自然地理学教案 7Word文档下载推荐.docx

1、那么，究竟什么是系统？什么是系统科学？它的提出有什么科学意义？我们为什么要学习系统科学？这些都是我们首先要明确的科学问题。关于“系统”的定义有几个主要的表述。系统论建立之初，其创始人美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲（L.von Bertallanffy）认为，“系统是相互作用亦即相互联系的诸要素的复合体”。后来，他对该定义又作了补充，认为“系统是处于相互联系中并与环境发生关系的各级组成要素的总体。”我国著名物理学家和系统工程学家钱学森在其论系统工程（1982）一书中，将“系统”一词定义为：“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体”。从以上两个定义中可以看出对系统的

2、表述上有一定区别：前者表达了“系统与环境发生联系”；后者则表明系统应“具有特定功能”。因此有的学者认为将这两种对系统的表述综合起来更为全面。即系统是由处于相互联系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）构成的具有特定结构和功能的有机整体。可见“系统”的定义体现系统的整体性、组成的多元性、系统内外的关联性，以及系统的结构与功能性质。二、关于系统的几个基本概念（20分钟）刚才我们对系统下了定义，为了正确理解系统的概念，必须对要素、环境、相互联系、结构与功能这5个方面有一个比较全面的了解。1要素要素是构成系统的基本单元，是对系统组成部分、组分、成分或个体的抽象概括。如生态系统是由各种植物、动物、微生物

3、、无机环境（土壤、水分及近地面大气）等要素组成。太阳系是由太阳、八大行星和众多小行星构成。一个系统的要素数目至少两个以上，仅仅一个要素构不成系统。在很多情况下，系统本身也是次一级的生态系统。如生态系统中的植物本身又是由根、茎、叶等器官（子系统）构成；太阳系统中的地球又由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、人类圈、地壳、地幔和地核等圈层（子系统）构成。由此可见，系统的范围是相对的，它与系统的规模和复杂程度有关。所以钱学森在规定了系统的内涵之后，又指出：“而这个系统本身又是它从属的一个更大系统的组成部分。2环境 任何系统都是有限的研究对象，也就是说，任何系统都有明确的边界限制。我们把任一系统边界外部的所

4、有其它事物称为该系统的环境。如我们地理学研究对象为地理系统，地理系统的环境是什么？地理系统的边界为对流层顶至沉积岩石圈底部，那么地理系统的环境包括对流层以上的大气圈层、广阔的宇宙空间、以及地壳下部的岩石圈、地幔和地核。若考察地理系统某个子系统（气候、水文等），那么该子系统以外的其它地理要素（子系统）就成了它的环境。3相互联系 相互联系是指系统各要素之间以及系统与环境之间通过某种方式相互影响、相互制约、相互依存的性质。相互联系的实质是指点系统各要素之间以及系统与环境之间发生的广泛的物质、能量和信息交换。这里所说的“物质”是指物理学上的宏观、中观和微观实体材料，包括各种固体、液体和气体物质。“能量

5、”是度量物质运动能力强弱的概念。如热能、势能和动能等，它是以物质为载体。“信息”是一个抽象概念，是主体（人和其它事物）所感知的事物运动状态和存在方式的形式、含义和效用的知识或情报。例如，动物通过感官感知到它周围某个地方有动物发出的声音或气味，可判断该动物是不是自己的天敌，如果是自己的天敌，它是采取某种方式予以躲避。信息是以物质和能量为载体，但与物质和能量又有本质的区别。 由于系统要素之间存在着相互联系，所以某一要素之间发生变化势必引起其它要素的改变，从而使系统表现为一个有机整体。在自然界和人类社会中，几乎全部系统都与环境发生联系，因此，系统的存在状态和演变行为不仅与系统本身的性质有关，而且与它

