自然地理学教案 (7).doc

授课题目第二章 系统科学与自然地理系统 第一节 系统科学概述授课类型理论课首次授课时间2009年09月12日学时2教学目标通过本节课,使学生：了解系统的定义、组成部分；掌握系统和基本性质；了解系统科学的基本内容。重点与难点1系统的基本概念；2系统科学的基本内容。教学手段与方法多媒体教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）第二章 系统科学与自然地理系统第一节 系统科学概述系统科学可以说是20世纪最重要的科学成就之一。自40年代起，从系统论的诞生到信息论、控制论、耗散结构论、突变论、协同论，再到系统工程的出现，直至系统科学体系的初步形成，历时近半个世纪，如今在自然科学与社会科学各个领域已得到广泛应用。为应用系统科学的理论与方法、充实并改进地理科学，应对它有一个基本的了解。一、系统的定义（10分钟）“系统(system)”一词在当今社会被广泛使用着，如生态系统、呼吸系统、消化系统、教育系统、金融系统、公安系统等等。那么，究竟什么是系统？什么是系统科学？它的提出有什么科学意义？我们为什么要学习系统科学？这些都是我们首先要明确的科学问题。关于“系统”的定义有几个主要的表述。系统论建立之初，其创始人美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲（L.von Bertallanffy）认为，“系统是相互作用亦即相互联系的诸要素的复合体”。后来，他对该定义又作了补充，认为“系统是处于相互联系中并与环境发生关系的各级组成要素的总体。”我国著名物理学家和系统工程学家钱学森在其论系统工程（1982）一书中，将“系统”一词定义为：“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体”。从以上两个定义中可以看出对系统的表述上有一定区别：前者表达了“系统与环境发生联系”；后者则表明系统应“具有特定功能”。因此有的学者认为将这两种对系统的表述综合起来更为全面。即系统是由处于相互联系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）构成的具有特定结构和功能的有机整体。可见“系统”的定义体现系统的整体性、组成的多元性、系统内外的关联性，以及系统的结构与功能性质。二、关于系统的几个基本概念（20分钟）刚才我们对系统下了定义，为了正确理解系统的概念，必须对要素、环境、相互联系、结构与功能这5个方面有一个比较全面的了解。1要素要素是构成系统的基本单元，是对系统组成部分、组分、成分或个体的抽象概括。如生态系统是由各种植物、动物、微生物、无机环境（土壤、水分及近地面大气）等要素组成。太阳系是由太阳、八大行星和众多小行星构成。一个系统的要素数目至少两个以上，仅仅一个要素构不成系统。在很多情况下，系统本身也是次一级的生态系统。如生态系统中的植物本身又是由根、茎、叶等器官（子系统）构成；太阳系统中的地球又由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、人类圈、地壳、地幔和地核等圈层（子系统）构成。由此可见，系统的范围是相对的，它与系统的规模和复杂程度有关。所以钱学森在规定了系统的内涵之后，又指出：“而这个系统本身又是它从属的一个更大系统的组成部分。2环境 任何系统都是有限的研究对象，也就是说，任何系统都有明确的边界限制。我们把任一系统边界外部的所有其它事物称为该系统的环境。如我们地理学研究对象为地理系统，地理系统的环境是什么？地理系统的边界为对流层顶至沉积岩石圈底部，那么地理系统的环境包括对流层以上的大气圈层、广阔的宇宙空间、以及地壳下部的岩石圈、地幔和地核。若考察地理系统某个子系统（气候、水文等），那么该子系统以外的其它地理要素（子系统）就成了它的环境。3相互联系 相互联系是指系统各要素之间以及系统与环境之间通过某种方式相互影响、相互制约、相互依存的性质。相互联系的实质是指点系统各要素之间以及系统与环境之间发生的广泛的物质、能量和信息交换。