綜合自然地理第章自然地理環(huán)境的整體性專業(yè)知識(shí)講座

黃土高原的水土流失

地貌、水文、植被、土壤、氣候的同步變化，牽一發(fā)而動(dòng)全身…自然地理系統(tǒng)的整體性系統(tǒng)：具有特定功能和結(jié)構(gòu)的元素集合，每一系統(tǒng)都是由相互聯(lián)系、相互作用的要素和過程所組成。系統(tǒng)論(貝塔朗菲,1937)：研究系統(tǒng)的一般模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律的理論。自然界各種事物都是以系統(tǒng)形式存在著的有機(jī)整體，具有整體性、層次性、相關(guān)性、穩(wěn)定性、變異性等特征。系統(tǒng)論系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)尺度、規(guī)模和范圍：宇宙系統(tǒng)，宏觀系統(tǒng)，微觀系統(tǒng)按系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系開放系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境間具有物質(zhì)、能量、信息的交換和流通封閉系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境間只有能量的交換和流通，但無物質(zhì)的交換孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境不發(fā)生任何聯(lián)系和作用按人與自然的關(guān)系自然系統(tǒng)：未打上人工印記的客觀系統(tǒng)(天然生態(tài)系統(tǒng))人造系統(tǒng)：人工制造的系統(tǒng)(生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、管理系統(tǒng))自然與人文的復(fù)合系統(tǒng)：人類利用或改造自然的系統(tǒng)按系統(tǒng)狀態(tài)：平衡系統(tǒng)，非平衡系統(tǒng)；近平衡系統(tǒng)，遠(yuǎn)平衡系統(tǒng)系統(tǒng)論一.整體性概念的發(fā)展1.傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的整體性——內(nèi)在聯(lián)系性地球表層各要素或部分之間相互制約、相互聯(lián)系而形成的整體。理論基礎(chǔ)：自然綜合體學(xué)說(道庫(kù)恰也夫)缺點(diǎn)：①不定量，只能定性描述或解釋；②忽視地球表層的物質(zhì)流、能量流等功能。第一節(jié)地球表層--具有耗散結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)2.系統(tǒng)科學(xué)的整體性——結(jié)構(gòu)與功能地球表層各圈層通過物質(zhì)流和能量流而形成的整體。理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)論（貝塔朗菲，克勞修斯）系統(tǒng)的規(guī)律：①整體大于部分之和；②結(jié)構(gòu)與功能相伴而生，沒有“無結(jié)構(gòu)”或“無功能”的系統(tǒng)，“沒有結(jié)構(gòu)的功能”或“沒有功能的結(jié)構(gòu)”都是不存在的。缺點(diǎn)：①平衡系統(tǒng)(熱力學(xué)第一定律)，死系統(tǒng)；②只注意到系統(tǒng)的內(nèi)部，而忽視與系統(tǒng)外部的聯(lián)系。一.整體性概念的發(fā)展3.非平衡有序系統(tǒng)的整體性——耗散結(jié)構(gòu)地球表層是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，屬于非平衡有序系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的整體性。理論基礎(chǔ)：耗散結(jié)構(gòu)理論。通過與外界物質(zhì)和能量的交換，從無序到有序、線性到非線性(耦合)、微漲落到巨漲落、簡(jiǎn)單到復(fù)雜的自組織系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)的基本觀點(diǎn)：熵――任何一種能量在空間中分布的均勻程度(熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的方向性)；dS=diS+deS

平衡結(jié)構(gòu)和耗散結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，但前者是一個(gè)死結(jié)構(gòu)，而后者是活結(jié)構(gòu)。一.整體性概念的發(fā)展關(guān)于“熵”的例子一滴墨水滴入清水杯一根火柴劃過黑房間懶人的房間

車窗外扔垃圾中國(guó)式過馬路某位同學(xué)自得其樂的在地理課堂上唱歌熵(entropy)克勞修斯熱力學(xué)熵（熱力學(xué)第二定律）：熱運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)混亂程度的標(biāo)志，表征物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)參量。S=Q/T，（dS=dQ/T）S-熱力學(xué)熵；Q-外界傳遞給系統(tǒng)的熱量；T-絕對(duì)溫度

