PAGE30PAGE第二章自然地理系統(tǒng)的整體特征重點：講明自然地理環(huán)境的整體性，闡述各組成成分間的相互關系及自然地理系統(tǒng)的基本特征。難點：在于整體性的認識過程第二章自然地理系統(tǒng)的整體特征第一節(jié)系統(tǒng)概述一、系統(tǒng)概念與分類系統(tǒng)、按系統(tǒng)的尺度規(guī)模和范圍分類、按系統(tǒng)與環(huán)境的關系劃分、按人與自然的關系劃分二、系統(tǒng)的主要特征整體性、層次性、相關性、穩(wěn)定性與變易性1．傳統(tǒng)觀點的整體性整體性：自然地理綜合體各組成要素和各組成部分之間的內在聯(lián)系。具體地講地球表層是由地質、地貌、氣候、水文、土壤、動物等成分組成，這些無機自然界與有機自然界各組成成分相互聯(lián)系、相互作用，并通過自然歷史過程，形成自然地理綜合體，這個綜合體中任何一個成分或環(huán)節(jié)的變化都會影響其它成分或環(huán)節(jié)的變化甚至整體的變化。比如：我們所處的是暖溫帶落葉闊葉林帶，作物為一年兩熟，如果氣候寒冷則是寒溫帶氣候，無霜期短，作物只能一年一熟，種植耐寒、生長期短的作物。同樣，地貌因素發(fā)生變化，也會引起一系列變化，再如華北平原如發(fā)生地殼運動，抬升1000米以上，氣溫降低，降水發(fā)生相應的變化，土壤、植被也隨之改變。傳統(tǒng)觀點：是以自然綜合體學說為基礎，用因果法則，揭示自然地理環(huán)境動態(tài)特征，一個因素變化會影響另外的因素，體現(xiàn)在自然綜合體內各要素的內在聯(lián)系性，傳統(tǒng)觀點的整體性是內在聯(lián)系的整體性。但是傳統(tǒng)的觀點是定性的描述，不能定量地表達整體性原理。隨著科學技術的進步和新學科領域特別是系統(tǒng)論的出現(xiàn)，對整體性又有了新的認識。2．系統(tǒng)思想的整體性，結構和功能1）功能整體性是系統(tǒng)對外結合內部所表現(xiàn)的效應（包括物質和能量、信息等的傳輸和轉換）。系統(tǒng)論中有一個重要原理——功能超越性原理，整體系統(tǒng)會出現(xiàn)子系統(tǒng)沒有的功能——整體大于各部分之和。整體和部分的關系，主要表現(xiàn)在三種情況：①系統(tǒng)的整體等于部分之和這是嚴格的和精確的數(shù)學多次證明的命題，幾何和代數(shù)從來就把這種關系當作絕對的正確的真理，但這一命題只是對那些聯(lián)系不緊密的松散系統(tǒng)才成立，只適應于由各要素機械組成的系統(tǒng)，如一筐蘋果。②整體小于部分之和如果系統(tǒng)中各部分相互牽扯，互相遏制，甚至摻雜著一些寄生和壞死的要素，這樣的系統(tǒng)往往會使整體性的能量大大下降，出現(xiàn)“三個和尚沒水吃”。③整體大于各部分之和系統(tǒng)中各種要素互相協(xié)同，彼此配合，會使系統(tǒng)出現(xiàn)新質。如正常人的一雙眼睛是兩個眼睛的視力之和。又如：拿破侖是一位了不起的政治家、軍事家。在現(xiàn)代軍事思想中，他的戰(zhàn)例還是很有價值的，他曾打過很多有名的勝仗，說明整體大于部分之和的道理。有一種少數(shù)民族叫馬木留兵，馬木留兵英勇善戰(zhàn)，個人拚殺技術較好，法國兵在當時曾打過勝仗，3個馬木留兵絕對戰(zhàn)勝3個法國兵，100個馬木留兵與100個法國兵勢均力敵，而300法國兵絕對能夠戰(zhàn)勝300個馬木留兵。這是因為法國兵在大兵團作戰(zhàn)中，彼此配合得很好。而馬木留兵不善于協(xié)同作戰(zhàn)，這就是整體性起了作用。整體出現(xiàn)的功能是任何一個部分所沒有的功能。同樣，配合好的球隊也說明了整體功能的作用，又如：一個生物體的整體功能遠遠大于各細胞之和，一個亞熱帶區(qū)域的整體特征絕不是水、熱、氣、土、林等各要素相加的結果。2）結構整體性系統(tǒng)理論指出：系統(tǒng)的整體功能決定于各組成元素的相互結合的方式，通常所說的結構。