关于自然地理学的热水平衡研究

一、前言

自然地理学历经了漫长的发展途程，现已经进入一个新的阶段，其标志是：在研究地区上，不再以没人知晓的土地为主要对象了，而代之以为人类开拓过的、自然面貌发生了巨大变化的地区为对象；在研究对象方面，已确认研究地理环境的成分，各成分之间的物质、能量交换及其地域差异性；在研究任务上，不只限于对新地区的自然资源起先锋开拓作用，而更主要是对已发现的自然资源作深入研究，为改造业已利用地域的自然条件进行全面的科学探讨；在研究方法上，正由定性的、描述的方法转向定量的、实验分析方法。显然，这就要求大大提高研究自然现象相互关系的自然地理学的理论水平，并扩大工作要求的综合性。

对此，格里哥里也夫做了卓有成效的工作，他曾在自己的著作中确定了热水平衡在自然地理环境形成中作用的学说。这一思想提出之后很快就受到了许多研究者的赞同，目前经过多方面的研究已经确定：热水平衡是决定着地理环境中其他一切物质和能量交换过程强度和性质的主要因素。因而可以说，热水平衡是自然地理学中的关键性问题。

苏联学者早在1954年就把“研究地表热量和水分状况”这一问题列入苏联科学院科学工作的协调计划中，作为最重要的问题之一。1959年4月在列宁格勒又召开了专门会议，学者们对该问题的研究现状、主要成果及进一步的工作方向作了分析。1960年2月在基辅召开的苏联地理学会第三次代表大会，学者们又把“地表热量-水分平衡问题”列为现阶段地理科学的六大综合性问题之一，对其予以特别的注意。[1]有关热水平衡与自然因素和农业生产关系方面的论著也日渐增多。例如：格里哥里也夫和布德科利用热水平衡来研究地理地带性规律和气候分类的问题；格拉西莫夫、沃洛布也夫对成土过程与水热因素联系的研究；拉甫连科对水热因素与植被类型关系的研究；达维塔雅对热水分布与农业配置及耕作关系的研究；费尔莫佐夫对热量、水分与动物分布及生态方面的研究；阿尔曼德对热水平衡与地貌方面联系的研究；李沃维奇、伊万诺夫、安德烈耶诺夫、哈尔钦科等利用热水平衡研究水文要素；另外还有许多研究者联系热水平衡作了不少探讨。

我国自然地理学的热水平衡研究可以说是在1960年初全国地理学术会议之后才正式开展的，因此目前已发表的成果尚不多。值得指出的有：黄秉维的《自然地理学一些最主要趋势》（1960）、《从自然地理学、土壤水分平衡谈到威尔科克斯的四篇论文》（1963），左大康、陈建绥等有关我国辐射状况方面的研究（成果主要发表在1962-1964年的《地理学报》与《气象学报》），黄润本的《广东地面热量平衡》（1960），刘森元的《海南岛热量平衡》（1963），方正三等有关土壤水分的研究等。但值得高兴的是，热水平衡方向已为大多数自然地理工作者所赞同，并且确定它应该成为自然地理学最重要的基本理论之一，所以，已有不少单位在积极开展这方面的工作，特别是中国科学院地理研究所在大力进行这类工作，为促进这一方向的发展，从1960年起编辑了《热水平衡及其在地理环境中的作用问题》，现已出版了四辑。另外，在某些高等学校（如中山大学和北京大学）地理系开设了热水平衡问题的讲座。所以，完全可以预料这个方向的研究必将得到迅速发展，获得大量成果。

二、热水平衡的理论基础

地表热水平衡及其在地理环境中的作用的理论基础是：“太阳辐射是地理环境中一切自然过程的主要能源；在一定条件下地理环境中自然过程的形式和强度取决于辐射平衡及其与降水量（换算为蒸发潜热）的比数”。[2]

众所周知，太阳这个巨大的光球要向四周发出光热，它发出的热以辐射能的形式穿过太空，在通过大气时，经过复杂的转换过程，其绝大部分太阳能均已耗散，其余部分就被地球所吸收而转为热能，而其中大部分（约占射到地球的太阳能总量的75%）为地表所吸收，使地表附近一层成为绝大多数自然过程相互作用最剧烈的场所，因此说太阳辐射是地表产生的各种现象和自然过程的主要能量基础。但是，由于同一时期在地球表面各个地点所获得的太阳能量是不平均的，而且流入到任何地点的太阳能还随时间而变化，因此无论在空间上或时间上，太阳辐射都是不均匀的，所以它就决定了各地自然地理过程强度和性质的差异，决定了各地的自然地理环境特征。