这里所说的“物质”是指物理学上的宏观、中观和微观实体材料，包括各种固体、液体和气体物质。“能量”是度量物质运动能力强弱的概念。如热能、势能和动能等，它是以物质为载体。“信息”是一个抽象概念，是主体（人和其它事物）所感知的事物运动状态和存在方式的形式、含义和效用的知识或情报。例如，动物通过感官感知到它周围某个地方有动物发出的声音或气味，可判断该动物是不是自己的天敌，如果是自己的天敌，它是采取某种方式予以躲避。信息是以物质和能量为载体，但与物质和能量又有本质的区别。 由于系统要素之间存在着相互联系，所以某一要素之间发生变化势必引起其它要素的改变，从而使系统表现为一个有机整体。在自然界和人类社会中，几乎全部系统都与环境发生联系，因此，系统的存在状态和演变行为不仅与系统本身的性质有关，而且与它的环境性质也密切相关。4 结构 系统的结构是指系统内部各要素相对稳定的组织形式（秩序）或分布关系的总称。如我国的国家行政管理系统是由中央、省、。村通过政令统一的方针政策维持在一起的组织结构形式。某个工厂是由厂长、经理、业务主管部门、生产班组按照特定的生产任务维持在一起的。可以看出，系统结构的形成在于各要素之间的相互联系、相互作用，其实质是各要素间物质、能量和信息的流通和转换。 根据系统要素的组织或分布方式，可将系统的结构分为三种基本形式。第一，空间结构。所谓空间结构是指系统各要素在空间上的排列组合或分布形式。这种结构形式随处可见，如地球的圈层结构、植物群落结构、土壤层次结构等等。这些都是系统空间结构的典型例子。第二，时间结构。所谓时间结构是指系统各要素随时间的进程所表现出来的有规律变化或分布形式。例如地理环境的四季周期变化、生物钟现象都属于时间结构。第三，时空结构。时间结构是系统的时间结构和空间结构的统一。任何系统既不能脱离空间而存在，也不能脱离时间而左存在，空间结构总随着睦间发生改变，只是变化的快慢和明显程度不同而已，因此，系统的时空结构更具有普遍性。例如，树木的年轮在空间上表现为一个年轮，在时间上则表现为一年。 这里还要特别指出的是，虽然系统结构以要素为基础，俣是要素是查对活动易变的，而系统的结构具有相对稳定性。例如，对于一个人来说，由于生理的新陈代谢作用，过一段时间之后，他的躯体大部分或全部组成物质被更新了，但是他的结构没有变，人们并不会因他的构成物质被更换而不认得他。5功能 功能是系统内部要素之间活动关系的总称。这里所说的要素活动是指要素的各种运动、变化和作用；要素的活动关系是指某一要素的活动对其它要素活动的影响，或某一要素对其它要素的作用。系统的功能表现形式多种多样，但最终都体现在系统把接受的环境作用（输入）转换为系统对环境的作用（输出）的能力，即系统对输入的响应能力。例如生态系统中的植物利用环境中的太阳辐射、二氧化碳、水和其它养分，通过光合作用形成有机化合物，表现为植物性生产力，这就是生态系统的基本功能。三、系统的基本性质（30分钟）系统在自然界与人类社会中无处不在，而且种类复杂多样。但是系统论的研究表明，系统虽然有各自不同的特殊性，但尚有其共同性质，其基本的共性有如下方面：（一）整体性系统的整体性是指系统内部各要素间相互联系、相互制约，共同构成一个有机整体，系统中某一要素的变化会引起其它要素变化，乃至整个系统发生变化的性质，所谓“牵一发而动全身”便是对系统整体性的形象表述。例如，位于我国干旱与半干旱区的黄土高原区，由特有的气候、水文、土壤、生物和地貌共同构成的一个复杂的自然地理系统。如果当地的植被遭到大规模破坏以后，生物的截流和蓄水能力下降，地表径流增加，由于黄土高原黄土抗蚀能力差，遇水极容易发生侵蚀，径流增加就会引起大规模土壤侵蚀，地力下降，生物衰退，进而使大气湿度减小，气候干旱加剧，出现整个自然地理系统的逆向演化。系统的整体性具有如下含义：首先，系统中的每一个要素都具有一定的作用，都是系统不可缺少的组成部分，如果某一要素缺失，则该系统的功能即受到影响，原有系统的性质将会发生变化。这就像一部机器一样，每一个部件都是不可缺少的，在系统中有特殊的作用。