中國自然區劃研究進展與展望

陳 躍 紅，張 若 婧，張 曉 祥，任 立 良

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

區劃研究根據某種地表現象的區域內相似性與區域間差異性，通過研究區域單元的形成發展、分異組合、劃分合并和相互關系揭示地表現象的地域分異規律，一直是地理學的核心內容和重要基礎工作[1]。地理區劃大致分為自然區劃、經濟區劃、功能區劃、行政區劃四大類[2]，本文主要關注地理區劃中的自然區劃，是針對自然要素分異規律的區域劃分。自然地理環境及其組成要素之間相互聯系、相互制約構成一個有機整體，由于地理位置、地形地貌、大氣環流等要素的共同作用，形成了溫度水分大致相同、氣候模式基本相似、土壤植被等具有共性的自然區域[3]。根據自然環境特征，將地表劃分為不同的空間單元，使空間單元內部具有相對一致性、空間單元之間存在明顯差異性，以反映地表自然環境空間分異格局規律的區域劃分即為自然區劃[4]。自然區劃是支撐自然資源有序開發利用和區域可持續發展的重要基礎，在國土規劃、資源開發、產業布局、生態文明建設等領域中發揮著重要作用。

國內外學者基于對自然環境特征的認識形成了眾多區劃成果，類別繁多的自然區劃在不同時期、不同領域具有不同的應用價值[5]。中國地域遼闊、自然環境復雜多樣，我國學者在了解自然要素發生發展客觀規律的基礎上，開展了諸多自然區劃研究，為農業生產發展、資源合理分配與生態文明建設等提供了科學指導與參考[5-7]。快速發展的3S技術提供了愈加豐富的地理空間數據和分析方法，為進一步完善我國各項區劃方案提供了良好數據與方法支撐。因此，本文在前人研究的基礎上，全面梳理我國自然區劃相關研究，通過回顧國內外自然區劃的發展歷史，總結我國自然區劃研究的目標、類別、思路和原則等重要內容，重點歸納相關技術方法，更全面關注生態、氣候、水文等區劃中具有代表性的自然區劃方案，并結合國家需求和地理信息科學技術發展分析當前自然區劃研究的特征和潛在發展趨勢，以期為新時期構建更嚴密、完整的區劃研究體系提供科學指導。

1 自然區劃研究的歷史沿革和理論框架

1.1 區劃研究的歷史沿革

近代自然地理學奠基人洪堡(Alexander von Humboldt)揭示了自然要素的“區域性”規律(如氣候帶的分布與成因、植被分布的地帶性及其與氣候的依存關系等)，為自然區劃提供了理論依據。李希霍芬(Richthofen)在此基礎上強調區域內各種現象之間的相互關系，赫特納(Hettner)認為地理學的基本思想在于區域差異，并提出“區域地理樣板”的理論范式[8]。而現代區劃通常認為始于19世紀霍邁爾(Hommeyer)提出的大區域(land)、區域(landschaft)、地區(gegend)、小區(ort)四級體系[9]。1899年土壤地理學奠基人道庫恰耶夫探究自然地理地帶性規律，提出自然綜合體的概念；20世紀初“區域地理”在歐洲和美國開始萌芽,1905年英國赫伯特森(Herbertson)[10]首次提出全球自然區，依據地形、氣候和植被等要素將世界劃分成六大自然區域和12個副區，對區域地理學和景觀學產生了深遠影響；1908年法國地理學家加盧瓦(Lucien Gallois)在著作《Regions naturelles et noms de pays》[11]中對“自然區域”概念進行系統研究，他高度重視空間差異性，認為需要進行自然地理劃分以辨析人類與物理世界之間的相互作用；1925年蘇聯自然地理學家貝爾格(ЛевСемёнвичБерг)以月平均氣溫為指標，根據氣候和自然景觀的關系，將全球低地氣候劃分為11種氣候帶(型)；1928年農業氣象學家謝良尼諾夫(Selyaninov)[12]研究作物分類和農業氣候區劃方法，制定了一系列農業氣候指標；1936-1949年阿利索夫(Alisof)根據盛行氣團和氣候鋒位置及其季風變化，將全球氣候劃分為13個氣候帶；1959-1978年斯特拉勒父子(Arthur Strahler、Alan Strahler)以氣團的源地、分布和氣候鋒的位置及其季節變化為基礎，并參考氣溫和降水指標，將全球氣候劃分為3個帶、13個型和27個亞型；1989年美國學者貝利(Bailey)認為區劃是按照空間關系組合自然單元，并將地圖、尺度、單元和界線等概念引入生態系統區劃，提出了生態自然地域劃分；近年來西方的自然綜合區劃[13]側重于生態領域的綜合區劃，如奧爾森(Olson)的美國生態自然地域劃分。

