Malthus关于人口增长与食物供给关系的讨论是人类-自然系统耦合模型的早期思想之一。他认为，人口按几何级数增长，而食物按算术级数增长，意味着人均粮食逐年减少，因此会引发粮食危机。Ritter指出，土地上自然的与文化的产物、自然的与人文的面貌，完美地体现了人与自然的相互作用；土地影响着人类，而人类影响着土地。Hettner将人类-自然系统关系的以往认识归纳为环境决定论、可能论、或然论、人类决定论和生态人类学五大类型。环境决定论强调自然环境的统治地位，有人认为是达尔文进化论的自然结论。可能论认为，所有自然环境条件只是给人类提供了一个可能利用的范围，人们可以在这个范围自由地选择和利用它们。或然论强调，当自然施加某种限制，影响人类利用自然时，对自然的实际利用取决于人的文化背景和价值观。人类决定论认为，人具有生存于自然限制之外的能力，可以克服任何潜在的环境威胁。生态人类学强调人在自然环境中与动植物的同等地位。
人类-自然系统耦合是人与自然要素相互作用的集成系统。人口增长、城市化、土地利用变化和气候变化已经大规模地修改了人类赖以生存的自然系统，改变了人类与自然系统的关系。我们需要观测、评估、分析和预测人类-自然系统关系，指导人类在行星边界中开展合理、恰当的活动和决策。模型模拟是认识人类-自然系统耦合机理与双向反馈机制的至关重要手段，可以探索人类-自然系统的各子系统如何变化和如何相互作用，解决全球环境变化和社会变化产生的问题。
人地系统和人类-自然系统耦合模型
人地系统和人类-自然系统概念在一定程度上能够交叉使用。人地系统是由地理环境和人类活动两个子系统交错构成的复杂开放巨系统。人必须依赖所处的“地”为生存活动的基础，要主动地认识，并自觉地在“地”的规律下去利用和改变“地”，以达到“地”更好为人类服务的目的。人类-自然系统是人与自然要素相互作用的综合系统，它是一种社会与生态系统和人与环境系统的合成架构，它有利于人们更好地认识看似独立系统之间的联系。这个概念的核心是人类系统和自然系统的相互作用，人类活动改变了自然系统的状况，自然过程塑造了人类系统的环境；人类决策和行动影响自然系统的结构和功能，自然系统结构和功能的变化影响人类的决策和行动。
1.1 人地系统模型
自20世纪90年代初以来，我国对人地关系开展了系统性研究。随着理论研究与实践探索的不断深入，人们已经基于对人地系统地域系统组成要素间以及要素与系统间相互作用和反馈关系的认识，初步建立了人地系统的认知体系。人地系统研究需要加强遥感和地面观测调查的结合，其最终目的是发展和建立系统模型，开展预测。人地关系的发展表现为人对地的开发利用深度、广度不断增强，人逐渐主导地的变化；基于主体模型充分考虑了人类的行为和决策，使得它很适合模拟人地关系中人与环境的交互作用。然而，人地系统研究仍存在定量化程度不高和理论创新性不足等问题。
人地系统是中国人文与经济地理学主流学派形成的核心理论，它强调人与自然的相互影响与反馈作用，人地关系地域系统研究的主要目标是协调人地关系，从空间结构、时间过程、组织序变、整体效应、协同互补等方面去认识和寻求各自空间尺度人地关系系统的整体优化、综合平衡及有效调控机理。
1.2 人类-自然系统耦合模型
人类社会和自然系统相互作用的生态系统工程理念和综合模拟是人类与自然系统耦合模型研究的成果之一。人类-自然系统是复杂系统，包含了社会、技术、经济和生态等多方面要素的相互作用，很难依据个别要素行为进行预测和解释。早期研究通过社会模型和生态模型的简单耦合，将经济、政策和法律通过资源管理团体机制与环境联系在一起，模拟分析环境行动的社会约束，并对模型参数变化的灵敏性进行评估。近30年来，人类-自然系统耦合模型有了长足的发展，主要包括三大类：基于主体模型的耦合、基于指标体系的耦合和基于机理模型的耦合。
生态系统受到环境变化导致生物多样性减少和社会对生态系统服务需求增加的双重压力，为了应对生态系统及其管理者面临的全球变化挑战，需要建立人类-自然耦合系统概念体系。而生态系统模型忽视了社会的适应能力，社会系统模型忽略了生态过程对环境变化的动态响应。为此，许多学者运用自下而上的主体模型认识人类-自然系统耦合系统的复杂性。例如，以森林生态系统为案例，探讨生态过程模型(自然系统模拟模型)与主体模型(人类系统模拟模型)的耦合问题，模拟分析森林保护、可持续管理和提高森林碳储量对减少森林采伐和森林退化碳排放支付方案的影响，捕捉决策过程的基本特征和保证森林生态系统长期可持续性的决定因素。通过集成随机斑块占用模型与土地利用变化主体模型，建立了集合种群的模拟框架；并运用这个人类-自然系统耦合框架，定量分析集合种群动态的驱动力及其潜在的相互作用和反馈，检验它们对变化景观中集合种群行为的预测结果，评估政策选择对集合种群生存的影响。基于主体模型就是对人类与自然系统按照特定规则相互作用的计算机模拟。