6、的环境性质也密切相关。4 结构 系统的结构是指系统内部各要素相对稳定的组织形式（秩序）或分布关系的总称。如我国的国家行政管理系统是由中央、省、。村通过政令统一的方针政策维持在一起的组织结构形式。某个工厂是由厂长、经理、业务主管部门、生产班组按照特定的生产任务维持在一起的。可以看出，系统结构的形成在于各要素之间的相互联系、相互作用，其实质是各要素间物质、能量和信息的流通和转换。 根据系统要素的组织或分布方式，可将系统的结构分为三种基本形式。第一，空间结构。所谓空间结构是指系统各要素在空间上的排列组合或分布形式。这种结构形式随处可见，如地球的圈层结构、植物群落结构、土壤层次结构等等。这些都是系统空

7、间结构的典型例子。第二，时间结构。所谓时间结构是指系统各要素随时间的进程所表现出来的有规律变化或分布形式。例如地理环境的四季周期变化、生物钟现象都属于时间结构。第三，时空结构。时间结构是系统的时间结构和空间结构的统一。任何系统既不能脱离空间而存在，也不能脱离时间而左存在，空间结构总随着睦间发生改变，只是变化的快慢和明显程度不同而已，因此，系统的时空结构更具有普遍性。例如，树木的年轮在空间上表现为一个年轮，在时间上则表现为一年。 这里还要特别指出的是，虽然系统结构以要素为基础，俣是要素是查对活动易变的，而系统的结构具有相对稳定性。例如，对于一个人来说，由于生理的新陈代谢作用，过一段时间之后，他的

8、躯体大部分或全部组成物质被更新了，但是他的结构没有变，人们并不会因他的构成物质被更换而不认得他。5功能 功能是系统内部要素之间活动关系的总称。这里所说的要素活动是指要素的各种运动、变化和作用；要素的活动关系是指某一要素的活动对其它要素活动的影响，或某一要素对其它要素的作用。系统的功能表现形式多种多样，但最终都体现在系统把接受的环境作用（输入）转换为系统对环境的作用（输出）的能力，即系统对输入的响应能力。例如生态系统中的植物利用环境中的太阳辐射、二氧化碳、水和其它养分，通过光合作用形成有机化合物，表现为植物性生产力，这就是生态系统的基本功能。三、系统的基本性质（30分钟）系统在自然界与人类社会中

9、无处不在，而且种类复杂多样。但是系统论的研究表明，系统虽然有各自不同的特殊性，但尚有其共同性质，其基本的共性有如下方面：（一）整体性系统的整体性是指系统内部各要素间相互联系、相互制约，共同构成一个有机整体，系统中某一要素的变化会引起其它要素变化，乃至整个系统发生变化的性质，所谓“牵一发而动全身”便是对系统整体性的形象表述。例如，位于我国干旱与半干旱区的黄土高原区，由特有的气候、水文、土壤、生物和地貌共同构成的一个复杂的自然地理系统。如果当地的植被遭到大规模破坏以后，生物的截流和蓄水能力下降，地表径流增加，由于黄土高原黄土抗蚀能力差，遇水极容易发生侵蚀，径流增加就会引起大规模土壤侵蚀，地力下降，

10、生物衰退，进而使大气湿度减小，气候干旱加剧，出现整个自然地理系统的逆向演化。系统的整体性具有如下含义：首先，系统中的每一个要素都具有一定的作用，都是系统不可缺少的组成部分，如果某一要素缺失，则该系统的功能即受到影响，原有系统的性质将会发生变化。这就像一部机器一样，每一个部件都是不可缺少的，在系统中有特殊的作用。例如自然地理系统中的土壤是结合无机界和有机界的中心环节，离开它就不能形成植物界，没有植物界也就没有动物界，没有动物界和植物界也就没有生物圈，滑有生物圈也就有自然地理系统。当然，这并不是说系统中所有的要素都是同等重要的，往往可以分为主要因素和次要因素，主要因素对系统的作用大于次要因素。其次

