自然地理系统演化动态

自然地理系统演化动态第1页，共44页，2023年，2月20日，星期六第六章自然地理系统的演化动态

第一节自然地理系统的演化过程一、自然地理系统的演化二、自然地理系统的演化机制—自组织功能第二节自然地理系统的动态一、自然地理系统进化过程中的节律性二、自然地理系统的稳定性第2页，共44页，2023年，2月20日，星期六一、自然地理系统的演化

地球的形成约有４.56×109

年的历史。自然地理系统的形成与演变与地球的演化历史密切联系在一起，自然地理系统的产生起于地球发展史的某个阶段，也是地球演化进程的产物。

地球上生物的出现是自然地理系统诞生的标志。依据生物界的发展进程将自然地理系统的演化分为四个阶段：即原始环境、亚自然地理环境、全自然地理环境和人地环境阶段。第一节自然地理系统的演化过程第3页，共44页，2023年，2月20日，星期六一、自然地理系统的演化图1自然地理环境演化进程示意图A生物出现B植物登陆C人类出现（负值表示距今以往的年数）第4页，共44页，2023年，2月20日，星期六1、原始环境阶段又称“前自然地理环境阶段”，是岩石圈、大气圈和水圈形成阶段。构成原始太阳系的物质包括由氢、氖、氮、氧等元素构成的气体物质约占总量的98.5％;由硅、镁、铝、硫、铁等及其氧化物和石墨等构成的土物质以及由氢、氮、氧的化合物如水、水化甲烷（NH3·7H2O）等构成的冰物质，只占总量的1.5％。第5页，共44页，2023年，2月20日，星期六1、原始环境阶段地球诞生之初，土物质和冰物质聚集成接近均质的球形体，尚无分层现象。当地球体积逐渐聚集增大，重力作用逐渐显现，比重大的土物质向球内部收缩汇聚，收缩位能转化为热能，加之放射性元素蜕变中释放的热能，共同促使地球内部不断增温，以致铁镍物质熔融沉向球心，形成内核；硅酸盐类密度低、熔点高的物质相对上升，形成地壳；其余铁镁酸盐物质构成中间地幔层。固体地球部分形成圈层分化。

地球圈层分化之初，由氢、氦、氧组成的原始气体仍为地球的主要组成。由于地球初期质量小、重力小，不足以俘获气态物质，氢、氦、氧等极易散失于太空，故气体稀薄。第6页，共44页，2023年，2月20日，星期六地球体积逐渐增加，重力作用增大，在圈层分化过程中，地球内部的气体成分，随地壳运动与火山活动被释放于空中并已不能轻易脱离地球，从而形成一定厚度的原始大气层，它们主要由甲烷（CH4）氨（NH3）和气态水组成。紫外线分解水，之后与甲烷反应，其主要成分变作二氧化碳、氮和水汽，构成第二代大气（还原性大气）。而相当一部分水汽又转化为液态水，在地表汇集形成原始海洋——水圈。

从地球的诞生，到岩石圈、气圈和水圈的初步形成大约从4.56×109年延续到3.5×109年前，这一阶段持续约1×109年，即为原始环境阶段。

1、原始环境阶段第7页，共44页，2023年，2月20日，星期六2、亚自然地理环境阶段

亚自然地理环境阶段开始于距今约35亿年。地史古生物资料表明，在距今约35亿年的原始海洋里，开始出现原始的原核生命体。

有机生命的诞生标志着生物圈的始起，也标志着地球开始进入自然地理系统产生的阶段。海洋是生命的摇篮。从寒武纪到5亿年前的奥陶纪初，海洋无脊椎动物已大量生存，海洋已成为生物世界。直到距今4亿年前泥盆纪之初，生物进化史上又发生了一次飞跃，植物开始登上陆地。至此，自然地理系统结束了亚自然地理环境发展阶段。这一阶段大约经历了30亿年的时间。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期六3、全自然地理环境阶段