除主体模型有较大发展和广泛应用空间之外，还形成了许多基于指标体系的模拟分析模型。例如，为了便于研究人员构建和检验理论模型，发展了基于10组子系统变量的社会-生态系统可持续发展分析综合框架。将人类福祉、环境政策、人类活动、环境压力和生态系统服务凸显为人类-自然耦合系统的五要素，通过分析各要素之间的阈值变化，为环境管理提供决策支持。运用人类-自然耦合系统模型框架探讨自然保护区政策、社会经济和环境之间的复合关系。将空间模型和多层次统计模型相结合定量表达人类-自然耦合系统的多空间尺度效应。运用集成人口变化、农业用地森林清理和野生种群变化的空间精准模拟模型定量分析社会-生态变化对环境可持续性的影响。运用生态系统活力、资源环境承载力和社会发展能力等指标体系，模拟分析人类-自然耦合系统的生态承载能力。运用探索建模方法调查研究决策选择的多样性和主要利弊的权衡、处理各种备选假设与观测结果的认知复杂性。
在联合国生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台《生物多样性和生态系统服务情景模型方法评估》报告中涉及的主要集成模型包括全球环境评价集成模型、全球生物多样性模型、全球生物圈管理模型、生物圈全球统一元模型、生态系统服务多尺度集成模型、全球植被动态模型、土地利用转换及其影响模型、生态模拟通道模型、生态系统服务及权衡综合评价模型、生态服务人工智能模型和地球系统模型等。上述集成模型大多数是基于机理模型的紧凑耦合，虽然它们在许多国际计划中发挥了重要作用，然而它们仍存在许多问题。例如，目前人类与自然系统相互作用动态模拟都是单向的，不能表达许多反馈回路和复杂行为。它们仍主要局限于自然要素，还缺乏对人类系统动态的深刻认识，忽视了自然保护的政策目标及自然系统在人类福祉中的重要作用；现有模型与算法的运行速度不足实现实时决策支持。在当前的人类-自然系统建模研究中，自然系统内容考虑的很好，但基于社会的内容很少。虽然模型-数据同化提供了将高分辨率数据融入地球系统模型的框架，但缺乏人类-自然系统耦合模拟所需的学习能力。如何量化和实现其协同发展是实现可持续发展目标的重要问题，它们的时空变化和相互作用机理尚不清楚。
基本认识
人类-自然系统耦合模型是对系统生态学的继承和发展。系统生态学是运用系统分析的基本原理和技术研究生态学的方法。人类与自然系统互为因果和制约关系，这种相互作用关系形成了一个社会、经济和自然复合生态系统。以微观的机理阐明宏观格局，宏观与微观结合，使模拟自然规律、揭开自然界物理、化学与生物系统之间相互作用的动态过程成为可能。
人类-自然系统耦合一般是非线性的，其主要原因包括: (1) 系统耦合常常出现时间滞后效应；(2) 人类-自然系统过程涉及各种不同的时空尺度，将它们集成在一起时，尺度错配是难免的问题；(3) 系统耦合及其后果存在着空间和时间异质性；(4) 当达到临界阈值后系统会发生突变，而不是像线性系统一样，系统状态随着条件变化而逐渐变化。
人类-自然系统耦合是宏观生态学问题，它不总是服从于Tobler的地理学第一定理；基于“距离越近相关性越强”的大数据处理模型不适用于所有尺度的模拟分析。尤其是遥耦合问题的模拟分析和未来预测，不但需要宏观格局信息，同时也需要地基观测点的细节信息以分离出模拟结果中的背景噪音。也就是说，控制地面过程的细节信息和控制宏观格局的全局信息是人类-自然系统耦合模型缺一不可的两种互补消息；与此同时，耦合模型的正确运行需要能有机合成这两种信息的恰当方法来支持。
人类-自然系统耦合模型面临的主要挑战包括以下四个方面：(1) 人类与自然系统的双向反馈问题；(2) 自然科学与社会科学的深度结合问题；(3) 多尺度问题；(4) 模拟速度的变革性改进问题。为了解决上述问题，需要开展以下研究:
(1) 建立自然系统模型组、自然系统对人类贡献模型组和自然系统变化驱动力模型组，分析各种时间尺度和空间尺度的人类与自然系统耦合效应，量化人类与自然系统的非线性动态关系，探讨跨越地理、生态、环境、社会和经济等领域的整合方法，建立耦合人类与自然系统的曲面模型；
(2) 发展面向传统计算机的时空插值、时空升尺度、时空降尺度、数据融合和模型-数据同化的自适应算法，形成适用于图形处理器和中央处理器的传统算法库；将最新深度学习的算法设计成果有效融入量子计算，在大幅度降低运行量子机器学习所需门电路数的同时，提高量子机器学习精度，实现量子机器学习的深度优化，形成与传统算法库对应的量子机器学习算法库；
(3) 构建大规模稀疏矩阵量子求解方案，研究量子计算的输入、输出、成本和标杆问题，实现传统计算与量子计算优势互补；构建可大幅度降低计算成本的自适应算法，发展可实现相对于传统算法指数级加速的量子机器学习算法，大幅度提高耦合模型的模拟精度和运算速度，助力高效决策支持，尤其是实时决策支持。