例如自然地理系统中的土壤是结合无机界和有机界的中心环节，离开它就不能形成植物界，没有植物界也就没有动物界，没有动物界和植物界也就没有生物圈，滑有生物圈也就有自然地理系统。当然，这并不是说系统中所有的要素都是同等重要的，往往可以分为主要因素和次要因素，主要因素对系统的作用大于次要因素。其次，系统各要素之间的相互联系是系统整体性形成的唯一原因。系统各要素之间通过能量、物质和信息流联系在一起，形成复杂的统一整体。如果系统中某一个流通环节出现故障，系统内各流通环节将受到影响，整个系统亦将发生某种变化，在自然界与生活中这种实例是常见不鲜的。（二）稳定性系统的稳定性也叫自稳性，是指系统的性质是在一定的内外干扰下不发生相应改变或发生改变后可以自动恢复原来状态的性能。外干扰是指来自系统之外的环境因素的干扰，内干扰则指发生于系统内部某些要素的随机干扰。内、外干扰在某种程度上都可能使系统的状态和属性在其平均值（状况）附近发生波动变化，这种波动又称之为“涨落”。可见系统的稳定性就是系统抵抗其所受内外干扰或涨落影响的性能。系统之所以具有稳定性是由于系统内部存在一系列负反馈机制或自我调节机制。所谓的反馈是指系统的输出反过来能够控制系统输入的现象或过程。反馈又分为正反馈和负反馈。负反馈是指反馈的信息与输入的信息方向相反或符号相反，系统按原来方向发展的趋势被抑制，出现与原来方向相反的发展趋势的反馈；正反馈是指反馈的信息与输入的信息方向相同或符号相同，系统按原来方向进一步发展的反馈。可见，正反馈可以使系统偏离正常状态，表现出不稳定性；负反馈可以抑制系统偏离正常状态，保持系统的稳定性（系统科学及其在地理学上的应用p27）。系统的稳定性或稳定程度的大小主要与系统的组成和结构的复杂程度有关。系统的组成和结构越复杂，物质、能量和信息流通的途径越多，自然抗干扰的方式或途径也越多，不致使系统轻易受到破坏，故其稳定性能也越大。反之则系统的稳定性脆弱。任何系统的稳定性都是相对的、有条件的，它的自我调节能力均有一定限度，当系统的内、外干扰超过该限度后，系统的整体功能会发生重大变化。变化后的系统有两个截然不同的演变方向：或进化，或发生退化，然后再趋向新的相对稳定。由此我们可以看出，要使系统向高级方向发展，必须对系统实施正确的干扰，并且干扰能力应大于系统的自然调节能力。（三）层次性系统的层次性是系统结构特点的表现。任何系统其内部要素的相互联系会形成一定的组织结构形式。系统的结构状况决定着系统的性质、类型与功能。系统内部的结构通常是有一定组织层次或级别的。系统内部的层次又称为“系统的组织水平”，它反映一个系统的复杂程度。例如：一个大系统可由若干次级的亚系统组成，每个亚系统又可由若干子系统组成，子系统又可依次再划分下去，直至其最基础组织单元或元素为止。如图3（p18）所示，系统A中包含五个亚系统B1、B2B5，而亚系统B1中又包括更次一级的子系统C1、C2、C3、C4。在系统A内，B1B5之间的箭头符号表示亚系统之间的联系状况，联接的整体状况反映系统A的组织结构形式等。（四）开放性系统的开放性是指系统与其周围环境的联系性质而言。也就是我们所说的系统与其环境发生物质、能量和信息交换的性能。其表现是系统从其周围环境输入物质、能量与信息，以及经由系统向其外环境输出物质、能量与信息。系统的开放性是一切系统存在与演化的前提，也是系统的一个普遍特性。（五）动态性系统状态随时间不断变化的性质称为系统的动态性。按辩证唯物主义的观点，客观事物是运动的，绝对静止的事物是不存在的。动态性是系统的本质属性。系统在完成与环境间进行物质、能量与信息的交换过程时，自身也在随时间不断发展变化着。系统动态性有多种表现形式：1周期性与非周期性变化关系：周期性变化表明系统在一定时间段内的变化有规律的重复。在地理系统中，周期性变化是非常明显的。如气温、潮涨潮落的日变化，月相、大小潮是以月为周期的变化，气候、候鸟迁移、季风转换都是年变化，太阳黑子导致的地理现象和过程以11周年为周期的等等。非周期变化是因系统受某偶然的、随机性干扰而发生的无固定周期的变化。例如地震、火山喷发，旱涝灾害等等。