自然地理环境的基本规律

第十章

自然地理环境的基本规律

前面各章节阐明了各自然地理要素。在此基础上，本章既是对各自然地理要素基本特征的概括，又是把自然地理环境作为统一整体进行综合研究。其中着重论述自然地理环境基本规律及其，即整体性规律、时间演化规律、空间分异规律、土地类型和综合自然区划。

1第一节

整体性规律

一、概

述

（一）整体性含义

1、自然地理环境的四个基本地圈：对流圈、水圈、沉积岩石圈、生物圈。

2、为什么地理学界都把自然地理环境作为整体来研究？

(1)自然地理环境——是一个由一些大小不同、等级有别、内部结构复杂程度参差不一的物质系统，逐级镶嵌组合而成的。

(2)组成自然地理环境的六大要素为地貌、气候、水文、植物、动物和土壤。

2(3)自然地理环境各个要素的性质和功能，与自然地理环境整体性质、功能有巨大区别，即使某一要素对某一级自然地理环境的形成和特征有着重要影响，也不能取而代之。因为任何要素的作用，只有在与其他要素相联系的情况下才能发挥。(4)整体性含义包括两方面：A、统一含义：指构成整体和各要素不是孤立存在的，而是相互联系、相互作用、相互制约组成一个统一的整体；B、特殊含义：指整体具有各孤立要素所没有的性质和功能。但整体功能并不等于各部分、各要素功能的任意凑合。(5)自然地理环境的整体性规律，是自然地理最基本的规律。它与其他规律有不可分割的联系。所以地理学界，都把自然地理环境作为整体来研究。3（二）整体性实质

1、自然地理环境整体性规律的实质就是自然地理环境的内部联系性

自然地理环境的整体性规律，是通过对其组成和结构的分析总结出来的。即对自然地理环境的无机和有机组成，对自然地理环境的空间结构和时间结构的分析综合，总结出来的。其实质就是自然地理环境的内部联系性。即各组成要素和各部分，综合交融，互为因果，通俗地说，就是“牵一发而动全身”。

4

2、整体性观念和内部联系的规律性

自然地理学的奠基人洪堡在他的五卷巨著《宇宙》一书中写道：“自然地理学的最终目的是认识多种多样的统一，研究地球各种现象的一般规律和内部联系。”这就是指整体性观念和内部联系的规律性。3、整体性规律又是自然地理研究的出发点（为什么？）

人们对自然地理的研究包括：(1)

自然地理环境的结构和功能以及各种结构形成的机制和规律；(2)

物质循环能量交换的调节、控制和可能途径；(3)

研究自然地理区划和土地类型，确定其综合特征，开发利用的方向和途径；(4)

研究人地关系，探求环境与发展协调的正确途径等等.上述研究都必须从自然地理环境的整体性出发。不承认整体性规律就不可能取得有实际意义的成果。所以，整体性规律又是自然地理研究的出发点。然而，地理学界对自然地理环境整体性规律的认识，同其他学科一样，有一个由浅入深的深化过程。5二、整体性认识的发展

整体性包括内在联系的整体性、结构和功能的整体性、非平衡有序系统的整体性等

(一)内在联系的整体性

1、概念

内在联系的整体性——是指自然地理环境的各组成要素(地貌、气候、水文、土壤、植物、动物)相互联系、相互制约形成统一整体的特性。其中任一要素发生变化，必然引起其余要素发生相应的变化，某一部分发生变化，必然引起其相邻部分发生相应的变化。

62、人类活动引起自然地理环境的变化

人类活动对大自然的干预，引起自然地理环境的变化屡见不鲜。如英国和泰晤士河曾由于伦敦及其附近城镇的废水污染，水质变黑，发臭（水文变化），导致鱼类绝迹（生物变化）。后经二三十年整治，河水再度变清（水文变化），继而鱼类重新出现（生物变化）。

