综合自然地理第章自然地理环境的整体性专业知识讲座

黄土高原的水土流失

地貌、水文、植被、土壤、气候的同步变化，牵一发而动全身…自然地理系统的整体性系统：具有特定功能和结构的元素集合，每一系统都是由相互联系、相互作用的要素和过程所组成。系统论(贝塔朗菲,1937)：研究系统的一般模式、结构和规律的理论。自然界各种事物都是以系统形式存在着的有机整体，具有整体性、层次性、相关性、稳定性、变异性等特征。系统论系统的分类按系统尺度、规模和范围：宇宙系统，宏观系统，微观系统按系统与环境的关系开放系统：系统与环境间具有物质、能量、信息的交换和流通封闭系统：系统与环境间只有能量的交换和流通，但无物质的交换孤立系统：系统与环境不发生任何联系和作用按人与自然的关系自然系统：未打上人工印记的客观系统(天然生态系统)人造系统：人工制造的系统(生产、交通运输、管理系统)自然与人文的复合系统：人类利用或改造自然的系统按系统状态：平衡系统，非平衡系统；近平衡系统，远平衡系统系统论一.整体性概念的发展1.传统认识的整体性——内在联系性地球表层各要素或部分之间相互制约、相互联系而形成的整体。理论基础：自然综合体学说(道库恰也夫)缺点：①不定量，只能定性描述或解释；②忽视地球表层的物质流、能量流等功能。第一节地球表层--具有耗散结构的开放系统2.系统科学的整体性——结构与功能地球表层各圈层通过物质流和能量流而形成的整体。理论基础：系统论（贝塔朗菲，克劳修斯）系统的规律：①整体大于部分之和；②结构与功能相伴而生，没有“无结构”或“无功能”的系统，“没有结构的功能”或“没有功能的结构”都是不存在的。缺点：①平衡系统(热力学第一定律)，死系统；②只注意到系统的内部，而忽视与系统外部的联系。一.整体性概念的发展3.非平衡有序系统的整体性——耗散结构地球表层是远离平衡态的开放系统，属于非平衡有序系统的结构和功能的整体性。理论基础：耗散结构理论。通过与外界物质和能量的交换，从无序到有序、线性到非线性(耦合)、微涨落到巨涨落、简单到复杂的自组织系统。耗散结构的基本观点：熵――任何一种能量在空间中分布的均匀程度(热力学第二定律，系统运动的方向性)；dS=diS+deS

平衡结构和耗散结构都是稳定的有序结构，但前者是一个死结构，而后者是活结构。一.整体性概念的发展关于“熵”的例子一滴墨水滴入清水杯一根火柴划过黑房间懒人的房间

车窗外扔垃圾中国式过马路某位同学自得其乐的在地理课堂上唱歌熵(entropy)克劳修斯热力学熵（热力学第二定律）：热运动时系统混乱程度的标志，表征物质系统的状态参量。S=Q/T，（dS=dQ/T）S-热力学熵；Q-外界传递给系统的热量；T-绝对温度

熵是系统有效能的测度：熵越大，有效能越小。熵是系统有序/无序的测度：熵越大，系统越无序，意味着系统结构和运动的不确定和无规则。玻尔兹曼熵：系统内分子热运动无序性的一种量度，是系统宏观与微观（整体与部分）的桥梁。S=klnΩk-玻尔兹曼常数；Ω-系统微观分子的状态数，Ω越大，系统越混乱熵(entropy)香农信息熵：系统所有信息中排除冗余后的平均信息量。系统越有序，组织化程度越高，概率越大，出现机会越多，不确定性越小。

H=－∑pilnpiH-系统信息量；p-随机事件出现的概率例如，设有A、B、C三个群落，各有两个物种组成，其中各种个体数组成如下表，则Shannon-wiener指数：HA=－Σni/Nlnni/N=－（1.00×ln1.00+0.00×ln0.00）=0HB=－Σni/Nlnni/N=－（0.50×ln0.50+0.50×ln0.50）=0.69HC=－Σni/Nlnni/N=－（0.99×ln0.99+0.01×ln0.01）=0.056群落总数(N)物种甲(n，ni/N)物种乙(n，ni/N)群落A100100（1.0）0（0）群落B10050（0.5）50（0.5）群落C10099（0.99）1（0.01）熵(entropy)1.为什么？地球表层是个巨大的开放系统(熵流)地球表层生物有机体的产生与发展(从无序到有序)2.地球表层的进化发展天文时期→无机演化→有机演化(人类时期)