熵是系統(tǒng)有效能的測(cè)度：熵越大，有效能越小。熵是系統(tǒng)有序/無序的測(cè)度：熵越大，系統(tǒng)越無序，意味著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的不確定和無規(guī)則。玻爾茲曼熵：系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無序性的一種量度，是系統(tǒng)宏觀與微觀（整體與部分）的橋梁。S=klnΩk-玻爾茲曼常數(shù)；Ω-系統(tǒng)微觀分子的狀態(tài)數(shù)，Ω越大，系統(tǒng)越混亂熵(entropy)香農(nóng)信息熵：系統(tǒng)所有信息中排除冗余后的平均信息量。系統(tǒng)越有序，組織化程度越高，概率越大，出現(xiàn)機(jī)會(huì)越多，不確定性越小。

H=－∑pilnpiH-系統(tǒng)信息量；p-隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率例如，設(shè)有A、B、C三個(gè)群落，各有兩個(gè)物種組成，其中各種個(gè)體數(shù)組成如下表，則Shannon-wiener指數(shù)：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群落總數(shù)(N)物種甲(n，ni/N)物種乙(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.為什么？地球表層是個(gè)巨大的開放系統(tǒng)(熵流)地球表層生物有機(jī)體的產(chǎn)生與發(fā)展(從無序到有序)2.地球表層的進(jìn)化發(fā)展天文時(shí)期→無機(jī)演化→有機(jī)演化(人類時(shí)期)

