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1、1第三章 地球表层环境与地球表层系统第一节 地球表层系统的组成地球表层环境是一个系统，可以称之为地球表层系统。地球表层系统，是一个非常复杂的巨系统。说其复杂，是因为它由许多大大小小的系统组成。并且涉及环境的因素多、空间范围大。对于这样一个复杂的巨系统，如果事无巨细、面面俱到，是无法对其进行刻画与研究的。这里只想从自然地理学的角度，对其基本的组成与特征作一个简要的叙述。一、四大圈层 地球呈现出圈层构造，可以划分出内部圈层与外部圈层。内部圈层包括地壳、地幔、地核（图 3-1） 。图 3-1 地球的内部圈层外部圈层包括岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。岩石圈指地球表层由固体岩石组成的圈层；大气圈指环绕地
2、球的由气体组成的圈层；水圈指地球表层由各种形式存在的水组成的圈层；生物圈指地球表层所有活着的有机体组成的圈层。岩石圈、大气圈、水圈、生物圈在空间上有着一定的交叉，难以绝然分开；在物质交换、能量传递以及发生发展过程方面，更是紧密地联系在一起，相互作用、相互影响。每个圈层均可看作一个次级系统。一般来说，地球表层系统由岩石圈、大气圈、水圈、生物圈交叉而成。人类是生物圈的一部分。当然，也有的学者，为了强调人类的重要性与特殊性，单独列出一个“智慧圈”或“文化圈” 、 “技术圈” 。实际上，人类既是生物圈的一部分，又与一般的生物有着一定的区别。人类与四大圈层之间的关系以及人类在地球表层系统中的位置，可以用
3、图 3-2 来表示。图 3-2 四大圈层及其相互作用（据 Mackenzie 改绘）2上图表示了三重含义：（1）人类是生物圈的一部分，但又不同于一般的生物；（2）人类生存在四大圈层的交界面上，四大圈层是人类诞生与发展的环境；（3）人类对四大圈层均有着重要的作用与影响。四大圈层之间及其与人类相互作用、相互影响，构成了地球表层系统。 二、三大界 通常物质可以划分为无机物与有机物，自然界可以划分为无机界与有机界。地球表层系统的物质组成，也可以概括为无机物与有机物两大类。但如果用无机界与有机界来概括表达地球表层系统，似乎还不够全面。因为人类诞生在地球表层，发生发展在地球表层。人类在地球表层系统中的地位
4、与作用，以及人类与自然环境之间的相互作用、相互影响，仅仅用无机界与有机界还难以表达清楚。尤其是自然地理学就是研究人类赖以生存的地球表层自然环境的学科。在自然地理学中，更有必要来强调一下人类的重要性。故有人提出了用人文界来表示人类在地球表层系统中的重要地位与作用，以及人类与自然环境之间的相互作用、相互影响。可以这么说，地球表层系统是地球表层无机界、有机界与人文界相互作用、相互影响而构成的一个系统（图 3-3） 。 图 3-3 地球表层的三大界（王建，2000）三、固、液、气三态物质 地球表层在物质组成上还有一个特征，就是固态、液态、气态三态物质共存。可以说，地球表层是由固态、液态、气态三态物质组
5、成的。例如，岩石、冰是固态；水、岩浆是液态；空气、水汽则是气态。不仅三态物质相互作用，而且在一定的条件下相互转化，成为地球表层系统中物质循环、能量传递与转化的重要表现形式与表征。比如，海水蒸发变为水蒸汽（吸收能量） ，水蒸汽在空中随气流运动（物质迁移） ，在高山或高纬地区变为雪（释放能量）降落地表，当气候变暖时冰雪融化又变为水（吸收能量）流入海洋。在这样一个水的三态（水水汽冰）转化过程中，不仅完成了物质的循环（海洋大气高山、高纬地区海洋） ，而且还完成了能量的传递（从大气吸收能量释放能量到大气从大气吸收能量） 。3第二节 地球表层系统的结构一、垂直分层从整个地球看，垂直分层现象非常明显。从地核