辐射平衡（确切地讲，应称作“辐射差额”或“辐射净值”）与以热量单位表示的降水量之比，通常称之为辐射干燥指数。它既反映热量的来源，又是决定湿润情况的因素。水分储量决定着热量消耗于蒸发的可能性，所以它是决定热量情况的重要因素。不难看出，这个指数辩证地把水热因子联系起来了，因此它对于主要的自然地理过程的发展和强度具有一定的意义。并且热量平衡、水分平衡其他要素和这一指数是处于函数联系中的，这种关系可以用下列方程表示：

E/r=Φ（R/Lr）

式中：E为蒸发量；r为降水量；Lr为蒸发掉降水量所需要的热量（其中L称为蒸发潜热）；R为辐射平衡；Φ为某个函数。

很显然，这说明消耗在蒸发上的热量只有用辐射平衡来抵消，因此Lr项增加的上限是R。所以，当辐射干燥指数等于1的时候，表示这种热量条件下，降水量刚好可以完全从地表蒸发掉。这种热量与水分在数量上的一致性对于各种自然地理过程起着积极的作用。相反，当干燥指数大于或小于1的时候，也就显示了热量与水分关系不一致，这对于自然地理过程就会产生不良的影响。由此可见，辐射干燥指数对于解释和研究地表的自然地理规模性具有重大的意义。

三、热水平衡的研究内容

自然地理学中热水平衡研究地表的热量水分的分布、转化及其在地理环境中的作用。其内容非常丰富，但就其实质而言，正如黄秉维先生所指出的，它包括两个方面：“一方面包括热量平衡、水分平衡本身的研究，另一方面由包括地理环境中一切为热量平衡、水分平衡所制约的物质和能量交换过程的研究。”[3]

对此，我们从以下方面加以概述。

（1）辐射平衡。由于辐射是自然地理过程的能量基础，所以要了解地表面热、水情况，首先必须了解决定它的这个动力，掌握地球上太阳热量的收支情况和变换过程。我们知道，辐射平衡是由短波辐射与长波辐射所组成。短波辐射实际上就是太阳辐射，它是以直接辐射与散射辐射的形式落在地表尚，并且部分地从地表面反射出来；而长波辐射就是由地表面本身的辐射与大气逆辐射而引起的地面热量支出与收入之间的差额，一般称为地表或下垫面的有效辐射。因此，辐射平衡通常可以用下列方程式表示：

R=（Q+q）（1-a）-I

式中：（Q+q）为总辐射，其中Q为直接辐射，q为散射辐射；a为反射率；I为地表有效辐射。

显然，辐射平衡之所以有各种不同的情况，就是决定于短波辐射与长波辐射这两方面的对比关系。而这种对比关系在很大程度上是取决于具体的地理环境，所以我们研究各地的辐射平衡对于解释气候因子的变化，对于研究农业实践中的许多问题都是有重大意义的。

（2）热量平衡。由于辐射热量交换的结果，地面上所接受的辐射平衡（R），要消耗于空气的增热（P，通常称为乱流热交换）、土壤增热（B，一般称为土壤热交换）和地表面蒸发过程（E）。所以，地表面热量的收支可以用热量平衡方程来表示：

R=LE+P+B

这个方程实际上已把空气和土壤的增热和冷却过程统一起来了，也把水分交换中的蒸发与凝结这两个重要项目统一起来了。因此，地表热量平衡是决定贴地气层及土壤上层气候特性的基本要素，也是直接影响动植物生活和无机界状况的重要气候要素。上述热量平衡方程式正在通用。但是，对于自然地理学来说，这个方程还不能满足需要，因为地表面热量平衡中还有一些组成要素，虽然量值不大，但是它们在地理外部过程的总体中，往往有很大的意义。所以，应该有反映这些要素的、更为详尽的方程式，下面就是为此而提出的一个热量平衡方程式：

（R+T1）-（T2+LE+B+P）=（H1+H2）+（S1+S2）

式中：T1为平流热输入；T2为平流热输出；H1为植物体热量收入减支出；H2为植被间空气热量收支；S1为光合作用消耗的能量；S2为风化过程消耗的能量；其他符号同前。

虽然，这个方程式也没有完全体现出对自然地理环境起作用的所有因素，但是，它已包括了各基本的因素，因此以这一方程为基础来研究自然地理学具有更大意义（据作者跟黄秉维先生学习时的笔记）。

（3）水分平衡。水分在自然地理环境中的作用是不言而喻的，所以确定各地的湿润度是具有现实意义的问题。大家知道，一地的湿润程度必须从水分收入和支出的对比结果来确定，所以对于自然地理工作者来说，“与其说认识降水量及其分布是重要的，毋宁说认识整个景观壳和个别地区的水分平衡鞥改为重要。”[4]