73、内在联系整体性认识的理论基础是因果论

17世纪世界崇尚因果论，地理学界也不例外。认为自然地理事物和现象具有深刻的因果联系。一旦在自然综合体中有某一环节发生变化，其他所有环节必将随之发生变化。当然，整个体系的变化规模在本质上决定于各组成部分或要素的变化规模。这就是自然地理环境内部联系的整体性。

8（二）结构和功能的整体性

91、系统的结构和功能

(1)

系统结构——就是系统内部各要素之间的特殊网络关系。即是系统内部的物质流、能量流、信息流和流通渠道。也可以理解为系统的骨架。

现实世界中，往往在构成要素相同的情况下，各要素的组合方式不同，即结构不同，系统的整体功能也大不一样。如：

石墨：层状结构→松软→铅笔芯

金刚石：岛状结构→坚硬→钻石

(2)系统功能——是指物质、能量、信息在系统内传递转化的外部表现。

例如：土壤、草本植物和食草动物三个子系统通过结构网络构成一个生态系统，其功能正是结构网络保证物质、能量在系统中传递和转化。一旦这种传递和转化受阻，整个生态系统就会陷于解体，系统的结构网络将不复存在。

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(2)系统功能——是指物质、能量、信息在系统内传递转化的外部表现。

例如：土壤、草本植物和食草动物三个子系统通过结构网络构成一个生态系统，其功能正是结构网络保证物质、能量在系统中传递和转化。一旦这种传递和转化受阻，整个生态系统就会陷于解体，系统的结构网络将不复存在。

以磷在此生态系统中的传递和转化说明：

人们将磷施于(输人)土壤后→首先溶解于土壤水中→随后被植物的根系吸收而进入植物体内，参加植物体的建造→植物体的磷→

归还给土壤：一部分由于植物死亡变成枯枝落叶→土壤；

输出生态系统之外：另一部分被食草动物取食→动物体内，参与动物体的代谢→输出到该生态系统之外。

11显而易见，每一个子系统都有磷的输入、输出，以及在各子系统中转化。这种功能的顺利实现全赖于该生态系统的结构网络通畅。一旦由于某种原因，结构网络受破坏，例如土壤子系统的结构发生了变化，使施入的磷与土壤水中的化学物质发生反应，生成难溶的磷化合物，植物就难以吸收。这时整个系统就要受影响，其功能也就不能正常发挥。12(3)系统结构与功能的关系

系统结构

1)

结构是保证物质、能量、信息流通的渠道。

与功能的

2)

功能是维持结构存在和发展的基础。

关系非常

密

切

3)没有无结构的功能，也没有无功能的结构。

132、系统的整体性

(1)系统的整体性——按照系统论观点，整体性是由于物质、能量、信息在系统内各要素之间流通，使要素之间的联系、制约加强而形成。组成整体系统的各部分，不能离开整体而孤立存在，部分由整体决定。(2)部分与整体的关系可约化为以下表达式：2V1+1或2>1+1(优化组合)2=1+1(合理组合)2<1+1(内耗占统治地位)这是系统论最基本定律。运用系统科学，构成一个新的系统，精确无误地组织好各要素实行系统管理，就能发挥最大的功能。

143、自然地理系统的整体性

15例如气候，体现自然地理系统的整体性特点表现：A、它是自然地理系统的要素之一，其重要性不仅是其本身的存在，还在于它参与地貌的塑造和陆地水文特征的形成，影响植物、动物的类型和分布，参与土壤的形成过程等等。B、但某地的气候状况，并不代表当地的自然地理环境。(3)对自然地理系统的研究要求

由于自然地理系统极其复杂巨大，因此，对自然地理系统的研究，要用系统论的观点，从事物的整体性出发，着眼于整体与要素、要素与要素、整体与环境的相互联系、相互作用、相互制约关系的综合考察，择优选取总体最好的方案。这正是钱学森教授所倡导的用“从定性到定量的综合集成法，来处理复杂巨系统问题”。

