作者简介
曹小曙，陕西师范大学西北国土资源研究中心主任，教授，博导。国家百千万人才，有突出贡献中青年专家，国务院政府特殊津贴专家，陕西省特聘专家。《地理科学》编委。主持国家自然科学基金重点项目、科技支撑计划、自然资源部等各类科研项目60余项，发表学术论文200余篇，出版专著16部。获第九届全国青年地理科技奖，以第一完成人获陕西省哲学社会科学优秀成果一等奖2项，教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖1项，广东省科技进步二等和三等奖各1项。
1.问题的缘起与背景
2000年诺贝尔化学奖得主克鲁岑首次提出“人类世”，以强调人类活动对地球系统造成的各种巨大而深刻的影响。近年来，这一概念逐渐被科学界所公认，研究人类世以来人类活动和地球环境构成的地球系统的变化及适应的可持续发展性，成为各类学科研究的热点与重点。“人类世”也为地理学研究人地关系与人地系统提供了崭新的视角。本文从这一视角出发，将人地关系所经历的演化归纳为以下三个阶段：万年尺度来看，人地关系是人与自然的关系，即人类“靠天吃饭”，人类活动不足以对自然界及其内部的平衡带来重大改变;千年尺度上的人地关系是人与环境的关系，人类的主观能动性得以激发，形成了由自然环境、经济环境、社会环境共同组成的以人类为中心的人地关系;百年尺度上，随着人类对生态系统重要性认识的深入，人地关系进入到人与生态的关系阶段。此外，另一地球科学概念——“地球关键带”为地表系统研究划定了以界面为特征的、复杂、动态的异质三维近地表环境作为研究对象，为地球表层系统及人地关系的研究提供了可操作的对象与新的思路。
随着人类活动与自然环境的截面越来越模糊，相互作用的内生化趋势加剧，作用关系的复杂程度提高，人地关系与人地系统的研究亟需摆脱片段化、孤立化的态势与单要素的研究视角。人类活动所创造的地表景观与人类世和地球关键带紧密不可分割，因此从人文社会科学与自然科学交叉融合的角度，提出了“人类关键区”(Human Critical Area)这一概念，以期为全球可持续发展提供中国地理科学的创新理论与实践路径。
2.人类关键区的时序
人类活动的影响逐渐累积，人地关系发展演变的结果在地球表面留下了可辨识的印记——人类关键区。人类关键区是人类社会进入到人类世世代，以人类活动结果为主体的地理圈层中的特征区域，是人类活动的相对均质区域，也是人地耦合系统的基本单元，具有多尺度、层级性、互联性等特征，对人类与自然生命共同体的可持续性起着关键作用。人类关键区的开端与人类文明的发展是紧密联系不可分割的。因此，本文以公元前 3500 年人类文字的起源作为人类关键区的开端，人类关键区的时间跨度约为6000年左右，初期以农业种植为主要体现。其中，自15世纪开始的地理大发现是人类社会有分散孤立走向整体的开端，在此之后所出现的人类联系的全球化形态占据整个人类关键区6000年历史中的近5000年。18世纪中叶以来的工业革命虽然对于人类漫长历史而言只是“一瞬间”，但其对人类社会和地球环境带来的重大变化，包括核试验与核能利用、城市化、景观地貌组织变化等，对人地关系带来复杂深刻而持久的影响，为人类的可持续发展带来艰巨的挑战。截至 2020年，全球23个国家地区人口总数近77亿，到2050年将近100亿，人类活动的影响将成为地球系统的主要营运力，人类关键区的作用将会愈发重要。
3.人类关键区的科学逻辑
人类关键区的提出是基于人类近万年历史中对人地关系的科学认知。本文将人类起源后的人地关系从宏观、中观、微观三个层级划分为人类文明(Human Civilization)与地球环境(Earth Environment)、人类活动(Human Activity)与地理环境(Geographic Environment)、空间行为(Spatial Behaviour)与土地利用(Land Use)(图1)。从宏观视角来看，人类进化与自然界人化所构成的统一过程的不同阶段，产生了不同的人类文明。人类文明所经历的原始文明、农业文明和工业文明，都是人类征服自然的革命，且一次比一次征服自然的强度更大，影响面更广。而实际上人是地球生态系统的一个组成部分，人类文明的发展并未超越地球生态系统的发展。因此，人类社会进入生态文明，建立人与地球环境之间的人地协调发展关系也是自然而然的过程。从中观视角来看，人类为了生存发展和提升生活水平而进行的一些列不同规模、不同类型的活动(如农、林、渔、牧、矿、工、商、交通、观光和各种工程建设等)均是建立在资源环境承载力的基础之上，这构成了人类活动与地理环境的关系。同时，随着人类社会的进化，人类活动和地理环境的关系不断向广度和深度发展。从微观视角来看，人根据土地的自然特点，按照一定的经济、社会目的对土地进行利用，人类又根据自身的基本需求产生空间行为，同时土地利用方式在空间上对人的行为产生约束，形成了空间行为与土地利用的关系。个人对环境的认知偏好及经济因素以外的社会文化制约等与人类行为之间的相互关系是人类空间行为研究中的重要内容，直接反映行为空间形成机制、分布特征及其与实体空间的相互关系。
4.人类关键区的全球尺度分类