因此，整體功能取決于系統(tǒng)的結構，從以上例子中可看出法國兵彼此配合好，整體功能好，馬木留兵不善于協(xié)同作戰(zhàn)，整體功能小于部門之和。結構——從字面上看，各組成部分的搭配和排列。所以結構和功能是密切相連的，結構是完成功能的框架和渠道。也就是說物質、能量和信息的傳輸和轉換是通過系統(tǒng)的結構而實現(xiàn)的。反過來，物質、能量、信息的傳輸和轉換則是維持結構存在和發(fā)展的基礎。結構和功能是相互聯(lián)系的不可分割的兩個方面，沒有結構的功能和沒有功能的結構都是不存在的。研究整體性既要研究整體功能認識它的綜合效應，又要研究這種功能是由什么樣的結構所決定的。研究系統(tǒng)是怎樣隨結構、功能的變化而變化的，目的是提高整體性的功能。3）地球表層系統(tǒng)的整體性：結構整體性（空間和時間結構）、功能整體性時間結構是維持空間結構在狀態(tài)上一系列變化的結果?？臻g結構是各組成要素的分布格局?？臻g結構包括垂直結構和水平結構，垂直結構包括大氣圈、水圈、巖石圈。水平結構是各組成成分在水平方向上發(fā)生分異，如從赤道到極地分為熱帶、溫帶、寒帶。時間結構是地球表層從簡單到復雜不斷發(fā)展進化的。功能：物質的循環(huán)和能量的轉換是地球表層最重要的功能。從地球表層內部看，各組成成分之間物質和能量交換分為兩種方式。垂直方向：巖石——地下水——地表水——土壤——空氣以及貫穿于各成分的生物。水平方向：各組成部分有物質的機械遷移和物理過程、化學過程、生物代謝過程。地球表面有了這些結構和功能，才有可能把四個圈層融合成一個統(tǒng)一的動態(tài)系統(tǒng)，決定著地球表層的整體性。從地球表層的外部聯(lián)系看：地球表層與外部系統(tǒng)（高層大氣、宇宙、地幔、地核）也有物質和能量的交換、轉化。能量的輸入是太陽能、地球內能等。能量的輸出是地面的長波輻射。物質輸入是隕石、侵入巖漿等。物質輸出是構造運動、板塊間拖曳。與傳統(tǒng)的觀點比較：系統(tǒng)的結構和功能的整體性既反映了自然綜合體的內在聯(lián)系性又定量的反映了地球表層物質的能量變換的關系。彌補了傳統(tǒng)觀點的不足。系統(tǒng)觀點的整體性涉及能量流動，涉及熱力學第一定律，所以運用熱力學第一定律探討地球表層的能量流動和轉換。熱力學第一定律：能量守恒。能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，這是一條普遍的規(guī)律，地球表層的能量流動也必須服從這一規(guī)律。如太陽能進入地球表層后，轉化成熱能，地面溫度和大氣溫度增加，參與水分蒸發(fā)耗熱，地貌、土壤的形成過程，大氣環(huán)流洋流運動等都與熱能有關，同時地面又以長波輻射出去，將熱能輸出返回空間，完成了收支數(shù)量上的平衡，遵循這能量守恒的普遍原則。熱力學第一定律只要求能量在轉換過程中守恒，不限制過程所進行的方向。熱力學第二定律則不同，是關于過程進行的方向問題?？藙谛匏怪赋瞿芰渴菑拿芏容^高的地方流向密度較低的地方，直到一切都達到均勻為至。他指出在孤立系統(tǒng)中熱量總是由高溫自動地傳向低溫物體，而不能作相反的傳遞，直到兩個物體達到相同的溫度為止。是不可逆的自發(fā)的過程。起決定作用的是能量密度的差異和朝著均勻方向的流動。所以他創(chuàng)造了一個術語“熵”表示任何一種能量在空間分布上的均勻程度，用他的話來說，“能量密度的差異傾向于變成均等”是自然界的一個普遍規(guī)律，或換句話說：“熵隨著時間的混亂程度或無序程度。熵越大，系統(tǒng)越混亂，反之，系統(tǒng)越有序。舉例：我國有句成語“涇渭分明”涇河水清，渭河水渾。涇河流入渭河時，清濁不渾，比喻界線清楚，是非分明。這種有序狀態(tài)是暫時的，他們一經(jīng)自動混合之后，就再也分不清那種是涇河水那種是渭河水。說明能量的密度差異是朝著均勻方向流動的。又如兩個水庫，水位的高度不同，一高一低，如果把他們連接起來，水會從高水位的水庫流向低水庫，直到兩個水庫的水面相同。