现代地理科学与工程探析

　　1 引言

　　地理学是研究地球表层人地系统格局、过程及其耦合机制的科学，以综合性和区域性为学科基石[1]。自人类诞生以来，人类经济社会活动与地理环境之间形成了复杂且动态的人地关系系统，该系统既包括物质能量交换的自然过程，也包括社会经济的反馈机制[2]。在工业革命前，人类主要依赖自然系统的自组织能力维持人地平衡。随着现代科技的发展，人类对地球表层的干预强度不断突破多重自然阈值，诱发了气候变化、土地退化、生物多样性丧失等方面的全球性问题[3]，标志着地球已步入人类世新阶段。联合国《全球环境展望》(GEO6)指出，地球生态系统正面临前所未有的破坏，若不采取系统性的工程措施重构人地关系，地球生态与人类文明将面临不可逆风险[4]。联合国粮农组织(FAO)报告强调，当前全球水土资源生态系统正面临严峻压力，土地利用与区域发展的不可持续性日益加剧[5]。现代地理学着重研究自然与人文地理要素及地理综合体在空间和时间上的分异规律、演变过程和区域特征，具有明显的综合性、区域性和实践性特点。因此，地理学亟待突破传统要素解析—过程模拟的研究范式，转向兼顾系统诊断—工程调控的实践导向，突出现代地理学交叉科学的前沿性和服务国家重大战略的实践性，通过科技创新解决人地系统失谐的治理困境。

　　工程作为人类改造自然、实现特定发展目标的核心手段，本质上是通过系统性集成实现复杂系统的优化与调控[6]。地理工程旨在破解区域人地关系失谐难题，通过土地整治、生态修复及国土空间重构等工程化手段，实现人地系统格局优化与过程调控的深度耦合，这既是服务国家重大战略的必然选择，也是地理学走向应用科学的必由之路[7]。以陕西延安“治沟造地”模式为例，该模式通过技术集成实现了水土流失治理、资源增效与城乡发展的有机统一，为区域人地系统协调与可持续发展提供了成功范例。实践表明，现代地理工程超越了单一技术应用的范畴，迫切需要构建“科学认知—技术研发—工程实施”一体化的学科范式。然而，现有的学科分类体系正面临结构性挑战。地理学作为理学一级学科，其二级学科仍停留在“自然、人文、信息”的传统三分法，导致全域土地整治、山水林田湖草沙一体化保护、国土空间治理等以应用为导向的新兴领域缺乏明晰的学科归属。随着各分支学科深度分化，地理学出现自然地理空心化、人文地理社会化、信息地理边缘化的隐忧，削弱了学科的系统综合能力[8]。面对全球可持续发展与气候变化的双重压力，传统“条块分割”的研究模式已无法支撑规模宏大、关系复杂的现代地理工程。地理学作为横跨自然、人文与技术的综合学科，必须实现从认知世界到改造世界的逻辑贯通。科学发现(知)、技术发明(技)与工程实践(行)应成为新时期地理学的贯通主线。因此，亟需打破学科壁垒，推动地理学与工程学、生态学、管理学等深度交叉，构建以地理科学与工程为核心的新型交叉学科体系。通过范式创新为国土空间精准治理、人与自然和谐共生的现代化建设提供坚实的理论支撑与决策依据。

　　科学聚焦探索自然规律，技术专注方法的开发与应用，工程强调自然改造的集成建构，实践是将理论知识与工程技术转化为实际应用的重要环节，它们各自代表了不同类型的创造性活动，具有不同的发展规律、评价标准和价值呈现，但四者又相互关联、相互促进，共同构成一个多层次、多维度的复合系统。本文结合横纵交叉式科学分类模式，在纵向上构建“地理科学—地理技术—地理工程—地理实践”四级架构，创建一个现代地理科学(Science)—技术(Technology)—工程(Engineering)—实践(Practice)(Geo-STEP)四维融通的全链条研究模式，并以此探索地理科学工程化转型的理论与创新路径，有效增强地理学科服务国家重大战略的持久动力和实践能力。

　　2 发展地理工程的必要性和基础性

　　2.1 人类世背景下地理学面临新挑战与新使命

　　近百年来，人类活动对地球表层环境的影响日益加剧，在累积与反馈效应的交互作用下，这种影响逐渐突破了地球系统的承载阈值[9]。人类世的到来，标志着人类活动已显著改变了地球系统边界，加剧了地表环境变化，并进入了一个人文与自然过程共同主导的地质新时代[10]。经济全球化、快速工业化和城镇化进程对地球表层人地系统产生了深远影响，大大促进自然、经济、社会、技术等多要素的深度耦合，生物地球化学过程与社会经济过程的相互作用日益增强。同时，新一轮科技革命与产业革命催生了以大数据和深度学习为基础的第二代人工智能的广泛应用，推动科学研究步入了大数据驱动的第四科学范式[11]。在此背景下，地理科学发展面临着前所未有的问题与挑战，同时也孕育着新的发展机遇[12]。

　　中国作为人类世地理演化的典型场域，其大规模的工业化与城镇化进程，在创造发展奇迹的同时，也带来了土地退化、环境污染及资源失衡等严峻挑战[13]。中国地理学界始终坚持“以国家需求为导向”的学科发展路径，为国土空间规划、新型城镇化、精准扶贫与乡村振兴等国家战略持续提供决策支持。当前，地理学的学科使命已从传统的解析问题转向解决问题，有效调控人地系统协同演化的历史阶段，研究范式也从过去的知识描述，发展到对地理要素和地域综合体时空演变规律的探测与模拟，进而拓展至区域可持续发展工程与管理调控路径[14]。新时期地理学正在向地理科学转型，研究主题从“多元”转向“系统”，研究方式逐渐从地理知识阐释、格局与过程耦合向复杂人地系统模拟预测和优化调控转变[15-16]。面向全球可持续发展目标，现代地理学亟需强化系统思维与学科交叉的综合优势，聚焦地球表层系统的关键过程与耦合机理、全球变化影响与适应、人地系统互馈机制与模拟、地球系统关键阈值与区域资源环境承载力等前沿领域，深入探究现代地理科学与工程研究范式，为人类世背景下区域可持续发展实践提供科学范式与工程解决方案[17-18]。