自然地理學

自然地理學（Physical geography，或physiography）是地理學三大分支之一。自然地理學是自然科學的一個分支，主要研究自然環境（如大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈）中的過程與模式。其研究重點有別於以建成環境為焦點的人文地理學，以及著重於運用、研究與開發工具以獲取、分析、詮釋及理解空間資訊的技術地理學。然而，這三個分支之間存在著顯著的重疊。

對自然地理學的研究常常使用跨學科的研究方法以及系統思維。

## 研究對象

自然地理的研究對象是地球表面，具體而言是地圈。地圈由五個圈層組成：

- 岩石圈（地球的岩石外殼：延伸至約200公里深處）
- 土壤圈（土壤）
- 水圈（地球的水圈：河流、水道、湖泊、海洋、冰川）
- 生物圈（動物的和植物的陸地棲息地）
- 大氣圈（地球的空氣層）

這五個圈層分別由五個相應的地質要素構成：岩石、土壤、氣候、水和植被。

## 該學科的歷史演變

從古希臘時期地理學作為一門科學誕生，到19世紀末人文地理學（或稱人文地理學）興起，地理學幾乎完全是一門自然科學：研究已知世界所有地點的位置並對其進行描述性記錄。這一漫長時期內湧現出許多著名著作，例如古代的斯特拉波（《地理志》）、埃拉托斯特尼（《地理學》）和狄奧尼修斯·佩里格特斯（《世界之旅》）。近代，19世紀的亞歷山大·馮·洪堡（《宇宙》）等著作也體現了這一趨勢。16世紀初馬丁·費爾南德斯·德·恩西索的《地理學大全》首次指出了新大陸的存在，標誌著地理學作為一門自然科學的正式確立。

在十八和十九世紀，一場源於地質學的爭論——詹姆斯·赫頓（均變論）的支持者與喬治·居維葉（災變論）的支持者之間的爭論——對地理學領域產生了深遠的影響，因為當時的地理學是一門自然科學。

十九世紀的兩件歷史事件對自然地理學的進一步發展產生了重大影響。首先是歐洲列強為尋求工業革命所需的原材料而向亞洲、非洲、澳大利亞乃至美洲進行的殖民擴張。這促使殖民列強的大學設立地理系，並催生和發展了各國地理學會，從而開啟了奧拉西奧·卡佩爾所稱的地理學制度化進程。

西伯利亞的探險就是一個例子。十八世紀中葉，許多地理學家被派往北極西伯利亞地區進行地理勘測。其中包括被譽為俄羅斯地理學之父的米哈伊爾·羅蒙諾索夫。18世紀50年代中期，羅蒙諾索夫開始在俄羅斯科學院地理系工作，負責西伯利亞的研究。他們證明了土壤的有機成因，並建立了一套完整的冰川運動規律，從而開創了地理學的新分支：冰川學。1755年，在他的倡議下，莫斯科大學成立，他致力於推動地理學的研究和地理學家的培養。1758年，他被任命為俄羅斯科學院地理系主任，並在此職位上，透過進行俄羅斯歷史上最重要的幾次遠徵和地理研究，建立了一套完善的地理勘測工作方法。

第二個重要進程是達爾文在19世紀中葉提出的演化論（這對接受過動物學學術訓練、是達爾文思想追隨者的弗里德里希·拉采爾的工作產生了決定性的影響），這為生物地理學（Biogeography）的發展帶來了重要的推動力。

十九世紀末二十世紀初，美國又發生了一件大事件。威廉·莫里斯·戴維斯不僅為美國地理學科的建立做出了重要貢獻，而且透過發展侵蝕輪迴說徹底革新了地理學領域。他提出的侵蝕輪迴理論被他視為地理學的範式，但實際上，它主要應用於自然地理學。他的理論解釋了山脈和其他地形是由週期性出現的因素所塑造的。他指出，這個循環始於地質過程（斷層、火山活動、構造隆升等）所導致的地形抬升。河流和徑流等因素開始在山脈之間形成V形山谷（「幼年期」）。在這一階段，地形更加陡峭崎嶇。隨著時間的推移，水流侵蝕出更寬闊的山谷（「成熟期」），然後開始蜿蜒曲折，最終只留下高聳的山丘（「老化期」）。最終，一切都歸於最低海拔處的平坦平原（稱為「基線」）。戴維斯將這片平原稱為「準平原」，意為「近乎平原」。隨後河流重新活躍起來，山脈再次隆起，如此循環往復。