我國學者于20世紀初開始對自然要素的分異規律展開研究，以羅開富[14]、黃秉維[15]、任美鍔[16]、趙松喬[17]等學者為代表，取得了一系列具有代表性的全國自然區劃研究成果，在我國資源開發與發展規劃過程中發揮了重要作用。早期一些宏觀綜合自然區劃多根據自然地帶性和區域分異規律劃分，受客觀條件和基礎資料限制[5]，一定程度上依賴專家經驗。新中國成立初期，為滿足日益增長的國民經濟建設和社會生產需求，在全國范圍內開展了大量區劃工作[7]。20世紀80年代我國進行的區劃工作主要針對特定的自然要素，部門區劃成果豐富。與綜合區劃相比，部門區劃能反映單個自然要素的空間分異規律，指導相關政府部門和行業進行自然資源的科學管理與合理開發。該時期區劃研究結合了自然地理學的基本理論，區劃方案與體系結構不斷完善，發展的區劃方法多采用分級分區方法，即依據一定的地理要素評價指標進行等級和區域劃分，實現區劃研究從定性為主到定量為主的轉變。分級分區的關鍵在于確定指標體系，主要分為單項指標或綜合指標構建，指標體系中閾值的合理性、等級的科學性尤為重要。20世紀90年代以來，我國更加重視環境保護與可持續發展，區劃研究在生態環境領域取得快速發展，形成了大批卓越的區劃研究成果[18]。

1.2 自然區劃的理論框架

自然區劃的理論體系(圖1)涵蓋區劃研究的方方面面。首先，需確定區劃目標與所屬類別，結合自然要素的特點與實際情況，歸納自然要素的空間分異規律；其次，在區劃原則的指導下，構建科學的指標體系，按照合理的區劃思路，應用先進的技術方法劃分區域范圍；最后，對各區劃單元進行命名并揭示其自然環境的區域特征，形成最終區劃方案并為國土規劃、統籌管理及政策制定提供指導[19]。

圖1 自然區劃研究理論框架Fig.1 Theoretical framework of natural regionalization

(1)區劃目標。區劃的最終目標是構建一個具有等級層次的完整體系，在各層級內劃分成區域內相似、區域間相異的空間單元。不同區劃的具體目的不同，但總體可以概括為：揭示區域分異規律、構建等級體系、探究自然要素分布格局。

(2)區劃類別。根據不同的區劃單元體系，可分為區域區劃和類型區劃[2]。按照鄭度[2]的定義，區域區劃反映的是自然過程中相互依存的區域個體[20]和區域綜合體特征，類型區劃對象則是具有共同類型結構特征的區域[2]。另一種較好理解、更常用的區劃方式是根據區劃主導因素，分為綜合區劃和部門區劃。綜合區劃是根據多種自然要素的綜合特征進行區域劃分，研究對象是自然綜合體，需建立在充分了解自然環境的復雜結構與地域分異規律的基礎上，將地域單元作為整體以發現自然綜合體的空間結構、格局特征，增進對自然資源、人地關系的認識，以最大限度滿足自然資源開發、利用、治理等實際應用[21]。而部門區劃主要針對自然環境中某單項要素，著重考慮該要素本身的分異情況，如氣候區劃、地貌區劃、水文區劃、土壤區劃、植被區劃及災害區劃等部門區劃種類繁多，針對不同實體的特定或主導功能，往往需要充分研究單項要素的形成原因、影響因素及尺度變化等，以便面向具體的部門應用。

(3)區劃原則。區劃原則是選取區劃指標、建立區劃層級單元的前提[22]，是區劃的重要指導，也是區劃思想的集中體現，是必須遵循的準則，貫穿于整個區劃過程，并且與區劃目的、依據相適應，以保證區劃結果能客觀反映區域分異規律。主要包括以下四方面：1)發生學原則與地帶性、非地帶性原則。自然地理要素的空間分異往往與其成因和發生發展密不可分[4]。此外，地帶性與非地帶性是自然界最基本的地域分異規律，要將緯度差異產生的地帶性規律與海陸位置、地形、大氣環流等引起的非地帶性規律相結合，才能充分反映不同尺度的空間分異規律[2]。2)綜合性與主導性原則。區劃既要廣泛關注各種變化較快的動態要素(如氣象要素)，又要分析變化相對緩慢的地形地貌要素等[3]，各類要素中必然存在主導要素，而其他要素只起調節、協同作用。一個區域內可能存在多種特征類型，為保證分區的完整性，在每個分區中需以該區明顯特征類型為區劃依據。因此，必須全面研究區域的各個特征，綜合分析相互關系，選出對區域差異起決定性作用的因素，才能保證區劃的客觀性和真實性[1,23]。3)相似性和差異性原則。該原則是相似區域聯結、相異區域劃分的決定條件。區劃工作是根據區域內相似性和區域間差異性加以識別和概括，然后進行區域的合并和分異[23,24]。相似性不僅表現在單一的主導因素，也可能體現在區域內的其他自然要素。根據朱阿興等[25,26]提出的地理學第三定律可知：“地理環境越相似，地理特征越相近”，其中的地理相似性就是指兩個空間位置在地理環境(包括空間和非空間要素)上的綜合相似性。因此，在地理研究中常常在相似的地理環境中尋找同一種地理現象。但我國幅員遼闊，各部分自然環境不可能完全一致，在區域內部仍有一定差異[23]，這些差異正是劃分下一級區域的依據。因此，從區劃方案的高級別區域單元到低級別區域單元，單元內部的相似性逐級增加，低級別區域既具有高級別區域的一般特征，又保留了有別于其他低級別區域的特征。4)連續性和等級性原則。在進行區劃時應從整體出發，保證區域(如流域或行政單元等)的完整性與連續性；此外，應按照從整體到局部、從高級到低級逐級分區，多采用大區、地區、亞區、區的區劃體系。等級性是自然環境空間格局的基礎，也是區域逐級劃分的理論依據，不同等級的地域分異具有一定關系[4]，高級別和低級別之間為包含和從屬關系，且各級別的劃分指標與分區級別存在對應關系[27]。