11、，系统各要素之间的相互联系是系统整体性形成的唯一原因。系统各要素之间通过能量、物质和信息流联系在一起，形成复杂的统一整体。如果系统中某一个流通环节出现故障，系统内各流通环节将受到影响，整个系统亦将发生某种变化，在自然界与生活中这种实例是常见不鲜的。（二）稳定性系统的稳定性也叫自稳性，是指系统的性质是在一定的内外干扰下不发生相应改变或发生改变后可以自动恢复原来状态的性能。外干扰是指来自系统之外的环境因素的干扰，内干扰则指发生于系统内部某些要素的随机干扰。内、外干扰在某种程度上都可能使系统的状态和属性在其平均值（状况）附近发生波动变化，这种波动又称之为“涨落”。可见系统的稳定性就是系统抵抗其所受内

12、外干扰或涨落影响的性能。系统之所以具有稳定性是由于系统内部存在一系列负反馈机制或自我调节机制。所谓的反馈是指系统的输出反过来能够控制系统输入的现象或过程。反馈又分为正反馈和负反馈。负反馈是指反馈的信息与输入的信息方向相反或符号相反，系统按原来方向发展的趋势被抑制，出现与原来方向相反的发展趋势的反馈；正反馈是指反馈的信息与输入的信息方向相同或符号相同，系统按原来方向进一步发展的反馈。可见，正反馈可以使系统偏离正常状态，表现出不稳定性；负反馈可以抑制系统偏离正常状态，保持系统的稳定性（系统科学及其在地理学上的应用p27）。系统的稳定性或稳定程度的大小主要与系统的组成和结构的复杂程度有关。系统的组成

13、和结构越复杂，物质、能量和信息流通的途径越多，自然抗干扰的方式或途径也越多，不致使系统轻易受到破坏，故其稳定性能也越大。反之则系统的稳定性脆弱。任何系统的稳定性都是相对的、有条件的，它的自我调节能力均有一定限度，当系统的内、外干扰超过该限度后，系统的整体功能会发生重大变化。变化后的系统有两个截然不同的演变方向：或进化，或发生退化，然后再趋向新的相对稳定。由此我们可以看出，要使系统向高级方向发展，必须对系统实施正确的干扰，并且干扰能力应大于系统的自然调节能力。（三）层次性系统的层次性是系统结构特点的表现。任何系统其内部要素的相互联系会形成一定的组织结构形式。系统的结构状况决定着系统的性质、类型与

14、功能。系统内部的结构通常是有一定组织层次或级别的。系统内部的层次又称为“系统的组织水平”，它反映一个系统的复杂程度。例如：一个大系统可由若干次级的亚系统组成，每个亚系统又可由若干子系统组成，子系统又可依次再划分下去，直至其最基础组织单元或元素为止。如图3（p18）所示，系统A中包含五个亚系统B1、B2B5，而亚系统B1中又包括更次一级的子系统C1、C2、C3、C4。在系统A内，B1B5之间的箭头符号表示亚系统之间的联系状况，联接的整体状况反映系统A的组织结构形式等。（四）开放性系统的开放性是指系统与其周围环境的联系性质而言。也就是我们所说的系统与其环境发生物质、能量和信息交换的性能。其表现是系

15、统从其周围环境输入物质、能量与信息，以及经由系统向其外环境输出物质、能量与信息。系统的开放性是一切系统存在与演化的前提，也是系统的一个普遍特性。（五）动态性系统状态随时间不断变化的性质称为系统的动态性。按辩证唯物主义的观点，客观事物是运动的，绝对静止的事物是不存在的。动态性是系统的本质属性。系统在完成与环境间进行物质、能量与信息的交换过程时，自身也在随时间不断发展变化着。系统动态性有多种表现形式：1周期性与非周期性变化关系：周期性变化表明系统在一定时间段内的变化有规律的重复。在地理系统中，周期性变化是非常明显的。如气温、潮涨潮落的日变化，月相、大小潮是以月为周期的变化，气候、候鸟迁移、季风转换

