地球表層是一個(gè)含有耗散結(jié)構(gòu)開(kāi)放系統(tǒng)地球表層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體性地球表層系統(tǒng)功效整體性第一章自然地理環(huán)境整體性地理科學(xué)專(zhuān)業(yè)《綜合自然地理》第1頁(yè)黃土高原水土流失

地貌、水文、植被、土壤、氣候同時(shí)改變，牽一發(fā)而動(dòng)全身…自然地理系統(tǒng)整體性第2頁(yè)系統(tǒng)：含有特定功效和結(jié)構(gòu)元素集合，每一系統(tǒng)都是由相互聯(lián)絡(luò)、相互作用要素和過(guò)程所組成。系統(tǒng)論(貝塔朗菲,1937)：研究系統(tǒng)普通模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律理論。自然界各種事物都是以系統(tǒng)形式存在著有機(jī)整體，含有整體性、層次性、相關(guān)性、穩(wěn)定性、變異性等特征。系統(tǒng)論第3頁(yè)系統(tǒng)分類(lèi)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)境關(guān)系開(kāi)放系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境間含有物質(zhì)、能量、信息交換和流通封閉系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境間只有能量交換和流通，但無(wú)物質(zhì)交換孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境不發(fā)生任何聯(lián)絡(luò)和作用按人與自然關(guān)系自然系統(tǒng)：未打上人工印記客觀系統(tǒng)(天然生態(tài)系統(tǒng))人造系統(tǒng)：人工制造系統(tǒng)(生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、管理系統(tǒng))自然與人文復(fù)合系統(tǒng)：人類(lèi)利用或改造自然系統(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)論第4頁(yè)一.整體性概念發(fā)展1.傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)整體性——內(nèi)在聯(lián)絡(luò)性地球表層各要素或部分之間相互制約、相互聯(lián)絡(luò)而形成整體。理論基礎(chǔ)：自然綜合體學(xué)說(shuō)(道庫(kù)恰也夫)缺點(diǎn)：①不定量，只能定性描述或解釋?zhuān)虎诤雎缘厍虮韺游镔|(zhì)流、能量流等功效。第一節(jié)地球表層--含有耗散結(jié)構(gòu)開(kāi)放系統(tǒng)第5頁(yè)2.系統(tǒng)科學(xué)整體性——結(jié)構(gòu)與功效地球表層各圈層經(jīng)過(guò)物質(zhì)流和能量流而形成整體。理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)論（貝塔朗菲，克勞修斯）系統(tǒng)規(guī)律：①整體大于部分之和；②結(jié)構(gòu)與功效相伴而生，沒(méi)有“無(wú)結(jié)構(gòu)”或“無(wú)功效”系統(tǒng)，“沒(méi)有結(jié)構(gòu)功效”或“沒(méi)有功效結(jié)構(gòu)”都是不存在。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)內(nèi)部，而忽略與系統(tǒng)外部聯(lián)絡(luò)。一.整體性概念發(fā)展第6頁(yè)3.非平衡有序系統(tǒng)整體性——耗散結(jié)構(gòu)地球表層是遠(yuǎn)離平衡態(tài)開(kāi)放系統(tǒng)，屬于非平衡有序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功效整體性。理論基礎(chǔ)：耗散結(jié)構(gòu)理論。經(jīng)過(guò)與外界物質(zhì)和能量交換，從無(wú)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)雜自組織系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)基本觀點(diǎn)：熵――任何一個(gè)能量在空間中分布均勻程度(熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向性)；dS=diS+deS

平衡結(jié)構(gòu)和耗散結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定有序結(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.整體性概念發(fā)展第7頁(yè)關(guān)于“熵”例子一滴墨水滴入清水杯一根火柴劃過(guò)黑房間懶人房間

車(chē)窗外扔垃圾中國(guó)式過(guò)馬路某位同學(xué)自得其樂(lè)在地理課堂上唱歌熵(entropy)第8頁(yè)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)混亂程度標(biāo)志，表征物質(zhì)系統(tǒng)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)熱量；T-絕對(duì)溫度