16(三)非平衡有序系统的整体性

*1、非平衡有序系统的整体性——这一阶段的特点是根据耗散结构理论来认识整性体。2、为什么说自然地理环境具有非平衡有序系统的整体性？

因为自然地理环境是在内外营力的作用下发展演化的，而且在演化过程中引发出许多随机性问题。所以，自然地理环境具有非平衡有序系统的整体性。

17*3、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（伊·普里戈金）。*4、耗散结构理论特点——耗散结构理论强调进化中的随机性、不可逆性远离平衡和不稳定。*5、耗散结构理论作用——人们不能控制其发展路向，但可以影响其进化进程，故耗散结构理论可以把系统论无法解决的进化问题和许多随机问题给予解决。

181、系统与熵

平衡状态：物质流和能量流已经消除了系统内部的差别，系统

元素处于无序混合状态。

接近平衡状况：系统中只存在着微小差别，一旦迫使它们保持平衡约束条件消失，便朝平衡状态移动。

远离平衡状态：系统做功，因而产生熵，同时系统是非线性的和随机不确定的。

现实世界中系统有三种可能状态

192)为什么信息在系统中传递、扩散将促使系统不断进化？

因为：宇宙间的物质和能量分布是不均匀的。而信息却可以反映物质和能量在空间上和时间上的分布不均匀程度，以及物质和能量的变化程度。另外，信息又在物质运动和能量交换中起着联系作用。所以，信息在系统中传递、扩散将促使系统不断进化。

203)信息与熵的关系

信息与熵的关系非常密切：A、它们的数学表达式分别是信息量h=logPm/Pn[h——信息量：单位是比特bit；Pn——先验概率（=1/n）；Pm——后验概率（=1/m）]和熵S=klogp（S——熵；P——配容数，K——波尔兹曼常数），两者都是概率的函数。B、系统的熵是无序程度的量度，熵值越大，系统越无序。C、信息量则是系统有序程度的量度。所以两者的符号正好相反。换句话说，信息就是负熵。212、系统的进化模式

根据耗散结构理论，开放的有序系统在负熵流的作用下，在环境达到一定的阈值时，整体系统便出现对称破缺而分叉。反复分叉的结果，导致混沌，即达远离平衡状态。在这种情形下，一个随机涨落有可能被放大，并逐渐占据整个系统，形成具有全新功能的有序结构。这就是新的耗散结构。系统的进化可以约化为以下模式：“初级耗散结构→对称破缺（分叉）→混沌（远离平衡态）→涨落放大→高级耗散结构……”。解释：

开放的有序系统在环境达到一定的“阈”之前是相对稳定的，而对称性总是和稳定性联系在一起，运动变化则经常通过对称性的破缺反映出来。对称破缺——对称性受到破坏。

22分叉——是事物发展变化的一种描述。即在某点，系统达到“稳定性的阈，通过这点以后，系统就变得不稳定了。(1)对称分叉：如图10.1A所示，当λ<λc时，系统是稳定的；当λ>λc时，变成不稳定。(2)反复分叉，将导致系统远离平衡状态（图10.1B）：1)λ<λ1时，有定态a；2)

λ=λ1时，可能产生两定态b和b'，b'原是不稳定的；3)

λ=λ2时，b'变为稳定态，同时a变为不稳定；4)

λ=λ3时，分支b'又变为不稳定，同时出现两个稳定分支；5)

λ=λ4时，不稳定分支a达到一个新的分叉点而分叉，但在λ=λ5和λ=λ6前，它们是不稳定的。

23由图可见．逐级分叉必然导致混沌，其间存在着一系列相继的稳定区域（受决定论支配遵循因果论）和不稳定区域（靠近分叉点），事物发展的必然性和偶然性混合组成系统的演变史。●涨落放大——是指系统处于远离平衡态时，任何一个微小的涨落（如波动）都会通过自组织（或自催化）而放大，进而主宰整个系统，成为具有新的结构功能的有序系统。普里戈金在论述涨落放大时曾举出一个普通的例证，就是白蚁筑窝的第一阶段：白蚁以随机的方式搬运和卸放土块。初始的“涨落”只是土块稍大的激素浓度（每一只白蚁都能分泌搬家），由于这稍高的浓度而吸引了其他白蚁前去卸土。于是卸放土块的概率增大，反过来又使激素的浓度进一步提高，吸引更多的白蚁去卸放土块，就这样初始“涨落”不断放大，结果白蚁窝建成。

