长江模拟器，是指以长江流域为对象，以流域水循环为纽带，将自然过程与人文过程相耦合而研发的流域模拟系统及科学装置。长江流域模拟器强调长江上、中、下游以及湖库－岸线－城市群的互联互动，强调长江洪水防御、水力发电与水生生物保护等的联合调度，强调长江流域保护与发展的协调，具有“监测—模拟—评估—预警—决策—调控”一体化功能。长江模拟器已应用于水利部、生态环境部、自然资源部、应急管理部、三峡集团、国家发改委宏观经济研究院、重庆市政府、武汉市政府和九江市政府等国家多部委和地方政府部门。研究成果支撑了生态环境部国家长江生态环境保护修复联合研究中心的智慧管理平台，并已应用于自然资源部《长江经济带国土空间规划》的编制。自2020年以来，流域中长期降水趋势预报成果参与了国家气候中心/水利部水文局会商，并向应急管理部提交了三个年度长江主汛期水旱灾害预测成果，为应急管理部灾害模拟器规划设计提供了技术支撑。长江模拟器首席科学家夏军多次被特邀在国际重要水大会报告长江模拟器，应邀在国际顶尖期刊Nature-Water首刊撰文介绍长江模拟器。2023年9月，基于长江模拟器的研究与应用实践，夏军教授提出“流域模拟器研发与应用”，得到国际水科学界的认可，被列入国际水文科学协会（IAHS）新的十年计划HELPING工作组。长江模拟器研发为长江大保护和长江经济带高质量绿色发展提供了重要科技支撑，对提升流域管理水平和创新区域绿色发展模式具有重大的科学和实践意义。

主要完成人及所在单位：

夏   军（武汉大学）

占车生（中国科学院大气物理研究所）

林忠辉（中国科学院地理科学与资源研究所）

邹  磊（中国科学院地理科学与资源研究所）

王洪铸（中国科学院水生生物研究所）

张永勇（中国科学院地理科学与资源研究所）

朱广伟（中国科学院南京地理与湖泊研究所）

金双根（中国科学院上海天文台）

曾思栋（中国科学院重庆绿色智能技术研究院）

佘敦先（武汉大学）

胡  实（中国科学院地理科学与资源研究所）

王月玲（中国科学院地理科学与资源研究所）

杜朝阳（中国科学院地理科学与资源研究所）

02

旱区降水稀少、土壤贫瘠、生态环境脆弱，对气候变化和人类活动极为敏感。变化环境下的干旱生态系统阈值是地理学和生态学研究的前沿领域之一。目前关于干旱生态系统在单一环境压力（如干旱）驱动下的阈值研究取得了一系列重要成果，但复合环境压力（如干旱和放牧）共同驱动的阈值特征更为复杂而尚未有科学定论。傅伯杰院士团队在国家自然科学基金重大项目“干旱半干旱地区生态-水文过程及其对生态系统服务功能的影响”的支持下，开展了中国北方旱区近4000公里样带调查，结合多源遥感数据、文献综述meta数据、生态系统野外台站（CERN)监测资料分析等，首次开发了综合考虑干旱和放牧共同作用的二维阈值模型，揭示了干旱和放牧共同驱动的中国旱区生态系统的阈值特征，阐明了不同干旱程度所对应的放牧强度的“安全操作空间”，为旱区应对气候变化和放牧的可持续管理提供科学基础。

研究结果表明，放牧与干旱多呈现协同作用，导致旱区生态系统的干旱阈值提前，使生态系统结构、功能更易发生非线性突变。干旱和最大允许放牧强度呈负相关关系，干旱度每增加0.01单位导致最大允许放牧量下降2.4%。由干旱和放牧的关系确定了放牧的安全操作空间，识别出现状及未来气候变暖情景下不适宜放牧、减小放牧压力和放牧强度可增加等关键区。相关研究成果于2023年发表在Nature Sustainability、Science Bulletin、Global Change Biology、Science of the Total Environment、Environmental Research Letters、Ecological Indicators等期刊。被国家自然科学基金委员会官网、科学网、York Environmental Sustainability Institute官网等报道，受到了广泛关注。

