第一章 地球表层的基本特征

第一节 地球表层的组成

在自然地理系统的研究方法中，常常是把地球表层分解成许多独立的部分，分别进行研究。如地貌学、气候学、水文学、土壤地理学、植物地理学、动物地理学等。这样的研究方法，由于把问题分得很细，能够进行分门别类的专门研究，可以把问题研究得比较深入。这种方法的产生是有历史根据的，今后这种分析方法还有重要意义；然而，其结论只能限制在一个局部的条件下，如果放在地球表层来考察，其结论有时会带有一定的局限性。

系统科学认为，除了对事物进行分门别类的专门研究外，还必须把地球表层当作一个整体来研究。从系统整体出发来研究系统内部各组成部分之间的有机联系和系统与外部世界的相互关系。这就是综合自然地理学的研究方法。

一般认为，系统是具有特定功能的相互间具有有机联系的许多多要素所构成的整体。

自然地理系统是由各组成部分（大气、岩石、地貌、地表水、地下水、土壤、植被、动物群落等）通过能量流、物质流、信息流相互联系、相互转化组成的有一定结构能完成一定功能的整体。如把地球表层当作一级系统，那么它的各个组成部分，如大气系统、地质地貌系统、水文系统、土壤系统、生态系统便是它的子系统。当然这些子系统，如大气系统、水文系统、土壤系统、生态系统等也有自己的组成部分，所以自然界是客观存在的多级的等级系统。

一、岩石地形复合体是自然地理系统的基本组成部分

岩石地形复合体既是自然地理系统的组成部分，又是自然地理系统形成的基础。很清楚，并不是整个岩石圈都属于自然地理系统的组成部分，而只有岩石圈与自然地理系统其他组成成分相互作用所能达到的深度，即岩石圈的上层才能作为自然地理系统的组成成分。当然作为自然地理系统组成成分的岩石圈上层，随岩性不同而深浅各异。

岩石地形复合体的作用除了作为自然地理系统的固体基础以外，更重要的是它通过风化作用、成土作用、岩石破坏产物的搬运及堆积作用，为自然地理系统提供疏松物质及化学元素，这不仅使自然地理系统这一“消极”成分转变为“活跃”成分，而且使太阳能、大气、水分、有机体和岩石地形复合体相互渗透相互作用更为积极。

不同的岩石地形复合体与各组成成分间，相互作用的性质是不同的。如花岗岩常有较厚的风化壳，而石灰岩的风化壳较薄。因而不同的岩石地形复合体上成土作用存在着差异，尽管在大气候条件一致的情况下，生物群落也是很不相同的。

在自然地理系统五要素中，岩石地形复合体抗人类干扰能力最强，同时，又较易辨识，因此，常成为自然地理系统不同等级的划分指标。

二、大气是自然地理系统的活跃的组成部分

大气在自然地理系统中的作用：一是通过大气的化学成分，尤其是碳、氢、氧、氮的物质循环，把自然地理系统各组成部分联结起来；二是大气作为物质和能量的“载体”，通过大气环流把大陆、海洋各部分在水平方向上联结起来。

当然，也不是所有大气圈都是属于自然地理系统的组成成分，而只是大气圈与自然地理系统其它组成成分相互作用所能达到的高度，即大气圈的对流层部分才属于自然地理系统的组成成分。

大气的对流层是上受宇宙因素——太阳能的作用，下受行星因素——地球自转的作用，这两种共同作用才使得的对流层成为自然地理系统中的活跃成分。

三、水分是自然地理系统起联系作用的组成部分

在自然地理系统中，水是起联系作用的关键的组成成分，这是由于水是物质和化学元素的搬运者。在地理系统中，水总是把推移质、悬移质从高处带到低处，并且溶解化学元素，凝结、径流等过程使能量发生转换，还通过水分循环把能量进行传输。此外，水在参加绿色植物的光合作用过程中，被分解成氢和氧，这些氢和氧又是有机体的重要组成成分。