16、都是年变化，太阳黑子导致的地理现象和过程以11周年为周期的等等。非周期变化是因系统受某偶然的、随机性干扰而发生的无固定周期的变化。例如地震、火山喷发，旱涝灾害等等。2线性与非线性变化：线性变化是指系统的各变量之间对应变化为一次方关系，即在二维平面上表现为直线关系，在三维空间中表示为平面。地理系统中，存在一些线性关系，如土壤含水量与降水量之间的关系等等。但是在地理系统中，各要素的关系主要是非线性变化，非线性变化指系统各变量间的变化为在二维平面上表现为曲线，在三维空间中表现为曲面。3渐变与突变：系统变化遵循“由量变到质变”的规律。系统的渐变为量变，表现为连续的渐进型变化动态，如温度的上升和下降，物

17、质的扩散过程等等。在数学上可用微分方程或概率与离散数学方法表述。系统的突变则为质变，如地震、火山喷发，对于突变动态现今已尝试用突变论数学方法表述。（六）自组织性系统的自组织性是指组织水平低的系统由于其内部各要素间的协同动作或联合行动，使系统的组织水平不断提高，即其有序程度逐步提高的性质。而系统的有序性或有序程度一方面表现在系统内部各要素（或部门）间联系的有秩序、有条理和受一定程序的制约；另一方面表现在系统内部其结构组织（在空间、时间和功能）方面的严谨程度。自组织性或自组织能力是开放系统不断发展进化的重要性质和能力。协同论是研究系统自组织性的重要教学工具。四、系统科学的基本内容（一）系统论、信息

18、论与控制论系统科学是研究系统的一般性质、运动规律、系统方法及其应用的科学。在其体系中，1945年贝塔朗菲发表的论一般系统论是其基本部分。一般系统论是以系统概念为基础展开研究，揭示不同性质的系统之间所表现的存在方式和运动方式上所共同遵循的规律。它认为尽管各种系统千差万别，但都应具有某些共同的属性，如整体性、层次性、稳定性、动态性等，它强调系统的运动有序才能使系统稳定，最终形成最稳定的结构是系统的终极目的。信息论是在20世纪40年代末由美国数学家申农（CEShannon）所创立，以其1948年发表的通讯的数学理论为代表作。他特别重视数字通讯与计算机的应用。早期信息论在于研究建立由信息源到信息转换传

19、输到信息接受的通信系统模型，其后迅速发展成为研究信息的发生、传输、转换、存储、处理、显示识别和利用的技术学科，成为系统科学中尤其作为系统控制的不可缺少的一部分。与信息论基本同时产生的控制论（Cybernetics）由美国数学家维纳（N.Wiener）所创。维纳早就注意到控制论所面临的是解决自动控制系统的问题，这种系统的特点是要根据周围环境的某些变化来决定和调整自己的运动。他把功能模拟法、系统分析法、反馈方法、信息方法作为科学方法，自觉地运用于控制和通讯系统的研究中。故控制论是通过调节系统的信息反馈过程，对系统的功能和行为实施控制，以实现系统达到最终稳定的目的。一般系统论，信息论与控制论（SIC

20、）三者的关系存在着有机的联系。一般系统论着重揭示系统的一般原理与基本规律。信息论注重定量地表述系统内部以及系统与环境间的联系。一个系统的信息量的大小反映着该系统的组织水平的高低，系统越复杂，信息就越重要。控制论着重运用系统论与信息论的原理与方法对系统实施调节控制。对于自然地理学而言，应用系统论、信息论与控制论，把自然地理环境作为自然地理系统进行研究，其方向无疑是正确的。（二）耗散结构论、突变论与协同论随系统科学的不断发展，研究者们发现系统论、信息论与控制论对于系统是如何组织的问题，它如何随时间演化以及其演化的内在机制问题均尚未解决。在这种背景下，20世纪60年代以后新的系统科学理论如耗散结构论

