第八章讲稿基本规律Word格式文档下载.docx
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自然综合体观念的萌芽，至少可以追溯到17世纪，后来随着A.V.洪堡明确地把“认识多种多样的统一”，研究地球表面“各种现象的一般规律和内部联系”当做自然地理学的任务，以及B.B.道库恰耶夫预言将要出现一门研究各自然要素相互联系的学科时，自然综合体观念就已变得十分清晰了。
20世纪中叶，地理学家已经开始运用地理学方法处理其他学科的材料，阐明各自然现象之间的联系，揭示地理过程复杂总体的结构（卡列斯尼克，1947）。
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。
例如，大气中的C02含量增加，由于C02对太阳短波辐射几乎透明，但对地球的长波辐射则基本吸收，所以大气的温度随之上升。
导致大陆冰川退缩和两极冰盖消融，进而导致全球海平面上升，海岸向陆后退，沿海低地受浸淹。
由于海平面上升而使侵蚀基面上升，导致流水地貌发生相应的变化。
又由于全球气温上升，导致植物、动物向极迁移或从此绝灭，或出现新的物种。
随之，土壤也跟着发生相应的变化，自然地理环境也就出现新的面貌
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。
如英国的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。
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。
（二）地理系统结构与功能的整体性
1963年原苏联学者索恰瓦提出地理系统的概念，所谓自然地理系统是指各自然地理要素通过能量流、物质流和信息流的作用结合而成的具有一定结构、可完成一定功能的整体。
或者说。
是指在特定地理边界约束下，各个结构有序和功能互补的要素集合。
要素之间和要素与环境之间不断进行物质、能量和信息的交换和传输，形成一个动态的、多等级的开放系统。
这一阶段地理学界倡导用系统论观点和方法研究地理环境的结构和功能，其实就是以系统论的观点来认识自然地理环境的整体性。
所谓结构就是系统内部各要素之间的特殊网络关系。
换句话说，就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。
最为显著的例子是石墨和金刚石，它们都是由碳元素构成的，但由于结构不同，就有完全不同的性能。
前者松软，后者则异常坚硬。
所谓功能，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。
现以磷在生态系统中的传递和转化说明。
人们将磷施于（输入）土壤后，它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，一部分由于植物死亡变成枯枝落叶归还给土壤，另一部分被食草动物取食而传递到动物体内，参与动物体的代谢，输出到该生态系统之外。
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。
由此可见，系统的结构与功能的关系是非常密切的。
结构是保证物质、能量、信息流通的渠道。
而功能是维持结构存在和发展的基础。
可以说，没有无结构的功能，也没有无功能的结构。
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。
自然地理环境由岩石、大气、水、生物等物质圈层互相联系、互相渗透、相互作用组成一个巨大的物质系统。
各要素通过能量流、物质流、信息流的作用，结合而成具有一定结构和可完成一定功能的整体。
自然地理环境的进化发展，主要取决于内部联系，取决于各自然地理要素的结构网络及物质、能量、信息在其中的传递和转化。
外部联系也不能忽视，特别是太阳辐射和地球内能，是一切自然理理过程的能量基础。
太阳辐射在自然地理环境中传递转换，成为自然地理环境进化的重要根据。
故自然地理环境也是一个开放系统。