主要完成人及所在单位：

李长嘉（北京师范大学）

傅伯杰（北京师范大学）

王  帅（北京师范大学）

周文心（北京师范大学）

任灼冰（北京师范大学）

刘焱序（北京师范大学）

李  琰（北京师范大学）

赵文武（北京师范大学）

03

水资源是维持人类和生态系统生存和发展的首要条件，对于保障我国粮食安全和社会经济可持续发展至关重要。随着气候的持续增暖、人口的急剧增加、环境的日趋恶化，水资源匮乏与需求矛盾变得愈加尖锐，以至于水资源可利用性的时空格局及未来演变极为不确定，全球水资源问题已发生了深刻变化，成为各国重点关注和亟待解决的热点和难点。为了解决这一难题，该研究构建了基于水量平衡、弹性系数法和机器学习等方法的新框架，充分整合了卫星遥感、地面观测、地球系统模型等多源数据，系统研究了过去20年水资源可用性和未来30年地表径流的时空演变特征。研究发现，南半球主导了全球陆地水资源可用性近20年的显著下降趋势；北半球受区域间显著的差异性影响，其水资源可用性变化趋势微弱。归因分析表明，气候模态如厄尔尼诺-南方涛动指数是主控因素，其次是植被变化和人类活动等。修正的地球系统模型预估结果进一步表明，未来30年全球大多数地区的地表径流呈下降趋势，水资源短缺问题将会更为严峻。研究成果揭示了近20年全球陆地水资源可利用性的基本演变特征，修正了关于陆地水资源未来演变的认识偏差，为全球和区域水循环对气候变化的响应机制研究提供了新认知。研究成果于2023年以Research Article形式发表在《Science》和《Nature Water》等杂志上，入选《Science》官网头条新闻。研究获得国家重点研发计划、中国科学院“率先行动”高层次学术帅才计划、第二次青藏高原综合科学考察研究及国家自然科学基金等资助。

主要完成人及所在单位：

张永强（中国科学院地理科学与资源研究所）

李聪聪（中国科学院地理科学与资源研究所）

张选泽（中国科学院地理科学与资源研究所）

马  宁（中国科学院地理科学与资源研究所）

田  静（中国科学院地理科学与资源研究所）

于  强（中国科学院地理科学与资源研究所）

刘昌明（中国科学院地理科学与资源研究所）

04

（基于区域适应性的黑土地保护与利用示范区分布及核心技术模式构建）

黑土地保护与利用是国家重大战略部署，也是地理学、农学等学科的前沿和热点问题。本团队依托中国科学院战略性先导科技专项（A类）“黑土地保护与利用科技创新工程（黑土粮仓）”，聚焦东北黑土地“变薄、变瘦、变硬”背后的关键科学问题，针对区域地理环境、资源和气候条件差异，研发区域适宜性的黑土地保护利用与现代农业发展技术，形成“用好养好”黑土地的系统解决方案，科技支撑国家粮食安全，取得了系列创新性成果：1）摸清了东北黑土地退化现状本底。构建了黑土地天空地一体化监测与感知系统，率先完成黑土地10米分辨率土壤有机质遥感制图及演变速率监测，发布《东北黑土地保护与利用报告（2022）》。发现东北黑土区约64%的耕地土壤有机质呈下降趋势，近40年旱地黑土层下降速率约为0.19 cm/年，土壤有机质下降约为0.065 g/kg，近10年农田土壤容重增加0.02 g/cm3；2）揭示了黑土退化过程及土壤有机质周转机制。阐明了黑土有机质衰减过程中量质特征和演变规律，提出了保护性耕作下土壤有机质周转和稳定的双源控制机制，微生物源、植物源组分控制有机质稳定性和有效性，丰富了土壤有机质的微生物碳泵理论；3）研发了黑土地退化阻控及健康培育新技术。研发了黑土区沟毁耕地修复技术，支撑国家侵蚀沟治理重大任务，获2023年吉林省科学技术进步奖一等奖；研发了以秸秆、有机肥、天然腐殖质材料等施用为核心的黑土健康培育技术，提升了黑土耕地地力，减少了化肥施用；4）初步形成了黑土地保护与利用系统解决方案。针对东北黑土区不同自然地理分区，建成了海伦、长春、沈阳等七个万亩示范区，示范面积17.1 万亩，辐射推广面积1.43亿亩；打造“龙江模式”“梨树模式2.0”“大安模式”和“大河湾模式”等区域适宜性耕作与管理模式，有力支撑黑土地保护利用国家重大工程和任务。