(4)區劃思路。區劃研究經歷了從“定性為主”到“定性與定量相結合”的發展過程，隨著定量化區劃方法的發展，區劃思路從“自上而下”方式為主，到“自上而下”和“自下而上”相結合，再到“自下而上”為主。但基本區劃思路整體上采用“自下而上”逐級合并和“自上而下”順序劃分相結合的方式并沿用至今[1]。“自下而上”是由較低等級區域單元歸并形成較高等級區域單元，能在大的分異背景下揭示中低等級區域單元的形成與特征；多采用組合、聚類的歸并方法，將毗鄰的小地域合并，形成完整閉合的大區域，且在歸并過程中，隨著等級層次逐漸升高，區域數量由多變少、區域面積由小變大。“自上而下”則是通過分析各自然要素的區域分異，將較高等級區域單元分成較低等級區域單元，在大的區域單元內從上而下、從大至小揭示其內在差異。從整體到局部、從高級到低級逐步分區，多采用地理相關法和主導標志進行“自上而下”順序劃分，但該方式擬定界限較粗糙，主要是為客觀把握整體自然分異規律。

(5)區劃命名編碼。我國自然區劃一般設計兩個層級以上的區劃體系，一級區劃為“大區”，二級區劃為“地區”，三級區劃為“小區”等。為保證區劃單元命名的規范化與標準化，多個等級的區域化單元命名主要遵循以下原則：1)體現區劃方案的層級特征，標識出各區域單元的主要特點；2)反映區劃方案層級之間的對應關系，既要體現不同層級的隸屬或關聯關系，又要顯示同一級別各區域單元間的特征遞變規律;3)要具有明確的地理信息標識，明確必要的自然背景及管理的側重信息。遵循上述原則的命名有助于更直觀了解基礎地理信息，使區劃方案更好地服務于后續管理并便于推廣。鑒于上述命名規則，一級區劃的命名范式常以“地理位置+氣候溫度帶”命名，將主導因素融入命名體系。編碼順序從東北方向的區域開始，以順時針方向對各區域進行順序編碼命名。為配合命名體系以及便于計算機處理分析、數據庫管理、制圖綜合等多方面需求，參考《信息分類和編碼的基本原則與方法》(GB/T7027-2002)[28]確定我國區劃的編碼方式，一級區劃對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ……，二級區劃對應A、B、C……，等等。

2 自然區劃的方法體系

在遵循地域分異規律的基礎上，以區劃原則為指導思想，根據區劃目標與需求進行系統分析。首先研究影響因素、構建指標體系、確定區劃的基本單元，再采用區域劃分方法將定性分析與定量計算相結合，在各層級上進行區域劃分，最終構建一個具有層級體系的完整方案。國際上根據地理地帶性分異規律，多采用指標體系進行區域劃分，如常用的Koeppen氣候—植被分類方案和Holdridge生命地帶圖式。我國20世紀80年代以前的區劃多依據指標與專家經驗，之后開始將數理方法運用至小范圍的區域化研究，再逐漸發展到全國尺度。技術方法是實現區域劃分的必要手段[29]，本文將相關區劃方法歸納為定性與定量兩大類。

2.1 定性方法

(1)歷史分析法。通過實地古地理和歷史自然地理遺跡考察，借鑒相關古籍文獻及地質歷史研究資料，深入探討地理分異的發生發展過程，并根據自然區域逐級產生的分異和相對一致性，劃分出不同等級、不同成因的基本區域單位[4]。

(2)專家集成法。早期區劃工作受數據資料、技術條件等限制，多基于專家經驗進行劃分，在遵循發生學原則以及地帶性、非地帶性規律的基礎上，力求區劃方案簡單明確。

(3)地理相關分析法。從地理要素特征入手，比較各自然要素的分布，了解自然綜合體地域分異輪廓，按若干重要因素相關依存關系確定區劃界線。

(4)景觀制圖法。蘇聯學者于19世紀50-60年代初步形成了景觀制圖的方法論，用以研究地理規律和地表景觀分布，探尋地理分化的原因和能顯著表征分化的標志物，在圖上描繪出地理綜合體[30]；通過研究景觀類型的組合，確定具有區域特色的自然地理區域，在景觀圖中標明區域界線。該方法在大比例尺區劃中廣泛應用，能較準確地劃定自然地理區域[2]。