兩例都說明了能量趨向于均勻的分布。熵值隨著時間增大，能量完全均勻分布，熵值達最大值，也就是混亂度或無序程度最高?？藙谛匏拱褵崃W第二定律推廣到宇宙之中，根據(jù)熵增加原理，宇宙中的能量分布在不斷地均勻化。宇宙正在不斷地增大，最后必須達到最大值——平衡態(tài)。整個宇宙在走向混亂趨向無序，一切運動都得停止，最后達到“熱寂”?？墒堑貧ぱ莼瘹v史正好相反，滄海桑田變遷，生物界、人類出現(xiàn)是在從簡單到復雜，從低級到高級進化發(fā)展。這種進化過程與熱寂說的預言退化形成截然不同的鮮明對比。早期的熱力學只考慮系統(tǒng)的內部聯(lián)系不考慮系統(tǒng)與外界環(huán)境的聯(lián)系。近年來新型的耗散結構理論，成功的揭示了這一問題。3．耗散結構理論——非平衡有序系統(tǒng)的整體性創(chuàng)始人：普里高津比利時立足點：系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互聯(lián)系，相互作用，彌補了早期熱力學的不足。1）什么叫耗散結構？一個遠離平衡的開放系統(tǒng)，只要通過不斷與外界交換物質與能量，在外界條件的變化達到一定的閾值時，可能從原有的混亂無序狀態(tài)，轉變?yōu)橐环N在時間上和空間上或功能上的有序狀態(tài)，這種在遠離平衡情況下形成的新的有序結構，依靠不斷地耗散外界的物質和能量來維持，稱為耗散結構。二層意思：①開放系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界環(huán)境有物質和能量、信息交換。②在一定條件下，使系統(tǒng)變無序為有序。簡單概括：消耗外界環(huán)境的物質、能量來維持系統(tǒng)內部的新的有序結構。2）理論：一個開放系統(tǒng)熵的變化，用公式表示為ds=des+dis通過引入外界負熵流降低系統(tǒng)總熵，使系統(tǒng)從無序轉入有序狀態(tài)，來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。但強調這種穩(wěn)定是非平衡的穩(wěn)定態(tài)，所以系統(tǒng)內部的能量總是趨于均等，熵不斷的增加，只有在外界不斷輸入負熵流的情況下，才能保持相對穩(wěn)定。一旦外界條件撤去，混亂度或無序度就會增加，系統(tǒng)就會回到無序狀態(tài)中去。如：沙漠中的綠洲，就是不斷地從外界獲得物質、能量有負熵流的輸入，才保持這種有序狀態(tài)。一旦斷絕了水源，很快就變成寸草不生的沙漠。自組織現(xiàn)象：耗散結構在與外界交換物質、能量，同時還有一種自組織能力，變無序為有序的過程。如：生物有機體光、熱、水、二氧化碳轉入無序的物質、能量合成為糖類，變無機為有機儲存于體內，變無序為有序過程。又如：詩句“野火燒不盡，春風吹又生”大火焚燒過后，第二年春天有充足的陽光和雨水的滋潤，恢復原狀。說明自然地理有自組織能力。1）信息：物質、能量和信息是現(xiàn)代科學研究的三大主題，前面只介紹了耗散結構及其物質能量轉化的基本情況。用信息概念認識地球表層的整體性——新課題之一。一般理解：信息——情報、知識現(xiàn)在理解信息為物質之間建立聯(lián)系的一種特殊形式。任何物質運動形態(tài)都能產(chǎn)生和交換信息，信息也能通過物質現(xiàn)象而運動傳播。如：①天體發(fā)生的電磁波包含著天體的構成年齡、運動等各種信息。②化石提供了地質時期古動物、植物和地殼演變的信息。信息是事物存在形式運動狀態(tài)和規(guī)律的表征。人們之所以把信息理解為情報、知識，正是因為物質結構、狀態(tài)和歷史在人的大腦中的反映，經(jīng)過人類的語言文字符號等形式變換以后獲得的產(chǎn)物。信息一方面反映了物質、能量分布和變化程度，另一方面信息在自然界和社會的物質運動中執(zhí)行這種聯(lián)系的職能。可以說信息是指一個系統(tǒng)的有序性，信息就負熵。生物、人離不開信息。