地理科学基础

1、第3章 地球表层系统基本格局 本章结构 n3.1 自然要素的格局 n3.2 人文要素的格局 n3.3 格局的尺度 3.1 自然要素的格局 n3.1.1 地域分异规律 n3.1.2 地域分异的定量表达 n3.1.3 要素间的空间匹配规律 3.1.1 地域分异规律 n地带性规律 n概述 n地带性规律的含义：地球表层系统组成的空间分布与地理位 置相关联。 n地理位置的种类：纬度位置、经度位置、海拔高度位置、海 陆位置等。 n地带性规律的表现：纬度地带性，海陆梯度地带性（经度地 带性），垂直地带性。 3.1.1 地域分异规律 n纬度地带性 n纬度地带性的含义： n地球表层系统组成的空间分布与纬度位置相

2、关联。 n纬度地带性的形成机制： n太阳辐射能是地球表层一切地理过程的能量基础，它的沿 纬度递次变化使地球表层系统组成产生相应变化。 n纬度地带性的表现： n由热量条件随纬度位置变化所引起的地球表层系统组成的 变化，主要包括气候、土壤、生物等要素。具体表现形式 分为沿海型（湿润型）和内陆型（干旱型）两大系列。 寒带、寒温带寒带、寒温带 温带温带 热带热带 黑色人种黑色人种 热带热带 3.1.1 地域分异规律 n纬度地带性对人类活动的影响 n对第一产业的影响：世界主要作物生长都受热量条件制约 ，具有鲜明的纬度地带性。 n对社会经济发展的影响：人类社会最发达的地区集中在温 带、亚热带，热带尚处于比

3、较落后的状态，而冰雪严寒的 极地地区，至今仍是文明的不毛之地。 n对文化的影响：纬度地带性对文化的影响相当长期稳定地 存在于各民族文化之中，我国汉民族文化的主要差异是南 北差异。 3.1.1 地域分异规律 n海陆梯度地带性（经度地带性） n含义： n地球表层系统组成的空间分布与海陆相对位置（经度位置 ）相关联。 n形成机制： n海洋和陆地两大物质体系的差异引起的物质循环和能量转 换的差异，主要是水循环的差异。 n主要表现： n由水分条件随海陆相对位置变化所引起的地球表层系统组 成的变化，主要包括气候、土壤、生物等要素。 3.1.1 地域分异规律 n海陆梯度地带性对人类活动的影响 n对第一产业的

4、影响：自然景观表现为森林-草原-荒漠的转 变，第一产业的种植表现为林业-农业-牧业的变换。 n对社会经济发展的影响：人类早期文明中心主要在内陆， 近现代海洋的社会经济意义显得格外重要，世界许多国家 都形成了沿海向内陆的经济社会发展的梯度格局，中国分 成东部、中部、西部三个经济地带。 n对文化的影响：在幅员广大的国家和地区都有明显表现。 美国东西部文化差异显著；中国西部文化粗犷豪放，与东 部沿海委婉细腻并兼容西洋文化的海派文化有着鲜明反差 。 3.1.1 地域分异规律 n垂直地带性 n含义： n地球表层系统组成的空间分布与海拔高度位置相关联。 n形成机制： n地面长波热辐射随高度递减导致热量（气

5、温）随高度递减 （0.6/100m）；降水随海拔高度呈现先增加后减少的变 化特征。 n主要表现： n由水热条件随海拔高度位置变化所引起的地球表层系统组 成的变化，主要包括小气候、山地土壤、山地生物等要素 。 3.1.1 地域分异规律 n非地带性 n非地带性的含义：地球表层系统组成的空间分布与地理位置 无关联。 n形成机制：地壳运动、地表物质组成差异等。 n非地带性的表现：地形、岩性、高原气候、隐域性土壤、隐 域性植被等。 3.1.2 地域分异的定量表达 n地带性规律的定量表达 n含义：自然地理要素与地理位置的定量关系。 n常用指标：热量（气温，可能蒸散）和水分（降水量). n理论公式： n气温

