自然地理系统的物质循环模式.doc

自然地理系统的物质循环模式从前面的学习中我们了解到我们的研究对象是自然地理系统，之所以称其为系统，是因为其各组成成分之间相互联系、相互作用，这种联系和作用是通过物质循环和能量转换来实现的，这就是系统的功能。另外我们的自然地理系统是一个开放系统，与外界是可以进行物质和能量的交换的。各组成成分相互联系、相互作用、物质循环、能量转换和开放系统共同构成了自然地理系统的整体性特征。自然地理系统的整体性特征是综合自然地理学理论体系之一，是普通自然地理学派的理论内容。另一个景观学派的理论是自然地理系统的区域性，是我们在第四章要学习的地域分异规律的内容。物质循环必须以能量为动力。没有能量，物质循环就不可能进行。而物质和能量是一个统一体，任何物质本身都包含着一定的能量，能量又一般以物质为载体。因此，在物质循环的过程中，能量必然伴随着在物质之间发生传递和转换。例如：水的蒸发，必然要吸收热量。降水要释放热量。今天我们来学习自然地理系统的物质循环。自然地理系统中物质循环的方式可以归纳为四种类型，即地质循环、大气循环、水分循环和生物循环。从大规模和大范围着眼，自然地理学中一切物质运动和能量转化均可由这四种循环加以解释。因为他们代表了固、液、气三种相态，代表了无机和有机两大物质类型，代表了势能与动能、显热与潜热等不同能量形式在全球范围内的流通过程。一、地质循环在自然地理系统中，岩石圈的内部以及与其环境之间所存在的物质循环和能量转化过程，称为地质循环。地质循环由四个基本过程构成。第一是风化剥蚀作用。裸露在地表的岩石在太阳能、水、大气和生物等参与下，其理化性质发生变化花，包括颗粒细化和矿物成分改变的过程，成为风化剥蚀作用，从而使坚硬的岩石变为松散的碎屑和土壤。风化作用按作用因素和作用性质分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。但中风化作用不是孤立进行的，而是一个相互联系、相互影响的过程。剥蚀作用与风化作用的不同之处在于是流动着的物质对地面岩石及风化产物的破坏作用，包括风的吹蚀、流水侵蚀、地下水的潜蚀、海水的海蚀、冰川的冰蚀等作用。为沉积岩的形成提供者充足的物质来源。第二是搬运作用。岩石风化破坏的产物一部分停留在原地堆积起来，但大部分被流水、风、冰川、重力等搬运到其他地方。搬运过程中由于水体流苏或风速变慢，冰川融化以及物理化学条件的改变，搬运能力减弱，导致被搬运的物质逐渐沉积，这就是第三个沉积作用。沉积物有明显的分选性，沉积物按照砾石砂粉砂黏土的顺序沿搬运的方向形成有规律的带状分布。第四个作用是硬结成岩作用。最初沉积的松散物质被后继的沉积物所覆盖，进入与原介质隔绝的新环境，在上覆层岩的眼里和一些胶结物质的作用下逐渐使原物质压密、孔隙减小、脱水凝固起来而成较坚硬的整体岩石，成为硬结成岩或石化作用。形成沉积岩。请大家思考在地质循环过程中，发生了哪些物质流动和能量的转化。大气的主要成分氮、氧、二氧化碳和水蒸气都可进入沉积岩石圈深处。水由水圈经过大气圈以降水形式进入岩石圈，其中一部分向其内部渗透。随着降水，还有钙纳镁等离子降落。从岩石圈进入其他地圈的物质包括风力吹扬尘埃进入大气圈和世界大洋，可溶性盐类和固体悬浮物质随径流进入世界大洋，营养元素被生物体吸收等等。这种物质交换不仅造成了各自然地理要素间物质的相互渗透，更重要的是使最稳定、最迟钝、变化最小、密度大、质点内聚力强、不易混合的岩石圈性质发生改变。换言之，正是由于岩石圈被水和大气圈中的氧、二氧化碳等渗透，它才可能积极参与地理环境要素间的物质交换和循环。地表热量传送主要是通过固体微粒之间的分子传导和土壤水分、土壤空气的流通实现的，暖季和白昼热流自地表向下，冷季和夜晚自下向上并传输给大气。上述深度即为太阳辐射进入岩石圈的下限。