20世纪以来，随着全球的人口、资源、环境等诸多问题的出现，人类的可持续发展面临着极大的挑战。地球系统科学研究通过研究整体性的地球系统来解决全球性的资源环境问题，把地球作为各个圈层有机联系的系统来开展相关的研究。因此，“地球系统”概念的提出标志着这方面的研究向着综合集成的方向转变。只有从整体上来认识地球系统的过去、现状和未来的趋势，才能够把握它变化的脉搏。因此地球系统科学研究的重点是研究各圈层、各要素以及自然和人文现象之间的相互作用关系。其中，地球表层系统在地球系统研究中起着至关重要的作用，它是与人类密切关联的自然系统和社会经济系统的综合系统，包括了水圈、土壤圈、大气圈、生物圈和人类本身。地球表层系统的变化和预测是地理学研究的主要内容[1]，也是“未来地球”研究计划的核心。 地理学的理论、方法和技术已经成为解决人类社会面临的可持续发展问题的基础。地理学从建立之初就研究自然科学和人文科学交叉界面上的现象，是一门综合性学科。地理学以其综合性和区域性见长，其综合性通过要素多样化来体现，区域性则表现为区域分异或区域差异。但随着分支学科的发展和深化，地理学呈现出空心化现象。英国皇家地理学会前主席Ronald Cooke指出：“地理学家要加强基础研究，要形成地理学的核心理论基础。要在交叉学科的研究中守住自己的阵地，并继续通过应用为社会做贡献，加强基础研究是唯一的途径”[2]。发展地理学综合研究的理论方法，是防止地理学空心化，建立地理学核心理论的重要任务。然而，地理学最大的困难也是综合。20世纪60年代，黄秉维等老一辈地理学家就认为：综合是地理学的生存之本，但肤浅的综合站不住脚，必须有分科的深入研究。黄先生提出了“开展地理环境中的物理、化学和生物过程研究，加以综合”，建立了自然地理学研究的地表水热平衡、化学元素迁移和生物地理群落三个重要的前沿方向，开拓了中国自然地理过程的理论与实验研究[3]。这些思想对中国自然地理学深化过程研究，加强机理探讨产生了深远的影响。自然环境和人类活动特征均表现为空间异质性，研究这些异质性环境下的区域地理过程和效应是地理学研究的前沿。地理学的区域性通过地理分异以“格局”来表现，“地理过程”则显示出地理现象的时空演变，耦合“格局与过程”是地理学综合研究的重要途径和方法，也是地表过程研究的突破点。 1 格局、过程和尺度 1.1 格局和过程 格局和过程通常指的是不同的地理或景观单元的空间关系和响应的演变过程。就格局而言，可以从大小、形状、数量、类型和空间组合上来进行描述。这些描述格局的表征有着其本身的地理学意义。例如，不同的斑块大小能够提供不同的生态域和资源域，对于生物多样性保护来说具有十分重要的意义。同样，斑块形状可以影响水土和生物的运动过程，斑块的数量则可以用来判定景观破碎化的程度。此外，从空间组合的角度来描述格局可以反映出他们的空间结构特征、地带性和非地带性的规律。就过程而言，可以分为自然过程(例如元素和水分的分布与迁移、物种的分布与迁徙、径流与侵蚀、能量的交换与转化等)和社会文化过程(例如交通、人口、文化的传播等)。因此，格局和过程的相互关系可以表达为“格局影响过程，过程改变格局”，在具体的研究问题上往往需要把二者耦合起来进行研究。 1.2 尺度及时空效应 尺度特征是地理现象和过程在时间和空间上的表征，是其本身固有的属性(即所谓本征尺度)。然而，本征尺度常常是内在的，必须通过一定的观测才能够发现和揭示出来，即所谓观测尺度，也就是在什么样的时间和空间尺度上对地理现象和过程实施观测，以达到把握地理现象和过程本征尺度或者揭示地理现象和过程随观测尺度变化而表现出变异性的规律。随着观测时空分辨率的变化，获取的信息特征也在变化，表现出一定的尺度效应。通俗地讲，不同的地理现象和特征，有其对应的时间、空间尺度，关注和研究尺度问题的根本目的就是发现这些时空尺度特征，使观测尺度与地理现象和过程的本征时空尺度相匹配，以深刻认识地理现象和过程的时空特性。谈到格局和过程时必须要联系到具体研究问题的尺度效应，包括时间尺度和空间尺度。 就时间尺度而言，生态系统生态学研究主要集中在年尺度以下，而景观生态学和地理学研究则集中在中尺度的时间尺度上，一般是从年到几十年或者上百年间的变化，再往上的长时间尺度变化往往对应着古生态学、古湖沼学甚至是第四纪地质学等研究领域。在每个时间尺度下，往往对应着相应的自然环境变更现象、生物现象及其相关的驱动因子的变化过程。就空间尺度而言，生态学研究主要在斑块、样地尺度上来研究生态系统的物质和能量变化；对于景观生态学而言，则主要集中在景观和区域尺度上。地理学重点关注区域尺度，可拓展到大陆和全球尺度。结合在研究问题中的时间尺度和空间尺度，需要注意观测尺度是否和研究问题相匹配。对于研究对象而言，观测尺度需要与时间和空间尺度相匹配，否则就不能发现在时空尺度上的变化规律。例如，对于一个空间分辨率为10 m的研究对象，当观测尺度超过10 m的话，就捕捉不到研究对象本身的信息。因此，在研究过程中一定要把时间尺度、空间尺度和观测尺度结合起来进行综合研究。在尺度转换(或推绎)方面，要依据地理现象和过程的尺度效应特征与规律，进行尺度上推和下推，要分析其在环境梯度上的变化规律，了解多种相关环境因子的综合作用，并抓住主控因子的变化对尺度效应和尺度变异规律的贡献。