主要完成人及所在单位：

“黑土粮仓”先导专项组

量子计算是一种遵循量子力学规律进行计算的新型计算模式，在网络信息安全、大数据和人工智能等领域具有巨大的潜在优势。本团队将量子计算引入到信息地理学领域，在地理场景建模和泛在信息处理方面取得了系列原创性成果：①建立了面向量子计算的时空数据组织方法，创建了量子计算适配的可计算时空数据模型和数据结构，解决了空间数据向量子模型的映射问题。②发展了多尺度时空数据分解、时空流画像、行为模拟预测等模型，提出了量子空间优化和时空分析方法，提升了时空流多尺度动态演化模拟和预测能力；③建立了复杂时空约束下地理数据多尺度量子模拟技术，首次实现了基于超导量子计算机的光伏发电功率预测模型真机实验，应用量子计算算法，在大科学装置上成功实施了海岸带模型和陆面模式的优化模拟；④研制了大规模地理空间优化量子模型技术，验证了基于国产光量子、超导量子计算平台以及模拟量子计算平台的服务地理计算的可行性，应用于电力、交通、通信等领域；⑤研发了基于量子游走的开源时空数据分析软件包QWDAP，设计了普通PC-超算集群-量子真机适应的一体化量子计算模型，简化了量子地理模型开发与应用分析难度。累计已发表相关论文12篇，授权国内外发明专利18件，进入美日德澳等11国，形成了自主知识产权体系，获第八届伊斯坦布尔国际发明博览会金奖。项目研究构建了量子地理计算模型并进行了典型应用场景示范，展示量子计算的地理学科适用性，为大数据时代复杂地理问题求解和大规模数据分析提供了新的技术路径。

主要完成人及所在单位：

袁林旺（南京师范大学）

俞肇元（南京师范大学）

刘  熠（北京雁栖湖应用数学研究院）

乐松山（南京师范大学）

智  勇（中国移动通信集团江苏有限公司泰州分公司）

潘  东（国网安徽省电力有限公司经济技术研究院）

窦猛汉（本源量子计算科技(合肥)股份有限公司）

胡  旭（南京师范大学）

周鑫鑫（南京邮电大学）

李冬双（南京师范大学）

仲  腾（南京师范大学）

潘炳煌（南京师范大学）

吴明光（南京师范大学）

周良辰（南京师范大学）

罗  文（南京师范大学）

谭骆坚（南京师范大学）

闾国年（南京师范大学）

06

随着信息技术的快速发展，基于手机信令、社交媒体等地理大数据的分析方法和应用层出不穷。刘瑜研究团队创新性地提出了社会感知理论，它是指基于多源地理大数据挖掘人的时空间行为模式，并揭示其背后社会经济特征的研究方法，从而提供了一条“由人及地”的研究路径。

该成果基于团队多年研究工作，全面梳理了社会感知的基本理论、相关分析方法及应用。主要学术贡献如下：1）形成了完整的社会感知理论和方法体系，包括对人感知、对地感知，进而从场所语义、空间交互、地理过程三个感知维度，构建了技术框架，并提出了融合遥感和社会感知的技术路线，为地理大数据研究提供了指导。2）研发了包括基于时谱曲线周期识别、混合活动分解、多尺度异常发现、基于Levy飞行和探索返回机制的移动性模型、流的空间自相关度量与聚类、城市空间隐性边界识别、基于图卷积人工神经网络的场所属性预测等一系列地理大数据分析技术。3）与自然资源部、新华社等部门，北京、深圳等城市，以及华为、高德等企业开展合作，实现了成果的应用落地。

社会感知为多源地理大数据应用提供了指导，弥补了高时空分辨率社会经济要素感知能力不足的缺憾，成为信息地理学领域一个重要研究方向。

主要完成人及所在单位：

刘  瑜（北京大学）

07

粉尘“铁假说”被认为是调控地球系统碳循环和全球变化的关键机制之一。亚洲中纬度干旱区是全球重要的粉尘源区。然而，“铁假说”至今仍未得到关键亚洲粉尘记录的直接印证。项目团队历时多年，在西昆仑山前海拔3300米的最高黄土台地中心，通过黄土钻探，成功获取了厚达671米的连续黄土岩芯，是目前已知的亚洲内陆也是全世界最厚的粉尘堆积序列。经过团队10多年研究，首次获取了360万年以来连续高分辨率粉尘通量和营养元素铁（Fe）等的记录，发现亚洲中纬度干旱区的粉尘释放和营养物质含量，自晚上新世以来呈现出阶段性增加趋势，对北太平洋和南海生物地球化学循环产生重要影响。尤其在约80万年中更新世气候转型期，亚洲内陆干旱区输送至北太平洋的Fe元素以及Fe2+通量分别增加了约70%和120%，促进了北太平洋生物繁盛，并导致浮游植物种群由颗石藻转型为固碳作用更强的硅藻，消耗了大量大气CO2，加剧了全球气候变冷。全球变冷又促使亚洲内陆气候进一步变干和冰冻圈物理风化过程增强，导致内陆粉尘释放以及太平洋Fe2+输入显著增加，对海洋生物固碳产生显著促进作用。