6、：W=f(N,E,H) n式中，W-气温，一般使用月均温或年均温；N-纬度；E- 经度；H-海拔高度。 n可能蒸散量： APE=f(N,E,H) n式中，APE-可能蒸散量，一般使用月或年可能蒸散量； N-纬度；E-经度；H-海拔高度。 3.1.2 地域分异的定量表达 n降水量： P=f(N,E,H) n式中，P-降水量，一般使用月或年降水量；N-纬度；E-经 度；H-海拔高度。 n说明：函数形式可为非线性或线性，目前尚无全球尺度 模型，多为区域尺度模型；模型都是统计模型。 3.1.2 地域分异的定量表达 n地带性规律的区域统计模型 n气温的区域统计模型（方精云） n说明：区域范围：中国；数据

7、来源：全国671个标准气象 台站的多年平均月均温、年均温、地理位置数据。 n统计模型：W=56.07-0.71N-0.14E-0.43H (r=0.98) n模型的解释：在全国尺度上，纬度增加1，年均温下降 0.71；经度增加1，年均温下降0.14；海拔高度增 加100m，年均温下降0.43。 3.1.2 地域分异的定量表达 n可能蒸散量的区域统计模型（张新时） n说明：区域范围：中国；数据来源：全国671个标准气象 台站的多年平均月均温、日照时数、地理位置数据;使用 桑斯维特方法计算可能蒸散量。 n统计模型：APE=2037.98-18.83N-4.58E-15.78H n模型的解释：在全国

8、尺度上，纬度增加1，年可能蒸散 量减少18.83mm；经度增加1，年可能蒸散量减少 4.58mm；海拔高度增加100m，年可能蒸散量减少 15.78mm。 3.1.2 地域分异的定量表达 n降水量的区域统计模型（赵传燕） n说明：区域范围：甘肃祖厉河流域；数据来源：流域内46 个气象站、水文站的多年平均月降水量、年降水量、地理 位置数据。 n统计模型：P=-1433.64-4.71N+46.53E+16.8H n模型的解释：在该流域尺度上，纬度增加1，年降水量 减少4.71mm；经度增加1，年降水量增加46.53mm； 海拔高度增加100m，年降水量增加16.8mm。 3.1.3 要素间的空间

9、匹配规律 n概述 n要素间空间匹配规律的含义： n地球表层系统组成要素之间空间格局的匹配规律。 n总体规律： n气候类型格局决定水平地带性土壤类型和植被类型的格局。 n地貌类型格局决定非地带性土壤类型与植被类型的格局，决定气候、 土壤、植被类型的垂直分布格局。 n人类活动决定人工植被与人工土壤类型的格局。 n上述植被、土壤类型格局的变化也会反作用于气候、地貌、人类活 动的格局变化。 气候类型土壤类型植被类型 寒温带湿润半湿润气候漂灰土寒温带针叶林 中温带湿润半湿润气候暗棕壤温带针叶与落叶阔叶混交林 暖温带湿润半湿润气候棕壤、褐土温带落叶阔叶林 北亚热带湿润气候黄棕壤、黄壤亚热带常绿、落叶阔叶混

10、交林 中亚热带湿润气候红壤亚热带常绿阔叶林 南亚热带湿润气候赤红壤亚热带季风常绿阔叶林 热带湿润气候砖红壤热带季雨林、雨林 温带半湿润气候黑土、黑钙土温带禾草、杂类草草甸草原 温带半干旱气候栗钙土温带丛生禾草典型草原 温带干旱气候灰漠土、灰棕漠土温带矮半乔木荒漠，灌木荒漠， 半灌木矮半灌木荒漠 高原亚寒带寒带半湿润气候黑毡土、草毡土高寒嵩草杂类草草甸 高原亚寒带寒带半干旱气候巴嘎土高寒禾草苔草草原 高原寒带干旱气候寒漠土高寒垫状矮半灌木荒漠 中国典型气候类型与地带性土壤类型、植被类型的匹配关系 3.1.3 要素间的空间匹配规律 n植被-气候格局的匹配模型 n代表性模型： n基于彭曼（Penma

11、n）公式的植被-气候分类 n基于桑斯维特（Thornthwaite）公式的植被-气候分类 n霍尔德里奇（Holdridge）的生命地带模型 n基于吉良鸠夫（Kari）公式的植被-气候分类 3.1.3 要素间的空间匹配规律 n生命地带模型 n划分植被-气候空间匹配的指标 n生物温度（BT）： n式中，T月均温，当T30时，按30计。 n可能蒸散率（PER）：PER=PET/PBT58.93/P n式中，PET可能蒸散量，P降水量。 12 1 12 1t BTT 3.1.3 要素间的空间匹配规律 n植被-气候匹配类型划分 n由上述划分指标（生物温度、可能蒸散率、降水量）建立生命地带 划分坐标系统（