2.2 定量方法

(1)疊置法。將各類自然要素(氣候、地貌、土壤、植被區劃等)的空間分布進行疊加，產生新的空間關系，以相重合的邊界或二者之間平均位置作為區域界線，從而確定綜合自然區劃界線，如李旭旦先生提出的“界線法”。隨著GIS技術的發展，空間疊置和區劃方案可視化操作更便捷，GIS也成為區劃工作中不可或缺的工具。疊置法多應用于綜合區劃，將眾多的部門區劃疊加，能發現多層數據間的差異、聯系和變化等特征，具有方便理解、處理便捷、顯示直觀的特點，但其結果不能客觀地表達綜合自然地理單元，且各部門區劃的層級、尺度難以統一。因此，疊置法應用范圍有限，可作為輔助方法。

(2)成因分區法。從自然現象或要素的形成機理出發進行劃分[31]。例如：氣候區劃中，按照氣候的形成方向，阿利索夫提出了以盛行氣團為主、海陸位置為輔的氣候分類方式，將南北半球各分為7個氣候帶、若干個氣候型；20世紀80年代我國八省一校采用流域水文模型參數進行水文分區[32]，先建立流域下墊面特征與水文模型參數的關系，實現單項水文模型參數的分區，再進行綜合水文區劃。

(3)分級分區法。依據一定的地理要素評價指標進行等級和區域劃分，關鍵技術在于指標體系的構建。例如：氣候區劃和生態區劃中常用的柯本氣候分類系統，指標嚴格，具有明確的數值界限。在指標選擇過程中，既可以直接參照國際或國家的現行標準(如氣象干旱等級、土壤環境質量標準等)，也可以按照區劃目標建立新的分區指標體系。分級分區法包括單項指標分級和綜合指標計算[33]：前者是對單一指標數值進行定量分級，如專家打分分級、基于ArcGIS的自然斷點分級等；后者首先需要選擇各單項指標，確定權重，然后構建公式綜合各項要素，再按照綜合指標的等級分區[34]。

(4)多元統計法。通過處理、分析多變量數據發現規律性結論，從而提取區域特征進行劃分。常用的多元統計法包括主成分分析、因子分析、多元回歸分析等，多用于區劃研究中的變量選擇與特征提取。其中，因子分析通過建立從高維到低維的映射實現指標歸類，在減少數據冗余的同時保留了主導因素[35]，如韓翠華等[36]基于正交旋轉因子分析對中國年、冬、夏、半年4個時間尺度的氣溫變化特征進行分區。

(5)聚類算法。通過識別數據特征的相似性和差異性捕捉空間關系，能較好地識別和分析地理區域中的模式。近年來，聚類算法在探索區域分異特征中取得明顯進展，如K-means、模糊聚類(FCM)、層次聚類等方法常用于區劃研究中，其中凝聚型層次聚類的原理與區劃研究中“自下而上”逐級合并的思想一致。例如：丁裕國等[37]提出統計聚類檢驗與旋轉經驗正交函數相結合以實現我國氣候類型區劃；韓微等[38]在劃分中國溫度區域時，對比了K-means、Ward′s層次聚類、基于旋轉正交經驗主函數分析的統計檢驗聚類的劃分結果。

(6)人工神經網絡。目前廣泛應用于大量復雜數據的處理，是非參數化的模式識別方式，根據神經網絡進行初始化、訓練等步驟自動調節各要素間的權重，達到映射真實系統的結構和狀態，最后通過連接權重進行識別或分類[39]。例如：自組織映射神經網絡模型(SOM)根據數據集進行自動分類，在空間上展示為不同的類型區[40]。SOM是一種無監督學習，運用競爭學習策略，將高維的樣本映射到二維的神經元，且能維持輸入空間的拓撲結構，泛化能力很高，常用于水文區劃研究，特別是流域范圍水文同質區的確定。

(7)其他機器學習算法。基于機器學習算法對復雜多樣的數據進行深層次分析，將決策過程自動化，從已知示例中得出泛化結果，以數據為驅動，更高效地利用信息。例如：在確定區域過渡地帶的邊界時，李雙成等[41]對局部生態地理分界通過空間小波變換確定樣帶的模極大值，從而定位過渡帶，與專家劃分結果比對發現界線的準確性顯著提高。

