河师大综合自然地理学教案第02章-自然地理系统的整体特征

PAGE30PAGE第二章自然地理系统的整体特征重点：讲明自然地理环境的整体性，阐述各组成成分间的相互关系及自然地理系统的基本特征。难点：在于整体性的认识过程第二章自然地理系统的整体特征第一节系统概述一、系统概念与分类系统、按系统的尺度规模和范围分类、按系统与环境的关系划分、按人与自然的关系划分二、系统的主要特征整体性、层次性、相关性、稳定性与变易性1．传统观点的整体性整体性：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。具体地讲地球表层是由地质、地貌、气候、水文、土壤、动物等成分组成，这些无机自然界与有机自然界各组成成分相互联系、相互作用，并通过自然历史过程，形成自然地理综合体，这个综合体中任何一个成分或环节的变化都会影响其它成分或环节的变化甚至整体的变化。比如：我们所处的是暖温带落叶阔叶林带，作物为一年两熟，如果气候寒冷则是寒温带气候，无霜期短，作物只能一年一熟，种植耐寒、生长期短的作物。同样，地貌因素发生变化，也会引起一系列变化，再如华北平原如发生地壳运动，抬升1000米以上，气温降低，降水发生相应的变化，土壤、植被也随之改变。传统观点：是以自然综合体学说为基础，用因果法则，揭示自然地理环境动态特征，一个因素变化会影响另外的因素，体现在自然综合体内各要素的内在联系性，传统观点的整体性是内在联系的整体性。但是传统的观点是定性的描述，不能定量地表达整体性原理。随着科学技术的进步和新学科领域特别是系统论的出现，对整体性又有了新的认识。2．系统思想的整体性，结构和功能1）功能整体性是系统对外结合内部所表现的效应（包括物质和能量、信息等的传输和转换）。系统论中有一个重要原理——功能超越性原理，整体系统会出现子系统没有的功能——整体大于各部分之和。整体和部分的关系，主要表现在三种情况：①系统的整体等于部分之和这是严格的和精确的数学多次证明的命题，几何和代数从来就把这种关系当作绝对的正确的真理，但这一命题只是对那些联系不紧密的松散系统才成立，只适应于由各要素机械组成的系统，如一筐苹果。②整体小于部分之和如果系统中各部分相互牵扯，互相遏制，甚至掺杂着一些寄生和坏死的要素，这样的系统往往会使整体性的能量大大下降，出现“三个和尚没水吃”。③整体大于各部分之和系统中各种要素互相协同，彼此配合，会使系统出现新质。如正常人的一双眼睛是两个眼睛的视力之和。又如：拿破仑是一位了不起的政治家、军事家。在现代军事思想中，他的战例还是很有价值的，他曾打过很多有名的胜仗，说明整体大于部分之和的道理。有一种少数民族叫马木留兵，马木留兵英勇善战，个人拚杀技术较好，法国兵在当时曾打过胜仗，3个马木留兵绝对战胜3个法国兵，100个马木留兵与100个法国兵势均力敌，而300法国兵绝对能够战胜300个马木留兵。这是因为法国兵在大兵团作战中，彼此配合得很好。而马木留兵不善于协同作战，这就是整体性起了作用。整体出现的功能是任何一个部分所没有的功能。同样，配合好的球队也说明了整体功能的作用，又如：一个生物体的整体功能远远大于各细胞之和，一个亚热带区域的整体特征绝不是水、热、气、土、林等各要素相加的结果。2）结构整体性系统理论指出：系统的整体功能决定于各组成元素的相互结合的方式，通常所说的结构。因此，整体功能取决于系统的结构，从以上例子中可看出法国兵彼此配合好，整体功能好，马木留兵不善于协同作战，整体功能小于部门之和。结构——从字面上看，各组成部分的搭配和排列。所以结构和功能是密切相连的，结构是完成功能的框架和渠道。也就是说物质、能量和信息的传输和转换是通过系统的结构而实现的。反过来，物质、能量、信息的传输和转换则是维持结构存在和发展的基础。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。研究整体性既要研究整体功能认识它的综合效应，又要研究这种功能是由什么样的结构所决定的。研究系统是怎样随结构、功能的变化而变化的，目的是提高整体性的功能。3）地球表层系统的整体性：结构整体性（空间和时间结构）、功能整体性时间结构是维持空间结构在状态上一系列变化的结果。空间结构是各组成要素的分布格局。