12、三角形），将全球划分为37个地带性植被-气候匹 配类型。 n坐标系统采用以2为底的对数体系。 世界生命地带分类图谱 张新时修正的分类图谱 垂直带 四、要素格局的联系 n植被类型的判别 n将拟判别类型置于生命地带划分坐标系统中，计算该类型在坐标系 统中的位置到各基准类型中心点的距离，距离最短者为归属类型。 n判别公式如下： 222 (loglog) (log)log)(loglog 02 2222020 i PERPERPPBT BTi ii d min12 min(,.,) ndd dd 3.1.3 要素间的空间匹配规律 n生命地带模型的不足 n总体判别精度还不够高（全球40%，中国58%）。

13、 n垂直地带性植被类型的判别精度较低，未考虑季节温度变化和日照 长度。 n划分指标中采用月均温、T30时按照30处理等仍显粗糙。 n不能识别尺度相对较小的非地带性植被类型。 3.1.3 要素间的空间匹配规律 n植被-气候空间格局匹配模型发展方向 n发展包括气候、地貌、土壤等影响因子的多尺度植被-环境模型。 n发展包括植被地理模型、植被结构与功能模型在内的植被动态模 型，更好地为环境（气候）变化的陆地生态系统响应研究提供科 学支撑。 3.2 人文要素的格局 n3.2.1 农业区位论 n3.2.2 工业区位论 n3.2.3 中心地理论 3.2.1 农业区位论（杜能） n含义：农业土地利用的空间配置

14、规律。 n假设： n(1)存在一个与外界隔绝的孤立国，它是一个天然均质的大平原。在孤 立国内只有一个城市，且位于平原中央，城市周围是农村和农业用地 。各地农业发展的土壤、气候等自然条件都相同。 n(2)城市是孤立国中农产品的唯一销售市场，而农村则靠该城市供给工 业品。 n(3)孤立国内唯一的交通工具是马车，它是城市与农村间联系的唯一交 通工具，各地的可达性相同。 n(4)农产品的运费与其重量及从产地到市场的距离成正比。 n(5)农业经营者以获取最大利润为目的，并根据市场供求关系调整其经 营品种。 n农业土地空间配置模式： n围绕城市形成农业土地利用的圈层结构。 （集约牧业） n杜能圈形成机制

15、n原理：决定于位置级差地租的空间差异。 n级差地租公式：R=PQCQKtQ n式中，R级差地租，P产品产地价格，Q单位面积产 量，C直接生产成本，K市场距离，t运费率。 n圈层形成过程：产量高、运费高、地租高的利用方式， 配置在最内层；依此类推，产量最低、运费最低、地租最 低的利用方式，配置在最外层；其中，级差地租为零（R 0）的点是农业土地利用的外部边界。从内层到外层， 土地利用的集约度由高到低。 3.2.1 农业区位论（杜能） n现代农业土地利用中的杜能圈： n农业区位论原理的其它应用： n城市内部土地配置模式 n含义：工业企业空间布局规律。 n假设：已知原料供给地的地理分布；己知产品的消

16、 费地与规模；劳动力存在于多数的已知地点，不能移动 。 n分析步骤： n只考察运费因子，即假定不存在运费以外成本的区域差异，影响工 业区位的因子只有运费一个，即运费指向。 n考察劳动费用对由运费所决定的基本工业区位格局的影响，即考察 运费与劳动费合计为最小时的区位，即劳动力指向。 n考察集聚因子对由运费指向与劳动费指向所决定的工业区位格局的 影响，即集聚指向。 3.2.2 工业区位论（韦伯） n原理 n运费、劳动成本、集聚因子的相互作用，决定了工业产品 生产成本最低点作为工业企业的理论区位。 n运费指向： n原材料系数稀有原材料重量/产品重量 n系数1，配置在原料产地； n系数1，不受限制。

17、n对工业企业配置的作用：一般地说，运费在原材料系数1 和1的企业布局中具有主导作用，适用于大中空间尺度（ 国家或区域）。 3.2.2 工业区位论 n劳动成本指向： n当一地的单位产品中劳动力成本节约大于运费增加时，工 业企业趋向布局于该地。 n对工业企业配置的作用：一般地说，在劳动密集型产业和 常规技术产业的跨国布局和国家内部区域布局中劳动成本 因子经常起主导作用。 n集聚因子指向： n概念：集聚是指在地理上一些相互关联的企业集中在某一 地域的现象。 n集聚效益的来源：共用基础设施的成本节约；产业链联系 中的运费节约；同质劳动力雇佣成本的降低；信息成本的 降低。 n对工业企业配置的作用：一般地