自然地理环境的整体性，首先表现为其组成要素所构成的网络结构。
其次为任何一个组成要素都不具备自然地理环境的结构和功能。
第三，要素的单独作用和作为自然地理环境整体的一员在整体中所起的协同作用完全不同。
例如气候，它是自然地理环境的要素之一，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。
但某地的气候状况，并不代表当地的自然地理环境。
从而体现自然地理环境的整体性特点。
由于自然地理环境极其复杂巨大，因此，对自然地理环境的研究，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”。
（三）地理耗散结构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。
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。
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。
耗散结构理论强调进化中的随机性和不可逆性远离平衡和不稳定。
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。
自然地理系统的耗散结构特性有以下几点：
1．自然地理系统是远离热力学平衡的动态系统
自然地理系统是一个复杂的开放巨系统。
大量客观事实表明，自然地理系统决非处于热力学平衡态，而是处于热力学非平衡状态。
关于这一点，我们可以从两方面予以说明。
首先，自然地理系统内部以及系统与环境之间存在着物质和能量的宏观运动过程，如系统内部的大气环流、地质循环、水分循环、生物循环，以及系统与环境之间的物质和能量交换。
其次，自然地理系统是一个有序系统。
其要素分布不是杂乱无章，而是极为有序的。
各个自然地理要素都占有特定的空间位置，如自然地理系统具有分明的同心圆构造、排列有序的气候、生物和土壤地带等。
自然地理系统内部存在着多种多样的“力”与“流”。
最常见的力有势能梯度力、气压梯度力、密度梯度力、温度梯度力等。
流是在这些力的作用下产生的物质和能量的定向流动，如坡面侵蚀、地表化学元素迁移、河流、洋流、风、生态系统的物质和能量流等。
自然地理系统中流与力的关系有些是线性的，但在大多数情况下是非线性的，如自然地理系统中存在的各种正、负反馈现象都是流与力非线性关联的具体表现。
有些非线性关系已被人们所知晓（如种群增长的逻辑斯蒂模型等），而更多的非线性关系我们还不能精确地描述甚至还没有被我们所认知。
综上所述，自然地理系统已经超越了热力学近平衡区，处于远离热力学平状衡态。
2．自然地理系统的负熵流是太阳辐射
耗散结构之所以能够维持并不断进化，关键在于环境向系统持续输入负熵流，并抵消或超过了系统内部的熵产生。
对于自然地理环境系统来说，太阳辐射是最主要的负熵流。
首先，太阳辐射是自然地理系统最主要的能量来源，约占系统获能的99.998％，并且进入系统的是短波辐射，输出的是长波辐射。
由于光量子流的能量值大小与波长成反比，所以进入自然地理系统的短波辐射具有较高的能量值（熵值较低），输出的长波辐射具有较低的能量值（熵值较高）。
可以看出，太阳辐射在自然地理系统中的流通与转化实际上是负熵流。
其次，太阳辐射能是自然地理系统一切过程的原始驱动力。
例如，地面受热不均导致了空气的垂直和水平运动，由此又产生了各种各样的天气过程和天气现象；
岩石风化、地貌发育、水文过程、土壤形成、生物循环等都与天气过程和天气现象有关。
假若没有太阳辐射，自然地理系统的一切过程都将停止，系统的存在与演化就无从谈起。
第三，自然地理系统的演变历史就是系统储存太阳辐射能不断增加的历史。
虽然太阳辐射在自然地理系统演变过程中变化不太大，但是随着系统的进化，自然地理系统储存的太阳辐射能却不断增加。
在系统演化的一元期，输入的太阳短波辐射和输出的地面长波辐射量都是巨大的，仅有少量能量储存在原始地壳的表层。
在系统演化的二元期，大气圈截获的太阳辐射能约占太阳辐射年射入总量的6％。
在系统演化的三元期，水圈依其巨大的热容量储存了约占太阳辐射年射入总量的24％。