6、、地幔、地壳，到水圈、大气圈等，都说明了这一点。地球表层同样具有明显的垂直分层现象。除岩石圈、水圈、大气圈、生物圈显示出垂直方向的明显分层现象外，这些圈层内部也表现出明显的垂直分层特征。例如：岩石圈包括上地幔的上部（在上地幔的“软流层顶”上部）与地壳。地壳又可以分为上部的“硅铝层”和下部的“硅镁层” 。 “硅铝层”主要由 O、Si、Al、K、Na 等组成，和花岗岩的成分相似，又称为“花岗岩层” ；“硅镁层”虽然也以 O、Si、Al 等为主，但 Mg、 Fe、Ca 等明显增加，和玄武岩成分相似，又称为“玄武岩层” 。大气圈又可分为对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层。生物圈也可以出现“草被灌木乔
7、木”的垂直分层。二、水平分异地球表层环境的水平分异也非常明显。 （主要表现为“纬度地带性”和“经度地带性” ）所谓水平分异，就是指在水平分布方面的差异与变化。比如说，中国南方与北方冷暖不同、亚殴大陆东岸与西岸干湿不一，山区与平原的植被、土壤有一定的差异。再如，有的地区火山、地震比较频繁，有的地区却少有发生；有的地区一马平川、一望无际，有的地区却高山峡谷、悬崖峭壁；有的地区常年冰天雪地，有的地区却是四季如春；海洋地壳很薄，大陆地壳却很厚；低纬度地区对流层厚度可达 1718 km，而高纬度地区只有 78 km；有的地区林木茂密，有的地区却寸草不生。三、立体交叉组成地表环境的岩石圈、水圈、大气圈、生
8、物圈，不是截然分开的，而是相互交叉、相互渗透，在空间上构成了一个立体交叉的结构。岩石圈中有水与大气的参与，水圈中含有大气，水是大气圈的组成成分，生物圈更是岩石圈、水圈、大气圈交叉融合的产物。很难找到一个明确的界限，将其截然分开。四、多级嵌套地球表层环境可以划分为不同空间尺度的环境。例如，地球表层环境可以划分为陆地环境和海洋环境。陆地环境还可以划分为各大洲的环境、各个国家的环境，进一步划分为各区域（如省市）的环境及局地环境。海洋环境可以划分为四个大洋，进一步可以划分为大洋和边缘海，边缘海还可划分为大陆架和大陆坡。从系统学的角度说，这就是系统的多层次性、多级次性。这些系统不是并列地拼凑在一起，而是
9、在空间上相互交叉、叠置，并相互联系、相互作用的。因此地表系统是多级嵌套的。4第三节 地球表层系统的功能一、物质传输、能量流动、信息传递对于系统来说，一般都具有物质传输、能量流动、信息传递的功能。系统的结构决定了系统的功能。既然地球表层系统在结构上存在垂直分层、水平分异、立体交叉与多层次的特征，那么地球表层系统在各个圈层之间、各个领域之间、各个不同层次的系统之间，就可能存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。具体来说，垂直方向上，各个圈层之间、各个圈层内部的各个次级层次之间，都可能存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。例如，大气圈与水圈之、大气圈与岩石圈之间、水圈与岩石圈之间存在着物质的传
10、输、能量的流动和信息的传递。再如，大气圈中的对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层之间，海洋的表层、中层与深层之间，岩石圈的地壳、上地幔、软流层之间也存在物质的传输、能量的流动和信息的传递。在水平方向上，大洋与大陆之间、大洋与大洋之间、大陆与大陆之间、地区与地区之间存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。通常所讲的海气相互作用、陆海相互作用，就是指由于海洋与大气、大陆与海洋之间的物质、能量、信息的交换而导致的正、负反馈作用。生物圈很难与其他圈层截然分开，它与其他圈层相互交织在一起，与其他圈层之间也存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。例如，生物圈与大气圈之间、生物圈与水圈之间、生物圈与岩石
11、圈之间，以及生物圈内部的各个部分之间（如动物、植物、微生物之间，乔木层、灌木层、枯枝落叶层之间，也都存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。不同层次的圈层之间同样存在物质的传输、能量的流动和信息的传递。通常所说的大气循环、水分循环、地质循环、生物地球化学循环（如碳循环、氮循环、磷循环、氧循环）等，都是跨圈层、跨层次，在空间上立体交叉，在时间上具有不同尺度的物质传输过程。在这样的物质传输过程中，伴随着相态的变化、能量的流动与转化，以及信息的传递。二、地球表层系统的可预测、可调控功能。除了处于混沌状态的系统外，许多系统是可以预测、调控的。由于地表系统存在物质的传输、能量的流动和信息的传递，并且由