此层之下，热力状况决定于地球内能，温度垂直梯度始终自下部指向上部。岩石圈表层吸收的热量主要通过与大气圈和土壤的热交换被消耗，也消耗于蒸发和冰川、积雪、冻土的消融。二、大气循环1.定义大气循环是指大气圈及其与环境之间存在的物质循环与能量转化过程。2.大气循环运动的基本形式就是大气环流。大气循环是以大气环流形式进行的，是由于地球表面受热不均，扰乱了大气的平衡，导致空气运动和大气压力的改变而引起的。大气环流按空间范围和规模的大小，大致可分为全球性环流系统、海陆间季风型环流系统和地区性环流系统等不同层次。全球性大气环流的形成，导源于太阳辐射能在地球表面分布的纬度空间差异性，结果是自然地理系统形成了不同的气候带，进而引起了地表的土壤植被发生纬度地带性分异。海陆间季风型大气环流的形成，导源于海洋水体和大地风化壳两种大气下垫面物理性质的差异，主要是热容量的差异，冬季，陆地降温快，海洋降温快，陆地温度低于海洋，陆地气压高，海洋气压低，风从陆地流向海洋。夏季，陆地升温快，海洋升温慢，陆地温度高于于海洋，陆地气压低，海洋气压高，风从海洋流向陆地。调节了大陆的干湿状况，形成了季风型气候和季风型景观。地区性和局地大气环流指规模较小的大气环流系统，其具体的形成因素复杂多样。高山高原形成的独特的大气环流系统，沿海地区形成的海陆风环流系统等。请大家思考在大气循环过程中，发生了哪些物质流动和能量的转化。大气环流最显著的作用在于传输大气中所含的各种物质元素和贮存的热能，不断对地表的热量和水分的空间分配进行调节，从而形成各种气候、促使天气发生变化。物质：如在赤道上发生的环流圈，平均每秒流动2104吨空气，因此他也不断地改变着自然地理系统中能量、物质、水分和其他物质的分配。大气圈与其它圈层的循环在太阳能的作用下，其它圈层的水体可以通过蒸腾和蒸发进入大气层中。据计算，每年约有52km3的水量进入大气层。岩石圈进入大气圈的物质主要是尘埃（通过风力、火山爆发和燃烧）。据估算全球每年有50座左右的火山喷发，向大气中排放数百万吨的尘埃和火山灰等。能量：太阳辐射到达大气圈后，一部分被反射和散射，一部分被吸收并用于对流层的增温。已转化为大气长波辐射的太阳辐射，再次被大气中的水蒸气、二氧化碳和尘埃吸收。所以，假定一年中大气上界太阳辐射能量为100个单位，但由于大气与下垫面热交换频繁，结果可以获得172个单位的能量。应该指出，大气从太阳辐射、地面长波辐射和水汽凝结热、乱流输送热等几个方面获得的能量与通过长波辐射输出的能量相等，即收支是平衡的。三、 水分循环1.定义水循环是指在自然地理系统中，水圈的内部及其外部圈层之间的物质循环与能量转化过程。2.水分在自然地理环境中循环有两种主要的形式一是通过水本身的相变，即从液态或固态转换成气态，随着空气的运动输送到远方，在适当条件下，再由气态转换成液态或固态返回地表；一是液态水在热力梯度或势能梯度的作用下，通过洋流或陆地上河川径流进行物质和能量的大规模传输。3.水循环可分为大循环和小循环两种。在太阳辐射能的作用下，水从海陆表面蒸发，上升到大气中，成为大气的一部分。水汽随着大气的运动转移并在一定热力条件下凝结，因重力作用降落形成降水。一部分降水在地表可被植被拦截和被植物散发。降水达到地面，形成地面径流。渗入的土中的水一部分以表层让中国流和地下水径流形式进入河道，组成河川径流。贮于地下的水，一部分上升至地表面蒸发，一部分向深层渗透，在一定的地质构造条件下排除或称为不同形式的泉水。地面水和返回地面的地下水，最终要流入大海或蒸发到大气中去。称为大循环。仅在局部地区进行的水循环称为小循环。水分既然处于连续的循环运动过程中，各种水体也就不断进行着自然更新。大气中的水汽9天可更换一次；河流水10-20天更新一次，土壤水280年更新一次，淡水湖1-100年，地下水10-1000年，高山冰川数10-数100年，极地冰盖16000年，海洋水37000年。