3 中國自然區劃方案

隨著地理大數據與地理信息空間分析技術的快速發展，我國各項自然區劃研究不斷完善，本文主要歸納我國代表性的綜合區劃和部門區劃方案。

3.1 綜合區劃

國外綜合自然區劃開展較早，可追溯到18世紀末，基于自然地域系統研究逐漸演化出區劃的理念。20世紀40年代后，蘇聯學者根據自然地帶性表征地表要素的分異，對綜合自然區劃進行了系統研究。我國自20世紀50年代開展區劃工作以來，以羅開富[14]、黃秉維[15]、任美鍔[16]、趙松喬[17]等為代表的學者探討了綜合區劃的方法論與相關問題[5]，提出了全國范圍的綜合自然區劃方案。其中，1958年黃秉維主持的《中國綜合自然區劃(初稿)》以高等級單元反映地帶性規律，以低等級單元反映非地帶性規律，形成了一套完整的綜合自然區劃理論體系[15]，對我國綜合自然區劃后續研究起到典范作用；1961年任美鍔等根據自然綜合體地域分異和自然差異的主次矛盾進行了我國綜合自然區劃[16]。以上綜合自然地理區劃方案總體上是以反映自然綜合體地域分異、服務于農業生產為主旨，既滿足了當時的社會生產需要，又推動了我國綜合區劃研究的深入發展。

近年來，更多定量方法逐漸被引入綜合自然區劃。由于綜合區劃需要考慮多個要素，故多采用GIS疊置法，通過疊加多個部門區劃得到綜合區劃。例如：郭子良等[42]對多個分區(氣候區、土壤區、植物地區、動物地理省、植被區)進行疊加形成基本地理單元，將全國劃分為三級自然保護區。隨著對地觀測資料日益豐富，通過建立綜合指標進行綜合區劃的研究逐漸增多，如黃姣等[43]選擇溫度、水分、地形、植被作為溫度帶、干濕地區和自然界三級分區系統的指標，運用GIS與SOM網絡開展中國綜合自然區劃，并與鄭度的生態地理區劃[44]、鄭景云等的中國氣候區劃方案[45]進行對比。此外，定性與定量相結合的綜合自然區劃也取得諸多進展，主要是在大尺度上采取定性劃分，在小尺度上采用定量分析，如張海燕等[46]在整合自然資源大數據的基礎上構建自然資源綜合區劃評定指標體系，宏觀大區以地帶性與非地帶性為主導運用聚類分析劃分，較小單元采用層次分析法確定主導因素，數據以中、小尺度為主。

3.2 部門區劃

部門區劃針對自然環境中某類要素的分布，著重考慮該要素本身的地域分異特征[2]，并對應部門性的分支科學，如地貌區劃、氣候區劃、水文區劃等。

3.2.1 地貌區劃 地貌是地表環境中最基本的組成要素，地貌區劃是對各地區地貌特征的劃分[47]。我國地勢起伏大，形成地貌的營力過程復雜多樣，致使地貌類型與自然景觀繁多[48]。傳統的地貌區劃以地貌類型圖為基礎，根據地貌形態成因與宏觀形態結構特征，在平原、臺地、丘陵、山地分類的基礎上按起伏度對山地進一步劃分。李炳元等[49,50]建立了較完備的中國基本地貌類型劃分指標體系，較好顯示了中國地貌基本結構；柴慧霞等[51]通過遙感影像解譯得到新疆地貌類型，利用ArcGIS進行柵格化，再運用地理格網法確定各級地貌區劃單元，提高了地貌分區定量化、數字化的精確度與可靠性，對區域發展建設具有一定價值；程維明等[27]在1∶25萬地圖上基于專家知識和上述指標體系，在高級區劃單元中逐級分解，完成全國五級地貌區劃單元的精確劃分，形成多層級、系統性的全國地貌區劃體系，對區域地貌學發展具有重要指導作用；Wang等[52]提出多尺度地貌類型的層次分類體系，一級為地貌類型，二級為地貌類別，三級為地貌形態，將中國地貌劃分為3個等級、9個級別。

3.2.2 氣候區劃 氣候區劃將氣候特征相似且空間連續區域進行聚合，為國家和地區制定相關氣候規劃和應對氣候災害等提供了科學依據。經典的氣候分類分區法將氣象要素的多年均值作為一級、二級指標，是一種靜態的氣候特征地理分類方式[53]，可揭示氣候分異規律，目前已形成較成熟的氣候區劃理論方法。國際上特別是全球尺度，德國氣候學家柯本提出的柯本氣候分類是提出最早、應用最廣泛的氣候分類方法，該方法以氣溫和降水為指標，參考自然植被分布狀況將全球氣候分為5類11型，是世界各國氣候分區的基礎[54]。Kottek等[55，56]采用更新至2000年的全球氣候資料，運用柯本—蓋革氣候分類方法重新編制了世界氣候3級區劃圖。我國氣候區劃方法主要有指標體系分級法、旋轉主分量分析法、聚類算法。指標分級法以中國氣象局預測減災司制定的全國氣象地理一級、二級區劃和32個省(市、區)氣象區劃為代表，通過參考行政區域界限、地形分布及我國自然區劃成果，對氣候要素設定指標閾值進行區域劃分。此套氣象區劃方案規范了氣象產品的地理分區范圍，定義了區劃標準，提高了各類氣象產品區域邊界的一致性，為氣象行業及衍生的災害信息描述提供幫助。鄭景云等[45,57]參考中科院制定的氣候區劃指標體系，根據氣象站點數據制定了我國氣候溫度帶、干濕區、氣候區三級區劃，對氣候變化與資料更新有了深入認識。旋轉主分量常用于分析降水的時空分布特征，如劉吉峰等[58]對全國各站點的冬、夏最高(低)氣溫數據進行旋轉主分量分析，將荷載中心對應的站點作為聚類中心進行統計聚類檢驗，按照區劃原則將全國最低、最高氣溫分別劃分為11個、12個區域，兩種方法相結合使區劃更具客觀性。聚類算法方面，秦愛民等[59]采用分層聚類和相似分析方法，對中國月、季、半年、年平均氣溫進行區劃，以尋求適用于不同季節氣溫分析與預測的區劃方案。