空间结构包括垂直结构和水平结构，垂直结构包括大气圈、水圈、岩石圈。水平结构是各组成成分在水平方向上发生分异，如从赤道到极地分为热带、温带、寒带。时间结构是地球表层从简单到复杂不断发展进化的。功能：物质的循环和能量的转换是地球表层最重要的功能。从地球表层内部看，各组成成分之间物质和能量交换分为两种方式。垂直方向：岩石——地下水——地表水——土壤——空气以及贯穿于各成分的生物。水平方向：各组成部分有物质的机械迁移和物理过程、化学过程、生物代谢过程。地球表面有了这些结构和功能，才有可能把四个圈层融合成一个统一的动态系统，决定着地球表层的整体性。从地球表层的外部联系看：地球表层与外部系统（高层大气、宇宙、地幔、地核）也有物质和能量的交换、转化。能量的输入是太阳能、地球内能等。能量的输出是地面的长波辐射。物质输入是陨石、侵入岩浆等。物质输出是构造运动、板块间拖曳。与传统的观点比较：系统的结构和功能的整体性既反映了自然综合体的内在联系性又定量的反映了地球表层物质的能量变换的关系。弥补了传统观点的不足。系统观点的整体性涉及能量流动，涉及热力学第一定律，所以运用热力学第一定律探讨地球表层的能量流动和转换。热力学第一定律：能量守恒。能量既不能创造也不能消灭，这是一条普遍的规律，地球表层的能量流动也必须服从这一规律。如太阳能进入地球表层后，转化成热能，地面温度和大气温度增加，参与水分蒸发耗热，地貌、土壤的形成过程，大气环流洋流运动等都与热能有关，同时地面又以长波辐射出去，将热能输出返回空间，完成了收支数量上的平衡，遵循这能量守恒的普遍原则。热力学第一定律只要求能量在转换过程中守恒，不限制过程所进行的方向。热力学第二定律则不同，是关于过程进行的方向问题。克劳修斯指出能量是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至。他指出在孤立系统中热量总是由高温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。是不可逆的自发的过程。起决定作用的是能量密度的差异和朝着均匀方向的流动。所以他创造了一个术语“熵”表示任何一种能量在空间分布上的均匀程度，用他的话来说，“能量密度的差异倾向于变成均等”是自然界的一个普遍规律，或换句话说：“熵随着时间的混乱程度或无序程度。熵越大，系统越混乱，反之，系统越有序。举例：我国有句成语“泾渭分明”泾河水清，渭河水浑。泾河流入渭河时，清浊不浑，比喻界线清楚，是非分明。这种有序状态是暂时的，他们一经自动混合之后，就再也分不清那种是泾河水那种是渭河水。说明能量的密度差异是朝着均匀方向流动的。又如两个水库，水位的高度不同，一高一低，如果把他们连接起来，水会从高水位的水库流向低水库，直到两个水库的水面相同。两例都说明了能量趋向于均匀的分布。熵值随着时间增大，能量完全均匀分布，熵值达最大值，也就是混乱度或无序程度最高。克劳修斯把热力学第二定律推广到宇宙之中，根据熵增加原理，宇宙中的能量分布在不断地均匀化。宇宙正在不断地增大，最后必须达到最大值——平衡态。整个宇宙在走向混乱趋向无序，一切运动都得停止，最后达到“热寂”。可是地壳演化历史正好相反，沧海桑田变迁，生物界、人类出现是在从简单到复杂，从低级到高级进化发展。这种进化过程与热寂说的预言退化形成截然不同的鲜明对比。早期的热力学只考虑系统的内部联系不考虑系统与外界环境的联系。近年来新型的耗散结构理论，成功的揭示了这一问题。3．耗散结构理论——非平衡有序系统的整体性创始人：普里高津比利时立足点：系统与外界环境的相互联系，相互作用，弥补了早期热力学的不足。1）什么叫耗散结构？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，可能从原有的混乱无序状态，转变为一种在时间上和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，称为耗散结构。二层意思：①开放系统：系统与外界环境有物质和能量、信息交换。②在一定条件下，使系统变无序为有序。简单概括：消耗外界环境的物质、能量来维持系统内部的新的有序结构。2）理论：一个开放系统熵的变化，用公式表示为ds=des+dis通过引入外界负熵流降低系统总熵，使系统从无序转入有序状态，来维持系统的稳定。