请大家思考在水分循环过程中，发生了哪些物质流动和能量的转化。水分循环对全球性水分和热量的再分配起着重大的作用。物质“传输带”：它是岩石圈风化壳产生机械输运、促使地表各种化学元素迁移的主要动因；气候“调节器”：蒸发和降水伴随着能量的输入与输出；水圈内部及其与地理环境其他部分之间的热量交换具有特殊性质。大洋反射率（7%）远低于陆面反射率（17%），而且大洋面积与陆地面积之比高达（2.45:1），使水圈吸收的热量大大超过陆面，其结果是不仅水圈表面温度高，且辐射平衡值相当于陆地表面的3.67倍。水体的透光性质使太阳光可穿透100m深度以上。因此水圈中的热量交换强度及产生热量交换的厚度均远大于岩石圈。水圈与大气圈之间经常进行热量交换，并通过大气圈实现与岩石圈之间的热量交换。四、生物循环1.定义生物循环指生态系统中的物质循环和能量转化过程，即生态系统中的生物成分和非生物成分间物质往返流动的过程。2. 生物循环是更高级的物质循环形式。营养物质从大气、水体和土壤等自然环境中通过绿色植物的吸收，进入到生态系统中，在生态系统各种生物之间流动，最终重新归还到环境中，完成一次循环，整个过程继续进行，归还的物质再次被植物吸收进入生态系统，周而复始，往复持续，这种物质的反复传递和转化过程成为物质循环。这种循环是通过生物的生命活动与无机环境进行物质交换和能量转化，即通过生物的新陈代谢作用促使自然地理系统的无机物和有机物进行循环。另一种是植物和微生物作为岩石风化壳及其土壤与大气之间的物质联系环节，而直接参与地质循环、水循环和大气循环运动过程；并通过他们自身的生物物理和生物化学作用，而促进水分循环以及水迁移元素和空气迁移元素在地球表层的循环。 3. 同化过程和异化过程生物循环集中表现在生物的新陈代谢过程中。任何有机体的存在和发展都是依靠从外界摄取和积累物质和能量，并消耗和分解这些物质和能量来维持，这些就是生物新陈代谢的两个方面，即同化过程和异化过程。 同化过程是生物输入、处理、储存、外部环境的物质能量过程，实现无机向有机的转化。异化过程是生物有机体的物质能量对外界环境的输出过程，实现有机向无机的转化。请大家思考在生物循环过程中，发生了哪些物质流动和能量的转化。1.生物有机体把太阳辐射能转化为化学潜能在植被覆盖度较大的情况下，植物表面可截留大部分太阳辐射，并主要用于促进水分蒸腾和自身的增温，以及通过光合作用制造有机物质即固定太阳能。后者通常不足所获得的太阳辐射的1%。被固定的太阳能通过食物链逐渐转化而每次转化后只能保存1/10的能量，这就是著名的十分之一定律。据估计，陆生植物每年积累的能量约8.9*1020焦耳，大致相同数量也被海洋植物所固定。2.生物循环引起化学元素的迁移C、N、O绿色植物在大气中吸收无机化学元素，也从地壳和水圈中吸收无机化学元素，使许多元素离开原来的位置进入到生物体内，并改变了他们原来的存在形式。根据对生命物质的分析，发现几乎在自然地理环境中存在元素都可以在不同的生物体内找到，但含量则有很大的不同。例如植物体内的氮平均含量比岩石圈高30倍，碳高180倍。被生物有机体所吸收的元素在有机体内被异养微生物分解发生矿化的过程，又以无机物的形式归还到周围环境中去。3.生物循环可以改变大气的组成成分，并保持大气圈中气体的相对平衡。在生命有机体出现之前，大气的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮和氨，而缺乏氧气。绿色植物出现后，大气中的氧才丰富起来。地球上的游离氧共计有1015吨，这些氧都是生命的产物，是光合作用的结果。植物每年要从大气中吸取1/35的二氧化碳作为养料。4.生物循环影响并改造水圈中的化学成分。地面水和地下水的化学成分在很大