2线性与非线性变化：线性变化是指系统的各变量之间对应变化为一次方关系，即在二维平面上表现为直线关系，在三维空间中表示为平面。地理系统中，存在一些线性关系，如土壤含水量与降水量之间的关系等等。但是在地理系统中，各要素的关系主要是非线性变化，非线性变化指系统各变量间的变化为在二维平面上表现为曲线，在三维空间中表现为曲面。3渐变与突变：系统变化遵循“由量变到质变”的规律。系统的渐变为量变，表现为连续的渐进型变化动态，如温度的上升和下降，物质的扩散过程等等。在数学上可用微分方程或概率与离散数学方法表述。系统的突变则为质变，如地震、火山喷发，对于突变动态现今已尝试用突变论数学方法表述。（六）自组织性系统的自组织性是指组织水平低的系统由于其内部各要素间的协同动作或联合行动，使系统的组织水平不断提高，即其有序程度逐步提高的性质。而系统的有序性或有序程度一方面表现在系统内部各要素（或部门）间联系的有秩序、有条理和受一定程序的制约；另一方面表现在系统内部其结构组织（在空间、时间和功能）方面的严谨程度。自组织性或自组织能力是开放系统不断发展进化的重要性质和能力。协同论是研究系统自组织性的重要教学工具。四、系统科学的基本内容（一）系统论、信息论与控制论系统科学是研究系统的一般性质、运动规律、系统方法及其应用的科学。在其体系中，1945年贝塔朗菲发表的论一般系统论是其基本部分。一般系统论是以系统概念为基础展开研究，揭示不同性质的系统之间所表现的存在方式和运动方式上所共同遵循的规律。它认为尽管各种系统千差万别，但都应具有某些共同的属性，如整体性、层次性、稳定性、动态性等，它强调系统的运动有序才能使系统稳定，最终形成最稳定的结构是系统的终极目的。信息论是在20世纪40年代末由美国数学家申农（CEShannon）所创立，以其1948年发表的通讯的数学理论为代表作。他特别重视数字通讯与计算机的应用。早期信息论在于研究建立由信息源到信息转换传输到信息接受的通信系统模型，其后迅速发展成为研究信息的发生、传输、转换、存储、处理、显示识别和利用的技术学科，成为系统科学中尤其作为系统控制的不可缺少的一部分。与信息论基本同时产生的控制论（Cybernetics）由美国数学家维纳（N.Wiener）所创。维纳早就注意到控制论所面临的是解决自动控制系统的问题，这种系统的特点是要根据周围环境的某些变化来决定和调整自己的运动。他把功能模拟法、系统分析法、反馈方法、信息方法作为科学方法，自觉地运用于控制和通讯系统的研究中。故控制论是通过调节系统的信息反馈过程，对系统的功能和行为实施控制，以实现系统达到最终稳定的目的。一般系统论，信息论与控制论（SIC）三者的关系存在着有机的联系。一般系统论着重揭示系统的一般原理与基本规律。信息论注重定量地表述系统内部以及系统与环境间的联系。一个系统的信息量的大小反映着该系统的组织水平的高低，系统越复杂，信息就越重要。控制论着重运用系统论与信息论的原理与方法对系统实施调节控制。对于自然地理学而言，应用系统论、信息论与控制论，把自然地理环境作为自然地理系统进行研究，其方向无疑是正确的。（二）耗散结构论、突变论与协同论随系统科学的不断发展，研究者们发现系统论、信息论与控制论对于系统是如何组织的问题，它如何随时间演化以及其演化的内在机制问题均尚未解决。在这种背景下，20世纪60年代以后新的系统科学理论如耗散结构论（Dissipative Structure Theory）、突变论（Catastrophe Theory）和协同论（Synergetics）相继产生，通常称为新三论（DSC）。耗散结构论是比利时物理化学家普利高津（I.Prigogine）于1969年首次发表的。他认为自然界中的许多开放系统在远离平衡态情况下可形成新的有序的结构，称之为“耗散结构”。根据他的理论，地理系统、自然地理系统等均具有耗散结构特点（在本章另有叙述）。耗散结构理论成功地解答了长期困扰人们的关于系统存在的自组织现象（功能）的问题。突变论是以法国数学家托姆（R.Thom）于1972年发表的结构稳定性和形态发生学论著为代表。