243、自然地理系统是耗散结构

(1)

自然地理系统的结构、功能表明，它是一个复杂、开放、巨大的耗散结构。(2)

和一切耗散结构一样，具有相干性——这是系统的整体性标志之一。1)自然地理系统的相干性特点——即整体性特点表现在它不断地与外界交换物质、能量和信息。2)输人太阳短波辐射，能量高，意味着熵低。输出为地球长波辐射，能量低，意味着熵高。那么，太阳辐射就在自然地理系统中形成负熵流。

根据玻尔兹曼有序原理；F=E-TS（F——自由能，E——系统的能量，T——绝对温度，S——熵）→

S=（E-F）/T。对于自然地理系统，其能量远低于太阳辐射能，所以，熵恒为负数（S<o）。3)

强大的负熵流在各要素（圈层）间传递、转化，使各要素紧密地联系在一起，形成统一的整体系统。并不断地从简单到复杂，从低级到高级，从无机到有机，从相对无序到有序的进化。

25总结

(1)

非平衡有序系统整体性阶段的特点，就是以耗散结构理论为指导，去认识事物的整体性。(2)

耗散结构理论揭示了事物发展演化的规律，强调非平衡是事物发展的必要条件，认为非平衡是有序之源。(3)要达到远离平衡，又必须强调系统的开放性。1)任何孤立的、封闭的系统，由于与外界环境缺乏物质、能量、信息的交流，最终会因系统内部的不可逆熵增过程，而致使系统内的熵达到最大值，从而达到平衡状态。自此以后，该系统就不再发展演化了，完全为机械论、决定论所支配。262)

只有开放系统，不断与外界环境交换物质、能量和信息，从而使系统内的熵产生得以抵消，使系统的总熵不断地下降，在外界条件达到一定的阈值而发生分叉，再分叉，使系统远离平衡，产生自催化，导致新的、更高级的系统代替原有的系统。即系统进化了。进化了的新系统不是发展演化的终结，因为新系统仍然是开放的，具有耗散结构，它要在新的基础上继续进化，以至无穷。(4)

开放系统的进化具有普遍性，无论是宏观的还是微观的系统，也无论是自然界还是人类社会，无论是无机界还是有机界都普遍适用。耗散结构理论是先进的，但引进自然地理系统还是处于起步阶段。将有可能使自然地理学产生新的体系。

27三、自然地理环境的进化发展

281、自然地理环境进化的方向性

(1)自然地理环境发展演化是不可逆的

自然界存在着一日之间的白天与黑夜，一月之间的月圆月缺，一年之间的春、夏、秋、冬等周而复始的“可逆”现象，但这毕竟是表面上的可逆。因为每一次重复出现都有别于从前，包含着时间对称性的破缺。例如恒星年与回归年的差别。它们不是原地打圈，而是螺旋式前进。

(2)自然地理环境中的各圈层均存在显著的不可逆现象

1)岩石圈的形成过程（按康德—拉普拉斯假设）：混沌→地壳→地幔→地核，绝不会倒转过来.

2)地壳演化规律（按地洼学说）：→地槽→地台→地洼→，螺旋式向前发展，不可逆.

3)大气圈的演化：原始大气→二氧化碳大气→现代大气.

4)水圈的演化：原始海洋（低盐、少水、高钙）→现代海洋(高盐、多水、低钙)。

295)生物圈的演化：A、植物：藻类→蕨类→裸子植物→被子植物；B、动物界：单细胞动物→无脊椎动物→鱼类→两栖类→爬行类→哺乳类，均不可逆转。(3)自然地理环境的进化，具有随机性和概率性

根据玻尔兹曼的有序原理，系统的熵是随着概率的增大而增大的，熵的增大意味着系统的无序程度增加。1)

对于孤立的、封闭系统来说，熵增是不可逆的，最终达到最大熵（熵垒）；2)