熵是系統(tǒng)有效能測(cè)度：熵越大，有效能越小。熵是系統(tǒng)有序/無(wú)序測(cè)度：熵越大，系統(tǒng)越無(wú)序，意味著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)不確定和無(wú)規(guī)則。玻爾茲曼熵：系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性一個(gè)量度，是系統(tǒng)宏觀與微觀（整體與部分）橋梁。S=klnΩk-玻爾茲曼常數(shù)；Ω-系統(tǒng)微觀分子狀態(tài)數(shù)，Ω越大，系統(tǒng)越混亂熵(entropy)第9頁(yè)香農(nóng)信息熵：系統(tǒng)全部信息中排除冗余后平均信息量。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)概率比如，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)組成以下表，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)第10頁(yè)1.為何？地球表層是個(gè)巨大開(kāi)放系統(tǒng)(熵流)地球表層生物有機(jī)體產(chǎn)生與發(fā)展(從無(wú)序到有序)2.地球表層進(jìn)化發(fā)展天文時(shí)期→無(wú)機(jī)演化→有機(jī)演化(人類(lèi)時(shí)期)

3.耗散結(jié)構(gòu)類(lèi)型自然地理系統(tǒng)――天然生態(tài)系統(tǒng)――人類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)三者關(guān)系：發(fā)生上聯(lián)絡(luò)；能量與物質(zhì)交換上聯(lián)絡(luò)自然地理系統(tǒng)→天然生態(tài)系統(tǒng)→人類(lèi)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(lèi)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量輸入不但來(lái)自于現(xiàn)在或過(guò)去自然地理系統(tǒng)和天然生態(tài)系統(tǒng)，而且來(lái)自于系統(tǒng)之外二.地球表層是一個(gè)含有耗散結(jié)構(gòu)開(kāi)放系統(tǒng)第11頁(yè)地球表層生物有機(jī)體產(chǎn)生與發(fā)展第12頁(yè)4.地球表層整體性表現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)產(chǎn)生新功效：生產(chǎn)和平衡功效統(tǒng)一演化過(guò)程牽一發(fā)而動(dòng)全身穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)二.地球表層是一個(gè)含有耗散結(jié)構(gòu)開(kāi)放系統(tǒng)信息是事物存在形式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律表征，是事物確定性增加。物質(zhì)、能量、信息是組成客觀世界三基元。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)中運(yùn)動(dòng)、改變和發(fā)展協(xié)同性。第13頁(yè)一.組分結(jié)構(gòu)組分結(jié)構(gòu)：地球表層中物質(zhì)、能量和要素等組成。物質(zhì)組成：大氣、水、巖石、生物(人類(lèi))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)基礎(chǔ)。第二節(jié)地球表層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體性第14頁(yè)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)各組成成份之間相互聯(lián)絡(luò)、相互制約關(guān)系2.滲透結(jié)構(gòu)：不一樣物質(zhì)圈層之間相互滲透，圈層成份在各圈層中分布。目標(biāo)：研究物質(zhì)和能量在垂直方向上流通與轉(zhuǎn)化機(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)第15頁(yè)3.地域結(jié)構(gòu)沿著海陸表面水平方向(地域分異)，地球表層各結(jié)構(gòu)單元之間相互聯(lián)絡(luò)、相互制約關(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)象目標(biāo)：研究物質(zhì)和能量在水平方向上流通與轉(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第16頁(yè)時(shí)間結(jié)構(gòu)：地理事物發(fā)展演化時(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)發(fā)展演化1.古代：新生代之前結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)：全球性海陸變遷、陸地表面起伏改變、地球表層物質(zhì)大規(guī)模遷移。氣候改變：全球性或大范圍冷、暖、干、濕改變，以及與其對(duì)應(yīng)大氣環(huán)流和氣候帶改變。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)第17頁(yè)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-阿爾卑斯結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。