该成果提供了亚洲粉尘营养物质演化驱动大洋生物活动、生物多样性和全球气候变化的“铁假说”的直接证据，阐明了“青藏高原岩石圈物理风化加剧—亚洲粉尘活动和营养物质增加—海洋生物固碳以及大气CO2吸收增强—全球气候变冷”的碳循环工作模型，揭示出了青藏高原岩石圈/冰冻圈-大气圈-太平洋生物圈通过链式响应驱动地球碳循环和环境变化的过程与机制，深化并发展了“铁假说”的模型内容。

主要完成人及所在单位：

昝金波（中国科学院青藏高原研究所）

方小敏（中国科学院青藏高原研究所）

杨胜利（兰州大学）

韩文霞（中国科学院青海盐湖研究所）

宁文晓（中国科学院青藏高原研究所）

康　健（中国科学院青藏高原研究所）

胡　喆（中国科学院青藏高原研究所）

源于青藏高原的大江大河对全球一半以上人口的福祉至关重要。准确量化气候变化背景下青藏高原水资源变化，科学研判未来河流径流量变化趋势，是水资源有效利用的基础与前提。然而，由于青藏高原气候和地形复杂，观测和模型结果不确定性大，长期以来限制了该问题的深入研究，进而限制了水资源变化对流域人类文明兴衰的认识。在国家自然科学基金“青藏高原地球系统基础科学中心项目”（41988101）、第二次青藏科考项目（2019QZKK010206）和国家自然科学基金“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划（91547115）等项目的支持下，云南大学陈峰研究员联合国内外团队，基于青藏高原南部树木年轮宽度数据，重建了过去千年来雅鲁藏布江、湄公河和萨尔温江的总径流量变化，并结合相关模式预测了未来径流量的变化趋势。结果表明，（1）青藏高原径流量与流域下游旱季植被生产力显著正相关，指示青藏高原径流量对东南亚生态和社会系统功能的重要性；（2）青藏高原径流量在流域文明演化进程中扮演了重要角色，中世纪暖期丰沛的河流水资源促进了蒲甘王朝崛起和吴哥窟修建，而小冰期水资源较少与缅甸衰弱和吴哥窟废弃相对应，这为东南亚文明演化研究提供了新的视角；（3）研究还发现北大西洋多年代际变率和太平洋十年涛动是引起过去千年径流量变化的重要气候系统内部变率，考虑驱动因素影响的预测模型结果显示，未来青藏高原流入东南亚和南亚的径流量可能达到甚至超过中世纪暖期丰沛水资源的水平。该研究通过打通学科界限，推动了对“全球变化和区域人类活动驱动下青藏高原地球系统链式响应”这一科学问题的理解。相关成果发布在Nature Geoscience等国际权威期刊。