在系统四元演化期，生物圈的高等绿色植物通过光合作用，将太阳能储存在生物体中，增加了自然地理系统的储能量。
据研究（陈之荣。
1990），全球生物圈储存的能量约占太阳辐射年射入总量的0.1％。
在系统五元演化期，人类活动通过营造各种高效的人工生态系统（如优质高产农田生态系统等）和建设各种太阳能利用工程等，进一步增加了系统的储能量。
自然地理系统储能的增加是系统不断演化的结果。
从熵变角度分析，自然地理系统储能的增加降低了系统的熵值，使系统更加远离热力学平衡态。
3．自然地理系统的涨落与分叉
由于涨落使系统离开非平衡定态，走向新的、更高级的耗散结构，因此涨落在系统演化过程中起着非常重要的作用。
自然地理系统的涨落有内、外涨落之分。
外部涨落是来自自然地理系统环境的涨落，如陨石撞击、太阳活动、地球运动参数的变化、海陆变迁、火山、地震以及人类大规模改造自然的活动等等；
内部涨落是来自自然地理系统本身的涨落，如气温的升降、旱涝灾害、种群数量的增加与减少、水体水位的升降等等。
外部涨落是条件，内部涨落来是根本，外部涨落通过内部涨落对系统演化发生作用。
例如，巨大的陨石撞击地球，导致大量尘埃物质进入大气，严重影响太阳辐射的输入，使地表植被乃至生物圈发生重大改变。
自然地理系统的非平衡定态具有一定的自稳性，小的涨落可被系统削减或吸收，只有当涨落达到临界点形成巨涨落时才能使系统发生突变。
自然地理系统的分叉有层次之分。
按照各圈层形成的先后顺序，自然地理系统的高级分叉可分为四级。
一级分叉形成了原始大气圈，二级分叉形成了水圈，三级分叉形成了生物圈，四级分叉形成了人类圈（图8.1）。
高层次的分支往往由一系列次级分叉形成的分支所组成。
例如，生物圈分支包括细菌分支、藻类和原始动物分支、蕨类植物和无脊椎动物分支，蕨类植物。
鱼类和两栖动物分支，裸子植物和爬行动物分支，被子植物和哺乳动物分支等。
低级分支是高级分支的基础，高级分支是低级分支的背景。
二、时间演化规律
（一）周期性节律
周期性节律是自然地理过程按一定的时间间隔重复的变化规律。
它发生在地球自转和公转及地表光、热、水的周期性变化基础上。
具体而言，周期性节律主要发生在一定地区的昼夜更替日周期和季节更替年周期基础上。
前者称昼夜节律，后者称季节节律。
1．昼夜节律
人类感觉最深刻的自然节律是昼夜的循环更替。
地球绕地轴自转，使地表大部分地区在每天24小时中都经历一段光明和一段黑暗，以及相应的一段加热和一段冷却的时间。
自然地理环境的各种成分对此作出了积极的反响，许多自然地理过程及其现象都随着昼夜更替复而出现。
举例来说：
气候要素的日变化是大家熟知的，一日之内一地气温、气压、云量、风等都存在着一定的日变化。
光的性质也存在日变化，晨昏长波光占优势，中午短波光相对增加。
地表水体的温度在白天升高，在夜间降低。
冰川补给的河流白天融冰量大，河流水位上涨；
晚间融冰量小，河流水位下降。
岩石的机械风化在白天为热胀，在夜间为冷缩。
植物在白天主要进以积累自身物质为主的光合作用，在晚上则进行以消耗自身物质为主的呼吸作用。
植物含水量也有日变化，白天蒸腾作用强，植物充水度低；
晚上蒸腾减弱，植物充水度大。
无论在海水或淡水水体中，每天都可以见到浮游生物在白天潜入水下，而晚上升上水面。
昼行性动物“日出而作，日落而息”，夜行性动物则相反。
类似的例子，在自然界中是不胜枚举的。
值得注意的是，极地地区由于出现极昼现象，使那里昼夜的节律性复杂化了。
2．季节节律
如果说昼夜节律是地球自转对自然地理环境产生的效应，则季节节律就是地球公转的效应。
由于黄赤交角的存在，地球公转产生了季节更替，使许多自然地理过程和现象随之而出现以季节（年）为周期的节律变化。
例如：
气候的夏热冬冷，夏雨冬雪；
季风进退；
冰川运动夏快冬慢；
河流水情冬封春解或夏洪冬枯；
岩石热季膨胀，冷季收缩；
植物季相变化，春华秋实；
动物季节移栖和冬眠（动）夏动（眠）等。
自然地理环境的周期性节律并不限于昼夜节律和季节节律。
潮汐的周日变化也是一种周期性节律。
海洋中很多动物觅食的时间安排同潮汐的节律是一致的。
