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1、第一章 自然地理环境的整体性 1 1 自然地理环境的整体性认识的 发展 一 自然地理环境的整体性 传统的观点 所谓整体性 就是自然地理综 合体各组成要素和各组成部分之间的内 在联系 它们相互联系相互制约并组成一 个整体 这一要素影响另外一个要素 这一 部分影响另外的部分 缺点 是以自然综合体学说为基础 按 照地理现象和地理事物的因果联系法则 揭示自然地理环境的动态特征 不能 用精确的 定量的关系表述原理 二 系统思想 结构和功能的整体性 系统理论认为 整体性是系统的基本特征 整体 性是指系统由各组成部分相互作用形成的 而单 独各部分又不具备的统一的结构 功能和效应 系统的任何个别组成部分的孤立
2、作用与作为整体 一员在总体中所起的协同作用 有着本质的不同 在这里 系统作为有机联系的整体作用 永远 大于那些组成整体的部分单独作用的总和 亦即 整体大于部分之和 卡列斯尼克认为 自然地理结构 是指各要素 之间互相作用和互相联系的性质 伊萨钦科把自然地理结构定义为 建立在景观 组成部分之间内在联系的动态系统基础上的空 间 时间组织 现代地理学 1997年 索恰瓦 1976年 则认为 每个地理综合体的 结构应从空间结构和时间结构这两个方面来考 虑 空间结构是时间上稳定的地理综合体各组 成要素的分布格局 时间结构是维持着空间结 构的地理综合体在状态上一系列变化的结局 显然 结构的概念同系统 组织
3、功能等概念 是密切相联的 通俗地讲 结构是物质流和能 量流进行运转的渠道 是建立各单元或子系统 之间的骨架 结构是系统的结构 各种联系总 是通过系统的结构而得到体现 物质 能量和 信息的传输和转换 则是维持结构存在和发展 的基础 系统的结构和功能是相互联系的不可 分割的两个方面 没有结构的功能和没有功能 的结构 都是不存在的 研究整体性 既要强 调着眼于整体功能 认识它的综合效应 又要 回答新功能新特点是怎样由系统的结构所决定 的 以及系统怎样随结构 功能的变化而发展 变化的 目的在于利用各个组成部分的联系与 组合 从整体上实现更多的不同功能 减少各 部分之间相互抑制的作用 增强相互增益的作
4、用 以利于扩大和提高整体性的功能 根据上述认识 地球表层系统的整体 性 就是地球表层这个物质系统的 整体性结构和由此产生的整体功能 及其时间演化的规律性 整体性的 强弱 取决于各组分间结构的完备 性和功能的协调性 整体性强的表现为组分复杂多样 流量大 输入 输出与储存间的比 例恰当 抗干扰能力强 稳定性好 生产效力高且质量好 相反 整 体性弱的则表现为组分和结构简单 功能不协调 如荒漠地区 水土 流失严重的地区等 就地球表层的内部联系而言 各组成部分之间 通过物质流 能量流 导致彼此发生的联系与 作用可以分为 组成成分间的垂直联系 岩石 地下水 地 表水 土壤 空气以及贯穿于各个成分的生物 组
5、成部分或子系统间的水平联系 其联系方 式有物质的机械迁移 物理过程 化学过程以 及生物代谢过程 地球表层有了这种机制和功能 才有可能把三 个无机圈层和生物圈融合成一个统一的动态系 统 决定着地球表层的整体性 从外部联系来看地球表层与其外部 环境 地幔 地核 高层大气和宇 宙的相互作用 同样也是物质与能 量的相互交换与转化 只不过是在 高一级的层次结构中进行的 并由 此组成高一级的物质系统即地球系 统 对照传统的整体性概念 系统结 构和功能的整体性 既符合前述 基本原理所阐述的内容 又有可 能定量地反映地球表层物质能量 变换的确切关系 从而弥补了前 述原理在表达方法上的不足 故 自70年代以来