3.耗散结构的类型自然地理系统――天然生态系统――人类生态系统三者关系：发生上的联系；能量与物质交换上的联系自然地理系统→天然生态系统→人类生态系统天然生态系统=生物群落+生境，自然地理系统=天然生态系统+处境人类生态系统的物质能量输入不仅来自于现在的或过去的自然地理系统和天然生态系统，而且来自于系统之外二.地球表层是一个具有耗散结构的开放系统地球表层生物有机体的产生与发展4.地球表层整体性的表现物质循环与能量流动产生新功能：生产和平衡功能统一的演化过程牵一发而动全身稳定的空间结构二.地球表层是一个具有耗散结构的开放系统信息是事物存在形式、运动状态和规律的表征，是事物确定性的增加。物质、能量、信息是组成客观世界的三基元。地球表层整体性是物质、能量、信息在耗散结构系统中的运动、变化和发展的协同性。一.组分结构组分结构：地球表层中物质、能量和要素等的组成。物质组成：大气、水、岩石、生物(人类)能量组成：太阳辐射(8.24J/cm2·min，5.53×1024J/年)、地球内能(10.71×1020J/年)要素组成：地貌、气候、水文、生物、土壤组分结构是空间结构的基础。第二节地球表层系统结构的整体性空间结构：在特定空间范围或区域内，自然地理要素的组合关系或耦合关系。1.分层结构：地球表层垂直方向上(重力作用)各组成成分之间相互联系、相互制约的关系2.渗透结构：不同物质圈层之间的相互渗透，圈层成分在各圈层中的分布。目的：研究物质和能量在垂直方向上的流通与转化的机制(渗透)大气水(生物)岩石散逸层暖层中间层平流层对流层自由大气层摩擦层近地面层二.空间结构3.地域结构沿着海陆表面的水平方向(地域分异)，地球表层各结构单元之间相互联系、相互制约的关系。表现：赤道――两极，洋面――山顶；地带性和非地带性分异现象目的：研究物质和能量在水平方向上的流通与转化机制。二.空间结构中山低山台地阶地河流积雪带针叶林带落叶阔叶林带常绿阔叶林带季雨林带雨林带时间结构：地理事物发展演化的时间序列，揭示其动态特征和演化规律。(一)自然地理系统的发展演化1.古代：新生代之前构造运动：全球性的海陆变迁、陆地表面起伏变化、地球表层物质的大规模迁移。气候变化：全球性的或大范围的冷、暖、干、湿变化，以及与其相应的大气环流和气候带的变化。三.时间结构2.新生代海陆变迁：北大西洋、印度洋、北冰洋扩张，太平洋收缩，喜马拉雅-阿尔卑斯构造运动。气候变化：湿热气候带的范围逐渐缩小，干旱气候区的范围不断扩大，并形成单独的干旱气候带；中高纬气候变冷，第四纪冰期与间冰期；随后气候变暖，温室效应等。生物演进：被子植物和哺乳动物空前繁盛，人类的出现(人类利用与改造自然环境的时期)。三.时间结构(二)自然地理系统的演化规律1.自然节律性：由自然地理过程的循环和振荡引起的随时间而有规律演替的现象。A.分类周期性节律：严格的时间间隔，如昼夜(自转)、季节(公转)旋回性节律：不等长的时间间隔，如地质旋回、气候旋回固定季节开放的花儿1月腊梅2月二月梅3月迎春花4月牡丹5月芍药6月紫丁香7月百合8月凤仙9月桂花10月芙蓉11月菊花12月一品红三.时间结构B.成因天文：太阳黑子活动，潮汐地球：昼夜，季节生物：生命过程，生物群体，生物钟C.节律与振荡、涨落节律是由振荡(有规律可循)产生的节律的稳定性和变异性是由涨落(偶然的、随机的)造成的为地理模拟、地理预测和地理决策等提供理论基础。三.时间结构2.稳定性与变异性A.稳定性：系统排除干扰、恢复到稳态的特性。稳定机制：具有反馈机制一般来说，系统越复杂，其反馈机制越多，调节能力越强，系统越稳定因果关系环(正负反馈环的耦合)++---大气CO2太阳辐射云量气温ABABAB+-因果关系键输入状态输出信息反馈机制三.时间结构种群增长模型(天敌、疾病、环境等)B.变异性：系统的状态随时间的推移发生变化。突变论(居维叶,1825)：巴黎盆地沉积层；恐龙灭绝→大辐发展渐变论(达尔文,1859)：生物进化突变论和渐变论的统一(托姆,1972)：“微小的、连续的、不断地施以触发力的作用，能否引起结果的突然变化？”自然地理系统是稳定性和变异性的统一体(对立统一)：托姆的理论把地理现象和过程的渐变型与突变型的产生原因有机地归纳到一个统一的基础之上，从而使自然界中两类时间过程类型，从互相对立到互相包容，从互相争论到互相补充，使自然过程的本质在更高层次上得到认识。三.时间结构一.能量流动与转化(一)太阳能在无机界的转化