人类关键区是以人类活动为主导影响因素，在地球表面留下的印记，人类关键区具有强烈的空间属性，在尺度上可划分为全球、国家、区域、地方、社区等。国家尺度的人类关键区可划分为要素区、功能区、行政区等。区域尺度的人类关键区如生态区、经济区、贫困区、都市区等;地方尺度的人类关键区如小城市、小城镇与乡村等。社区尺度的人类关键区主要包括街区、村居等类型的地理单元。图1 人类关键区的科学逻辑从全球尺度来看，地球总表面积 5.1 亿 km2，陆地 1.49 亿 km2，海洋 3.61 亿 km2，30%~50% 地球陆地面积是由人类土地利用所占据。以全球的土地利用与覆被为主导识别因素对人类关键区进行划分，本文将全球人类关键区分为四类：建成区、农业区、生态区和裸露区。建成区以人造地表为主要特征，是人类活动对陆地表层影响最直接的体现，也是人类活动强度最密集的区域。根据全球城乡建设用地总面积计算，其约占全球陆地表面积的0.88%，2019年全球建成区用地面积大约为70.81万km2，人均建成区面积为 92.16 m2/人。农业区是人类为生产基本粮食作物所占据的区域，是地球上最大的土地利用类型。根据联合国粮农组织的统计，农田用地1500万km2，占陆地表面积10.07%，牧草地3400万km2，占陆地表面积22.82%，两者占陆地面积的 32.89%。生态区是为人类提供生态产品及生态服务功能的区域。生态产品与生态功能为人类提供各种惠益，包括干净的空气、清洁的水源、无污染的土壤、茂盛的森林和适宜的气候等。以保护区为例，根据现有文献研究的相关数据，全球陆地保护区面积占全球陆地面积的15.34%，全球海洋保护区面积占全球海洋面积的7.65%，两者合计占全球面积的22.99%。裸露区以以荒漠地区为主，其特点是强烈大陆性气候，降水十分稀少，气温变化极端，日照强烈，冬春多大风、沙暴。对于不同基质的裸露区，其生物多样性有很大的差别，虽然裸露区与人类的关系尚不完全清楚，但可以明确的是人类活动对其施加影响，这些区域对人类也施加影响。根据现有文献研究的相关数据，裸露区面积约占陆地总面积 22.62%。
5.人类关键区的研究趋势
人类关键区的主要研究内容包括 4 个方面：人类关键区的识别;人类关键区物质循环与能量 流动;人类关键区耦合机理与动力机制;人类关键区地理模拟(器)与决策调控(图2)。图 2 人类关键区的研究内容
人类关键区是反映人地关系作用结果的客观空间范围，通过社会经济统计数据等传统方法进行空间识别。也可以通过土地利用、交通网络、人口密度、经济水平、夜间灯光等单要素或多要素综合进行识别。同时，未来可进一步利用深度学习、大数据等多种途径进行识别分析。人与自然的关系本质上是物质循环与能量流动过程。人类所需的一切物质财富都来自于自然界，自然界是人类生存、发展、繁荣唯一的物质基础。整个世界是永恒运动着的物质世界，质量守恒和能量守恒定律是自然界的基本定律，而人类关键区是永恒的物质和能量交换的关键界面。探讨不同类型不同尺度人类关键区的物质循环与能量流动，在目前的人类认知中仍是地理科学的永恒话题及未解的难题。耦合是两个或两个以上的事物的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象，这一概念的核心是强调两个或两个以上独立单元的相互作用，并产生以物质为载体的能量交换过程。人类关键区的耦合机理研究一般可分为要素耦合、界面耦合、时空耦合、尺度耦合、系统耦合等。人类关键区演化过程的动力来源主要是来自地球系统的内营力、来自大气圈和水圈的外营力、生物作用以及人类活动。人类关键区的动力机制是指人地系统发展演化动力的根源，是要理解人类行为的时空规律，而由于人类自身的复杂性和多样性，理解人类行为对一切科学来说都是巨大的挑战。面对人类世人地系统的巨大挑战，人类关键区过去与现在是如何演变的，人类活动如何影响以及多大程度上影响人类关键区，人类能否在实验室中再现人类关键区的过去和现在，并预测其未来的变化趋势，建立人类关键区地理模拟器(Geosimulator)成为地理科学面临的重大课题。
6.结语
人类世是人类与地球成为命运共同体的世代，同时全球化和全球变化的不确定性为人类社会的发展和自然生态系统的稳定带来深刻的影响和空前的挑战。人类关键区的研究必须按照人地系统来协调不同的人地关系，其在实践应用中必须与国家治理体系之间具有高度的契合性和一致性，并为决策提供科学支撑。此外，人类关键区作为人地关系的结果如何做出有效的响应全球化与全球变化，是摆在地理科学领域的重大战略命题，我们将在理论体系、方法模型、实证研究与实践应用领域继续探索，为全球人类关键区可持续发展提供中国地理科学的创新理论与实践。
引用小贴士
曹小曙. 人类关键区的科学逻辑与研究趋势 [J]. 地理科学,2022, 42(1):31-42.[Cao Xiaoshu. The scientific logic and research trends of human critical area. Scientia Geographica Sinica, 2022,42(1):31-42.] doi:10.13249/j.cnki.sgs.2022.01.003