6、已受到各国学者 的高度重视 由于我们讨论的问题 能量流动 涉及 到热力学第一定律和第二定律 故有必 要运用热力学的基本规律来探讨地球表 层的能量流动和转换 热力学第一定律是能量守恒和转换定律 它断定能量既不能创造 也不能消灭 这是一条普遍规律 地球表层的能量 流也必须服从这一规律 除热能形式外 太阳能还以光能的形式 通过绿色植物 动物 微生物 即通 过生产者 消费者和分解者三大类群来 实现能量的转化 依旧服从热力学第一 定律 热力学第一定律只要求能量在转换 过程中是守恒的 而不限制过程所 进行的方向 热力学第二定律则不 同 它是关于过程进行的方向问题 19世纪中期 德国物理学家克劳 修斯指出
7、能量倾向于从密度较高 的地方流向密度较低的地方 直到 一切都达到均匀为止 他指出 在孤立系统中 热量总是由高 温物体自动地传向低温物体 而不能作 相反的传递 直到两个物体达到相同的 温度为止 它是一个不可逆的自发的过 程 在这里起决定作用的是能量密度的 差异倾向于变成均等 换句话说 熵将 随着时间而增大 这又叫熵增加原理 常用熵表示一个系统的混乱程度或无序 程度 熵越大 系统越混乱 反之 熵 越小 系统的有序性越高 克劳修斯还把热力学第二定律推广 到宇宙之中 他认为根据熵增加的 原理 宇宙中的能量分布是在不断 地均匀化 宇宙的熵在不可遏止地 增大 最后必将达到极大值 即平 衡态 也就是说 整个
8、宇宙在走向 混乱 走向无序 一切运动都将停 止 最后达到 热寂 但是地壳记录的45亿年左右地 球沧海桑田的变迁 以及生物界和 人类本身 却是由简单到复杂 从 低级到高级进化发展 这些进化过 程与 热寂说 预言的退化过程形成 了迥然不同的鲜明对比 近年来新兴的耗散结构理论 成功地解释了远离热力学平衡态稳 定物质结构的形成 这一理论有助 于我们更深入地理解地球表层的整 体性概念 三 非平衡有序系统的整体性 耗散结构理论是由比利时布鲁塞尔学派的领导人 普利高津创立的 普利高津着眼于系统与外界环 境的相互联系 相互作用 而不象早期热力学竭 力避开环境对系统的影响 把对象抽象地孤立起 来 也就是把系统当
9、成与外界没有物质和能量交 换的孤立系统 而孤立系统仅仅是一种理想状态 由于理论着眼点的根本转变 耗散结构理论揭 示了事物从混沌无序状态向稳定有序状态发展过 程和规律 所谓耗散结构 即一个远离平衡的 开放系统 只要通过不断与外界交 换物质与能量 在外界条件的变化 达到一定的阈值时 可能从原有的 混沌无序状态 转变为一种在时间 上空间上或功能上的有序状态 这 种在远离平衡情况下形成的新的有 序结构 依靠不断地耗散外界的物 质和能量来维持 故称耗散结构 耗散结构理论的研究对象是开放系 统 而宇宙中各种系统 不论是有 生命的 无生命的 实际上无一不 是与周围环境有着物质和能量交换 的开放系统 因而这一
10、理论涉及范 围之广 在科学史上可说是空前的 无论物理 化学 生物 地学 医学 农学 工程技术 甚至哲学 经济等等 都可以应用它的研究 成果 一个开放系统熵的变化 可以分为 两部分 一部分是系统本身由于不 可逆过程引起熵的增加 或叫作熵 产生 另一部分是系统与外界交换 物质和能量引起的熵流 即从外界 不断得到 负熵流 dS deS diS 上式dS是系统总熵的变化 diS 是系统内部的熵产生 根据热力 学第二定律 diS永远大于零 deS是外界对系统输入的负熵流 可以大于或小于零 如果外界 对系统输入的负熵流的绝对值大 于熵产生diS时 系统的总熵dS 可以小于零 由于外界输入的负熵流可以导致系
11、统总 熵的降低 系统可以由无序状态逐步转 化为有序状态 普利高津在不违反热力 学第二定律的条件下 阐明了通过引入 负熵流来抵消熵产生 增加系统的有序 性 以维持系统的稳定态的事实 不过 系统的这种稳定是非平衡的稳定态 因 为熵还有继续增加的余地 它只有在外 界不断输入负熵流的情况下 才能保持 相对的稳定态 一旦外界条件撤去 混 乱度或无序程度就会增加 系统就会回 到熵极大的无序状态中去 因此 普利高津指出 非平衡是有序之源 热力学上的 非平衡 态 对地理学 来说 耗散结构理论是完全适用的 例 如沙漠之中出现水草丰美的绿洲 而且 历经千年不衰 究其原因就是绿洲系统 不断从外界获得物质和能量 即水