18、说，集聚因子在中小空间 尺度的工业企业布局中起主导作用。 3.2.2 工业区位论 n含义：区域或国家内城市等级-规模、空间结构的规律； 或城市内部商业企业空间配置规律。 n有关概念： n中心地：供给中心商品的布局场所（各级城镇和城市内部 的商业区）。 n中心商品：在少数地点供给，在多数地点消费的商品。 n中心地职能：中心地所供给的中心商品特征。 n市场区：从中心地接受中心商品供给的区域。 n需求门槛：中心地为供给某种中心商品而必须达到的该商 品的最小限度的需要量。 n3.2.3 中心地理论（克里斯塔勒） n中心地等级：中心地供给中心商品的区域范围的大小，或 服务人口数量的多少。服务区域范围大、

19、人口多的中心地 为高级中心地，反之亦然。 n中心地系统的空间模型（基于市场原则） n假设条件： n中心地所在区域自然条件相同且为均质平原，人口均匀 分布。 n区域内各点的交通便利程度一致。 n消费者都利用距离自己最近的中心地购买商品。 n同一商品在各中心地的价格和质量均相同。 n各中心地满足区域内所有地点消费者的购买要求。 n中心地系统空间配置过程： n同级中心地（B级）提供服务半径相同（21km）的同一中 心商品，形成面积相同的六边形市场区； n由于存在低级中心商品需求，其服务半径（如20-12km）小于高级中心 地提供的中心商品，在三个毗邻高级中心地组成的等边三角形中心点上 形成低级中心地

20、及其服务的市场区（K级）。 n同理，由于存在更低级中心商品需求，则在高一级三个毗邻高级中心地 组成的等边三角形中心点上形成低级中心地及其服务的市场区(A级)。 n依此类推，当所有中心商品需求全部满足后，形成稳定的中心地系统。 n市场原则下中心地系统的基本特点 n不同等级市场区由高到低形成1，3，9，27，81，的数量 关系(K3)；不同等级中心地由高到低形成1，2，6，18， 54，的数量关系；在空间结构上表现为三个同级中心地 构成的三角形的重心是低一级中心地布局的区位点。 n交通原则下中心地系统的 基本特点 n两个相邻同级中心地连线的中 点是低一级中心地布局的区位 点。不同等级市场区由高到低

21、 形成1，4，16，64，256， 的数量关系(K4)；不同等级 中心地由高到低形成1，3，12 ，48，192，的数量关系。 n行政原则下中心地系统的基本特点 n高一级中心地的市场区完全包含低一级中心地及其市场区 。不同等级市场区由高到低形成1，7，49，343，2401， 的数量关系（K7）；不同等级中心地由高到低形成1 ，6，42，294，2058，的数量关系。 n中心地理论的应用 n实证分析： 3.2.3 中心地理论 n应用： n中心地理论在各国区域开发、国土开发与整治、 城市体系规划、商业网点规划等领域得到了广泛 应用。 n联邦德国的联邦空间整治法及空间整治纲 要。 n日本建设省运用

22、中心地理论进行区域规划。 n在中国，区位论实践应用最多的也是中心地理论 。 3.3 格局的尺度 n3.3.1 尺度的含义 n3.3.2 尺度的表现 n3.3.3 尺度的作用 3.3.1尺度的含义 n现象尺度的含义：是指地球表层系 统某一现象所涉及到的空间或时间范 围，也叫特征尺度。 n观测尺度的含义：是指在开展各种 观测时所采用的空间或时间单位。通 常采用幅度、分辨率和粒度作为观测 尺度的指标。 n幅度是指观测某一现象时所包括的总 范围或者所持续的总时间。 n分辨率是指两次观测之间的间隔时间 或间隔距离。 n粒度是指单个观测所包括的范围或者 持续时间。 3.3.2 尺度的识别 n类型尺度的识别（组织尺度） n通过类型分级指标体系识别地球表层系统组成要素的多尺 度性。 n地貌：宏观形态地貌类型成因地貌类型微观形态地貌类型； n气候