3.2.3 水文區劃 水文區劃是按照水文流域特點進行劃分，保證區劃單元內水文條件較一致，區劃單元間水文特征差異較顯著[23]。國外的水文區劃主要通過回歸分析與聚類算法識別流域中的水文同質區，以實現水文模型參數移用，K-means算法和Ward′s層次聚類算法是常用的聚類方法[60]。此外，Kohonen[61]提出的SOM在水文同質區確定中得到廣泛應用，如Srinivas等[62]結合SOM自組織神經網絡和模糊聚類(FCM)將美國印第安納州的流域劃分為7個區域。我國水文區劃的宏觀研究分為3個階段：1)羅開富等擬定中國第一個水文區劃草案[63]，以流域、水流形態、冰情與含沙量為基礎將全國分為3級9區，由于觀測資料短缺，雖是粗線條的劃分，但為水文區劃的發展奠定了良好開端；2)20世紀80年代八省一校采用基于流域水文模型參數的水文分區法進行綜合水文分區[32]，并對新安江模型參數水文分區結果精度與穩定性進行定量分析；3)20世紀90年代熊怡[23]編撰《中國水文區劃》，系統研究了全國范圍水文特性與部門單項水文要素，進一步推進了我國水利事業建設。我國水文區劃方法主要有地理景觀法、流域水文模型參數法、疊置法、聚類算法及人工神經網絡。1)地理景觀法，如張國平等[64]在DEM、水系和地貌基礎上，建立了我國三級流域劃分方案與流域編碼體系，為水文氣象科研與應用提供了一種新的流域劃分方法。2)流域水文模型參數法，如趙晶東等[65]運用暴雨洪水產匯流參數分析法得到各水文分區的產匯流參數變化規律，實現對水文資料的移用，以便經濟合理地布設區域水文站網。3)疊置法，如尹民等[66]應用全國水資源分區成果并疊加中國地貌區劃圖、中國干燥度圖和中國徑流帶圖形成二級分區，疊加全國水資源三級分區圖、水系與水庫節點以及湖泊濕地分布圖形成三級分區，側重研究河流生態環境需水量。4)聚類算法，多應用于流域區域，如劉金濤等[67]采用主成分分析提取因子，通過K-means聚類得到水文區劃結果，為無資料流域水文預測提供依據。

3.2.4 生態區劃 生態區劃是對生態區域和生態單元的劃分、合并[9]，基于地理和生態學知識，以生物的地域分異規律為核心區劃依據，比較分析環境問題，特定目標范圍內的生態區劃可為環境管理提供決策依據[68-70]。國際上經典的生態區劃方案是美國的生態地域、生態大區、生態省、生態地段4級體系生態區劃方案[9]，已推廣至全球范圍。我國生態區劃在綜合自然區劃基礎上發展而來[3]，鄭度[44]編制的《中國生態地理區域圖》是早期全國范圍內較完善的生態地理區劃成果；劉闖等[71]綜合我國自然地理綜合區劃的主要學派并對比中國與亞洲地區生態區劃方案，確定我國生態地理四大一級區。生態區劃方法主要包括指標分級法[72]、人工神經網絡、聚類算法和疊置法等。指標分級法應用廣泛，如傅伯杰等[18]在綜合我國生態環境特點的基礎上，建立各級生態區指標體系，在強調自然分異的基礎上更關注人類活動的影響以及突出了一些區域生態環境問題。人工神經網絡在小范圍應用較多，如李雙成等[39]采用策略性循環尺度轉換范式，在青藏高原內選取89個樣本點，運用SOM網絡將青藏高原生態環境劃分為4類區域。聚類算法上，謝高地等[73]以縣域為基本單元，采用系統聚類分析和空間疊置方法，將全國劃分為三級區劃系統；孔艷[3]運用典型相關分析建立生態地理分區指標體系，利用K-means聚類，通過等值線繪制出生態地理分區界線，將中國劃為18個生態地理分區，為生態地理分區提供了一種便于操作的技術流程；倪健等[74]對全國氣象站點提取分區指標，運用ISODATA模糊聚類輔以TWINSPAN、CCA等多元統計。