正因为如此，水通过集水区、小流域、中流域而大流域，通过分水岭、斜坡、河谷平地和水域，将自然地理系统中不同等级的自然单元，在水平方向上联结起来。

水从外部环境进入地理系统的局部单元中，往往是以降水和径流的形式输入的，这些降水和径流成为输入变量。这些水分输入到自然地理系统的具体单元中，遭受一系列转换。例如，大气降水一部分被植物枝叶截获；降到地面上的水一部分沿土壤表面流动，一部分向地下渗透；渗入土壤中的水分一部分被植物根直接吸收，一部分形成侧流；土壤表面也有水分蒸发；植物的蒸腾作用也大量消耗水分。这与流出的径流一起又形成为输出变量。如果把这种单项的水分系统看作离散变量，将水分输入表为{Ut}，水分输出表为{Yt}。那么系统的特征可由变换方程Yt=SUt表示。交换算子S是系统传递函数符号，它决定了系统的转换方式。在经t的任何一点，系统的输入{Ut}经过该方式转换为系统的输出{Yt}，所以系统传递函数也可以描绘系统本身。由于调节输入可以得到希望得到的输出，因而在自然地理系统中，水是重要的环境控制器，通过水这个控制器，可以掌握管理和控制自然的杠杆。

四、自然地理系统的核心——有机界

自从地球上有了生物有机体，地球表面才出现无机界与有机界的循环与能量交换，逐渐组成完整的自然地理系统。有机体尤其是绿色植物是太阳能和水的“转换器”，绿色植物把太阳能转变成化学能并把它储存在自然地理系统中，所以它又是太阳能和水的“储存器”。绿色植物还可通过光合作用把水理解成氧和氢。而这些过程只有通过有机物同环境的作用才能实现。正因如此，有机体反映自然环境的整体效应才特别灵敏。

一地自然资源能充分利用的重要标志之一，是绿色植物的生产是否达到了理想的最高的水平。如果选优良品种、环境条件处于最适合状态，人类管理、控制达到最好的条件下，再加上对水和太阳光热的充分利用，绿色植物生产应该达到理想的最高水平。

人类利用自然的最终目的，就是既要有一个适于生物生存的良好环境，又能从环境中取得更多物质财富。这就要求人们从系统整体的观点出发，协调自然地理系统各组成成分，取得最优组合。生物有机体尤其是绿色植物是能量和物质的积极转换者。所以应抓住自然地理系统的关键组成成分——生物有机体，通过它对自然地理系统各组成成分进行协调，以达到充分哪里用自然的目的。正因为如此，人们常把绿色植物当做人类与自然协调的重要武器。

绿色植物抗人类干扰能力最弱，是自然地理系统丧失功能和结构的突破口。

五、土壤是无机界与有机界物质和能量转化的关键环节

在自然地理系统中，无机界与有机界的相互渗透、相互转化，主要是通过土壤来实现的。土壤既和生物群落有密切联系，又和岩石圈的上层风化壳与底土有紧密联系。正是在土壤层中发生着无机界与有机界的物质和能量的交换和转化。土壤一方面反映大气、水、化学元素及岩石地形之间紧密的相互作用和综合影响，同时又反映植物、动物与微生物之间的相互作用，并且还反映生物与非生物之间的复杂联系。正因为如此，B.B.波雷诺夫认为：“土壤是一面镜子”。A.Г.伊萨钦科也认为：“土壤反映景观的构造并不亚于植物群落，甚至还可能超过它。因为土壤是景观的产物。”B.B.道库恰耶夫远在1899年就强调：“土壤和土质是一面镜子，可以说这面镜子一方面清晰而完全真实的反映出水、空气、土地……之间的非常紧密的而又长期的综合相互作用的直接结果，另一方面也同样地反映植物群落，动物有机体和地方年龄之间相互作用的直接结果……”。（伊萨钦科，《自然地理学基本问题》，第99页，陈传康等译，科学出版社，1958）由于土壤有机质的总储量、年生长量、同一时期的分解和逸出，同地上植物质的年产量具有一定的相关性，所以通过控制土壤，能够利用和管理自然，可以充分发挥自然资源的潜力。

第二节 地球表层的整体性

按照传统的观点，所谓整体性，就是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。它们相互联系相互制约并组成一个整体；这一要素影响另外一个要素，这一部分影响另外的部分。譬如，由于气候转暖，第四纪冰川退却了，从而引起各大洋海面的升高和海岸的变化；以及植物和动物的向极移动等。C.B.卡列斯尼克也谈到“整体性如此严密和具有如此的普遍性，以致一旦在景观和景观壳中有某一环节发生变化，其它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”。

上述整体性的概念，是以自然综合体学说为基础，按照地理现象和地理事物的因果联系法则，揭示自然地理环境的动态特征。但是，传统的整体性概念，不能用精确的、定量的关系表述原理。这不仅不利于它的深化和发展，而且无助于它的开拓和应用。