地气系统能量循环：对流层←→陆面/海面太阳能转化的形式被大气、地面吸收转化为热能，以大气、地面的长波辐射进入太空被大气层中的介质散射、云层反射、大气分子吸收第三节地球表层系统功能的整体性大气圈的上界大气圈层地面10020162737短波辐射长波辐射55968108194系统项目收入支出大气圈的上界太阳能进入地气圈层（短波辐射）100地面、云层、大气反射（短波辐射）37大气返回（长波辐射）55地面返回（长波辐射）8大气圈层大气返回（长波辐射）55大气逆辐射（长波辐射）96地面到大气层（长波辐射）108大气凝结放热19湍流传热4太阳能被大气吸收（短波辐射）20地面直接辐射（短波辐射）27散射辐射（短波辐射）16大气逆辐射（长波辐射）96地面到大气层、太空（长波辐射）116地面蒸发耗热19湍流传热4(二)太阳能在有机界的转化1.生态系统能量循环：生物←→非生物环境2.太阳能转化的形式：光合作用四因子：H2O，CO2，叶绿素，阳光(可见光中的红光和蓝光)过程：绿色植物把太阳能转化到碳水化合物(化学能)，然后被植食动物、肉食动物吸收10％……微生物分解，最终以热能的形式回到太空。6H2O+6CO2↓

+674卡阳光叶绿素C6H12O6+6O2↑一.能量流动与转化在太阳能不断输入下，地球表层各种物质进行持续不断地化合、分解的过程。物质循环的过程也是能量转化的过程方式：物理过程，化学过程，生物过程二.物质迁移与循环(一)化学元素在地球表层中的迁移（微观）空气迁移：气体(C、H、O、N等)→有机体、水、土壤等→气体。主要发生在垂直方向上水迁移：Na、Mg、Al、Cl、P、K、Mn等元素通过地表水、潜水、土壤水的离子或分子态迁移。主要发生在水平方向上生物迁移：C、H、O、N等元素通过生物有机质的合成作用(光合作用)和分解作用(呼吸作用)迁移河流上、中、下游河流左、右岸分水岭、坡地、河谷滩地、水域等残积处境水上处境水下处境二.物质迁移与循环(二)四大物质循环（宏观）A.大气循环过程：行星风系(全球性)，季风环流(海陆间)，局地环流(地区性)功能：高低纬、海陆间的物质能量交换。二.物质迁移与循环B.地质循环过程：岩浆活动，外力作用(风化，搬运，沉积)，变质作用，重熔再生功能：改变地球表层的形态，从而影响其他三大循环自然地理系统特有发生体二.物质迁移与循环C.水循环过程：蒸发，传输，凝结，径流功能：水热条件的