全自然地理环境阶段即海洋和陆地自然地理环境进入全面发展的阶段。距今4亿年泥盆纪之初，加里东造山运动使地球上的陆地范围大增。由于地理环境的急变，生物界发生重大变革，陆生植物开始发展，全球茂密的森林植被使光合作用急剧加强，最终以氮、氧为主要成分的第三代大气（氧化大气），即作为自然地理系统组成之一的现代大气层终于形成。随着陆生动植物的发展，生物圈逐渐进入全面发展阶段。生物物种日趋进化、丰富和多样化，一个完整的生物圈已告形成。第9页，共44页，2023年，2月20日，星期六

从植物由海登陆的时期起，陆地风化壳也开始了成土过程。作为自然地理系统的各组成部分，均经历了从简单到复杂，从低级到高级，从不完整到完整的发展阶段，完成了从海洋到陆地，从岩石圈、大气圈、水圈、生物圈到土壤的全面进化的过程，即真正意义上的自然地理系统终于形成。到距今约350万年前后人类开始出现为止，全自然地理环境演化阶段大约经历了近4亿年。3、全自然地理环境阶段第10页，共44页，2023年，2月20日，星期六4、“人—地环境”阶段距今约350万年前后，新第三纪晚期，生物演化历史上又发生了一次重大事件，地球上最高级的生物—人类的始祖如阿法尔南方古猿出现。生物界开始进入了一个新的时期，自然地理环境随即开始了受人类活动影响的新阶段。人类在劳动生产过程中，对自然地理环境的影响日益突出，人在与其生存环境的相互关系中，即人地矛盾的对立统一关系中，已经由非主要的矛盾方面逐渐转化为主要的矛盾方面。第11页，共44页，2023年，2月20日，星期六5、自然地理系统演化过程的特点自然地理系统演化过程中，圈层结构具有一定的演变顺序。在自然地理系统不断完善的过程中，其各组成部分的内部也经历了不断变化的过程。分析自然地理系统的发展过程曲线，不难发现其各个演化阶段的时间历程不均匀。自然地理系统各阶段的演化历时大约在按照10:1:0.01的比率递变。

自然地理系统演化的现阶段人—地环境阶段的发展趋势尚不明了。就是说，现阶段是仍处于整个演化过程的迅速发展阶段？还是即将进入“后自然地理环境”的发展速率逐渐趋缓的新阶段？人—地环境阶段究竟有多长？……第12页，共44页，2023年，2月20日，星期六二、自然地理系统的演化机制1、系统的自组织功能自组织性或自组织功能是开放系统不断发展进化的重要性质和功能。系统只有与环境发生物质、能量和信息的交换才能真正发展。系统通过内部组织结构与功能的自身调整而产生与环境影响相适应的某些变化，称之为系统对环境的适应作用。自然地理系统也不例外。生物界对自然地理系统进化具有更为强大的自组织能力。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期六2、“盖娅假说”英国地球物理学者拉沃洛克于1969年在美国的一次国际学术会认上首次提出了“盖娅假说”,1979年出版了《盖娅：对地球上生命的新认识》。

“盖娅”是指一个由地球生物圈、大气圈、海洋、土壤等部分组成的复合的控制系统。该系统通过自身调节和控制作用，能达成一个适合于广大生物生存的物理、化学环境，即是以生物圈为中心的地球系统。第14页，共44页，2023年，2月20日，星期六2、“盖娅假说”盖娅假说的主要内容：第一，地球的自我调节过程中，生物起主导作用。第二，地球是一个进化系统。第三，地球生态系统保持一定的稳定性。第15页，共44页，2023年，2月20日，星期六对盖娅假说的认识

1961年拉沃洛克在对火星大气组成的平衡分析研究中，认定火星上不可能存在生命，显然地球与火星对比，生命和生物的存在是至为重要的差异,这可能成为盖娅假说的缘起。拉氏特别强调地球的进化关键是生物，特别是微生物，它们早就统治地球生命历程的80%以上的时间。而当生物进化至多细胞组织复杂的生物体出现之后，地球的大气圈、水圈环境状况就已持续稳定下来。从而证明地球表层系统的复杂性与多样性是由于生命和通过生物生命活动所体现的自我调节、自我控制功能所决定的。