一、系统思想——结构和功能的整体性

系统理论认为，整体性是系统的基本特征，整体性是指系统由各组成部分相互作用形成的，而单独各部分又不具备的统一的结构、功能和效应。系统的任何个别组成部分的孤立作用与作为整体一员在总体中所起的协同作用，有着本质的不同。在这里，系统作为有机联系的整体作用，永远大于那些组成整体的部分单独作用的总和，亦即“整体大于部分之和”。

科列斯尼克认为，“自然地理结构”是指各要素之间互相作用和互相联系的性质。伊萨钦科把自然地理结构定义为：建立在景观组成部分之间内在联系的动态系统基础上的空间-时间组织（《现代地理学》，1997年），索恰瓦（1976年）则认为，每个地理综合体的结构应从空间结构和时间结构这两个方面来考虑。空间结构是时间上稳定的地理综合体各组成要素的分布格局；时间结构是维持着空间结构的地理综合体在状态上一系列变化的结局。

显然，结构的概念同系统、组织、功能等概念是密切相联的。通俗地讲，结构是物质流和能量流进行运转的渠道，是建立各单元或子系统之间的骨架。结构是系统的结构，各种联系总是通过系统的结构而得到体现。物质、能量和信息的传输和转换，则是维持结构存在和发展的基础。系统的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。研究整体性，既要强调着眼于整体功能，认识它的综合效应，又要回答新功能新特点是怎样由系统的结构所决定的，以及系统怎样随结构、功能的变化而发展变化的。目的在于利用各个组成部分的联系与组合，从整体上实现更多的不同功能，减少各部分之间相互抑制的作用，增强相互增益的作用，以利于扩大和提高整体性的功能。

根据上述认识，地球表层系统的整体性，就是地球表层这个物质系统的整体性结构和由此产生的整体功能及其时间演化的规律性。整体性的强弱，取决于各组分间结构和完备性和功能的协调性。整体性强的表现为组分复杂多样，流量大，输入、输出与储存间的比例恰当，抗干扰能力强，稳定性好，生产效力高且质量好。相反，整体性弱的则表现为组分和结构简单，功能不协调，如荒漠地区，水土流失严重的地区等。

就地球表层的内部联系而言，各组成部分之间通过物质流、能量流，导致彼此发生的联系与作用可以分为：组成成分间的垂直联系（岩石→地下水→地表水、土壤→空气以及贯穿于各个成分的生物）；组成部分或子系统间的水平联系，其联系方式有物质的机械迁移、物理过程、化学过程以及生物代谢过程。地球表层有了这种机制和功能，才有可能把三个无机圈层和生物圈融合成一个统一的动态系统，决定着地球表层的整体性。

从外部联系来看地球表层与其外部环境——地幔、地核、高层大气和宇宙的相互作用，同样也是物质与能量的相互交换与转化，只不过是在高一级的层次结构中进行的，并由此组成高一级的物质系统即地球系统。

对照传统的整体性概念，系统结构和功能的整体性，既符合前述基本原理所阐述的内容，又有可能定量地反映地球表层物质能量变换的确切关系，从而弥补了前述原理在表述方法上的不足。故自70年代以来，已受到各国学者的高度重视。

由于我们讨论的问题——能量流动，涉及到热力学第一定律和第二定律，故有必要运用热力学的基本规律来探讨地球表层的能量流动和转换。

热力学第一定律是能量守恒和转换定律，它断定能量既不能创造，也不能消灭，这是一条普遍规律。地球表层的能量流也必须服从这一规律。我们知道，在太阳能不断输入和作用下，大气、水分、岩石、土壤以及生物群等成分，在地球表层系统这个庞大的“转换器”、“储藏器”、“调节器”里，无休止地进行物质的化合、分解，不停顿地运行、转化，物质运动形式发生转换时，能量形式同时发生转换。在地球表层系统内，太阳能被地表吸收后转变为热能，其转化是在地面-土壤-大气-水系统中进行的，使系统内能的增加，并用于增加地面和大气的温度以及水分的蒸发耗热，还参与风化和地貌、土壤的形成过程。至于大规模的大气活动、洋流运动则是全球性水平的热能交换，这些过程无一不与热能相联系，既是物质的传输，又是伴随着能量的吸收、转化和释放的过程。与此同时，地面又以长波辐射的形式，将热能输出返回空间，完成收支数量上的平衡，遵循着能量的普遍原则。除热能形式外，太阳能还以光能的形式，通过绿色植物-动物-微生物，即通过生产者、消费者和分解者三大类群来实现能量的转化，依旧服从热力学第一定律。