3.2.5 災害區劃 災害區劃一般分為綜合災害區劃和單災種區劃，由于區域自然地理環境及國情不同，各國和地區對災害區劃的要求存在較大差異。綜合災害區劃體現各項災害的綜合損失及其空間分布情況。我國從1985年開始自然災害區劃工作，研究我國自然災害的分異規律[75]。張蘭生等[76]從致災因子、承災體兩方面確定7項指標，對全國縣級單元進行聚類分析，形成全國自然災害區劃方案；王勁峰[77]根據地震、洪水、干旱等災害的強度組合將全國劃分為嚴重災區、重災區、中災區和輕災區。單災種區劃主要針對洪澇[78]、地質災害等，全球尺度上主要為由世界銀行牽頭的“災害風險熱點區研究計劃”(hotspots projects)[78]，以識別各種自然災害的高風險地區，國家尺度上主要包括美國、日本和歐洲國家的地震、洪水災害風險區劃圖等[75]。我國也形成一系列具有代表性的全國范圍單災種區劃研究成果，對大尺度防災減災規劃等宏觀決策具有重要作用。例如：張行南等[79]采用成因分析法，從氣象、徑流、地形三方面選取指標進行疊加分析，計算各圖斑綜合隸屬度，通過非線性分級得到中國洪水危險程度區劃圖，可作為防洪規劃等宏觀決策的依據；朱良峰等[80]從滑坡災害的誘發因子和背景因子選取指標，并疊加歷史滑坡分布密度圖，采用信息量模型將滑坡分為四級，得到中國滑坡災害危險性區劃，從危險性、區域社會經濟易損性兩方面進行評估；張平倉等[81,82]在分析全國山洪災害成因與時空分布的基礎上，對臨界雨量系數、山洪重現期和社會經濟程度3個指標進行分級，并按照“就高”原則，將全國山洪災害防治區分為一級重點防治區、二級重點防治區和一般防治區三大區域，以便有針對性地提出各區山洪災害防治對策。

3.2.6 植被區劃 植被區劃是根據植物區系與植物群落的組成、分布以及與環境的不同組合情況劃分出植被同質性區域。植被在太陽輻射作用下呈現緯度地帶性，同時受大氣水分影響呈現經度地帶性，因此需了解地理空間單元內各種植物和植被分類單元的空間分布規律[83]。植被區劃必須要有明確的植被標志，按照各地區特征進行系統劃分[84]。吳征鎰[85]通過劃分中國植物屬和科的分布區類型，將全國植物區系劃分為2個植物區、7個亞區、22個地區及亞地區；方精云等[86]簡述中國已有的植被區劃方案，雖在植被帶名稱與界線存在分歧，但普遍認為中國有8個主要植被帶，并對爭議的分界線提出修改；徐文鐸等[87]將我國東北地區分成4個植被生態區、11個植被生態亞區、34個植被生態小區，是合理開發利用植被資源和管理生態的基礎。

3.2.7 其他區劃 1)土壤是重要的自然資源之一，為研究土壤性狀差異、加強對土地的改良利用，通過研究不同地區土壤特征進行土壤區域劃分，以期合理規劃不同土區的農業生產[88]。席承藩等[88]將全國分為4個土壤大區、15個土帶、64個土區；龔子同等[89]以土壤系統分類為基礎，將全國土壤劃分為3個土壤區域、16個土壤地區與54個土區；劉慶花等[90]利用1981年中國土壤分區圖的一級大區與全國縣界疊加分析，對土壤一級大區進行中國土壤系統分類和土壤區劃屬地化研究。2)農業區劃針對農業生產條件、特點等，服務于農業生產建設[91]。我國是農業大國，由于農業生產要素的多樣性，農業區劃研究豐富，對促進我國農業生產發揮重要作用。從針對不同農業生產要素，到全國尺度、區劃尺度甚至區縣尺度的區劃研究均有涉及[92]。如梅方權等[93]根據各地自然生態條件和水稻種植特點將全國分為6個稻區、16個稻作亞區，形成中國水稻種植區劃圖，對水稻生產發展與管理具有重要作用。

表1總結了我國一些具有代表性的綜合區劃與部門區劃。整體而言，區劃工作具有系統性與復雜性，涉及指標的量化選擇、區劃方法和單元界線的精細劃定等。目前不同區域、不同類別均有較成熟的區劃方案，但近年來對綜合區劃關注不夠，區劃方法相對傳統，發展較緩慢，綜合自然區劃也亟待在總結成功經驗的基礎上不斷推陳出新。