### 萌芽階段

18世紀中葉，康德於德國哥尼斯堡的大學之中，曾經任教自然地理學。18世紀末，德國人亞歷山大·馮·洪堡首先把自然界當作一個統一的整體來研究，探究自然界的因果聯繫。其研究成果為自然地理學奠定了基礎。

### 發展階段

20世紀60年代以來，自然地理學採用現代科技觀測和分析手段進行研究。主要航空攝影（航照）、雷達、紅外線掃描成像和衛星觀測、GPS、高解析度遙感、地理資訊系統（GIS）等技術。這些技術從廣度和深度上擴大了綜合地理學研究的視野，使綜合自然地理學的研究從簡單的因果關係進入複雜的自然地理系統結構的研究。現在，綜合自然地理學還廣泛地參與區域綜合開發和規劃、國土資源規劃整治、環境預測等實際應用的研究。

自然地理學的代表人物包括弗里德里希·西蒙尼、亞歷山大·馮·洪堡、詹姆斯·赫頓、威廉·莫里斯·戴維斯等。

## 研究內容

### 目標

- 研究氣候、地貌、水文、土壤、植被和動物群落等自然地理因素間的相互關係以及彼此之間的物質和能量相互轉化的過程。
- 研究自然地理環境的發展變化規律，探求調節和控制的途徑和預測其發展變化的趨勢。
- 研究自然地理環境的地域分異規律。
- 對自然環境進行綜合研究和評價。
- 研究人為環境的形成原因，尋求合理開發以及保護的途徑。