热力学第一定律只要求能量在转换过程中是守恒的，而不限制过程所进行的方向。热力学第二定律则不同，它是关于过程进行的方向问题。19世纪中期，德国物理学家克劳修斯指出，能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方，直到一切都达到均匀为止。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的温度为止，它是一个不可逆的自发的过程。在这里起决定作用的是能量密度的差异倾向于变成均等，换句话说，“熵将随着时间而增大”。这又叫熵增加原理。常用熵表示一个系统的混乱程度或无序程度。熵越大，系统越混乱；反之，熵越小，系统的有序性越高。

现以两例证明上述原理。我国有句成句“泾渭分明”，比喻界线清楚，是非分明。但是“泾渭分明”这种有序的状况只是暂时的，它们一经自动混合之后，就再也不能自动地分成清浊不同的两种河水了。又如当我们把两个水面高度不同的水库连接起来，那么万有引力的结果，会使一个水库的水面降低，另一个水库水面升高，直到两个水库的水面均等。这两个简单的事例说明了能量密度的差异和朝着均匀化方向流动，它们是不可逆的，所以能量差总是倾向于消除。热力学判定能量分布得越均匀，熵值就越大；能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值，也就是混乱度或无序程度最高。“熵将随着时间而增大”，正是指的能量分布差异随时间而变成均等。

克劳修斯还把热力学第二定律推广到宇宙之中，他认为根据熵增加的原理，宇宙中的能量分布是在不断地均匀化，宇宙的熵在不可遏止地增大，最后必将达到极大值，即平衡态。也就是说，整个宇宙在走向混乱，走向无序，一切运动都将停止，最后达到“热寂”。但是地壳记录的45亿年左右地球沧海桑田的变迁，以及生物界和人类本身，却是由简单到复杂，从低级到高级进化发展。这些进化过程与“热寂说”预言的退化过程形成了迥然不同的鲜明对比。

近年来新兴的耗散结构理论，成功地解释了远离热力学平衡态稳定物质结构的形成。这一理论有助于我们更深入地理解地球表层的整体性概念。

二、非平衡有序系统的整体性

耗散结构理论是由比利时布鲁塞尔学派的领导人普利高津创立的。普利高津着眼于系统与外界环境的相互联系，相互作用，而不像早期热力学竭力避开环境对系统的影响，把对象抽象地孤立起来，也就是把系统当成与外界没有物质和能量交换的孤立系统，而孤立系统仅仅是一种理想状态。由于理论着眼点的根本转变，耗散结构理论揭示了事物从混沌无序状态向稳定有序状态发展过程和规律。

所谓耗散结构，即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，可能从原有的混沌无序状态，转变为一种在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。

耗散结构理论的研究对象是开放系统，而宇宙中各种系统，不论是有生命的、无生命的，实际上无一不是与周围环境有着物质和能量交换的开放系统。因而这一理论涉及范围之广，在科学史上可以说是空前的。无论物理、化学、生物、地学、医学、农学、工程技术，甚至哲学、经济等等，都可以应用它的研究成果。

一个开放系统熵的变化，可以分为两部分：一部分是系统本身由于不可逆过程引起熵的增加，或叫作熵产生；另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵流，即从外界不断得到“负熵流”。

dS=deS+diS

上式中dS是系统总熵的变化，diS是系统内部的熵产生，根据热力学第二定律，diS永远大于零，deS是外界对系统输入的负熵流，可以大于或小于零。如果外界对系统输入的负熵流的绝对值大于熵产生diS时，系统的总熵dS可以小于零。

由于外界输入的负熵流可以导致系统总熵的降低，系统可以由无序状态逐步转化为有序状态。普利高津在不违反热力学第二定律的条件下，阐明了通过引入负熵流来抵消熵产生，增加系统的有序性，以维持系统的稳定态的事实。不过系统的这种稳定是非平衡的稳定态，因为熵还有继续增加的余地，它只有在外界不断输入负熵流的情况下，才能保持相对的稳定态；一旦外界条件撤去，混乱度或无序程度就会增加，系统就会回到熵极大的无序状态中去。因此，普利高津指出“非平衡是有序之源”（热力学上的“非平衡”态）。对地理学来说，耗散结构理论是完全适用的。例如沙漠之中出现水草丰美的绿洲，而且历经千年不衰，究其原因就是绿洲系统不断从外界获得物质和能量，即水源和光热，负熵流的源源输入，使其有序状态得以维持。

