综合自然地理第二章自然地理系统的整体性.ppt

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1、第二章 自然地理系统的整体性,重点 讲明自然地理环境的整体性，阐述各组成成分间的相互关系及自然地理系统的基本特征。,难点 整体性的认识过程。,系统论从首创至今，不过几十年的历史，然而却以不可替代的综合、整体、最优化的特性渗透于自然科学、社会科学的许多领域，解决了工业、交通运输、电力网、通讯网、环境保护、城市规划、水源利用、能源开发、社会经济等方面的许多难题。,系统方法在地理科学中被广泛应用，为大家所公认。系统论被引进地理学，用来研究地理环境的结构、功能及其演化，使地理思维在结构和方法上发生了深刻的变化，将古老的地理学从定性分析和解释引向定量分析和定性解释相结合的阶段。,目前虽然还未将自然地理学

2、原理完全建立在系统论的基础上，许多关键性问题仍需进行深入探讨.但是，这种科学的方法论有助于更深刻地揭示自然地理环境的一般规律.在关于这些规律的传统解释基础上，运用系统论的基本理论作进一步阐述，以便用其新思路来探讨自然地理学的基本问题。,第一节 系统概述,系统概述,一、系 统 概 念,三、系统主要特征,按系统尺度、规模和范围分按系统与环境的关系分按人与自然的关系分,二、系 统 分 类,整体性层次性相关性稳定性变异性,系统概述,一、系统概念,具有特定功能和结构的元素集合，由相互联系、相互作用的事物和过程所组成。自然界各种事物都是以系统形式存在着的有机整体，整个物质世界，大到宇宙天体、太阳系，小到原

3、子、基本粒子，都是由相互联系、相互作用的若干部分组成。,1、按系统尺度、规模和范围分：宇宙系统如银河系、整个宇宙宏观系统周围的宏观物体，如生态系统、人体系统。微观系统如原子中电子的壳层结构和原子核结构系统,细胞中的核、质、膜都是相互联系、相互作用的系统。,二、系统分类,2、按系统与环境的关系分：开放系统系统与环境之间具有物质、能量、信息的交换和流通。封闭系统系统与环境之间只有能量的交换和流通，没有物质的交换。孤立系统系统与环境不发生任何联系和作用。,系 统 分 类,3、按人与自然的关系分：自然系统指未打上人工印记的各种客观系统，如天然生态系统。人造系统指人工制造的各种系统，是由人工生成的各种要

4、素组成的，如生产、交通运输、管理系统。自然与人文的复合系统指人类利用自然和改造自然的各种系统，如水利发电系统、农业系统。,系 统 分 类,三、系统主要特征,（一）整体性,（二）层次性,（三）相关性,（四）稳定性,（五）变异性,整体性概念的发展传统观点的整体性 内在联系性系统观点的整体性 结构功能的整体性耗散结构理论的整体性 非平衡有序系统的整体性,（一）整体性,系统的主要特征整体性,1、传统观点 整体性：自然地理综合体各组成要素和各组成部分之间的内在联系。地球表层是由地质、地貌、气候、水文、土壤、动物等成分组成，这些无机自然界与有机自然界各组成成分相互联系、相互作用，并通过自然历史过程，形成自

5、然地理综合体，这个综合体中任何一个成分或环节的变化都会影响其它成分或环节的变化甚至整体的变化。,系统的主要特征整体性,比如：我们所处的是暖温带落叶阔叶林带，作物为一年两熟，如果气候寒冷则是寒温带气候，无霜期短，作物只能一年一熟，种植耐寒、生长期短的作物。同样，地貌因素发生变化，也会引起一系列变化，再如华北平原如发生地壳运动，抬升1000米以上，气温降低，降水发生相应的变化，土壤、植被也随之改变。传统观点：是以自然综合体学说为基础，用因果法则，揭示自然地理环境动态特征，一个因素变化会影响另外的因素，体现在自然综合体内各要素的内在联系性，传统观点的整体性是内在联系的整体性。但是传统的观点是定性的描