系统的突变是非线性动力学系统的一个普遍属性，突变论研究系统的连续过程中发生突然变化即不连续变化的机理，为系统从一种状态到另一种状态的转变提供了更精确的数学表述方法，使人们加深了对系统的无序和有序之间的转变方式和途径的理解，并可在此基础上对系统的行为进行预测和控制。协同论由德国理论物理学家哈肯（H.Haken）于1977年发表的协同论为代表。协同论认为，一个与环境有物质、能量和信息交换的开放系统，在其内部参量达到某一阈值时，系统即可通过各子系统的协调作用和相干（涉）效应，使系统从无序混乱状态转变为宏观有序状态。哈肯指出，系统演化的动力是其内部各子系统之间的竞争和协同，而不是外部的“指令”。系统内部各部分将通过非线性相互作用协调，表现为各子系统间自发调节为最优化调节，即运动规律的协同。协同论与耗散结构论相比则更注意揭示系统内部各子系统的协同作用，即更注重系统自组织机理的研究。从以上对“新三论”的概略了解中，不难看出它们对于自然地理系统演化过程中的趋稳性、抗干扰性和自组织功能的分析研究，具有十分重要的理论和方法意义。（三）混沌论与分形几何学在系统科学发展过程中，随着对复杂系统的深入研究，科学家们发现在自然界许多复杂系统中存在着大量“混沌”现象。美国气象学家洛伦兹（E.N.Lorenz）首先在大气系统中发现了混沌现象，并于1963年提出了“混沌论”（chaos）。所谓“混沌”是指在复杂系统内部，某些看似确定性的事件中隐含着不确定性、不可预测性的随机现象，这种现象是由系统内部的性质决定的。此外，作为混沌论的姊妹篇，在数学中产生了所谓“分形论”（Fractal），又称分形几何学或混沌几何学，由美国应用数学家曼德尔布洛特（B.B.Mandelbrort）于1975正式提出。分形论举例说，自然界中有若干几何形状，当用不同比例尺的量度单位去测量时，会发现其几何形状总具有相似性。例如一个河流水系，干流与其一级支流组成树枝状水系，其一级支流与其二级支流、二级支流与三级支流等依次均可构成树枝状水系。这去自然地理学对此仅有定性的表述，分形论则从数学角度对此类问题作出了深入的数学表述。据以上两论可以概括地说，混沌论是从复杂系统内部的细微处探究其不确定性发生的机制，分形论则是从复杂系统形态的局部细微处去“见微知着”，用严谨的数学形式表述系统整体的几何特征。混沌与分形都是研究复杂系统的有力工具。从以上对系统科学的简单介绍中，已经看出系统科学与地理科学有极强的亲合性，对自然地理学而言尤为突出。由于系统科学的各种理论和方法都是建立在相当深度的数理推导的基础上，所以要把自然地理环境视为自然地理系统，将系统科学的理论与方法有机地融于自然地理学之中，地理学工作者们应当尽可能地提高数学水平是一个必要的前提条件。思考题、讨论题、作业教学后记授课题目第二章 系统科学与自然地理系统 第二节 自然地理系统授课类型理论课首次授课时间2009年09月15日学时2教学目标通过本节课,使学生：了解系统的分类；掌握自然地理系统的分类和基本性质；掌握耗散结构理论。重点与难点1自然地理系统的分类；2耗散结构理论。教学手段与方法多媒体教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）第二章 系统科学与自然地理系统第二节 自然地理系统一、系统的分类世界上的系统成千上万，虽然它们有许多共同之处，但是就各种具体系统而言，它们的组成、结构和功能又有许多不同。也就是说各种系统是共性和个性的统一。为了对客观存在的各种系统开展深入的研究，就有必要对系统进行分类。目前，关于系统的分类尚无统一的方案。不同学者的着眼点不同、研究目的不同，有不同的分类方案。下面简单介绍常见的系统分类方法。1、 按系统内容划分：（1） 天然系统、半天然系统和人工系统天然系统是指很少受人类活动影响或影响非常轻微的系统。如银河系等等。半天然系统是指在天然系统基础上，叠加有相当程度的人类活动影响的系统。人工系统是指在天然系统和半天然系统的基础上，由于人类活动强烈影响使自然面貌发生了重大改变的系统，或纯粹由人工制成的系统。