像哈蜊、藤壶、蝎牛、牡蛎等生物，涨潮时就积极地寻找食物，而落潮时就躲在紧闭的硬壳内。
另外也有以周月为基础的月节律变化。
海洋生物似乎都以某种方式对月相变化或月球引力变化作出反应。
例如，每当夏日月圆之夜，大量的大西洋萤火虫就聚集在百慕大群岛附近；
蝼蛎满月前后群集飞在特定的海域，以利繁殖和存活；
鱼类洄游和繁殖也常以月周期进行。
周期性节律在不同区域具有不同的性质和特点。
一般地说，季节节奏的显著程度是随纬度的增加而增加的，而昼夜节奏却是随纬度的增加而减少的。
所以在两极地区的节律表现特殊，这里的昼夜节律可以和季节节律相重叠，两者相互制约又相互加强。
在赤道地区则基本不存在季节节律，而昼夜节律却十分突出。
在纬度相同的情况下，一般内陆区域的节律振幅和频率大于沿海及海洋区域，且时相也不同。
自然地理过程和现象的昼夜节律和季节节律主要根源于地球的自转和公转运动，以及由此而引起的能量输入与转换的节律性变化。
（二）旋回性节律
旋回性节律是以不等长的时间间隔为重复周期的自然演化规律。
比较于周期性节律，这是更高一级、更为复杂的自然节律。
在自然界中，地质旋回和气候旋回是旋回性节律的典型范例。
1．地质旋回
顾名思义，地质旋回具有旋回性节律。
岩层的沉积层序非常鲜明地反映了地质旋回的节律性。
例如在地层剖面上见到的由老渐新反复出现砾岩——砂岩——页岩——石灰岩的岩相更迭演化，就反映了从海退到海侵又到海退的旋回性节律。
地质旋回不仅历程漫长，而且周期长短变化很大。
地壳的演化可分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代等若干个时期，这些时期实际上就是地质旋回的周期。
各个地质时期的时间长度是不等的，如早古生代经历了2亿年，晚古生代持续了约1.75亿年，中生代持续时间约1.55亿年。
在每个时期里，我们都可以看到地壳运动仿佛重复着上一时期运动过程的特点。
例如，每一个地质时代的首末总是以大规模的地壳上升、强烈的褶皱和造山运动、大陆广泛扩展以及气候的变异等为其特征，而在每一地质时期其间都以地壳长期的相对稳定、持续的剥蚀夷平和沉积作用、稳定的气候等为其特征。
地质旋回具有级别不同的周期，它们对应于相当的地质年代单位。
如4000万年左右的周期相当于地质纪的长度，1000万～2000万年左右的周期相当于地质世的长度等。
天文地质学的研究成果显示，地质旋回的周期基本决定于天文因素。
周期为4000万年以上的地质旋回，作用相当广泛，可作全球性对比，其共同特点是均与太阳系在银河系中的运动状况有关。
太阳系参与银河系的整体运动，绕银心运行一周的时间（银河年）约2.5亿年，相当地质代的长度。
其间太阳系处在银河系的不同位置，在银河系的旋臂间穿行。
同时太阳系还相对于银道面作上下往返运动，其往返周期约为8000万年，在银道一侧约4000万年，相当地质纪的长度。
蒋志（1981）把关于地球地质历史上一些重要界限的经验关系与银河系密度波理论联系起来。
他指出，由于银河系旋臂是螺旋扰动引力场势阱所处的位置，地球通过银河旋臂时，扰动引力场将对地球产生引潮效应，破坏地球的能量平衡，而使地球发生一幕幕的造山运动。
星系的旋臂有级次之分，不同级次的旋臂对应着不同级别的地质年代单位。
另外，综合多位学者的研究结果可知，周期为1000万～2000万年的地质旋回与太阳演化大周期关系密切，太阳内部物质成分的长期变化可能有1200万年的周期；
而1万～10万年的地质旋回则与地球公转轨道参数的变化有关。
2．气候旋回
气候的变迁也呈现一种旋回性节律。
6亿多年来的地球气候史是以温暖时期和寒冷时期交替演变为其基本特征的。
气候旋回又可分为世纪内旋回、超世纪旋回和冰期——间冰期旋回三种。
（1）世纪内旋回是波动周期较短的气候旋回，其旋回周期在几年至几十年的范围内。
王绍武研究了我国20世纪气候波动的资料，他把20世纪以来我国的冷暖干湿演变情况列成表8.1。
即大致按：
暖干——冷湿——冷干——暖湿——暖干的顺序变化，从干到湿以10年为周期，从暖到冷以20年为周期，两者结合起来从暖干再到暖干的周期是40年。