6、述，不能定量地表达整体性原理。随着科学技术的进步和新学科领域的发展，特别是系统论的出现，对整体性又有了新的认识。,系统的主要特征整体性,2、系统思想功能和结构的整体性（1）功能整体性 是系统对外界和内部所表现的效应（包括物质和能量、信息等的传输和转换）。系统论中有一个重要原理功能超越性原理，整体系统会出现子系统没有的功能整体大于各部分之和。整体和部分的关系，主要表现在三种情况：整体=部分之和 整体部分之和,系统的主要特征整体性,系统的整体等于系统的各组成部分之和 这是被严格和精确的数学多次证明的命题，几何和代数从来就把这种关系当作绝对正确的真理。但是这一命题只是对那些联系不紧密的松散系统才成立

7、，只适应于由各要素机械组成的系统。如一筐苹果、一堆沙粒等。系统的整体小于各部分之和 如果系统中各部分相互牵扯，相互扼制，甚至掺杂着一些寄生和坏死的要素，这样的系统往往使整体的能量大大下降，出现“三个和尚没水吃”的情况。系统的整体大于各部分之和 如果系统中各组成要素互相协同，彼此配合，会使系统出现新质，即整体系统会出现各子系统没有的功能。,系统的主要特征整体性,例如：人的双眼视觉功能大大超过两只单眼视觉功能简单相加的总和。双眼的视敏度比单眼高610倍，双眼的视觉能形成立体感，而单眼却无能为力。又如，当年拿破仑在埃及作战时，同一少数民族马木留克对阵，马木留克兵英勇善战，个人搏杀技术很好。法国兵在当

8、时曾打过很多胜仗，但3个马木留克兵肯定能够战胜3个法国兵；100个马木留克兵和100个法国兵势均力敌。而300个法国兵绝对能够战胜300个马木留克兵。这是因为法国兵在大兵团作战中，彼此配合的很好，而马木留克兵不善于协同作战，这就是整体性起了作用，整体出现的功能是各部分之和所不具备的。,系统的主要特征整体性,（2）结构整体性 系统理论指出：系统的整体功能决定于各组成元素的相互结合的方式，通常所说的结构。因此，整体功能取决于系统的结构，从以上例子中可看出法国兵彼此配合好，结构好，整体功能好，马木留兵不善于协同作战，结构不好，整体功能小于部门之和。结构从字面上看，各组成部分的搭配和排列。结构和功能是

9、密切相连的，结构是完成功能的框架和渠道。也就是说物质、能量和信息的传输和转换是通过系统的结构而实现的。反过来，物质、能量、信息的传输和转换则是维持结构存在和发展的基础。结构和功能是相互联系的不可分割的两个方面，没有结构的功能和没有功能的结构都是不存在的。,系统的主要特征整体性,研究整体性既要研究整体功能认识它的综合效应，又要研究这种功能是由什么样的结构所决定的。研究系统是怎样随结构、功能的变化而变化的，目的是提高整体性的功能。与传统的观点比较：系统的结构和功能的整体性既反映了自然综合体的内在联系性，又定量地反映了地球表层物质的能量变换的关系。弥补了传统观点的不足。系统观点的整体性涉及能量流动，

10、涉及热力学第一定律，所以运用热力学第一定律探讨地球表层的能量流动和转换。,系统的主要特征整体性,热力学第一定律：能量守恒。能量既不能创造也不能消灭，这是一条普遍的规律，地球表层的能量流动也必须服从这一规律。如太阳能进入地球表层后，转化成热能，地面温度和大气温度增加，参与水分蒸发耗热，地貌、土壤的形成过程，大气环流、洋流运动等都与热能有关，同时地面又以长波辐射出去，将热能输出返回空间，完成了收支数量上的平衡，遵循着能量守恒的普遍原则。热力学第一定律只要求能量在转换过程中是守恒的，不限制过程所进行的方向。热力学第二定律则不同，是关于过程进行的方向问题。克劳修斯指出，能量是从密度较高的地方流向密度较