12、源和 光热 负熵流的源源输入 使其有序状 态得以维持 有人形容耗散结构是 活 的非平 衡的有序结构 这是很有道理的 活 就活在它与外界不断交换 物质与能量 不断新陈代谢 吐 故纳新 以维持其稳定和有序 另外把它看作 活 的有序结构 还由于它是一种自组织现象 生物有机体活动是高度有序的自组织的 明显实例 它将光 热 水 二氧化碳 这些对它来说是无序无组织的物质能量 合成为糖类 变无机为有机并储于体 内 也是变无序为有序 一片遭受水灾 的森林 经过几十年的时间 如不受人 类的干预 仍可重新演替到森林 这是 自然地理环境自组织能力的一种体现 故耗散结构理论又叫做非平衡系统的自 组织理论 现代科学研究
13、集中于物质 能量 和信息三大主题 而以上仅扼要 地分析了非平衡系统的耗散结构 及其物质能量转化的基本情况 对于运用信息概念认识地球表层 的整体性 也属于综合自然地理 学的新课题之一 以上介绍耗散结构理论的基本知识 目 的是借以阐明整体性概念是在发展的 逐步深化的 而不是固定不变的 这些 新理论既是具体的知识 也是颇有新意 的方法论 它论证并丰富了整体性的原 理 引导着人们从物质流 能量流 信 息流三个相互联系相互补充的客观过程 中去认识整体性 从一个具有耗散结构 的开放有序系统所产生的整体功能中来 把握整体性 整体性乃是物质 能量 信息在耗散结构系统中的运动 变化 发展的整体性 运用这些新理论
14、研究地 球表层 尽管目前处于起步阶段 但完 全有可能使综合自然地理学的研究产生 一些新思想 建立新的科学体系 经历三个发展阶段 自然综合体学说阶段 地理系统学说阶段 耗散结构理论阶段 1 2 自然地理环境组成及能量基础 一 自然地理环境的组成 物质体系组成 1大气圈 2水圈 3岩石圈 4生物圈 自然要素的相互影响 1 地貌 2 气候 3 水文 4 生物 5 土壤 1 岩石地形复合体是自然地理系统的 基本组成部分 只有岩石圈的上层才是自然地理系统 的组成成分 岩石地形复合体的作用 1 自然地 理系统的固体基础 2 通过风化 成土 搬运和堆积作用 为自然地理 系统提供疏松物质以及化学元素 幻 灯片
15、 43 2 大气是自然地理系统的活 跃的组成部分 大气的对流层受太阳能和地球自转的共同作用 使大气圈的对流层部分成为自然地理系统中的活 跃部分 在自然地理系统中的作用 1 通过大气的化学 成分 尤其是碳 氢 氧 氮的物质循环 把自 然地理系统的各个组成部分联系起来 2 大气 作为物质和能量的 载体 通过大气环流把大陆 和海洋各个组成部分在水平方向上联系起来 幻 灯片 44 3 水分是自然地理系统起联系 作用的组成部分 水在地球表层的作用 1 水是物质和化学元素的搬运者 2 水通过集水区 小流域 中流域 大 流域 通过分水岭 斜坡 河谷平地和水 域 将自然地理系统中不同等级的自然单 元 在水平方
16、向上联系起来 幻灯片 45 4 自然地理系统的核心 有机界 生物在地理环境中的作用 1 促使自然界物质和化学元素迁移运动 能量流动转化 从而把地理环境中有机 界和无机界联系起来 2 改造三大圈层 地球面貌发生了根本 变化 形成了适宜人类生存的地理环境 3 大气圈成分的改变 4 陆地水成分的改变 陆地水的化学成分在相当程度上也为有 机体的生命活动所制约 生物在新陈代 谢过程中从水体吸收某些化学元素和化 合物 释放另一些化学元素和化合物 从而改变了陆地水的化学成分 绿色植 物参与水循环 改善了陆地的水分状况 5 生物出现后加快了岩石风化 促进了 土壤的形成 5 土壤是无机界和有机界物质 和能量转化的关键环节 在自然地理系统中 无机界和有机界的相 互渗透 相互转化 主要是通过土壤来实 现的 土壤反应了大气 水 化学元素 以及岩石地形之间紧密的相互作用和综合 影响 又反映了植物 动物与微生物之间 的相互作用 并且还反映了生物与非生物 之间的复杂关系 土壤在地球表层的作用 1 土壤处于岩石圈 大气圈 水圈 生物 圈相互紧密接触的过渡地带 是结合陆地环境 各要素的枢纽 2 土壤是地表物质循环和能量