12、于物质的传输、能量的流动和信息的传递，决定了系统的结构与功能，决定了系统的演化，故可以通过研究地表系统物质传输、能量流动和信息传递的过程与规律，来预测系统的可能变化，通过改变系统的物质流、能量流或信息流，来改变系统的结构与演化的趋势，从而达到对地表系统进行优化、调控的目的。5第四节 人类与地球表层环境人类产生于地球表层，在地球表层环境中发展、演化。可以说，在长期的发展、演化过程中，人类与地球表层环境之间，已经建立了一种密不可分的关系。并且随着人类改造自然的能力的提高，人类不再是被动地适应环境，而是在不断地改变着地球表层环境。人类与地球表层环境的关系，由人类诞生早期的环境对人类的单向影响为主，变
13、为现在的人类与环境相互作用、相互影响的格局。一、地球表层环境对人类的作用与影响1、地球表层环境的演化与人类的诞生 到目前为止，科学家只发现地球上存在着人类。人类在地球表层环境中产生，人类是地球表层环境发展、演化、分异的产物。研究发现，人类是由森林古猿的一支演化而来的。第三纪晚期是古猿的繁盛时期。由于环境的变化，森林面积缩小，草原范围扩大。一部分森林古猿仍然留在森林中生活，它们逐渐演化成今天的猩猩、大猩猩等。另外一部分古猿不得不在草原上生活。草原环境的生活，促使它们直立行走和利用前肢抓取食物。从而引起身体器官功能的改变，尤其是大脑的发育。当草原上生活的古猿不仅学会了使用工具，而且学会了制造工具时
14、，也就完成了由古猿向人类的转化，人类也就诞生了。可以看出，在古猿向人类发展、转化的过程中，地球表层环境的变化与分异发挥了重要的作用。2、地球表层环境的区域分异与三大人种的形成 一般来说，可以把人类分为三个种族，即三大人种。它们是尼格罗人种、欧罗巴人种和蒙古人种。也就是通常所说的黑种人、白种人和黄种人。这三大人种的形成，与地球表层环境的区域分异是分不开的。尼格罗人种形成于热带的草原旷野上，那里太阳辐射强烈，而色素较深的黑皮肤和浓密的卷发能对身体与头部起保护作用，宽阔的口裂与外粘膜发达的厚唇，以及宽大的鼻腔也有助于冷却吸入的空气。欧罗巴人种，主要形成于欧洲的中部与北部。那里的气候寒冷，云量多而日照
15、弱，因此人体的肤色、发色和眼睛的颜色都较为浅淡。人的鼻子高耸，鼻道狭长，使鼻腔粘膜面积增大 ，从而使寒冷空气被吸入肺部时可以变得温暖些。蒙古人种形成的环境没有非洲的炎热和欧洲的寒冷，故形成较为适中的人体特征。 即使是同一人种，由于各个地区环境的差异，不同地区的人的人体特征、性格也存在一定的差异。例如，有的地区人的身高普遍较高，有的地区却普遍较矮；有的地区人的肤色深一些，有的地区则浅一些；有的地区人的体形魁梧一些，而有的地区却小巧一些；如此等等。3、地球表层环境对人口分布的影响 人类生活在地球表层，必然受到地球表层环境的影响。从人口的分布看，目前占地表约 71%的海洋无人居住。即使在陆地上，也有
16、 35%40%的地区基本上无人居住。 （世界陆地总面积是 1.495108 km2）全球 1/3 的人口集中在 1/7 的土地上。据 2005 年的资料，世界平均人口密度为 41.5 人/ km2（陆地土地面积不包括极地永冻冰盖与冰川） 。亚洲、欧洲的人口最多，占世界人口的 3/4 以上，人口密度最大。6世界上人口最密集的地区是南亚、东南亚、东亚，次为西欧、中欧、南欧，再次为北美大西洋沿岸和北美五大湖地区。世界上人口稀少的地区是北美洲和亚洲的近极地和高寒地带，以及撒哈拉、中亚、澳大利亚的荒漠地带。此外，热带的亚马逊流域、刚果河（扎伊尔河）流域，因开发难度大，人口密度也很小。中国的人口分布也很不均匀：东部地区，尤其是沿海地区人口密度大，而西部地区，尤其是干旱和高寒地区密度小（图 3-4） 。黄河与长江中下游平原地区人口密度大，而上游山区密度小。图 3-4 我国人口密度（人/km）的东西差异（1991） （刘南威综合自然地理