（2） 自然系统、社会系统、思维系统（3） 实体系统、概念系统2、 按系统的规模与复杂程度：可分为小系统、大系统、巨系统、简单系统和复杂系统；3、 按系统的运动状态可分为：稳态系统、非稳态系统、线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、确定性系统和非确定性系统；4、按人类系统的认识程度可分：黑色系统、白色系统和灰色系统等等。根据系统的“颜色”可将系统划分为黑色系统、白色系统和灰色系统。这里的颜色并非指真正的颜色，而是指人类对系统内部结构和过程的了解程度。对系统完全不了解时称为“黑色”，对系统完全了解时称为“白色”，对系统半了解半不了解时称为“灰色”。（1）黑色系统：黑色系统是指人们只知道输入与输出关系，而不知道系统内部组成、结构和过程的系统。这就好像一个不能被人们打开进行研究的黑箱子，内部漆黑一团，人们对其内部组成、结构和过程一无所有。故又称黑色系统为黑箱系统。（2）白色系统 白色系统是指人们不仅知道输入、输出关系，而且还知道系统内部组成、结构和过程的系统。这就好像一个能够被人们打开进行研究的黑箱子，内部漆黑一团，人们对其内部的组成、结构和过程大白于天下，故又称白色系统为白箱系统。（3）灰色系统灰色系统是指人们已经知道输入、输出关系，但对系统内部组成、结构和过程并不十分清楚的系统。因此人们对其的了解也是介于黑箱和白箱之间，故也称之为灰箱系统。5、按系统与环境的关系分类，将系统分为孤立系统、封闭系统、开放系统。在这里，根据我们的研究需要，仅对系统与环境关系分类方法进行介绍。（1）孤立系统孤立系统是指系统与环境之间既没有物质也没有能量交换的系统。自然界里没有这种系统，只有在特定条件下如实验室内人为控制条件下所造成的孤立环境。如密封很好的保暖或保冷装置，便可视为近似于孤立系统。（2）封闭系统封闭系统是指系统与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统。其实在自然界里也无严格的封闭系统，类似的封闭系统也只能在实验室中存在。例如，一个密封完好的钢瓶或饮料瓶可以近似看作是封闭系统。（3）开放系统系统本身与环境之间既有物质交换又有能量交换的系统称为开放系统。开放系统在自然界和人类社会中广泛存在，大到地理系统、自然地理系统、生态系统，小到一只昆虫、一个气体分子等等都是开放系统。为什么要区分孤立系统、封闭系统、开放系统，因为这是系统与环境之间的关系不同，直接影响系统的组成、结构和功能，更控制着系统的演化方向。二、自然地理系统及其分类何谓自然地理系统？从系统论的角度来定义，自然地理系统是地球表层所有自然地理要素构成的具有时间、空间动态的整体，其本身又由若干层次的子系统所组成，由地外空间输入以太阳能为主的能量和宇宙物质，在系统内形成以能量流、物质流和信息流联系在一起的有一定结构、完成一定功能的开放的自然系统。正如前述，我们认为自然地理环境即是自然地理系统。在本教材中，有时在很多教材中仍习惯上用自然地理环境一词的地方，可理解为自然地理系统的同义词。从不同的角度出发，对地理系统或自然地理系统也可划分不同的类型。今从系统的结构功能和层次性方面的分类介绍如下：（一） 按“结构功能”的分类乔莱分类：1971年，英国地理学乔莱（R.J.Chorley）将一般地理系统分为四种基本类型，其目的在于估计各类地理系统的解析难度和完成系统分析所需要的地理信息及各类参数。按系统结构与功能的由简单到复杂，其分类如下（图4）：1形态系统依照系统的各组成成分（或要素）之间的结构网络形式及性质划分的系统。单纯由地理系统各组成要素的排布、联系及结构网络来确定，在地理研究中，只要找出系统所包含的要素，确定各要素之间的相互联系渠道以及这种联系的方向和强度，就能建立一个形态系统；它可以体现“地理事实”和“地理结构”。2级联系统这种系统是由物质或能量的运行路径来确定，也就是用物质流或能量流来表达的系统。要分析阐明物质或能量对系统的输入，在系统内的运行途径、方式，以及系统输出的过程。它主要体现系统的“地理过程”。3过程响应系统这类系统是形态系统与级联系统的耦合，它更符合自然地理系统的实际。在该系统中“形态”要与“过程”相结合去分析，系统“结构”的功能要通过系统内物质流或能量流的转换过程反应（或“响应”）出来。