有人形容耗散结构是“活”的非平衡的有序结构，这是很有道理的，“活”就活在它与外界不断交换物质与能量，不断新陈代谢，吐故纳新，以维持其稳定和有序；另外把它看作“活”的有序结构，还由于它是一种自组织现象。生物有机体活动是高度有序的自组织的明显实例，它将光、热、水、二氧化碳这些对它来说是无序无组织的物质能量，合成为糖类，变无机为有机并储于体内，也是变无序为有序。一片遭受火灾的森林，经过几十年的时间，如不受人类的干预，仍可重新演替到森林，这是自然地理环境自组织能力的一种体现。故耗散结构理论又叫做分平衡系统的自组织理论。

现代科学研究集中于物质、能量和信息三大主题。而以上仅扼要地分析了非平衡系统的耗散结构及其物质能量转化的基本情况，对于运用信息概念认识地球表层的整体性，也属于综合自然地理学的新课题之一。

人们通常把信息理解为情报、知识，然而信息的概念并不限于人类社会，也不限于生命界。信息是物质的一种属性，是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、接收和交换信息，信息也能以任何物质现象为载体而运动、传播。例如天体发生的电磁波，就包含着天体的构成、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；温度、降水量是大气物理状态的信息；蜜蜂以其特殊的舞蹈，能够传递蜜源的方向和距离的信息；声、光、电、磁等与一定对象发生联系时，都可能携带该对象的某种信息。人对自然界的认识，就是通过实践与自然界交换信息。人们之所以把信息理解为情报、知识，正是由于物质的结构、状态和历史与人的相互联系相互作用，在人的大脑中的反映，并经过人类的语言、文字、符码等形式变换之后所获得的产物。所以，一方面信息反映了物质和能量在空间和时间中分布的不均匀程度，以及物质和能量发生变化的程度；另一方面信息在自然界和社会的物质运动中又执行着联系的职能。因此，我们可以说信息是指一个系统的有序性，是系统确定程度（组织程度或有序程度）的标记。简言之，信息就是负熵。一个系统走向有序是由于输入了信息，或向外界环境输出了熵，如有机物的合成，生物的进化，社会的发展，都可看成是系统信息量的增殖或熵减少的变化；有机物的分界，热的扩散，生物的死亡，这些都是信息减少或熵增大的变化。信息量愈大，有序程度愈高，结构愈严密，各组成部分愈协调，则系统愈稳定。反之，如熵值增加，便呈现相反的演变。

以上介绍耗散结构理论的基本知识，目的是借以阐明整体性概念是在发展的，逐步深化的，而不是固定不变的。这些新理论既是具体的知识，也是颇有新意的方法论。它论证并丰富了整体性的原理，引导着人们从物质流、能量流、信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。整体性乃是物质、能量、信息在耗散结构系统中的运动、变化、发展的整体性。运用这些新理论研究地球表层，尽管目前处于起步阶段，但完全有可能使综合自然地理学的研究产生一些新思想，建立新的科学体系。

第三节 地球表层是开放的有序系统

地球表层包括非生物界和生物界，是个开放的有序结构的巨系统。维持这样一个复杂的有序结构，必须输入能量即负熵流，这部分能量主要依赖太阳能的源源输入。也有来自地球内能的输入，表现为构造运动对地壳的升降作用。因此地球表层是一个远离平衡态的具有耗散结构特点的开放系统，耗散能量，新陈代谢，维持稳定。

地球表层同外界持续地进行物质和能量的交换。输入的有陨石，宇宙尘埃，宇宙线，侵入岩浆，原生水（岩浆水），放射性元素释放的热能，以及太阳辐射能等。如陨石每年落至地表约400吨；宇宙尘埃微粒每年大约有3万吨降落到地表，这个数字积累起来，在40多亿年的地质史上也不过只把地球盖上25厘米厚的一层；宇宙射线约为太阳能的一亿分之一；铀、钍、钾等放射性元素，蜕变释出的热能，是地热的主要来源，也不过只占到达地表太阳能的二亿分之一。但像放射性元素蜕变所放出的热能在地质时代，通过间接的作用即地球内部的构造运动，改变地表形态与海陆分布，是不可忽视的。具有头等重要意义的莫过于太阳能，虽然地表所获得的太阳能量仅仅占太阳向太空辐射总量的二十亿分之一，并且又受到极其复杂的改造，但是太阳能的输入，引起了大气、海洋、河流、冰川、地下水以及生命有机体的活动，推动着地球表层物质循环、能量转化的运动。太阳的热能转化将大气-水-土壤岩石组合为一个功能单位，太阳的沟通转化把有机界联合为一个整体，保持着地球表层系统的稳定发展过程。