3.耗散結(jié)構(gòu)的類型自然地理系統(tǒng)――天然生態(tài)系統(tǒng)――人類生態(tài)系統(tǒng)三者關(guān)系：發(fā)生上的聯(lián)系；能量與物質(zhì)交換上的聯(lián)系自然地理系統(tǒng)→天然生態(tài)系統(tǒng)→人類生態(tài)系統(tǒng)天然生態(tài)系統(tǒng)=生物群落+生境，自然地理系統(tǒng)=天然生態(tài)系統(tǒng)+處境人類生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量輸入不僅來自于現(xiàn)在的或過去的自然地理系統(tǒng)和天然生態(tài)系統(tǒng)，而且來自于系統(tǒng)之外二.地球表層是一個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)地球表層生物有機(jī)體的產(chǎn)生與發(fā)展4.地球表層整體性的表現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)產(chǎn)生新功能：生產(chǎn)和平衡功能統(tǒng)一的演化過程牽一發(fā)而動(dòng)全身穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)二.地球表層是一個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)信息是事物存在形式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律的表征，是事物確定性的增加。物質(zhì)、能量、信息是組成客觀世界的三基元。地球表層整體性是物質(zhì)、能量、信息在耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)、變化和發(fā)展的協(xié)同性。一.組分結(jié)構(gòu)組分結(jié)構(gòu)：地球表層中物質(zhì)、能量和要素等的組成。物質(zhì)組成：大氣、水、巖石、生物(人類)能量組成：太陽(yáng)輻射(8.24J/cm2·min，5.53×1024J/年)、地球內(nèi)能(10.71×1020J/年)要素組成：地貌、氣候、水文、生物、土壤組分結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。第二節(jié)地球表層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性空間結(jié)構(gòu)：在特定空間范圍或區(qū)域內(nèi)，自然地理要素的組合關(guān)系或耦合關(guān)系。1.分層結(jié)構(gòu)：地球表層垂直方向上(重力作用)各組成成分之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系2.滲透結(jié)構(gòu)：不同物質(zhì)圈層之間的相互滲透，圈層成分在各圈層中的分布。目的：研究物質(zhì)和能量在垂直方向上的流通與轉(zhuǎn)化的機(jī)制(滲透)大氣水(生物)巖石散逸層暖層中間層平流層對(duì)流層自由大氣層摩擦層近地面層二.空間結(jié)構(gòu)3.地域結(jié)構(gòu)沿著海陸表面的水平方向(地域分異)，地球表層各結(jié)構(gòu)單元之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。表現(xiàn)：赤道――兩極，洋面――山頂；地帶性和非地帶性分異現(xiàn)象目的：研究物質(zhì)和能量在水平方向上的流通與轉(zhuǎn)化機(jī)制。二.空間結(jié)構(gòu)中山低山臺(tái)地階地河流積雪帶針葉林帶落葉闊葉林帶常綠闊葉林帶季雨林帶雨林帶時(shí)間結(jié)構(gòu)：地理事物發(fā)展演化的時(shí)間序列，揭示其動(dòng)態(tài)特征和演化規(guī)律。(一)自然地理系統(tǒng)的發(fā)展演化1.古代：新生代之前構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：全球性的海陸變遷、陸地表面起伏變化、地球表層物質(zhì)的大規(guī)模遷移。氣候變化：全球性的或大范圍的冷、暖、干、濕變化，以及與其相應(yīng)的大氣環(huán)流和氣候帶的變化。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)2.新生代海陸變遷：北大西洋、印度洋、北冰洋擴(kuò)張，太平洋收縮，喜馬拉雅-阿爾卑斯構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。氣候變化：濕熱氣候帶的范圍逐漸縮小，干旱氣候區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大，并形成單獨(dú)的干旱氣候帶；中高緯氣候變冷，第四紀(jì)冰期與間冰期；隨后氣候變暖，溫室效應(yīng)等。生物演進(jìn)：被子植物和哺乳動(dòng)物空前繁盛，人類的出現(xiàn)(人類利用與改造自然環(huán)境的時(shí)期)。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)(二)自然地理系統(tǒng)的演化規(guī)律1.自然節(jié)律性：由自然地理過程的循環(huán)和振蕩引起的隨時(shí)間而有規(guī)律演替的現(xiàn)象。A.分類周期性節(jié)律：嚴(yán)格的時(shí)間間隔，如晝夜(自轉(zhuǎn))、季節(jié)(公轉(zhuǎn))旋回性節(jié)律：不等長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如地質(zhì)旋回、氣候旋回固定季節(jié)開放的花兒1月臘梅2月二月梅3月迎春花4月牡丹5月芍藥6月紫丁香7月百合8月鳳仙9月桂花10月芙蓉11月菊花12月一品紅三.時(shí)間結(jié)構(gòu)B.成因天文：太陽(yáng)黑子活動(dòng)，潮汐地球：晝夜，季節(jié)生物：生命過程，生物群體，生物鐘C.節(jié)律與振蕩、漲落節(jié)律是由振蕩(有規(guī)律可循)產(chǎn)生的節(jié)律的穩(wěn)定性和變異性是由漲落(偶然的、隨機(jī)的)造成的為地理模擬、地理預(yù)測(cè)和地理決策等提供理論基礎(chǔ)。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)2.穩(wěn)定性與變異性A.穩(wěn)定性：系統(tǒng)排除干擾、恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的特性。穩(wěn)定機(jī)制：具有反饋機(jī)制一般來說，系統(tǒng)越復(fù)雜，其反饋機(jī)制越多，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，系統(tǒng)越穩(wěn)定因果關(guān)系環(huán)(正負(fù)反饋環(huán)的耦合)++---大氣CO2太陽(yáng)輻射云量氣溫ABABAB+-因果關(guān)系鍵輸入狀態(tài)輸出信息反饋機(jī)制三.時(shí)間結(jié)構(gòu)種群增長(zhǎng)模型(天敵、疾病、環(huán)境等)B.變異性：系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的推移發(fā)生變化。突變論(居維葉,1825)：巴黎盆地沉積層；恐龍滅絕→大輻發(fā)展?jié)u變論(達(dá)爾文,1859)：生物進(jìn)化突變論和漸變論的統(tǒng)一(托姆,1972)：“微小的、連續(xù)的、不斷地施以觸發(fā)力的作用，能否引起結(jié)果的突然變化？”自然地理系統(tǒng)是穩(wěn)定性和變異性的統(tǒng)一體(對(duì)立統(tǒng)一)：托姆的理論把地理現(xiàn)象和過程的漸變型與突變型的產(chǎn)生原因有機(jī)地歸納到一個(gè)統(tǒng)一的基礎(chǔ)之上，從而使自然界中兩類時(shí)間過程類型，從互相對(duì)立到互相包容，從互相爭(zhēng)論到互相補(bǔ)充，使自然過程的本質(zhì)在更高層次上得到認(rèn)識(shí)。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)一.能量流動(dòng)與轉(zhuǎn)化(一)太陽(yáng)能在無機(jī)界的轉(zhuǎn)化