张家诚等人分析了长江中下游五站（上海、南京、芜湖、九江、汉口）1885～1972年5～8月降水的多年变化以及北方五站（北京、天津、保定、石家庄、营口）189l～1972年7～8月降水的多年变化，也发现有明显的以35年为周期的三个少雨期，其中北方对应的三个少雨期比南方落后7～8年。
表8.120世纪我国气候趋势
年代
1901～1910
1911～1920
1921～1930
1931～1940
1941～1950
1951～1960
1961～1970
1971～1980
1981～1990
1991～2000
降水
气温
干暖
湿冷
干冷
温暖
温冷
（湿）（暖）
（干）（暖）
（湿）（冷）
注：
表中括号内的内容是预报结果。
（2）超世纪旋回其旋回周期在100～10000年之间。
目前在世界上已被确定的世界范围内的超世纪旋回是以1800～1900年为周期的气候旋回。
这种旋回有两个阶段：
一是寒湿气候阶段，长约300～500年，其间冰川扩展，河流水量增加，湖泊水位上升；
二是干热气候阶段，长在1000年以上，其间冰川退缩，河流变浅，湖泊水位下降。
竺可桢曾根据我国古代文献和一些考古发现，研究了我国历史时期的气候变迁，他指出5000年来我国气候变迁规律具有400年、800年、l200年和1700年四种不等的周期。
段万倜等（1978）在研究我国第四纪气候变迁时指出，我国自从进入冰后期的1万年时间以来，曾出现了三次寒冷期与两次温暖期：
泄湖寒冷期——仰韶温暖期——周汉寒冷期——普兰店温暖期——现代小冰期。
（3）冰期——间冰期旋回是波动周期在1万以上，甚至超过100万年的气候旋回。
最长的周期可达4000万～8000万年之久。
近7亿年来地球表现曾有几个时期广泛分布了冰川，气候明显变冷，出现大量冰碛物，这些时期称为冰期。
在两个冰期之间的间冰期，冰川面积退缩，气候转暖。
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和火山活动有关。
超世纪旋回受太阳黑子活动长期变化和九大行星运行轨道影响。
九星会合的地心张角大小与我国气候冷暖期相对应，说明两者之间有联系（任振球等，1981）。
地球围绕太阳的公转轨道参数变化是气候发生几万至十几万年变化的重要因素。
几百万年的旋回周期变化可能与太阳长期变化有关。
太阳长期变化表现在太阳核反应性质和强度的变化、太阳与地球距离的变化、行星际空间密度的变化以及太阳系内部结构的重大变化等。
太阳的长期变化不会是孤立的，有可能与太阳在银河系中所处环境有关。
太阳系在银河系中的位置变化，则与上千万年的冰期—间冰期旋回有关。
麦克利（McCrea）于1975年指出，太阳系经过银河系的一个旋臂时遇到密度较大的星际物质云，可以使地球上产生类似冰期的气候突变。
这是因为当太阳系进入一个相当稠密的星云区时，天体间的星际物质可以阻碍太阳风吹临地球，而使地球大气中宇宙尘埃增加，提高了地球行星反射率，输入地球的太阳辐射减少，气候变冷，导致冰期形成。
对于冰期的成因还有多种解释，但20世纪80年代以来发表的有关文章，大部分是天文因素控制冰期的论点，主要涉及的天文因素包括银河系、太阳和地球轨道参数等方面。
（三）自然地理环境的稳定性
如果比较周期性（包括生物生长节律）与旋回性（包括生物进化节律）两类节律现象，不难看出二者的本质区别在于：
周期性节律过程中，每一个节律重复，自然地理环境保持着稳定的空间结构；
而在旋回性节律过程，每一个节律重复，自然地理环境的空间结构会发生巨大的改组。
也就是说，在自然地理环境不断向前演化的历史进程中，在一段相当长的阶段内维持着相对的稳定状态。
在这样的阶段内，各自然地理要素之间有着平稳的联系，物质及能量的输入和输出处于动态平衡，自然地理环境的结构与功能保持着稳定的状态．外界变动或人为干扰所致的不稳定影响受到自然地理环境自我调节机制的制约，使得自然地理环境总是力图恢复原态，维持稳定。
自然地理环境是具有复杂反馈回路的控制系统，因此它有自我调节能力。
反馈分为负反馈和正反馈。
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