新陳代謝——生存發(fā)育，新陳代謝是動物體不斷從環(huán)境中攝取所需的食物、空氣和水通過有機體的生理功能將食物消化。吸收成為有機體的一部分，排掉殘渣過程。一個系統(tǒng)有序是由于輸入了信息或向外界輸出了熵，如生物進化可看成是系統(tǒng)信息量的增加或熵的減少的變化。信息既不是物質，也不是能量，但它的傳播離不開物質和能量，而物質和能量是否存在、如何存在，要想知道這些又必須通過他們發(fā)生的信息。組成客觀世界的三種基元是物質、能量、信息?？偨Y：整體性概念是在發(fā)展的，逐步深化的。從傳統(tǒng)的觀點內在聯(lián)系的整體性，定性描述到系統(tǒng)思想結構和功能的整體性和耗散結構理論非平衡有序系統(tǒng)的整體性逐步豐富了整體性的原理，引導著人們從物質流、能量流、信息流，三個相互聯(lián)系相互補充的客觀過程中去認識整體性，從一個具有耗散結構的開放有序系統(tǒng)所產(chǎn)生的整體中來把握整體性。所以整體性是物質能量信息在耗散結構系統(tǒng)中的運動，變化發(fā)展的整體性，用這些新理論認識地球表層，還處于起步階段和探索中。要求：掌握整體性概念，包括不同的觀點中整體性的含義。第二節(jié)自然地理系統(tǒng)的整體性一、自然地理系統(tǒng)的概念二、自然地理系統(tǒng)的空間范圍三、自然地理系統(tǒng)的基本特征整體特征、層次有序性、開放性、穩(wěn)定性與變動性開放系統(tǒng)：地球表層同外界持續(xù)地進行物質和能量的交換。輸入的物質：來自宇宙隕石宇宙塵埃；來自地球內部侵入巖漿巖、原生水為主輸入的能量：宇宙——太陽輻射能為主，宇宙其他的星體的輻射能，一年中整個地球獲得的能量，從太陽獲得1.3*1024卡，從地球內部鈾、鉀等放射性元素，蛻變釋放的熱能只占太陽能的二億分之一，來自宇宙的其他星體的射線為太陽能的一億分之一。地球內部放射性元素釋放出的熱能。物質的輸入是以地球內部物質為主，如：一次火山噴發(fā)，巖漿就有幾十億立方米，1883年5月20日今印度尼西亞的喀拉喀托火山噴發(fā)，火山灰180億立方米，宇宙每年降到地面的隕石不過400噸，宇宙塵埃微粒更少。太陽能的輸入是大氣、海洋、河湖、冰川、地下水以及生命有機體的活動，推動著地球表層的物質循環(huán)，能量轉化，把有機界和無機界聯(lián)合為一個整體，保持著地球表層系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展過程。輸出的物質：主要靠地殼的構造運動在板塊的邊緣處，會有巖層離開地球表層斜插入深處。輸出的能量：靠地面的長波輻射，在地球表層輸入的物質、能量經(jīng)過儲存轉化，是發(fā)生了變化的物質、能量。非平衡的有序系統(tǒng)：從能量轉換過程看，在自發(fā)進行情況下，物質流和能量流總是從密度較高處向低處輸出?；蚰芰靠偸亲詿嵩戳飨虻乇?，經(jīng)轉換，太陽輻射中能量較高的短波輻射，在地表做功后，以能量較低的長波輻射溢出地表，然后再向冷源輸出。輸入的能量較高——信息增多，熵低輸出的能量較低——信息較少，熵高這樣太陽能的單向流在地球表層流通轉化形成了負熵流，負熵是有序的標志，負熵流導致地球表層的有序化，是地球表層具有一定的有序結構和穩(wěn)定功能，成為具有耗散結構的開放系統(tǒng)。地球的四大循環(huán)：大氣循環(huán)——大氣環(huán)流、全球性海陸間運動水分循環(huán)——大循環(huán)生物循環(huán)——合成作用、分解作用地質循環(huán)——風化、搬運、沉積、構造四大循環(huán)是地球表層物質能量輸入流通輸出的形式，是物質和能量的輸出維持在一個相對穩(wěn)定的動態(tài)水平上。強調穩(wěn)定是非平衡的穩(wěn)定，維持這種非平衡的穩(wěn)定必須有負熵流的輸入，以對抗系統(tǒng)走向平衡，所以只有耗散能量、新陳代謝，才能維持一定的有序性。第三節(jié)自然地理系統(tǒng)的組成和結構復習：地球表層的整體性包括功能整體性和結構整體性。