区域的差异性和相似性是区域划分的依据,而地理学又
是研究地区差异的科学[1],所以自然地理区划在地理学研究中具有特殊的地位,成为地理
学家认识世界和获取地理知识的重要途径。
除了上述的地理地带性规律外,自然地理区划的理论基础还应包括空间作用的区域
分异规律、集合论、信息编码理论等。
一般而言,区划的中、低等级区划单元深受区域
性或局部的区划因子影响。
在区域内部,区域各要素相互作用,并由此产生区域的差异
性和均衡性。
所以,地理空间作用的区域分异规律也是区划的重要理论基础。
随着数字技术和定量化方法在区划中的应用,其他学科的理论也成为地理区划的理
论基础。
从定量化的角度看,地理区划就是地理空间区划划分的集合,区划系统、区划
单元的相互关系等,均可基于集合论而推演,因此,集合论构成了地理区划的重要数学
基础。
从信息科学的角度看,信息编码理论为区划单元精确标识和单元融合提供了成套
的方法。
因而,可以将地理区划的任一单元赋予唯一的标识码,通过编码的变换,可以
实现对区划系统的分析。
因此,信息编码理论也是现代地理区划的重要理论基础之一。
当前,这些方面的理论研究极为缺乏,有待进一步深入。
2.2自然地理区划原则
区划原则是区划制定过程中所遵循的准则,为区划的核心问题之一[21],确定合理而
实用的区划原则是任何一个自然地理区划成功的关键所在。
李治武、陈传康等在分析了
大量不同类型的自然地理区划方案的基础上,总结和提出了以下自然地理区划所应遵循
的五条基本原则,即地带性与非地带性相结合原则、综合分析与主导因素相结合原则、
发生学原则、相对一致性原则、以及地域共轭原则[22,23]。
这五项基本原则并非彼此独立、
相互排斥,而是互为补充。
例如,在综合分析与主导因素相结合原则中,前者强调在进
行区划时,必须全面考虑构成自然区域的各组成要素和地域分异因素;后者强调在综合
分析的基础上查明某个具体自然区域形成和分异的主导因素。
综合原则不是将各种因素
等量齐现,而是在综合分析的基础上着重于主导因素的探讨[20]。
通过对各类自然地理区划
5666期郑度等:
对自然地理区划方法的认识与思考
原则的剖析,可以发现:
区划原则确定的基本思想就是“从源、从众、从主”:
“从源”
指必须考虑成因、发生、发展和共轭关系,“从众”是指必须考虑综合性和完整性,
“从主”是指应考虑其典型性、代表性。
问题的关键在于如何确定和选择符合一个具体区划任务所需要的所有区划原则?
因
为区划的对象、目的和尺度的不同,其区划原划也就有所差异[24]。
例如,在开展中国自然
区划研究中,任美锷等采用了综合性原则、主导因素原则、发生学原则、以及资源利用
与环境整治相一致原则等,而赵松乔提出了综合分析与主导因素相结合原则、多级划分
原则和主要为农业服务的原则等,从而形成了包括林超的“中国自然区划大纲”[25]、罗开
富的“中国自然区划草案”[26]、黄秉维的“全国综合自然区划”[17]、任美锷等的“中国自
然地理纲要方案”[27]、侯学煜的面向农林牧副渔发展的“中国自然区划”[28]、赵松乔的
“自然区划新方案”[29]、席承藩等的“中国自然区划纲要”[30]等7种方案。
根据以上分析,结合地理空间单元及其系统研究的理论,我们提出将区划原则分为
一般性原则和应用性原则。
一方面,区划的基础是区划单元间的相似性与差异性,因此,
通过对区划对象的特征及控制其运动变化规律的认识,可以发现控制区划单元相似性和
差异性的基本原理,依据这些原理所确定的区划原则称为区划的一般性原则。
例如综合
自然区划中所依据的地带性规律,则属于一般性区划原则。
另一方面,通过对区划目的
和实施尺度的分析,可以在一般性原则基础上,进一步确定适合本区划的专用原则,这
里定义为区划的应用性原则。
例如,在开展国家生态区划时,傅伯杰提出的区域等级性
原则[31]、贾良清等提出的可持续发展原则,则属于应用性原则[32]。
因此,对于同类区划,
一般性原则具有一定的通用性,从而可以促进相关区划的一致性,也减少了区划原则确
定的难度。
加强区划应用原则的研究,可以促进区划工作的深入。
目前的研究工作需进
一步加强和深化。
2.3自然地理区划指标
指标体系是划分区域单元及确定区域界线的依据,会随区划对象、区划尺度、区划目
的和区划制订者思路的不同而不同,指标体系的确定和各个指标的选取应尽可能地体现
区划的目的,并反映其区域分异规律。
柯本的气候-植被分类方案选取了是与植被相关的
气候指标,Holdridge生命地带图式将潜在植被与气候联系起来,按照降水量、可能蒸发率
和生物温度来进行划分。
综合自然区划研究要求建立多级的综合指标体系。
黄秉维的
《中国综合自然区划》[9]采取了多级指标体系:
第一级综合考虑温度、水分、土壤、植被
及土地利用,按水分条件分为四类,温度条件分为八类,共划分出18个地区和亚地区;
第二级以农业、林业、牧业生产与发展为依据,划分了28个自然地带和亚地带;第三级
自然省的划分,主要是根据大气候差异与大地形差异把全国划分为90个自然省。
指标的遴选将直接影响到最终的区划结果,是自然地理区划工作最为关键的一个环
节。
郑度、吴绍洪按温度、水分及地形因素对区划指标进行了探讨,总结出普遍规律与
