自然地理环境的整体性1.ppt

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、传统的观点：自然综合体学说阶段：20世纪60年代以前,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 地理系统学说阶段：60年代至30年前,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

2、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

3、上一系列变化的结局。,显然，结构的概念同系统、组织、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

4、作用，增强相互增益的作用，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。 辐射因素、水热过程和生物过程最活跃，并决定着地理系统基本的动态表现，应被视为关键因素。 生物群是地理系统稳定作用的重要因素。,就地球表层的内部联系而言，各组成部分之间通过

5、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

6、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，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

7、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，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

8、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阶段：近20-30年,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

9、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

10、周围环境有着物质和能量交换的开放系统。因而这一理论涉及范围之广，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。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

11、可以导致系统总熵的降低，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，即水源和光热，负熵

12、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。,现代科学研究集中于物质、能量和信息三大主题

13、。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

14、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 43,2.大气是自然地理系统的活 跃的组成部分,大

15、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，在水平方向上联系起来。幻灯片 45,4.自然地理系统的核心有机

16、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

17、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转化非常活跃的场所，是联系有机界和无机界的中心环节； （3）土壤能够生长植物，并且为植物生长提供了扎根立足的条件，使地表由裸露的岩石变为草木丛生，从而导致陆地环境及整个地球面貌发生根本改变。幻灯片 41,二、地理环境的能量基础,ds=dis+des 太

18、阳能占据主导地位,三、太阳辐射的地理分布特征,辐射平衡值（R） ：划分地表热量带的指标。 干燥指数（A） ： A=R/L.r r为降水量，L为蒸发潜热,地理地带性周期律,苏联地理学家格里哥里也夫于1948年提出的自然地理研究的基本理论观点。认为地球上每一地段的自然地理特性受制于该地段的热量和水分状态、数量及两者间的关系。通过热量、水分平衡的深入研究即可对地球上每一地段的自然地理状况做出特征性的描述。格里哥里也夫和布迪科（M. I. Budyko）用简单的分数表征南、北半球从寒带到热带、从干旱到湿润各地区的特征。这种观点的贡献是提出了热量、水分平衡及其在地理环境中作用的重要性，并给予了定量分析。,四、自然地理环境中的能量循环和转化,在太阳能不断输入和作