对于这种系统，应在分析明了系统内部结构与各部组成之间的定量联系，通过实验或理论分析，确定各部分间物质或能量的流动方向、强度和流通速率等，便可在设定系统处于稳定运行状态条件下建立某种数学模型，从而将输入变量通过系统内部结构的作用，得到输出变量的“响应”结果。4控制系统它本身也是过程响应系统，只是在系统中有某个关键部分，可被某种有意识的手段加以控制，以便使系统的功能按某种既定的方式发展，以达到预期目的。这类系统的复杂性又高于过程响应系统，也属于更高级的自然地理系统类型，是自然地理系统应用研究的方向。 A I A O B C 1. 形态系统 2. 级联系统 I A O I A O B C B C 3. 过程响应系统 4. 控制系统图4 乔莱分类（A. G. 威尔逊，1981）（二） 按系统等级的分类比尔分类按系统的等级分类也就是按系统规模分类，实质上也可以说按系统的层次性对复杂的巨系统由高层次到低层次顺次进行划分的一种等级分类，可由图5形象地表示。这种分类是由英国地理学家威尔逊（A.G.Wilson,1981）依据比尔（S.Beer）于1967年提出的地理系统等级空间分辨率圆锥的概念所划分。其含义在于，一个巨系统内包含若干等级（层次）的子系统，依系统规模的由大到小，即等级的由高到低，其研究分辨的精度要求则低到高增加。换言之，对于全球规模的范围研究，应用小比例尺的单位；对于规模小的地域系统则应用大比例尺单位作更详细的研究。按照这种原则，可以根据需要将整个地球这一巨系统划分为若干不同等级的次级系统，如大陆、大洋、洲、国家或地区，乃至省、市、县或至小流域，研究精度与要求将逐级增高。这种分类对于区域地理系统或区域自然地理系统研究，其实际意义很明显。以上所举的地理系统分类，只是一般的概括的划分，对于地理系统或自然地理系统的建立，类型的确定，应依据研究目的和具体对象的复杂程度，确定系统类型，以便有针对性的确定分析方法和手段以解决问题。三、自然地理系统的基本性质依据系统论，一般系统所具有的性质在自然地理系统中普遍存在着，有关它的基本性质将在以后各章节中另作阐述。为说明耗散结构理论对于自然地理系统的意义，必须先对自然地理系统的基本性质作概要说明。首先，自然地理系统是一个组织结构复杂的多层次（或多等级）的大系统。在第一章里曾经指出，在地球表面可能存在着相似的自然地理区域，但绝不会有完全相同的自然地域。这实质上就是由自然地理系统在不同空间、不同层次上其组成的差异和结构的差异所决定的。其次，自然地理系统复杂的结构组织决定了其功能也具有复杂多样性。系统的功能是系统的组织结构在内部与系统外部的联系中所表现出的特性和能力，或者说结构是发挥功能的基础，功能是结构实效的表现。自然地理系统的功能很多，后有专述。这里仅举一个例子：在干旱气候地区，看似荒凉的广阔的大沙漠中，却分布着生机盎然的绿洲。显然沙漠与绿洲的系统组成、结构及自然功能很不相同。人所共知，作为自然地理要素的水是绿洲生存的基本要素。而从系统科学的观点看绿洲中水的实质时，用耗散结构论可作合理的解释。第三，自然地理系统在不同地域的差异表现是有规律的、有序的。这种有序性分为空间有序和时间有序两方面：地球上自然地理的区域差异性本身即体现了系统的空间有序；自然地理区域差异是在自然地理系统发展过程中形成的，又体现了系统的时间有序性。耗散结构理论也可解释这种有序性。第四，自然地理系统从简单向复杂、从无序向有序发展的动态过程，是由其开放性这一根本属性所决定的。系统的开放性则是耗散结构学说立论的基础之一。开放系统由外界接受能量及物质等的输入，经系统内的流通而输出系统的过程是不间断的。对于自然地理系统而言，太阳辐射能以高能状态输入系统，经系统内的流通消耗，最后以低能状态输出系统。耗散结构论正适于解释自然地理系统的这一开放性基本特性。四、耗散结构理论在自然地理系统中的应用 在学习耗散结构理论之前，我们有必要了解热力学第二定律与熵。（一）、热力学第二定律与熵1热力学第二定律该定律于1850年由德国物理学家克劳修斯（R.Clausius）所提出。