但强调这种稳定是非平衡的稳定态，所以系统内部的能量总是趋于均等，熵不断的增加，只有在外界不断输入负熵流的情况下，才能保持相对稳定。一旦外界条件撤去，混乱度或无序度就会增加，系统就会回到无序状态中去。如：沙漠中的绿洲，就是不断地从外界获得物质、能量有负熵流的输入，才保持这种有序状态。一旦断绝了水源，很快就变成寸草不生的沙漠。自组织现象：耗散结构在与外界交换物质、能量，同时还有一种自组织能力，变无序为有序的过程。如：生物有机体光、热、水、二氧化碳转入无序的物质、能量合成为糖类，变无机为有机储存于体内，变无序为有序过程。又如：诗句“野火烧不尽，春风吹又生”大火焚烧过后，第二年春天有充足的阳光和雨水的滋润，恢复原状。说明自然地理有自组织能力。1）信息：物质、能量和信息是现代科学研究的三大主题，前面只介绍了耗散结构及其物质能量转化的基本情况。用信息概念认识地球表层的整体性——新课题之一。一般理解：信息——情报、知识现在理解信息为物质之间建立联系的一种特殊形式。任何物质运动形态都能产生和交换信息，信息也能通过物质现象而运动传播。如：①天体发生的电磁波包含着天体的构成年龄、运动等各种信息。②化石提供了地质时期古动物、植物和地壳演变的信息。信息是事物存在形式运动状态和规律的表征。人们之所以把信息理解为情报、知识，正是因为物质结构、状态和历史在人的大脑中的反映，经过人类的语言文字符号等形式变换以后获得的产物。信息一方面反映了物质、能量分布和变化程度，另一方面信息在自然界和社会的物质运动中执行这种联系的职能。可以说信息是指一个系统的有序性，信息就负熵。生物、人离不开信息。新陈代谢——生存发育，新陈代谢是动物体不断从环境中摄取所需的食物、空气和水通过有机体的生理功能将食物消化。吸收成为有机体的一部分，排掉残渣过程。一个系统有序是由于输入了信息或向外界输出了熵，如生物进化可看成是系统信息量的增加或熵的减少的变化。信息既不是物质，也不是能量，但它的传播离不开物质和能量，而物质和能量是否存在、如何存在，要想知道这些又必须通过他们发生的信息。组成客观世界的三种基元是物质、能量、信息。总结：整体性概念是在发展的，逐步深化的。从传统的观点内在联系的整体性，定性描述到系统思想结构和功能的整体性和耗散结构理论非平衡有序系统的整体性逐步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中来把握整体性。所以整体性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，用这些新理论认识地球表层，还处于起步阶段和探索中。要求：掌握整体性概念，包括不同的观点中整体性的含义。第二节自然地理系统的整体性一、自然地理系统的概念二、自然地理系统的空间范围三、自然地理系统的基本特征整体特征、层次有序性、开放性、稳定性与变动性开放系统：地球表层同外界持续地进行物质和能量的交换。输入的物质：来自宇宙陨石宇宙尘埃；来自地球内部侵入岩浆岩、原生水为主输入的能量：宇宙——太阳辐射能为主，宇宙其他的星体的辐射能，一年中整个地球获得的能量，从太阳获得1.3*1024卡，从地球内部铀、钾等放射性元素，蜕变释放的热能只占太阳能的二亿分之一，来自宇宙的其他星体的射线为太阳能的一亿分之一。地球内部放射性元素释放出的热能。物质的输入是以地球内部物质为主，如：一次火山喷发，岩浆就有几十亿立方米，1883年5月20日今印度尼西亚的喀拉喀托火山喷发，火山灰180亿立方米，宇宙每年降到地面的陨石不过400吨，宇宙尘埃微粒更少。太阳能的输入是大气、海洋、河湖、冰川、地下水以及生命有机体的活动，推动着地球表层的物质循环，能量转化，把有机界和无机界联合为一个整体，保持着地球表层系统的稳定发展过程。输出的物质：主要靠地壳的构造运动在板块的边缘处，会有岩层离开地球表层斜插入深处。输出的能量：靠地面的长波辐射，在地球表层输入的物质、能量经过储存转化，是发生了变化的物质、能量。非平衡的有序系统：从能量转换过程看，在自发进行情况下，物质流和能量流总是从密度较高处向低处输出。或能量总是自热源流向地表，经转换，太阳辐射中能量较高的短波辐射，在地表做功后，以能量较低的长波辐射溢出地表，然后再向冷源输出。