地球表层输出的物质能量，最大的一项就是同太阳辐射能大致相等的红外线辐射，散发到宇宙空间；少量的质轻的气体分子散逸到高层大气以至星际空间；在地壳板块的边缘处，也会有岩层离开地球表层斜插入深处。所以，地球表层是个开放的大系统。

尚须指出，太阳能的稳定输入并转换贮存于地表是通过物理的，化学的，生物的三种过程来进行的，也可以看成是能量转换的三个组成部分。在物理转换过程中，水是能量的转换器、储藏器和调节器，化学转换过程中的表生矿物和生物转换过程中的有机质，也是能量的转换器、储藏器和调节器。因此水汽、表生矿物和有机质含量的多少，可以作为判断地球表层的能量水平高低的指标。这正是地球表层整体功能的具体反映。

我们还可以从能量转换中的熵变过程、有序化过程作进一步的分析。在自发进行的情况下，物质和能量流总是自密度较高之处向密度较低之处输出，或者说，能量流总是自热源流向地表，经过转换，然后再向冷源输出。这里所指的转换，就是太阳辐射中能量较高的短波辐射，进入地球表层流通做功后，以能量较低的长波辐射或称地面辐射逸出地表。输入的所谓“能量较高”就是熵低或信息增多；输出的“能量较低”就是熵高或信息减少。这样，太阳能是单向流在地球表层流通转化形成了负熵流，而负熵正是有序的标志，负熵流必将导致地球表层有序化，即有一定的有序结构和稳定功能，从而使地球表层成为具有耗散结构的开放系统。

由太阳能单向流向引起的物质流和能量流，如大气循环、水分循环、生物循环，以及由太阳能与地球内能共同作用形成的地质循环，是地球表层的物质能量输入、流通、输出的四大类型，它们使有限的物质走向无限循环的螺旋式上升的运动过程，并且还使这种物质和能量的输出维持在一个相对稳定的动态水平上。地球表层如此，其下的子系统、各区域单元也是如此。但不应忽视的是它们所处的稳定，不是平衡的稳定，而多属非平衡的稳定，维持这种非平衡的稳定必须有负熵流输入，以对抗系统走向平衡，因此要耗散能量，要有新陈代谢，才能维持一定的有序性。

运用耗散结构理论，研究和掌握能量转换过程中的熵变动向，对于预测和调控地球表层系统的结构和功能，以及合理利用自然资源和有效保护自然地理环境，使之达到最佳状态即整体优化，已越来越受到人们的重视，它不但具有理论意义，也有实践意义。

第四节 地球表层的进化发展

地球表层从简单到复杂，从比较无序到比较有序，成为越来越复杂的耗散结构。

地球形成初期，放射性热是当时地表的主要能源，地球内部的熔融物质，喷溢出大量的岩浆、气体和水蒸气，遂成为原始的各个圈层，物质变化主要靠物理和化学作用。物质的分化使密度较小的含长石和石英矿物的岩浆岩构成了大陆地壳；密度较大的富含铁镁的岩石形成了海洋盆地。大气圈和水圈也因地球内部散逸的气体而不断增厚。随着地壳的增厚，地热对地球表层的作用减弱，太阳辐射能逐渐成为地表的主要能源，并以大气循环、水循环、岩石的物理化学风化等方式进行流通转化，但是此时的太阳能在进入地表后很快散失，在内部的积聚量不多。

地表的原始大气和海水中存在着某些简单的物质，如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水、氮、氨、硫化氢等，在短波紫外线、电离辐射、火山爆发、高温高压的作用下，转化成许多种分子较大的有机物，如氨基酸、核苷酸、单糖和腺苷三磷酸等。这些化合物在原始海洋中，在相当长的时间内，经过化学变化逐渐聚合成生物大分子——蛋白质和核酸，然后成千上万的生物大分子聚集成具有原始的生命形态的分子体系，它们在海洋中受水分子保护，免遭致命的紫外线伤害，故最早的生命物质只能存在于海洋，其深度估计在海面以下10米左右，完成了无生命向有生命的过渡。这大概发生在30亿年以前，自此，有机体就成为地球表层中能量流转化的一个新环节。