它有几种不同表述方式：（1）热量总是从高温物体传向低温物体，不能作相反的传递而不带有其它的变化。（2）功可以转化为热，但任何热力发动机不可能将所接受的热量全部转化为机械能。（3）孤立系统内实际发生的过程（由高温向低温转化的过程），总使整个系统的熵值增大。故该定律又称为“熵的增加原理”。2熵的概念克劳修斯提出热力学第二定律之后，于1865年又提出一个表示物质系统的热或能量状态的物理量，称之为“熵”（entropy），用S表示。它不同于温度、压力等物理量，而是一个函数，又叫做“态函数”。熵的概念是：一个物体的绝对温度为T（K），使该物体增加热量Q（cal），该物质的熵就增加 S=Q/T；设从该物质取去热量Q，则该物质的熵即减少S=Q/T。显然该函数的物理意义表示：熵的变化量S为单位绝对温度（K）的热量变化值，它反映该物质热状态（或能量状态）所发生变化的程度。熵的单位是cal/K。依据热力学第二定律的（1）、（3）两种表达方式，在一个孤立系统内有两种温度分别为T1和T2且T1T2的物质相结合，则有热量Q从高温（T1）物质向低温（T2）物质转移，这时高温物质所减少的熵为 S1 =Q/T1 ，低温物质所增加的熵为S2=Q/T2。由于T1T2，所以Q/T1Q/T2，即S1S2。因此，该系统内熵的变化应是：S=（S2S1）0，从而该系统的熵值在增加。从分子运动论的观点看，由于分子的热运动，随物质系统内温度的降低，分子运动要从有序趋向混乱无序，而熵值变大即表示系统内分子混乱程度增加，理论上系统最终将呈现“热力学平衡状态”。上述对熵作了一个简要的介绍，那么大家对熵是否明白？熵，是一种抽象的物理量，是系统内部大量粒子热运动无序化程度的反映，也就是表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。熵越大说明这个系统的能量分布得越均匀，运动越混乱，这个系统是无序的；熵越小表明这个系统的能量分布得越不均匀，这个系统越有序。封闭系统的熵是不可逆的，一定是增大的，从小到大，从有序到无序，而处于热平衡状态。换句话说，“熵将随着时间而增大”。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两个水库连接起来，并且其中一个水库的水平面高于另一个水库，那么，万有引力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水面升高，直到两个水库的水面均等，而势能也取平为止。 因此，克劳修斯说，自然界中的一个普遍规律是：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”。（二）、耗散结构理论耗散结构论是近十几年来发展起来的一门研究非平衡态开放系统的结构和特征的新兴学科。耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。它被誉为70年代科学院的“辉煌成就之一”。耗散结构论的创始人是比利时物理学家普利高津教授， 1969年他在国际“理论物理与生物学会议”上，发表结构、耗散和生命一文，提出了这一理论，受到各国学者的重视。普利高律由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。他认为：孤立系统不能和外界交换能量和物质，系统的熵最终要达到最大值，其时系统的状态称为“热力学平衡态”，平衡态是无序的。反之，有序的（有规律）的状态一定是非平衡状态。所以说“非平衡是有序的本源”。开放系统在其远离平衡态时靠不断从外部环境获取能量和物质，并且在消耗一定的能量或物质的过程中逐渐形成规则有序的结构，故称这种结构为“耗散结构”。耗散一词，原意是指开放系统与外界进行的物质、能量、信息的交换运动。耗散结构则是指远离平衡态的开放系统，通过耗散运动形成的一种动态稳定的有序化结构，即由原来混浊无序的状态转变成一种在空间上、时间上或功能上的有序状态。耗散结构在客观世界中是普遍存在的。物理学中的激光就是耗散结构的典型，当外界输入的激发能量较低时，原子象在一般光源中那样独立无规律的