21、（Dissipative Structure Theory）、突变论（Catastrophe Theory）和协同论（Synergetics）相继产生，通常称为新三论（DSC）。耗散结构论是比利时物理化学家普利高津（I.Prigogine）于1969年首次发表的。他认为自然界中的许多开放系统在远离平衡态情况下可形成新的有序的结构，称之为“耗散结构”。根据他的理论，地理系统、自然地理系统等均具有耗散结构特点（在本章另有叙述）。耗散结构理论成功地解答了长期困扰人们的关于系统存在的自组织现象（功能）的问题。突变论是以法国数学家托姆（R.Thom）于1972年发表的结构稳定性和形态发生学论著为代表。系

22、统的突变是非线性动力学系统的一个普遍属性，突变论研究系统的连续过程中发生突然变化即不连续变化的机理，为系统从一种状态到另一种状态的转变提供了更精确的数学表述方法，使人们加深了对系统的无序和有序之间的转变方式和途径的理解，并可在此基础上对系统的行为进行预测和控制。协同论由德国理论物理学家哈肯（H.Haken）于1977年发表的协同论为代表。协同论认为，一个与环境有物质、能量和信息交换的开放系统，在其内部参量达到某一阈值时，系统即可通过各子系统的协调作用和相干（涉）效应，使系统从无序混乱状态转变为宏观有序状态。哈肯指出，系统演化的动力是其内部各子系统之间的竞争和协同，而不是外部的“指令”。系统内部

23、各部分将通过非线性相互作用协调，表现为各子系统间自发调节为最优化调节，即运动规律的协同。协同论与耗散结构论相比则更注意揭示系统内部各子系统的协同作用，即更注重系统自组织机理的研究。从以上对“新三论”的概略了解中，不难看出它们对于自然地理系统演化过程中的趋稳性、抗干扰性和自组织功能的分析研究，具有十分重要的理论和方法意义。（三）混沌论与分形几何学在系统科学发展过程中，随着对复杂系统的深入研究，科学家们发现在自然界许多复杂系统中存在着大量“混沌”现象。美国气象学家洛伦兹（E.N.Lorenz）首先在大气系统中发现了混沌现象，并于1963年提出了“混沌论”（chaos）。所谓“混沌”是指在复杂系统内

24、部，某些看似确定性的事件中隐含着不确定性、不可预测性的随机现象，这种现象是由系统内部的性质决定的。此外，作为混沌论的姊妹篇，在数学中产生了所谓“分形论”（Fractal），又称分形几何学或混沌几何学，由美国应用数学家曼德尔布洛特（B.B.Mandelbrort）于1975正式提出。分形论举例说，自然界中有若干几何形状，当用不同比例尺的量度单位去测量时，会发现其几何形状总具有相似性。例如一个河流水系，干流与其一级支流组成树枝状水系，其一级支流与其二级支流、二级支流与三级支流等依次均可构成树枝状水系。这去自然地理学对此仅有定性的表述，分形论则从数学角度对此类问题作出了深入的数学表述。据以上两论可以

25、概括地说，混沌论是从复杂系统内部的细微处探究其不确定性发生的机制，分形论则是从复杂系统形态的局部细微处去“见微知着”，用严谨的数学形式表述系统整体的几何特征。混沌与分形都是研究复杂系统的有力工具。从以上对系统科学的简单介绍中，已经看出系统科学与地理科学有极强的亲合性，对自然地理学而言尤为突出。由于系统科学的各种理论和方法都是建立在相当深度的数理推导的基础上，所以要把自然地理环境视为自然地理系统，将系统科学的理论与方法有机地融于自然地理学之中，地理学工作者们应当尽可能地提高数学水平是一个必要的前提条件。思考题、讨论题、作业教学后记第二章 系统科学与自然地理系统 第二节 自然地理系统2009年09