11、低的地方，直到一切都达到均匀为止。,系统的主要特征整体性,他指出：在孤立系统中热量总是由高温物体自动地传向低温物体，而不能作相反的传递，直到两个物体达到相同温度为止，是不可逆的自发的过程。起决定作用的是能量密度的差异和朝均匀方向的流动。他创造了一个术语“熵”表示任何一种能量在空间分布上的均匀程度，用他的话来说，“能量密度的差异倾向于变成均等”，是自然界的一个普遍规律，或换句话说：“熵随着时间而增大”，混乱程度或无序程度增加。熵越大，系统越混乱，反之，系统越有序。,例1：我国有句成语“泾渭分明”泾河水清，渭河水浑。泾河流入渭河时，清浊不浑，比喻界线清楚，是非分明。这种有序状态是暂时的，他们一经自

12、动混合之后，就再也分不清哪种是泾河水，哪种是渭河水了。说明能量的密度差异是朝着均匀方向流动的。例2：两个水库，水的高度不同，一高一低，如果把他们连接起来，水会从高水位的水库流向低水库，直到两个水库的水面相同。两例都说明了能量是趋向于均匀分布的。熵值随着时间增大，能量完全均匀分布，熵值达最大值，也就是混乱度或无序程度最高。,系统的主要特征整体性,克劳修斯把热力学第二定律推广到宇宙之中，根据熵增加原理，宇宙中的能量分布在不断地均匀化。宇宙正在不断地增大，最后必须达到最大值平衡态。整个宇宙在走向混乱趋向无序，一切运动都将停止，最后达到“热寂”。可是地壳演化历史正好相反，沧海桑田变迁，生物界人类出现。

13、都是在从简单到复杂，从低级到高级的进化发展。这种进化过程与热寂说的预言退化形成截然不同的鲜明对比。早期的热力学只考虑系统的内部联系不考虑系统与外界环境的联系。近年来新型的耗散结构理论，成功的揭示了这一问题。,系统的主要特征整体性,创始人：普里高津 比利时人 立足点：系统与外界环境的相互联系，相互作用，弥 补了早期热力学的不足。（1）什么叫耗散结构？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，转变为一种在时间上和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，称为耗散

14、结构。,系统的主要特征整体性,3、耗散结构理论非平衡有序系统的整体性,两层意思：开放系统：系统与外界环境有物质和能量、信息交换 在一定条件下，使系统变无序为有序。简单概括为：消耗外界环境的物质、能量来维持系统内部的新的有序结构。（2）耗散结构理论 一个开放系统熵的变化，通过引入外界负熵流降低系统总熵，使系统从无序转入有序状态，来维持系统的稳定。但强调这种稳定是非平衡的稳定态，所以系统内部的能量总是趋于均等，熵不断的增加，只有在外界不断输入负熵流的情况下，才能保持相对稳定。一旦外界条件撤去，混乱度或无序度就会增加，系统就会回到无序状态中去。,如：沙漠中的绿洲，就是不断地从外界获得物质、能量有负熵

15、流的输入，才保持这种有序状态。一旦断绝了水源，很快就变成寸草不生的沙漠。自组织现象：耗散结构在与外界交换物质、能量的同时，还有一种自组织能力，变无序为有序的过程。如：生物有机体将光、热、水、二氧化碳这些无序的物质、能量转化合成为糖类，变无机为有机储存于体内，变无序为有序过程。又如：诗句“野火烧不尽，春风吹又生”，大火焚烧过后，第二年春天有充足的阳光和雨水的滋润，恢复原状。说明自然地理环境有自组织能力。,系统的主要特征整体性,信息：物质、能量和信息是现代科学研究的三大主题，前面只介绍了耗散结构及其物质能量转化的基本情况。用信息概念认识地球表层的整体性新课题之一。一般理解：信息情报、知识。现在理解