氣候改變：濕熱氣候帶范圍逐步縮小，干旱氣候區(qū)范圍不停擴(kuò)大，并形成單獨(dú)干旱氣候帶；中高緯氣候變冷，第四紀(jì)冰期與間冰期；隨即氣候變暖，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(lèi)出現(xiàn)(人類(lèi)利用與改造自然環(huán)境時(shí)期)。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)第18頁(yè)(二)自然地理系統(tǒng)演化規(guī)律1.自然節(jié)律性：由自然地理過(guò)程循環(huán)和振蕩引發(fā)隨時(shí)間而有規(guī)律演替現(xiàn)象。A.分類(lèi)周期性節(jié)律：嚴(yán)格時(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)時(shí)間間隔，如地質(zhì)旋回、氣候旋回固定季節(jié)開(kāi)放花兒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)第19頁(yè)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(guò)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)生節(jié)律穩(wěn)定性和變異性是由漲落(偶然、隨機(jī))造成為地理模擬、地理預(yù)測(cè)和地理決議等提供理論基礎(chǔ)。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)第20頁(yè)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)特征。穩(wěn)定機(jī)制：含有反饋機(jī)制普通來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)越復(fù)雜，其反饋機(jī)制越多，調(diào)整能力越強(qiáng)，系統(tǒng)越穩(wěn)定因果關(guān)系環(huán)(正負(fù)反饋環(huán)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)第21頁(yè)種群增加模型(天敵、疾病、環(huán)境等)第22頁(yè)B.變異性：系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間推移發(fā)生改變。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)化突變論和漸變論統(tǒng)一(托姆,1972)：“微小、連續(xù)、不停地施以觸發(fā)力作用，能否引發(fā)結(jié)果突然改變？”自然地理系統(tǒng)是穩(wěn)定性和變異性統(tǒng)一體(對(duì)立統(tǒng)一)：托姆理論把地理現(xiàn)象和過(guò)程漸變型與突變型產(chǎn)生原因有機(jī)地歸納到一個(gè)統(tǒng)一基礎(chǔ)之上，從而使自然界中兩類(lèi)時(shí)間過(guò)程類(lèi)型，從相互對(duì)立到相互包容，從相互爭(zhēng)論到相互補(bǔ)充，使自然過(guò)程本質(zhì)在更高層次上得到認(rèn)識(shí)。三.時(shí)間結(jié)構(gòu)第23頁(yè)一.能量流動(dòng)與轉(zhuǎn)化(一)太陽(yáng)能在無(wú)機(jī)界轉(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)化形式被大氣、地面吸收轉(zhuǎn)化為熱能，以大氣、地面長(zhǎng)波輻射進(jìn)入太空被大氣層中介質(zhì)散射、云層反射、大氣分子吸收第三節(jié)地球表層系統(tǒng)功效整體性第24頁(yè)大氣圈上界大氣圈層地面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第25頁(yè)(二)太陽(yáng)能在有機(jī)界轉(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)化形式：光合作用四因子：H2O，CO2，葉綠素，陽(yáng)光(可見(jiàn)光中紅光和藍(lán)光)過(guò)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)化第26頁(yè)在太陽(yáng)能不停輸入下，地球表層各種物質(zhì)進(jìn)行連續(xù)不停地化合、分解過(guò)程。物質(zhì)循環(huán)過(guò)程也是能量轉(zhuǎn)化過(guò)程方式：物理過(guò)程，化學(xué)過(guò)程，生物過(guò)程二.物質(zhì)遷移與循環(huán)第27頁(yè)(一)化學(xué)元素在地球表層中遷移（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等元素經(jīng)過(guò)地表水、潛水、土壤水離子或分子態(tài)遷移。主要發(fā)生在水平方向上生物遷移：C、H、O、N等元素經(jīng)過(guò)生物有機(jī)質(zhì)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)第28頁(yè)(二)四大物質(zhì)循環(huán)（宏觀）A.大氣循環(huán)過(guò)程：行星風(fēng)系(全球性)，季風(fēng)環(huán)流(海陸間)，局地環(huán)流(地域性)功效：高低緯、海陸間物質(zhì)能量交換。二.物質(zhì)遷移與循環(huán)第29頁(yè)B.地質(zhì)循環(huán)過(guò)程：巖漿活動(dòng)，外力作用(風(fēng)化，搬運(yùn)，沉積)，變質(zhì)作用，重熔再生功效：改變地球表層形態(tài)，從而影響其它三大循環(huán)自然地理系統(tǒng)特有發(fā)生體二.物質(zhì)遷移與循環(huán)第30頁(yè)C.水循環(huán)過(guò)程：蒸發(fā)，傳輸，凝結(jié)，徑流功效