功能整體性是整體大于部分之和（物質、能量、信息）；結構整體性：——空間結構（垂直結構、水平結構），時間結構}。一、自然地理系統(tǒng)的組成地貌、水文、生物、土壤二、自然地理系統(tǒng)的結構垂直分層結構、滲透結構、地域結構1．垂直分層結構地球表層四個基本組成成分：空氣、水、巖石、生命有機體。由于密度不同和重力作用分異，密度小的在頂部，密度大的在底部。三個圈層在垂直方向上做層狀排列，生物圈分布在三圈交界面上，這是垂直方向上分層結構的最顯著特征。如進一步分出低級層次的分層結構。大氣圈（大氣候層、近地表小氣候層）、水體（空中水層、雪線以上的雪圈、地表水層、地下水層）、植物群落（喬木層、灌木層、草本層、苔蘚層）。在海洋中也有分層結構是按溫度、含氧量來分的。按溫度分為：暖表層、溫表層、冷表層按含氧量分為：富氧表層、最小氧層、均勻層2．滲透結構以上結構的共同特點：不是單一的成分，而是和其他成分在彼此相互滲透之中。如氣候層中包括水分、固體物質、生物體。水體中包括溶解氣體、礦物質、懸浮泥沙、生物體。3．地域結構相互作用的各個組成成分沿水平方向發(fā)生的分異從赤道到兩極。相互作用的各個組成成分沿垂直方向發(fā)生的分異從洋面到高山。說明產(chǎn)生不同的結構單元，各要素相互作用。垂直分層組成物質不同以某種要素為主摻雜其他要素。地球表層的地域結構取決于太陽的輻射能、地球的內能。由于地球的球形以及太陽入射角不同使地表所獲得能量不同——地帶性原因，由于不同緯度能量的差別，導致各組成成分的相互結合作用的形式的變化，是物理過程、化學過程、生物過程。在不同的緯度不同，緯度地帶性特征產(chǎn)生從赤道到兩極更替的結果。蘇聯(lián)波格丹諾夫繪制世界海洋自然地帶圖，把大洋分11個帶與大陸自然帶比較發(fā)現(xiàn)兩者完全一樣。在這些大的自然帶中還可以劃分為不同自然區(qū)、亞區(qū)。大的結構單元有較小的結構單元組成，所以結構是一定級序的多層次結構。第四節(jié)地球表層的進化過程結構整體性：——空間結構（水平結構、垂直結構）和時間結構。時間結構是地球表層的從簡單到復雜，從比較無序到比較有序的發(fā)展演化過程，實質上是地球表層固定轉化太陽能數(shù)量由少到多，引入負熵流由弱到強的過程稱為復雜的耗散結構。（1）原始生態(tài)系統(tǒng)地球形成初期，主要能源為地球內能。地球內部的熵融物質，噴溢出大量的巖漿、氣體和水蒸氣，原始各圈層地殼不斷增厚，地熱對地球表層作用減弱，太陽輻射能逐漸成為主要能源，但通過太陽能進入地表后很快散失，儲存不多。生物的出現(xiàn)原始大氣中出現(xiàn)的一些簡單物質如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水、氨等在高溫高壓下如短波紫外線、火山噴發(fā)等，有機物、氨基酸、核苷酸等，這些物質在相當長的時間內經(jīng)化學變化形成最原始的生命形態(tài)的分子體系。在海洋中受水分子保護，可以避免紫外線傷害，完成了無生命向有生命的過渡。所以稱為生命的策源地。從此，有機體就成為地球表層的能量轉化的一個新環(huán)節(jié)。最原始的生命有機體——異養(yǎng)性細菌靠海洋中的有機化合物積聚能量為主。開始滿足需要產(chǎn)生自養(yǎng)生物藍綠藻，有了葉綠素能進行光合作用，固定太陽能最后海洋中產(chǎn)生了最原始的生態(tài)系統(tǒng)。這個生態(tài)系統(tǒng)中自養(yǎng)和異養(yǎng)、合成與分解兩個環(huán)節(jié)的藻菌，生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)表明了有序程度的提高，改變了地表的功能和結構，改變了能量散失狀態(tài)，從環(huán)境中獲得更多的負熵流，增加了太陽能在地球表層的儲存。（2）天然生態(tài)系統(tǒng)生物出現(xiàn)以后，改造環(huán)境，生物為了適應環(huán)境也不斷改造自己，發(fā)展進化植物動物分化，生物從海洋到陸地