主要完成人及所在单位：

陈　峰（云南大学）

满文敏（中国科学院大气物理研究所）

何大明（云南大学）

王世杰（云南大学）

袁玉江 （中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所）

胡　茂（云南大学）

赵晓恩（云南大学）

陈友平（云南大学）

张合理（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所）

罗　贤（云南大学）

尚华明（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所）

喻树龙（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所）

方欧娅（中国科学院植物研究所）

09

乡村地域系统类型识别及其转型发展规律研究，是新时期全面推进乡村振兴战略亟需解决的重大理论难题，也是国际乡村地理前沿研究的重要科学命题。2023年，本团队启动实施国家自然科学基金重大项目“乡村地域系统协同观测与转型机理及模拟”，系统梳理了乡村地域系统研究进展及其关键科学问题，创新开展了乡村地域系统类型识别与转型过程诊断，初步探明了乡村转型发展基本规律及其未来趋向，取得了突破性进展和创新性成果：①率先构建了“自上而下”的人地系统功能分区-类型分类-强度分级探测的理论与方法体系，研制了人地系统生活-生产-生态功能分区方案，识别出城市型-村镇型-农业型-生态型等主导类型，评析了人类足迹强度，系统揭示了2000~2020年中国乡村人地系统分布、类型和等级变化趋势；②自主研发了一套面向乡村聚落科学探测的高效遥感制图模型，显著提高了对长时序大范围条件下乡村聚落变化自动化监测水平，发展了面向乡村道路识别的形态学软阈值动力学模型，实现了乡村聚落、道路、作物等复杂场景的智能化精细识别，破解了乡村系列数据短缺的现实问题及其探测技术难题；③创新研制了乡村地域系统转型的NATURE多层级响应敏感性测度模型，提出了乡村地域系统转型拐点识别及过程状态诊断智能模型架构，实现了对乡村地域系统自然气候、地域环境、资源禀赋、社会经济等要素转型趋势的智能化诊断；④初步搭建了乡村地域系统转型诊断-探测-模拟综合技术平台，解决了多粒度、多层次、多应用的异构模型集成问题，建立了可共享、高内聚、松耦合的乡村地域系统转型信息服务集成模式，并发布可持续减贫与发展大数据系统，为乡村地域系统转型诊断与乡村振兴决策提供了信息化平台技术支撑。

本项目2023年在Science Bulletin和《科学通报》等期刊发表学术论文33篇，出版著作3部，授权发明专利6项，构建了乡村地域系统协同观测数据集及技术平台，多份咨询报告被省部委多部门采纳，项目负责人刘彦随研究员因其突出贡献被授予第三届全国创新争先奖，项目成员刘彦随、李裕瑞、李玉恒等入选全球高被引科学家。

主要完成人及所在单位：

刘彦随（中国科学院地理科学与资源研究所）

王黎明（中国科学院地理科学与资源研究所）

何建华（武汉大学）

王介勇（中国科学院地理科学与资源研究所）

李裕瑞（中国科学院地理科学与资源研究所）

赵  娜（中国科学院地理科学与资源研究所）

范泽孟（中国科学院地理科学与资源研究所）

李玉恒（中国科学院地理科学与资源研究所）

王永生（中国科学院地理科学与资源研究所）

刘正佳（中国科学院地理科学与资源研究所）

曹  智（中国科学院地理科学与资源研究所）

郭远智（中国科学院地理科学与资源研究所）

陈宗峰（中国科学院地理科学与资源研究所）

冯巍仑（中国科学院地理科学与资源研究所）

距今6000至3000年前，欧亚大陆的长距离跨区域交流不仅首次沟通起了东西方两大文明体系，重塑了世界早期文明的地理格局，也为当今族群和文化的分布奠定了基础。包括天山和阿尔泰山在内的内亚山地廊道是早期东西交流的重要通道，该地区史前人地关系演变的过程与动力受到国内外学者的广泛关注。已有研究大多聚焦于史前跨大陆交流与农业传播的时空过程，其背后的驱动因素与发生机制尚不清楚。针对上述问题，兰州大学环境考古团队与国内外机构、学者合作，在内亚山地廊道开展了系统研究。成果包括：1）发现以阿尔泰山为核心的廊道北部距今6500至3600年气候温暖，尤其在距今4800至4300年，区域生产力的提高为东西方人群向草原地区的迁徙创造了条件，促进了史前跨大陆交流的出现；2）发现该区域距今约3600年前的降温事件导致的植被退化激发了人类对新能源的迫切需求，烟煤成为薪柴之后天山中部吉仁台沟口遗址先民的燃料新选择，将人类最早系统开发煤炭资源的认识提前了至少一千年；3）构建了阐释古人地关系演变机制的概念模型，提出区域尺度技术与社会革新促进人口快速增长及人群与技术的广泛扩散，大陆尺度资源与社会格局的契合度深刻影响文化地理格局，指出内亚山地廊道青铜文化发展得益于丰富草场、绿洲资源与新传入农牧业的高度契合。

本研究立足但不局限于内亚山地廊道，研究团队更多关注了气候环境变化背景下普适性的人类适应行为，以及宏大时代背景下不同尺度空间范围内各类自然和人文因素的互动模式，为深入理解早期跨大陆交流背景下人地关系演变的过程与机制提供了关键科学证据和新的理论阐释。相关成果于2023年在Science Advances、Nature Communications、The Innovation Geoscience等国际高水平期刊上发表，引起国内外学者、媒体和公众的广泛关注，对推动地理学和相关学科的发展做出了贡献。

主要完成人及所在单位：

董广辉（兰州大学）

仇梦晗（兰州大学）

向丽雄（兰州大学）

杜琳垚（兰州大学）

黄小忠（兰州大学）