### 領域

- 地貌學：是關注和探索地球表面過去及現時的形態的科學。地貌學在研究具體地形地貌的不同環境時產生了幾個子領域，如沙漠地貌學和河流作用地貌學等。雖然子領域不同，但這些領域又以其產生過程為核心而合為一體，即構造過程或氣候過程。地貌通過現場觀測、物理實驗、數值模擬（地貌量計學）等相結合方法，旨在了解地形的歷史和動態，並預測其未來的變化。地貌量計學的早期研究是土壤學（土壤科學的兩個主要分支之一）的基礎。
- 水文學：主要關注的是以水循環為代表的地球表面、近表面的土壤和岩石、水轉移的數量和質量以及空間分布和時間變化。因此，其研究包括了河流、湖泊、蓄水層和部分冰川中水的動態過程。水文學源自工程學，因而在研究中使用了大量的定量分析法，不過，它的確有包含了大量系統方法的地球科學的一面。和自然地理學的大部分領域類似，在研究具體水體時，水文學可與其他學科交叉，從而形成諸如湖沼學和生態水文學等邊緣學科。
- 冰川學：是研究冰蓋和冰川、或者更常見的冰凍層以及一切涉冰現象的科學。冰蓋的典型形態是大陸冰蓋，而冰川的典型是阿爾卑斯冰河。儘管該領域的研究類似於對動態冰原和冰川的研究，但後者主要注重於冰川和現時氣候的交互，其影響主要是冰川對景觀上的。冰川學也因研究冰原和冰川的因素和過程而分為積雪水文學和冰川地質學等。
- 生物地理學：是一門處理物種分布的地理模式和由其引發的進程的科學。生物地理學因阿弗雷德·羅素·華萊士的貢獻而成為了一門學科，但是在20世紀晚期之前，生物地理學因其觀點和描述性的研究被廣泛的認為是自然產生的。自生物地理學成為一門學問以來，它的主要促進因素一直被認為是演化、板塊構造論和島嶼生物地理學理論。生物地理學可以大致分為五個子學科：島嶼生物地理學、古生物地理學、系統地理學、動物地理學和植物地理學。
- 氣候學：是研究氣候，即長時期內天氣條件平均值的科學。氣候學是研究較短時期內大氣過程的氣象學的反方向學科，它研究氣象學家所找出天氣模式/現象的趨勢和頻率。氣候學研究微觀（地區性）和宏觀（全球性）的氣候現象，自然因素和人為因素同時作用其中。由研究的區域和具體的現象或時段，氣候學可大致分為熱帶氣旋降雨氣候學和古氣候學。
- 土壤學：是研究土壤及其自然環境的科學。它是土壤科學的兩個主要分支之一，另一個分支是土壤生態學。土壤學主要是針對成土、土壤形態和土壤分類。因為氣候（水、空氣、溫度）、土壤生命（微生物、植物、動物）、礦物材料與土壤（生物地質化學循環）及其地位和於景觀作用（如紅土化作用）之間複雜的相互關係，在自然地理學中土壤學被大量研究採用。
- 古地理學：是通過研究保存在地層記錄中材料的地質時間而研究大陸分布的一門科學。古地理學是一門交叉學科，幾乎關於大陸分布的所有證據都來源於地質學中的化石和地球物理。化石和地球物理的數據證明了大陸漂移學說、板塊構造論和超大陸學說。這些學說又反過來支持一些古地理學理論，如超大陸旋迴。
- 海岸地理學：是研究海洋和陸地之間動態界面的科學，是將自然海岸（即沿海地貌學、地質學和海洋學）和人造海岸相結合。它涉及海岸的風化過程，特別是海浪運動、泥沙運動和風化；以及人類與海岸的互動關係。海岸地理學以研究海岸地貌為主。當然，海岸地理學還研究海平面變化。
- 海洋學：是自然地理學的一個分支，其研究對象為地球上的海和洋。海洋學研究範圍很廣，包括海洋生物學和生態系統動力學（海洋生物學）；海流、海浪和地球物理流體動力學（海洋物理學）；板塊構造和地質海樓（海洋地質學）；以及跨國界的海洋物理性質和化學性質的變化（海洋化學）。這些研究範圍體現了海洋學的多學科性質，而海洋學家則傾向於混合學科的研究以以進一步了解世界海洋的過程和現象。
- 第四紀科學：是一個跨學科研究領域，關注於第四紀時期（至今260萬年）。該領域研究最後一個冰川期和最近的全新世冰退階段，使用代理證據來重建這一時期的環境，以推斷當時氣候和環境發生的變化。
- 景觀生態學：是生態學和地理學的一個交叉學科，解決在時空變化景觀如何影響生態過程的問題，如分布狀態和環境中能量、物質、個體的流動（這反過來又影響到地形「元素」自身的分布狀態，如灌木籬牆）。該領域由德國地理學家卡爾·特羅爾在處理應用型和整體型環境問題時的景觀生態代表時首創研究。生物地理學和環境生態學的主要區別是，後者關心的是流動問題或能源和物質對景觀的改變問題，而前者則關心的是物種模式的空間格局和化學周期變化。
- 地球空間資訊學：是收集、儲存、加工並提供地理資訊的科學。地球空間資訊學包括大地測量學（測量並描繪地球的重力場及其他一些地球動力學現象，如地殼運動、海洋潮汐、極移現象等的學科）、GIS（採集、存儲、分析和管理地理數據和相關屬性的系統）和遙感（從人造衛星或飛機對地面觀測，並以電磁傳播與接收技術，以收取目標的訊息並加以進行分析的技術）。
- 環境地理學：是地理學的一個分支，用以描述人類與自然世界空間方面之間的相互作用。該分支在自然地理和人文地理之間架起了一座橋梁，因此需要了解地質動態、氣象、水文、生物地理、地貌等和人類社會概念化的環境。該分支學科在過去比現在的理論更引人矚目，如環境決定論將社會和自然環境相聯繫。現在它在很大程度上成為了環境管理者或人為影響環境或與之相反的研究領域。

## 外部連結

- T.X. Huxley，《地貌學》，1878，全文，Thames River Basin的自然地理學（英文）
- M. Pidwirny，《自然地理學基礎》，第2版，2006，全文（英文）
- Physical Geography for Students and Teachers，UK National Grid For Learning（英文）