26、月15日了解系统的分类；掌握自然地理系统的分类和基本性质；掌握耗散结构理论。1自然地理系统的分类；2耗散结构理论。第二节 自然地理系统一、系统的分类世界上的系统成千上万，虽然它们有许多共同之处，但是就各种具体系统而言，它们的组成、结构和功能又有许多不同。也就是说各种系统是共性和个性的统一。为了对客观存在的各种系统开展深入的研究，就有必要对系统进行分类。目前，关于系统的分类尚无统一的方案。不同学者的着眼点不同、研究目的不同，有不同的分类方案。下面简单介绍常见的系统分类方法。1、 按系统内容划分：（1） 天然系统、半天然系统和人工系统天然系统是指很少受人类活动影响或影响非常轻微的系统。如银河系等等

27、。半天然系统是指在天然系统基础上，叠加有相当程度的人类活动影响的系统。人工系统是指在天然系统和半天然系统的基础上，由于人类活动强烈影响使自然面貌发生了重大改变的系统，或纯粹由人工制成的系统。（2） 自然系统、社会系统、思维系统（3） 实体系统、概念系统2、 按系统的规模与复杂程度：可分为小系统、大系统、巨系统、简单系统和复杂系统；3、 按系统的运动状态可分为：稳态系统、非稳态系统、线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、确定性系统和非确定性系统；4、按人类系统的认识程度可分：黑色系统、白色系统和灰色系统等等。根据系统的“颜色”可将系统划分为黑色系统、白色系统和灰色系统。这里的颜色并非指真正的

28、颜色，而是指人类对系统内部结构和过程的了解程度。对系统完全不了解时称为“黑色”，对系统完全了解时称为“白色”，对系统半了解半不了解时称为“灰色”。（1）黑色系统：黑色系统是指人们只知道输入与输出关系，而不知道系统内部组成、结构和过程的系统。这就好像一个不能被人们打开进行研究的黑箱子，内部漆黑一团，人们对其内部组成、结构和过程一无所有。故又称黑色系统为黑箱系统。（2）白色系统 白色系统是指人们不仅知道输入、输出关系，而且还知道系统内部组成、结构和过程的系统。这就好像一个能够被人们打开进行研究的黑箱子，内部漆黑一团，人们对其内部的组成、结构和过程大白于天下，故又称白色系统为白箱系统。（3）灰色系统

29、灰色系统是指人们已经知道输入、输出关系，但对系统内部组成、结构和过程并不十分清楚的系统。因此人们对其的了解也是介于黑箱和白箱之间，故也称之为灰箱系统。5、按系统与环境的关系分类，将系统分为孤立系统、封闭系统、开放系统。在这里，根据我们的研究需要，仅对系统与环境关系分类方法进行介绍。（1）孤立系统孤立系统是指系统与环境之间既没有物质也没有能量交换的系统。自然界里没有这种系统，只有在特定条件下如实验室内人为控制条件下所造成的孤立环境。如密封很好的保暖或保冷装置，便可视为近似于孤立系统。（2）封闭系统封闭系统是指系统与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统。其实在自然界里也无严格的封闭系统，类似的封

30、闭系统也只能在实验室中存在。例如，一个密封完好的钢瓶或饮料瓶可以近似看作是封闭系统。（3）开放系统系统本身与环境之间既有物质交换又有能量交换的系统称为开放系统。开放系统在自然界和人类社会中广泛存在，大到地理系统、自然地理系统、生态系统，小到一只昆虫、一个气体分子等等都是开放系统。为什么要区分孤立系统、封闭系统、开放系统，因为这是系统与环境之间的关系不同，直接影响系统的组成、结构和功能，更控制着系统的演化方向。二、自然地理系统及其分类何谓自然地理系统？从系统论的角度来定义，自然地理系统是地球表层所有自然地理要素构成的具有时间、空间动态的整体，其本身又由若干层次的子系统所组成，由地外空间输入以太阳能为主的能量和宇宙物质，在系统内形成以能量流、物质流和信息流联系在一起的有一定结构、完成一定功能的开放的自然系统。正如前述，我们认为自然地理环境即是自然地理系统。在本教材中，有时在很多教材中仍习惯上用自然地理环境一词的地方，可理解为自然地理系统的同义词。从不同的角度出发，对地理系统或自然地理系统也可划分不同的