最原始的生命形态可能是类似于细菌的生物，最初是异养型的细菌，靠海洋中的有机化合物积聚能量为生。由于海洋中有机化合物毕竟有限，当它们与异养生物的消耗最终达到平衡时，异养生物因食物的匮乏，产生了自养生物，这就是具有叶绿素的蓝绿藻的出现。蓝绿藻能进行光合作用，依靠自身固定太阳能。于是在海洋里产生了最原始的生态系统。这是一个具有自养和异养、合成与分解两个环节的藻菌生态系统，它的出现表明有序程度的提高，改变了地表的功能与结构，打破了原来能量积聚与散失之间的平衡，从环境中获得更多的负熵流，增加了太阳能在地球表层的储存。

地球上出现生物以后，生物改造环境，环境也改造生物。海洋生物由无氧环境的嫌气生物进化到喜氧生物，由原核细胞到真核细胞。乃至植物与动物的分化。在经历了漫长的历程以后，终于在距今4亿年前，生物从海洋登上陆地，扩大了其接受太阳能的范围，并在种类和数量上大幅度地增长，促进陆地和水域都更加充分地固定太阳能与引入负熵流，以至最后形成复杂完善的生物圈，这就是天然生态系统。对于生物圈的看法，普利高津曾指出：“生物圈就是一个非平衡系统，是从属于太阳能流的系统。”与此同时，地球表层的最后一个自然圈层——土壤圈也产生了。

天然生态系统是在自然地理系统中孕育发展起来的，自然地理系统是生态系统的环境。由于有机体固定和转化太阳能引入的负熵流，比自然地理系统更强，因此，生态系统较之自然地理系统更为有序，功能更强。系统内的各个成分彼此相互作用，这种作用越复杂，彼此的调节能力就越强，其物质能量转化的功能也越强。反之，系统越简单，相互作用越简单，调节能力越弱，功能也弱。但是系统的有序、稳定、调节、功能等特性，都是在输入负熵流的条件下才赋有的，只有在非平衡系统状况下引入负熵流才能维持系统的这些特性，而天然生态系统正是这样一种复杂有序、结构稳定、调节能力强、功能性高的系统。认识生态系统的这种“自然创造”的原理，运用它的某些成果（非原封不动地照搬），去为生产服务，为合理采用自然资源不断开辟新的途径，在今天具有重要实践意义。

人类生态系统是以人类为中心的生态系统，它同天然生态系统有本质差别。早期的人类只是天然生态系统中的一个普通消费的环节，以后由于人类以社会生产的方式改变着能量与物质的输入输出和流通转换，形成独立的具有耗散结构的人类生态系统。人类维持衣食住行，发展生产，需要从生态系统中获取燃料、木材、食物、纤维等等，其实质就是人类生态系统从天然生态系统中取得负熵流。人们还将天然生态系统不断改造成人工生态系统，如农田生态系统、草地生态系统、城市生态系统等等。人类生态系统是天然生态系统进化的产物，由于它获取了日益增多的负熵流，发展越来越快，已从根本上改变了地球表层的面貌。所以它是一个远比天然生态系统更为复杂有序的耗散结构。

上述三个在发生学上有联系的耗散结构，它们的能量流通途径是：自然地理系统——天然生态系统——人类生态系统。当一个系统从另一个系统获取负熵流时，必然使提供负熵流的系统的总熵增长。天然生态系统的生产值自身固定太阳能，增加了地球表层的负熵，因此它与自然地理系统是协调一致的。人类生态系统不断从另两个系统获取能量与物质，所以这两个系统面临着总熵增长的问题。现在广泛注意的生态平衡问题实际上就是系统的总熵增长所引起的生态退化、生态失调问题，这往往与人类的活动有关。如何保持良好的生态平衡，使整个系统的发育朝着结构最优化和稳定性方向发展，已成为当代最突出的问题之一。

第五节 自然地理环境的稳定性

自然地理环境的稳定性，是指其影响条件发生变动，或人为干扰的场合下，自然地理环境的状态并不会变动过大，或变动后经自我调节机制的作用，使其逐渐恢复原状态。

自然地理环境的自我调节，在很大程度上取决于组成它的各个组成成分，以及各自然综合体之间的相互联系的性质。各组成成分之间以及各自然综合体之间的联系，可应用因果反馈关系来研究。凡具有因果关系的变量，它们的关系不是正因果关系，就是负因果关系。如A事物增加，B事物也随之增加，就是正因果关系，符号为“+”；若A事物增加，B事物随之减少，则为负因果关系，符号为“-”。