16、信息为物质之间建立联系的一种特殊形式。任何物质运动形态都能产生和交换信息，信息也能通过物质现象而运动传播。天体发生的电磁波包含着天体的构成、年龄、运动等各种信息。化石提供了地质时期古动物、植物和地壳演变的信息。信息是事物存在形式运动状态和规律的表征。人们之所以把信息理解为情报、知识，正是因为物质结构、状态和历史在人的大脑中的反映，经过人类的语言、文字、符号等形式变换以后获得的产物。,系统的主要特征整体性,信息一方面反映了物质、能量分布和变化程度，另一方面信息在自然界和社会的物质运动中执行这种联系的职能。可以说信息是指一个系统的有序性，信息就是负熵。生物和人都离不开信息。新陈代谢是动物体不断从环

17、境中摄取所需的食物、空气和水，通过机体的生理功能将食物消化、吸收成为机体的一部分，排掉残渣过程。一个有序系统是由于输入了信息或向外界输出了负熵，如生物进化可看成是系统信息量的增加或熵的减少的变化。信息既不是物质，也不是能量，但它的传播离不开物质和能量，而物质和能量是否存在？如何存在？有什么运动规律？要想了解这些，又必须通过他们发出的信息。物质、能量、信息是组成客观世界的三基元,系统的主要特征整体性,总结：整体性概念是在发展的、逐步深化的。从传统的观点内在联系的整体性，定性描述到系统思想结构和功能的整体性和耗散结构理论非平衡有序系统的整体性，逐步丰富了整体性的原理，引导着人们从物质流、能量流、信

18、息流，三个相互联系相互补充的客观过程中去认识整体性。从一个具有耗散结构的开放有序系统所产生的整体功能中来把握整体性。整体性是物质、能量、信息在耗散结构系统中的运动、变化、发展的整体性。用这些新理论认识地球表层还处于起步阶段和探索中。要求：掌握整体性概念，包括不同观点中整体性的含义。,系统的主要特征整体性,每一个系统都是由子系统组成的,而其本身又是一个更大系统的一部分。系统的层次可以从许多角度分析。,系统的主要特征层次性,1、空间层次性 反映系统范围的包含关系，比如国家政体和人体组织的层次结构：全国省市县乡村 个体生理系统器官组织细胞分子,层次性,空间层次性,时间层次性,（二）层次性,2、时间层

19、次性 是由于系统演变具有阶段性，不同发展阶段的系统具有一些质的不同。如人体经历的阶段：胎儿婴儿儿童少年青年中年老年 时间层次性是系统演变有规律的表现，了解系统发展的时间层次性也就是认识系统的发展变化规律，这对人工系统的开发、设计及改造都有重要意义。系统论将整个客观世界看作是一个结构有序、多层次的统一体，认为客观世界的多样性、统一性正是通过层次性表现出来的，所以，把认识对象划分为不同结构层次来研究，使人们的认识逐步深化。,系统的主要特征层次性,系统内部各子系统之间、子系统与系统之间、系统与外部环境之间存在着相互依存、相互制约的关系，这种关系就是相关性。相关性使得每一个子系统对系统整体功能都能作出

20、贡献，系统AB,BC,则CA，这样就形成了事物相关的因果链环。如果对这种相关性认识不足，会出现相反的结果。如：美国亚利桑那州开巴高原上草黑尾鹿狮、狼的相关性：草鹿相关，鹿狼相关，狼草相关。,系统的主要特征相关性,（三）相关性,鹿长期保持在4000头左右，与捕食者美洲狮、狼达到了平衡。狮、狼是鹿的天敌，为了发展鹿群，采取灭天敌措施：1907年 灭天敌狮、狼 1918年 鹿4万头 1925年 鹿10万头 1927年 鹿不足4万头（两年死去60%以上）原因：只注意了狼鹿相关性，未注意草鹿，一定数量的狮、狼控制着鹿的数量，间接地保护了草场不被过度损耗，保护了鹿群的生存条件，也间接保护了鹿群，这就是捕食