2、“盖娅假说”第16页，共44页，2023年，2月20日，星期六对“盖娅假说”的认识“盖娅假说”注意到了全球生命系统与其它圈层的功能关系，但突出强调了生物改造环境以适合其自身生存的有利方面，认为生物的作用就是力图维护全球的（生态）平衡，因而有着太明显的单一目的性。

一些国外学者认为，生物圈只是影响海洋和大气圈成分的众多因素之一，在某些情况下它可能比其它因素的影响更大，但是强调生物圈控制着整个（地球）系统，其立论还是不充分的。

2、“盖娅假说”第17页，共44页，2023年，2月20日，星期六第二节自然地理系统的动态自然地理系统的进化过程是以生物圈为核心的系统的各组成部分作为一个整体协同进化的过程。在自然地理系统进化过程中，自然地理过程与现象具有的在某一时段内重复显现、交替或持续波动的动态特性，称之为自然地理系统的节律性。第18页，共44页，2023年，2月20日，星期六

自然地理系统的节律性按其形成原因有天文因素引起的节律性和地球自身运动引起的节律性；按其发生周期的规模程度可分为周期性节律与旋回性节律。1、周期性节律

周期性节律是自然地理过程按严格时间间隔重复变化的规律。其成因既有天文因素也有地球自身运动因素即日、月、地和太阳系在宇宙空间运动所表现的周期性。

一、自然地理系统进化过程中的节律性第19页，共44页，2023年，2月20日，星期六第20页，共44页，2023年，2月20日，星期六昼夜节律：是地球自转的效应。自然地理系统的各组成成分对昼夜变化产生相应的反应，许多自然地理过程和现象都随之昼夜更替。例如：各种气象要素的日变化；生物的光合作用、吸取代谢作用；动物的生命活动；潮汐现象……

昼夜节律因时因地而异？

纬度的变化；地球自转速度的变化……（一）周期性节律1、周期性节律第21页，共44页，2023年，2月20日，星期六季节节律：是地球公转的效应。由于公转，地球上产生了季节更替，许多自然地理过程和现象也随之而变化。例如：气候的年内变化；季风；水文；植物；动物的迁徙与繁育等等。季节节律因时因地而异？纬度的变化；在自然地理环境演化过程中的变化……（一）周期性节律1、周期性节律第22页，共44页，2023年，2月20日，星期六小结:

地球的自转与公转周期决定了自然地理过程与现象的昼夜节律和季节节律，最终导致自然地理系统中能量的输入转换与再分配过程的周期性节律性变化。（一）周期性节律1、周期性节律第23页，共44页，2023年，2月20日，星期六2、旋回性节律旋回性节律:自然地理过程与现象不等时间间隔重复出现的自然节律。与周期性相比：不规则；复杂；高级。变化机制不明确。按其规模由小到大可分为气候旋回和地质旋回。第24页，共44页，2023年，2月20日，星期六2、旋回性节律（1）气候旋回：地质历史上或自然地理系统演化过程中，气候的变化具有旋回性节律，表现特点主要为寒冷期与温暖期的交替，或干旱期与湿润期的交替。气候旋回大致可分为三类：世纪内旋回、超世纪旋回和冰期-间冰期旋回。第25页，共44页，2023年，2月20日，星期六（1）气候旋回世纪内旋回:是波动周期较短的气候旋回，其周期一般在数十年之内，长短不均。其中以35年左右为一周期的所谓布吕克纳周期占优势。张家诚等分析长江中下游五站1885~1972年5~8月降水的多年变化，以及北方五站1891~1972年7~8月降水的多年变化，发现均有明显的以35年左右为周期的三个少雨期。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期六

叶青超依据黄河中下游流域近500年旱涝史料的统计分析，综合计算出1480～1970年间大致有6个相对旱期和6个相对湿期。世纪内旋回图２黄河流域近500年来旱涝变化曲线第27页，共44页，2023年，2月20日，星期六超世纪旋回:其旋回周期在100年至10000年之间，目前已被确定的世界范围的超世纪旋回是1800～1900年为周期的气候旋回。这种旋回分为两个阶段：冷湿气候阶段，约300～500年，在此期间，冰川扩展、河流水量增加、湖泊水位上升；另一阶段为干热气候阶段，长达100年以上，在此期间冰川退缩，河流径流减少，湖泊水位下降。竺可桢指出我国五千年来的气候变化具有400、800、1200和1700年四种不等的冷暖周期。