如果把许多有联系的因果关系首尾串联，便可形成一个闭合的因果关系环。如（图1-1正反馈环）所示，猫的数量越多，老鼠数量就越少，猫越少老鼠就越多，两个变量变化方向相反，为负因果关系；而鼠的数量与灭鼠药生产的数量，是正因果关系，即鼠多，生产灭鼠药就多；而灭鼠药用量多少与猫的数量有关，灭鼠药杀死老鼠，猫吃老鼠后也随之中毒，因而灭鼠药用量多，猫便减少，它们的变化方向相反，是负因果关系。

上述因果关系环实际上就是因果反馈环。反馈是系统运转后，根据实践的结果，修正引起这种结果的原因。反馈环分为正反馈环和负反馈环。正反馈环是当反馈环中一个要素发生变化，通过反馈环中各环节的连锁反应，加强了这种变化趋势，使其脱离初始状态。这种在变动中自我增强作用是正反馈环的作用。负反馈环与之相反，当反馈环中一个要素发生变化，通过反馈环中各要素的连锁反应，减弱了这种变动，使变化趋于稳定。这种在变动中起自我调节作用是负反馈环的作用。如图1-1（正反馈环）所示，猫的数量减少，老鼠数量增多；老鼠数量增多，灭鼠药增多，灭鼠药增多，进一步使猫的数量减少。如开始猫的数量变动为-A，则一个周期后猫的数量变动为-（A+A′）。这样循环下去，就会按指数规律减少，造成恶性循环。这就是耗散结构理论所说的小涨落可以引起巨涨落。

图1-2（负反馈环）为负反馈环，它表示当空气中CO2含量增加时，空气的温度因花房效应而提高；空气温度升高，植物生长茂盛；植物生长茂盛，增强光合作用，因而使CO2减少。如开始时CO2的含量变动+A，一个周期后CO2含量变动为+A-A′。这就使CO2含量不会增加过快，而趋于稳定。所以负反馈环可以通过连锁反应，起自我调节的作用。可见，正反馈环是使偏差增强的，而负反馈环是使偏差抵消的。

由于负反馈环是起偏差抵消作用的，是起稳定作用的。因此过去过多地重视负反馈在生态平衡中的作用，甚至认为生态平衡仅由负反馈来决定，而忽视了正反馈的作用，这是不全面的。实际上，系统的稳定是由正反馈环和负反馈环两者的力量对比关系所决定的。由于正反馈环的自我增强作用和负反馈环的自我调节作用系统必然是在变动与稳定、增长与衰减间相互斗争。当负反馈环的自我调节作用强于正反馈环的自我增强作用时，系统趋于稳定；但当正反馈环自我增强作用超过负反馈环的自我调节作用时，系统的稳定遭受破坏，脱离初始状态。

图1-3（正负反馈环结合图）表示植物总数同时受出生数和死亡数两个变量的控制，当出生数所在的正反馈环的自我强化作用超过死亡数所在的负反馈环的自我调节作用时，植物总数将呈现增长趋势；但当死亡数所在的负反馈环的自我调节作用超过出生数所在的正反馈环的自我增强作用时，系统将趋于稳定。可见系统的稳定性不仅决定于负反馈环，而是负反馈环与正反馈环相互冲突中负反馈环占优势的结果。

地球表层不同等级的自然单元都是在历史发展过程中形成和不断向前演化的。所谓稳定只是代表整个演化过程的一个阶段。整个地球表层是不断向前发展，是由简单到复杂的不可逆过程。自然界在某一阶段是稳定的，但自然历史的长河又是发展的。索恰瓦把地理系统的发展演化比作电影胶片，而把这种胶片的每一个镜头比作一定的不变量。他说的不变量就是自然环境的稳定阶段。

负反馈环的自我调节作用，不会引起自然环境演化的终止。负反馈环的自我调节作用在演化过程中，虽然是起“保守”作用，但它的作用有一定限度，当某些变动超过“阈值”时，自我调节便会失去作用，系统会偏离初始状态。

按耗散结构理论，地球表层是一个与外界有物质和能量交换的开放系统，它的各组成成分之间的关系，由于它们的协同作用，多为非线性机制，在远离平衡状态下，只要有物质和能量的不断输入，某些成分的小的振荡，经过正反馈环的连锁反应，可以引起系统的大涨落，通过自组织作用，形成新的结构。于是稳定状态为变化状态所代替，促使自然地理系统向前演化。可见正反馈环在发展演化中，可促使自然界向异质性（Heterogenity）、多样性（Diversity）的方向发展；而负反馈环则有保持均质性（Homogenity）的特点。