21、者与被捕食者之间相互依存、相互制约的相关关系。,系统的主要特征相关性,任何系统都是一个动态系统，都处于运动、发展和变化之中，这种变化具有不确定性，据估算，人的皮肤表层3-5天就代谢一次，两人几天不见面再相见时看到的皮肤就已经不是原来的物质了，两人为什么还能认识？非常熟悉的人，自己的亲戚，几年、十几年、甚至几十年不见，这其间无疑发生了更大的变化，一旦重逢，会很快认出，这是为什么？,系统的主要特征稳定性与变异性,（四）稳定性与变异性,时刻都发生变化的同时，总还有许多东西保持着不变，我们将基本不变的状态稳态，事物的性质一般是它的稳态表现的性质。稳定状态通常是一个范围，当由于某些原因使系统的状态偏离稳

22、态时，在系统内部调节机制的作用下系统会自动复原，回到稳态。,稳定性系统排除干扰、恢复到稳态的特性，称为稳定性。变异性指系统的状态随时间的推移发生变化。稳定性使系统在变化的环境中保持自我，没有稳定性就不能认识系统，没有变异性系统就不能发展。,系统的主要特征稳定性与变异性,第二节 自然地理系统的整体性,自然地理系统的整体性,自然地理系统的概念,自然地理系统的基本特征,整体特征层次性开放性稳定性与变异性,自然地理系统是自然地理环境各组成成分，通过能量流、物质流、信息流相互联系、相互转化组成的具有一定结构和功能的整体。这些组成成分包括三个无机组成成分固体（岩石）、液体（水）、气体（大气）和一个有机组成

23、成分生物（动物、植物、微生物，也有人主张包括人类）。,一、自然地理系统的概念,1.自然地理系统的整体特征 指各组成要素相互联系、相互作用，构成一个有机整体，其中，任一要素会影响其它要素。自然地理系统具有各单独组成部分不具备的统一的结构、功能、和效应。不是各要素单个作用的累加，而是各要素在相互作用中形成的统一体。,二、自然地理系统的基本特征,2.自然地理系统的层次性 自然地理系统结构空间结构、时间结构 自然地理系统功能系统内部、系统与外界的物质和能量循环、交换。垂直方向：4个圈层 水平方向：（1）陆地系统区域系统土地系统（2）海洋系统海域系统水团系统,结构整体性空间结构和时间结构空间结构是各组成

24、要素的分布格局。空间结构包括垂直结构和水平结构。垂直结构包括大气圈、水圈、岩石圈。水平结构是各组成成分在水平方向上发生分异，如从赤道到极地分为热带、温带、寒带。时间结构是维持空间结构在状态上一系列变化的结果。时间结构使地球表层从简单到复杂不断发展进化的。,自然地理系统的基本特征 层次性,功能整体性物质的循环和能量的转换是地球表层最重要的功能。从地球表层内部看，各组成成分之间物质和能量交换分为两种方式。垂直方向：岩石地下水地表水土壤空气以及贯穿于各成分的生物。水平方向：各组成部分有物质的机械迁移和物理过程、化学过程、生物代谢过程。地球表面有了这些结构和功能，才有可能把四个圈层融合成一个统一的动态