超世纪旋回第28页，共44页，2023年，2月20日，星期六

冰期-间冰期旋回：属气候冷暖波动周期在一万年以上的旋回，有的超过1.0×106年，最长的周期可达4.0~8.0×107年。近７亿年来发生过三次大冰期：即震旦纪大冰期、石炭-二叠纪大冰期和第四纪大冰期。冰期-间冰期旋回第29页，共44页，2023年，2月20日，星期六气候旋回的形成是多种因素的综合结果。世纪内旋回与太阳黑子活动的周期以及火山活动可能有关。超世纪旋回可能与太阳黑子活动的长周期变化等因素有关。冰期与间冰期旋回可能与地球公转运动中的长周期变化有关。（1）气候旋回第30页，共44页，2023年，2月20日，星期六地质旋回：地球在其演化过程中，由于其内部物质的运动，周期性或间歇性地发生大规模的地壳活动，表现为强烈的地壳变形、褶皱隆起造山成陆，或大范围沉降成海洋。大规模地壳活动之后，往往进入地壳相对平静的阶段。如此反复不已，形成地壳运动的节律性，在地质学中称其为构造旋回，或地质旋回。

（2）地质旋回第31页，共44页，2023年，2月20日，星期六一次大规模强烈的造山-造陆运动时期和一段构造活动相对平静时期，组成一次大的构造运动旋回。例如：在我国，最古老的构造运动发生在太古代末至元古代初期，称五台运动；震旦纪时期发生吕梁运动；五台-吕梁运动间的旋回历时至少在1×109年以上，吕梁运动至寒武纪初的构造旋回历时约1×109年。（2）地质旋回第32页，共44页，2023年，2月20日，星期六古生代以来全球构造旋回分别为：加里东旋回：由寒武纪至志留纪末,距今6.0亿～3.9亿年间，历时2.1亿年；海西旋回：由泥盆纪至二迭纪末距今3.9亿～2.3亿年间，历时1.6亿年；阿尔卑斯旋回:由中生代三迭纪至新生代初距今2.30亿～0.70亿年间，历时1.6亿年；新阿尔卑斯旋回：又称喜马拉雅旋回,迄今已有0.7亿年。

（2）地质旋回第33页，共44页，2023年，2月20日，星期六3、自然地理系统演化节律的基本特征层次性和分级特征：规模和表现性质上；叠加性特征：反映不同层次和等级节律的叠加影响；变异性特征：高一级节律的变异可以是由低一级节律经无数次量变反馈的积累而最终实现的；高等级的节律发生变异对低等级节律的变异影响程度更为巨大。

第34页，共44页，2023年，2月20日，星期六二、自然地理系统的稳定性系统的稳定性即是系统抵抗或抑制系统内外干扰，以保持其原来状态的一种性能。系统的稳定性也反映其求稳性和趋稳性。由耗散结构论来看，自然地理系统是一个“远离平衡态”的开放系统，一旦系统的外环境发生某种干扰或系统内部产生某种异常，破坏了系统的动平衡，那么，系统内部会产生自我调节作用，使系统趋向恢复或达到某种新的动态平衡。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期六（一）自然地理系统稳定性功能的例证1．地貌均衡

随时间的变化当基岩的抗蚀程度与外营力侵蚀能力逐渐趋于平衡时，地表形态亦将趋向一定的稳定状态，这种过程表现称之为地貌均衡。（1）河流纵剖面的均衡变化（2）海岸（横）剖面的均衡变化第36页，共44页，2023年，2月20日，星期六第37页，共44页，2023年，2月20日，星期六（一）自然地理系统稳定性功能的例证1．地貌均衡

随时间的变化当基岩的抗蚀程度与外营力侵蚀能力逐渐趋于平衡时，地表形态亦将趋向一定的稳定状态，这种过程表现称之为地貌均衡。（1）河流纵剖面的均衡变化（2）海岸（横）剖面的均衡变化（3）地貌形态变化率的衰减均衡第38页，共44页，202