输入的能量较高——信息增多，熵低输出的能量较低——信息较少，熵高这样太阳能的单向流在地球表层流通转化形成了负熵流，负熵是有序的标志，负熵流导致地球表层的有序化，是地球表层具有一定的有序结构和稳定功能，成为具有耗散结构的开放系统。地球的四大循环：大气循环——大气环流、全球性海陆间运动水分循环——大循环生物循环——合成作用、分解作用地质循环——风化、搬运、沉积、构造四大循环是地球表层物质能量输入流通输出的形式，是物质和能量的输出维持在一个相对稳定的动态水平上。强调稳定是非平衡的稳定，维持这种非平衡的稳定必须有负熵流的输入，以对抗系统走向平衡，所以只有耗散能量、新陈代谢，才能维持一定的有序性。第三节自然地理系统的组成和结构复习：地球表层的整体性包括功能整体性和结构整体性。功能整体性是整体大于部分之和（物质、能量、信息）；结构整体性：——空间结构（垂直结构、水平结构），时间结构}。一、自然地理系统的组成地貌、水文、生物、土壤二、自然地理系统的结构垂直分层结构、渗透结构、地域结构1．垂直分层结构地球表层四个基本组成成分：空气、水、岩石、生命有机体。由于密度不同和重力作用分异，密度小的在顶部，密度大的在底部。三个圈层在垂直方向上做层状排列，生物圈分布在三圈交界面上，这是垂直方向上分层结构的最显著特征。如进一步分出低级层次的分层结构。大气圈（大气候层、近地表小气候层）、水体（空中水层、雪线以上的雪圈、地表水层、地下水层）、植物群落（乔木层、灌木层、草本层、苔藓层）。在海洋中也有分层结构是按温度、含氧量来分的。按温度分为：暖表层、温表层、冷表层按含氧量分为：富氧表层、最小氧层、均匀层2．渗透结构以上结构的共同特点：不是单一的成分，而是和其他成分在彼此相互渗透之中。如气候层中包括水分、固体物质、生物体。水体中包括溶解气体、矿物质、悬浮泥沙、生物体。3．地域结构相互作用的各个组成成分沿水平方向发生的分异从赤道到两极。相互作用的各个组成成分沿垂直方向发生的分异从洋面到高山。说明产生不同的结构单元，各要素相互作用。垂直分层组成物质不同以某种要素为主掺杂其他要素。地球表层的地域结构取决于太阳的辐射能、地球的内能。由于地球的球形以及太阳入射角不同使地表所获得能量不同——地带性原因，由于不同纬度能量的差别，导致各组成成分的相互结合作用的形式的变化，是物理过程、化学过程、生物过程。在不同的纬度不同，纬度地带性特征产生从赤道到两极更替的结果。苏联波格丹诺夫绘制世界海洋自然地带图，把大洋分11个带与大陆自然带比较发现两者完全一样。在这些大的自然带中还可以划分为不同自然区、亚区。大的结构单元有较小的结构单元组成，所以结构是一定级序的多层次结构。第四节地球表层的进化过程结构整体性：——空间结构（水平结构、垂直结构）和时间结构。时间结构是地球表层的从简单到复杂，从比较无序到比较有序的发展演化过程，实质上是地球表层固定转化太阳能数量由少到多，引入负熵流由弱到强的过程称为复杂的耗散结构。（1）原始生态系统地球形成初期，主要能源为地球内能。地球内部的熵融物质，喷溢出大量的岩浆、气体和水蒸气，原始各圈层地壳不断增厚，地热对地球表层作用减弱，太阳辐射能逐渐成为主要能源，但通过太阳能进入地表后很快散失，储存不多。生物的出现原始大气中出现的一些简单物质如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水、氨等在高温高压下如短波紫外线、火山喷发等，有机物、氨基酸、核苷酸等，这些物质在相当长的时间内经化学变化形成最原始的生命形态的分子体系。在海洋中受水分子保护，可以避免紫外线伤害，完成了无生命向有生命的过渡。所以称为生命的策源地。从此，有机体就成为地球表层的能量转化的一个新环节。最原始的生命有机体——异养性细菌靠海洋中的有机化合物积聚能量为主。开始满足需要产生自养生物蓝绿藻，有了叶绿素能进行光合作用，固定太阳能最后海洋中产生了最原始的生态系统。这个生态系统中自养和异养、合成与分解两个环节的藻菌，生态系统的出现表明了有序程度的提高，改变了地表的功能和结构，改变了能量散失状态，从环境中获得更多的负熵流，增加了太阳能在地球表层的储存。（2）天然生态系统生物出现以后，改造环境，生物为了适应环境也不断改造自己，发展进化植物动物分化，生物从海洋到陆地