表1 我國代表性自然區劃方案Table 1 Representative natural regionalization schemes in China

4 總結與展望

通過整理分析上述自然區劃研究成果，得到如下結論：1)區劃理論方法不斷改進、創新。早期區劃工作多為示意性，構建過程不清晰，涉及的定量區劃方法相對簡單，隨著數理方法和計算機技術的發展，區劃工作在定量方法應用上取得了諸多進展。區劃方法的發展過程可分為定性為主、定性定量相結合和當前以定量為主3個階段，在指標的選擇上從倚重主觀判斷逐漸重視定量確定。但區劃各環節的定量方法還需進一步加強[95,96]，尤其在當今人工智能時代，大量的機器學習方法有助于區劃方法的進一步完善。2)區劃方案持續完善、空間尺度日益細化。早期的區劃方案因資料匱乏，多以部門或專題區劃方案為主，主要從單一視角探究地表自然要素宏觀尺度的空間分異規律。隨著社會經濟快速發展，綜合區劃方案日益完善，20世紀90年代以來，我國生態環境保護與可持續發展意識逐漸增強，生態區劃方案得到快速發展。當前，我國經濟建設進入新常態，在社會生產和經濟建設中會產生新的區劃需求，區域或省市級等精細尺度的區劃方案不斷增多，區劃研究也需與我國新時期生產建設需求相適應。3)區劃數據更豐富多元。衛星遙感與觀測站網等技術的快速發展為自然區劃研究提供了豐富的地表觀測數據，以往區劃研究主要面向陸表自然環境要素，資料有限且常用某指標長時段的均值表征其平均狀態，缺乏利用長時序數據刻畫動態特征和變化趨勢[96]。目前遙感數據空間/時間/光譜/輻射分辨率不斷提高，數據的時序性和動態性不斷提升，加強了對多時相、多尺度、多類型地表觀測數據的綜合考慮和運用，尤其在劃定單元界線時，現有的豐富對地觀測數據能為單元界線的精準劃定提供有力支撐。

未來自然區劃研究將在以下方面繼續加強：1)推進定量化、智能化區劃研究。區劃研究既要遵循定性方法的經驗性，也要加強定量方法的科學性，在發生學原理的基礎上應采用定性方法在宏觀層面進行把控，加強定量方法在區劃各環節的準確刻畫。在地理大數據與空間智能發展階段，基于機器學習的地理空間智能化方法的應用有助于提升區劃方案的準確性和科學性，包括指標量化選擇、區劃聚類和單元界線精確劃分等環節。一方面，目前衛星遙感等技術可獲取多類型、高質量、高精度的地表觀測數據，如何從多源海量數據中遴選出關鍵指標是區劃研究的前提。以往研究多靠經驗判斷，而現在許多機器學習方法可以根據區劃目標自動篩選關鍵因子，提高指標選取效率，增強區劃研究的自動化和智能化。另一方面，根據指標因子如何自動確定區域邊界是獲取區劃圖的關鍵。目前一些基于機器學習、深度學習的地理空間方法為區劃基本空間單元的劃分提供了智能化技術和方法；同時，對于一些區域間過渡地帶，如何將聚類結果向區劃結果科學合理地轉換也是日后研究的方向[95]。此外，應繼續思考如何在統一理論認識的前提下，通過新方法和新數據的結合，實現區劃單元劃界技術的突破，以提高區劃方案的統一性與可重復性。2)發展動態化的區劃研究。隨著全球氣候變化和土地利用/覆被變化的加劇，陸表各項基本要素也在不斷改變，區劃研究也需要不斷更新，對自然要素的時間變化特征與趨勢加以分析，建立動態區劃以滿足對發展規律的研究。在全球氣候變化大背景下，進行動態觀測以響應氣候變化，將傳統的靜態區劃發展為動態區劃，分析長時序時空演變格局，以期為中國溫室氣體減排計劃和區域生態系統保護措施的制定、實施提供決策參考。同時，遙感能獲取的地表觀測數據種類與時空分辨率不斷提高，為我國區劃研究提供了豐富的長時序、高空間分辨率的遙感數據，為地理空間動態特征分析提供了更精細化的數據支撐。3)完善多要素、多尺度的區劃研究。地理區劃要針對不同地表現象和時空尺度，進行多要素、多過程、多尺度耦合，探索地理系統的格局分布與演化，揭示其復雜的相互作用機制。在單要素部門區劃基礎上，考慮多要素相互作用產生的綜合性地表空間格局。同時，對于已有宏觀層面的區劃方案，推進區劃等級、尺度細化，進一步完善同一體系下小尺度區劃方案，以滿足市縣級政府的需求。4)加強面向新時期國家需求的區劃研究。現有的區劃方案對我國宏觀層面決策、調控起到重要作用，在我國社會經濟快速發展的新時期，區劃工作也應服務于國家發展的新需求。新時期要不斷完善生態文明建設所需的各類區劃方案，明確各類生態功能空間單元的界限，為生態文明建設提供基礎框架。同時，需發展面向我國“雙碳”目標的區劃研究，一方面明確不同等級和層次的碳匯單元界線，提升碳匯增量，另一方面需有序實現低碳轉型，推進低碳綠色能源開發利用，根據不同地區的風光水能資源等級和條件，科學界定光伏/風電/水電用地的開發層次和等級的區劃單元界線，在國土空間區劃中統籌推進可再生能源與生態環境協調發展，為國家推動經濟社會轉型和生態文明建設提供科技支撐。