对于开放系统，负熵流可以抵消系统自然的熵增，而趋于0或负值，出现瞬间的稳定或不断有序。故可以用des-dis≦0作为自然地理环境进化的一个表述。

302、原始自然地理系统的形成

原始自然地理系统的形成大概经历如下阶段：

(1)天文期——宇宙大爆炸:

46亿年前，地球起初是一些相互靠近的宇宙物质、星云。由宇宙大爆炸产生。

(2)地质时期——原始自然地理系统开始形成（原始圈层形成）：46亿年后，由于地球内放射性热的生成率比今天高出许多倍，是当时地球表层演化的主要能源。由于地球内部热量大量聚积→导致地球物质熔融→喷溢大量岩浆、气体和水蒸气→形成了原始的岩石圈、水圈和大气圈，标志着原始自然地理系统开始形成。

由于此时地球内能占优势，所以原始大气以甲烷(CH4)、氮气(N2)、水汽(H2O)、氨气(NH3)和二氧化碳(CO2)等为主。

原始海洋和海水为低盐、高钙型，且水少，因此物质、能量的交换受到一定的限制。

31(3)

原始自然地理系统形成——三大圈层紧密联结成统—整体：约于37～20亿年前，地壳不断增厚（表10.2）。由于地壳增厚，地球内能对地表的作用减弱，太阳辐射能逐渐成为地球表层的主要能源，在三大无机圈层中不断转换、耗散，并促成三大无机圈中的物质交换，使三大圈层紧密联结成统—整体，联结成一个新的物质系统——原始自然地理系统。由于原始大气对太阳的短波辐射基本透明，因此，在强烈的紫外辐射照射下，环境中的小分子和元素，在原始的海洋中合成高分子化合物（如碳水化合物）。这为地球生物的诞生，淮备了充足的物质基础。

323、天然生态系统的形成

原始自然地理系统是具有耗散结构的物质系统，它还要继续进化。据浦汉昕的研究：原始生命的形成——异养细菌：大约在30亿年前，地壳增厚到20km，地球内能对地表的作用再减弱，太阳辐射能对地表的作用进一步增强。同时，海洋里的有机化合物大量积聚，这些物质在太阳能的作用下，终于合成了生命，最初是异养细菌：靠海洋中的有机物和积聚能量为生。这是因为海洋环境受到水体的保护，免除了紫外线杀伤的缘故。

33(2)原始生态系统的形成——光合作用：自然地理环境的一次重大飞跃→逐渐形成生物圈：在达到与环境的动态平衡时，异养细菌感到食物匮乏，于是出现突破产生自养生物：这些生物具有叶绿素，称为蓝藻，能进行光合作用，自身固定太阳能，制造有机物。于是产生了原始的生态系统，这是自然地理环境的一次重大飞跃。(3)生物圈逐渐形成：原始的生态系统大大改变了自然地理环境的物理、化学过程和元素迁移过程，从而改变了自然地理环境的组成和结构，逐渐形成生物圈。由于含有叶绿索的生物不断增多，因而固定太阳能的数量也随之增加。

34(4)

臭氧层形成：由于光合作用的不断加强，原始大气中的二氧化碳（CO2）减少，其中碳以碳酸盐岩类固定在沉积岩中。而大气圈中的氧气（O2）不断增加，并在大气圈中出现臭氧层，吸收了对生物体有害的紫外辐射（波长<0.29μm的紫外光），为生物在自然地理环境中繁衍创造了有利条件。由于大气圈中的氧含量不断增加，导致喜氧生物大量产生。当大气中氧含量达到现代大气的干分之一时，嫌气生物逐渐被喜氧生物取代。而由于有了氧呼吸，自然地理环境中的能量转换效率提高了大约19倍。(5)天然生态系统的形成：大约在距今4亿年前，生物从海洋登陆，接受太阳辐射更为充分。结果导致生物种类和数量大增，水陆都形成由生产者（植物）、消费者（动物）和分解者（细菌）组成复杂、完善的生态系统，这就是天然生态系统。35

生物圈的形成，标志着自然