存在的问题[23]。
然而建立指标体系又是一项非常的困难的任务,这是因为在一个指标体系
里,不同的区划等级应对应不同的指标,但通常会存在同级异指标,异级同指标的现象,
即使是同一个指标,其阈值的选取也会随具体情况发生变化。
例如,黄秉维先生对我国
三大自然区的划分中,东部季风区采取温度指标,西北干旱区采取水分指标,而青藏高
原区则重点考虑垂直地带分异指标,存在同级异指标现象;任美锷主编的《中国自然地
理纲要》[33]中第一级自然区的划分在东部以温度为主要划分指标,划分出东北区、华北
区、华中区和华南区等四个自然区,第二级仍然主要根据温度的不同,划分出不同的自
然亚区,只是在量的对比上比自然区之间差值要小,因而存在异级同指标的现象。
众多区划指标的一致性和定量化也是一个困难的问题。
区划指标往往是由一组要素
组成的,这些地理要素的重要程度不同,并且要素之间具有一定的相关性,如温度和水
567地理学报63卷
分在很大程度上决定了植被的生长与分布。
如何在统一的定量化水平上,确定指标及其
量值至关重要。
此外,综合自然区划的研究还要求实现人文要素指标与自然要素指标综
合,而这些要素指标值的类型和单位极不相同,既有数值型指标,也有描述型指标,并
且数据的空间尺度、格式、精度等也不同,如何将其统一整合,实现指标数量化、标准
化,实现综合指标的定性分类与定量计算是目前研究面临的主要问题。
2.4自然地理区划方法
自大规模开展区划研究以来,我国许多学者从不同的角度和不同的层次上,探讨了
区划的方法[2,17,20,26],并指出:
叠置法、主导因素法、分级区划法等为常用的区划方法,
甚至有学者将区划方法等同于单位等级系统[34]。
但这些研究仅是将各种区划方法笼统地给
予说明或选择性使用,对区划方法的范围和构成均未有系统性分析。
本文从区划单元的
形成和定界角度,将自然地理区划方法分为区划单元划分方法和单元边界定界方法。
区划单元划分方法主要包括“自上而下”的分类法和“自下而上”的聚类法。
自上
而下区划是由整体到部分,自下而上区划则是由部分到整体。
前者主要考虑高级地域单
位如何划分为低级地域单位,而后者则主要考虑低级地域单位如何归并为高级地域单位。
虽然这两种综合途径的结果具有一定的等价性,但是自下而上逐级合并的区划方法对于
确定低级区划单位具有更确切和客观的效果,是归纳途径进行自然区划的一大优点。
区划单元边界的确定一直是区划工作中的一个难点[35]。
一方面,自然地域界线具有
过渡和模糊的特点,很少出现突然跃迁的现象[36];另一方面,界线是由量变到质变的点的
连续,界线两侧是相似性和差异性相互交织的地带。
因此绝对的界线在自然界中很难寻
觅。
邓静中在开展农业区划时指出:
只有深入开展重要农业地理界限的实地调查研究,
才能使农业区划界限摆脱假定性质[12]。
李万将一般自然地理区划界线分为理论等值线、景
观形态线、季节形态线、游移形态线等4种类型。
其中,理论等值线在野外是不可见,
如等温线、等雨线;景观形态线在野外可见,如地貌和植被界线;景观季节形态线可观
察,但因季节不同而位置可能发生变化,甚至消亡,如山上雪线,主要起参考作用[37]。
传统的区划单元边界界定方法包括主导因素法、叠置法、地理相关分析法、以及景
观制图法等。
例如,主导因素法通过对区域自然地理环境组成要素的综合分析,选取能
反映区域分异的某种指标,作为确定区域界限的主要依据[21];叠置法将各部门区划图重叠
之后,在充分分析比较各部门区划轮廓的基础上,以相重合的网格界线或它们之间的平
均位置作为区域界线。
近年来,空间统计、人工智能推理等新的技术方法引入区划研究
之中,区划的技术手段也由简单的个人行为、专家会商、指标体系研究发展到虚拟现实
与科学计算、遥感和地理信息系统等广泛应用[2]。
在大量采用综合定量化方法的同时,也出现了单纯模式定量化的倾向,所得分区界
线往往与实际情况有较大的差异,经过数学综合计算所给出的区划指标的地理意义有时
又难以诠释。
因此,需要一种新的结合,以期促进区划方法的新的突破。
孙世洲在分析
研究中国植被区划时指出:
应利用植被数量生态学方法确定各类区划指标,更加科学而
严密的进行分区和定界,并建立中国植被区划数学模型,从而使中国植被区划研究进入
新的阶段[38]。
丁裕国等在开展气候分型区划时,将统计聚类检验与旋转主分量变换方法相
结合,实现了准确的聚类区划,推进了气候区划的定量化水平[39]。
3对自然地理区划研究的进一步思考
3.1自然地理区划范式
既然绝大多数自然地理区划遵循着相似的过程,那么自然地理区划的基本观点、理
论方法和技术手段应构成一个有机的整体,并可能发展成为一套相对完善的科学研究方
6期郑度等:
对自然地理区划方法的认识与思考
法体系。
在对现有区划方法论
和区划实践分析的基础上,结
合现代科学范式研究,我们试
验性提出包括区划本体、区划
原则、区划等级、区划模型和
区划信息系统等五元组的自然
地理区划范式(图1)。
区划对象与区划目的是一
切区划工作的起步,这里定义
为区划本体。
在区划对象和目
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