25、系统，决定着地球表层的整体性。,自然地理系统的基本特征 层次性,3.自然地理系统的开放性 与外界持续地进行物质和能量的交换从地球表层的外部联系看：地球表层与外部系统（高层大气、宇宙、地幔、地核）有物质和能量的交换、转化。能量的输入是太阳能、地球内能等。能量的输出是地面的长波辐射。物质输入 宇宙空间陨石、宇宙尘埃 地球内部侵入岩浆、原生水 物质的输入是以地球内部为主，一次火山喷发，岩浆达几十亿立方米，而从宇宙中每年降到地面的陨石不过400吨，宇宙尘埃就更少。,输出的物质 主要靠地壳的构造运动，在板快的边缘处，会有岩层离开地球表层斜插入深处。输入的能量 宇宙空间太阳能 地球内部放射性元素释放的热能

26、 一年中地球获得的热量：太 阳 能1.3*1024卡 地球内部铀、钍、钾等放射性元素蜕变释放的热量，只占太阳能1/2亿。来自宇宙其他星体的射线为太阳能1/1亿。输出的能量地面的长波辐射,自然地理系统的基本特征 开放性,地球的四大循环：大气循环大气环流、全球性海陆间运动 水分循环大循环 生物循环合成作用、分解作用 地质循环风化、剥蚀、搬运、沉积、构造运动 四大循环是地球表层物质能量输入流通输出的形式，使物质和能量的输出维持在一个相对稳定的动态水平上。强调稳定是非平衡的稳定，维持这种非平衡的稳定必须有负熵流的输入，以对抗系统走向平衡，所以只有耗散能量、新陈代谢，才能维持一定的有序性。,自然地理系统

27、的基本特征开放性,4.自然地理系统的稳定性与变异性 自然地理系统有一定的调节功能,使得外界干扰不致破坏系统的稳定状态,但是有一定限度,当外界干扰超过其所能忍受的限度时,系统就会崩溃，如湖泊中排入的污染物质。,第三节 自然地理系统的 组成和结构特征,一、自然地理系统的组成 物质组成：4个基本圈层相互作用形成的物质体系。能量组成：太阳辐射能、地球内能二、自然地理系统的结构特征 指各组成要素和组成部分之间相互结合的方式和组合形式：分层结构、渗透结构、地域结构。,1.分层结构,4个基本组成成分：空气、水、岩石、生命有机体，由于密度不同和重力作用分异，密度小的在顶部：大气对流层 0.0013 水圈 1

28、岩石(平均)2.73 3个圈层在垂直方向上做层状排列，生物圈分布在3圈交界面上是垂直方向上分层结构的最显著特征。,进一步划分，还可以分出低级层次的分层结构：大 气 圈 大气侯层 近地表小气候层 水 体 空中水层 雪圈 地表水层 地下水层 植物群落 乔木层 灌木层 草本层 苔藓层,2.渗透结构,以上分层结构的共同点：不是单一成分，而是和其他成分处于彼此叠合、相互渗透之中。气候层中包含水分、固体物质、生物体水 体包含溶解气体、矿物质、悬浮泥沙 生物体。岩 石 圈空气、水、多种生物生 物 圈三个无机圈层交织在一起,3.地域结构,相互作用的各组成成分在水平方向和垂直方向上按一定规律发生的分异,形成了不

29、同的结构单元。地球表层的这种垂直和水平分异，取决于太阳辐射能和地球内能这两类地域分异因素的综合作用。无论在空间上或时间上，两种分异因素的相互作用都是不平衡的，它们在地球表层的特殊表现，决定了地域结构的地带性和非地带性特征。,由于地球的形状和地球自转轴与黄道面的倾角，造成了太阳辐射能在各纬度带的不均匀分布，导致各组成部分相互结合、相互作用的形式呈纬向地带性特征，从而产生了自赤道向极地更替的结构。无论是陆地和海洋，都存在着这种结构单元。原苏联学者.B.波格丹诺夫（1961）将自己划分的大洋地带同陆地上的地带作了比较，结果发现两者几乎完全一致（图1）。,图1 世界大洋自然带和大陆自然带分布图（.B.波格丹诺夫）,