地氣系統(tǒng)能量循環(huán)：對(duì)流層←→陸面/海面太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的形式被大氣、地面吸收轉(zhuǎn)化為熱能，以大氣、地面的長(zhǎng)波輻射進(jìn)入太空被大氣層中的介質(zhì)散射、云層反射、大氣分子吸收第三節(jié)地球表層系統(tǒng)功能的整體性大氣圈的上界大氣圈層地面10020162737短波輻射長(zhǎng)波輻射55968108194系統(tǒng)項(xiàng)目收入支出大氣圈的上界太陽(yáng)能進(jìn)入地氣圈層（短波輻射）100地面、云層、大氣反射（短波輻射）37大氣返回（長(zhǎng)波輻射）55地面返回（長(zhǎng)波輻射）8大氣圈層大氣返回（長(zhǎng)波輻射）55大氣逆輻射（長(zhǎng)波輻射）96地面到大氣層（長(zhǎng)波輻射）108大氣凝結(jié)放熱19湍流傳熱4太陽(yáng)能被大氣吸收（短波輻射）20地面直接輻射（短波輻射）27散射輻射（短波輻射）16大氣逆輻射（長(zhǎng)波輻射）96地面到大氣層、太空（長(zhǎng)波輻射）116地面蒸發(fā)耗熱19湍流傳熱4(二)太陽(yáng)能在有機(jī)界的轉(zhuǎn)化1.生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)：生物←→非生物環(huán)境2.太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的形式：光合作用四因子：H2O，CO2，葉綠素，陽(yáng)光(可見光中的紅光和藍(lán)光)過程：綠色植物把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化到碳水化合物(化學(xué)能)，然后被植食動(dòng)物、肉食動(dòng)物吸收10％……微生物分解，最終以熱能的形式回到太空。6H2O+6CO2↓

+674卡陽(yáng)光葉綠素C6H12O6+6O2↑一.能量流動(dòng)與轉(zhuǎn)化在太陽(yáng)能不斷輸入下，地球表層各種物質(zhì)進(jìn)行持續(xù)不斷地化合、分解的過程。物質(zhì)循環(huán)的過程也是能量轉(zhuǎn)化的過程方式：物理過程，化學(xué)過程，生物過程二.物質(zhì)遷移與循環(huán)(一)化學(xué)元素在地球表層中的遷移（微觀）空氣遷移：氣體(C、H、O、N等)→有機(jī)體、水、土壤等→氣體。主要發(fā)生在垂直方向上水遷移：Na、Mg、Al、Cl、P、K、Mn等元素通過地表水、潛水、土壤水的離子或分子態(tài)遷移。主要發(fā)生在水平方向上生物遷移：C、H、O、N等元素通過生物有機(jī)質(zhì)的合成作用(光合作用)和分解作用(呼吸作用)遷移河流上、中、下游河流左、右岸分水嶺、坡地、河谷灘地、水域等殘積處境水上處境水下處境二.物質(zhì)遷移與循環(huán)(二)四大物質(zhì)循環(huán)（宏觀）A.大氣循環(huán)過程：行星風(fēng)系(全球性)，季風(fēng)環(huán)流(海陸間)，局地環(huán)流(地區(qū)性)功能：高低緯、海陸間的物質(zhì)能量交換。二.物質(zhì)遷移與循環(huán)B.地質(zhì)循環(huán)過程：巖漿活動(dòng)，外力作用(風(fēng)化，搬運(yùn)，沉積)，變質(zhì)作用，重熔再生功能：改變地球表層的形態(tài)，從而影響其他三大循環(huán)自然地理系統(tǒng)特有發(fā)生體二.物質(zhì)遷移與循環(huán)C.水循環(huán)過程：蒸發(fā)，傳輸，凝結(jié)，徑流功能：水熱條件的