当我们知道了水分的收入与支出项，那么同样也可得出一个水分平衡方程式，不过现在水文学上通用的方程式，对于我们来说尚嫌不足，因此自然地理研究者应寻求更完全的方程式，以下便是新近提出来的一个比较完全的土壤水分平衡公式[5]：

（r+i1+i2+i3）-（f+E+e2+e3+e4）=（w1+w2）+（c1+c2）

式中：r为降水，i1为由大气进入土中的水汽；i2为由下层进入土中的水汽；i3为由下层进入土中的悬着水；f为坡面径流；E为蒸腾和土面蒸发，即陆面蒸发，在没有植物生长时，陆面蒸发只包括土面蒸发；e2为由土层输送至下层的水汽；e3为由土层输送至下层的悬着水；e4为由土层排至下层的重力水；w1为植物体及土壤表面所截留的水分；w2为土壤含水量的变化；c1为进入植物体中成为其组成部分的水分；c2为与土中矿质及有机质结合的水分。此公式的应用范围与条件见参考文献[5]。

水分平衡和热量平衡一样，也具有重大理论与实践意义，在自然地理过程中起着巨大作用。只需看看水分在地域上和时间上分布的不平衡性，水分平衡研究与计算的重要性就会一目了然。

在列述了以上三个“平衡”之后，现在需要补充说明几点：热、水平衡不仅是一种研究自然过程的方法，而且是研究的重要理论。其表达方式不只是简单的加减而已，而都是具有明确物理意义的因素。它们绝非静态平衡，而是动态平衡。三者是密切相关、不可分离的。辐射平衡是热水平衡的基础，而热量平衡与水分平衡之间又有着密切的内在联系。因此，应该从综合观点来研究它们，方可发挥其巨大作用。前列方程式的各个组成部分，目前有的可以通过直接观测或间接计算的途径求得，当然有的还只能借助于经验公式求得，也有些尚不能定量计算出来。所以，关于改进和创制观测和计算平衡各组成要素的方法，亦是当今应该予以重视的基本问题之一。

（4）热、水平衡与地理地带性。道库恰也夫早在19世纪末就发现了地理地带性规律[6]，并且阐述了它的本质：“由于地球离太阳所处的一定的位置和地球的自转及其球形，使地面空气、植物和动物的分布，按照一定的严格的顺序由北向南，有规律地排列着；这使地面划分出各个地带，例如寒带、温带、热带、赤道带等”。从那时候起，地理地带性规律的研究引起人们广泛注意，特别是有很多苏联科学家参与了这个课题的研究，获得了很多成果。现已阐明，地理地带性规律是地球地理壳有规律分异为各个自然地域的基础，这些自然地域各具有特殊的自然特点，有规律地根据它们在地球表面的位置，由一个地带向另一个地带变化。

那么地理地带性基础的因素是什么呢？道库恰也夫曾指出是气候因子，其中气候的湿润条件更有决定意义，所以他在著作中曾对主要的地理地带，确定了降水与可能蒸发之间的相互关系。继后，维索茨基为表征自然带的特性也计算了降水量与蒸发力（采用水面蒸发皿的蒸发）的比。后来的研究者在选择气候指标方面，归纳起来有三个主要方向[7]，一是应用空气饱和差的资料来研究气候指标，一是借助气温资料，一是利用辐射平衡资料。但是研究表明，无论是年降水与年饱和差之比，还是年降水与年温度之比或生长期积温之比等方面都没有令人满意的结果。对比这些指数的等值线方向与地带界线的方向，可以看出，它们一般只是局部的重合。只有格里哥里也夫提出的“辐射干燥指数”，由于反映了热量与水分的对比关系，从而得到了良好结果。因为这个干燥指数等值线与地带界线方向之间有比之以往任何指数都更为吻合的结果。这在布德科（1956）所绘制的辐射干燥指数的世界图上也得到了证实，因为讲辐射干燥指数图和植物地理图与土壤图比较时，发现干燥指数等值线的分布与主要的自然地理带的配置很一致。当然也必须指出，在不同纬度的同一个带范围内，自然过程发展水平也可能有很大差别，这主要是因为不同纬度上自然过程的动力基础（R）不一致的关系。所以，如果用一个参数R/Lr就可以表示自然过程变动的一般特征的话，那么有两个参数：R/Lr与R就能表征自然过程强度的绝对值。

布德科在《地表面热量平衡》一书中，确定了上述两个参数与植物地带的联系，并且也认为这种联系同样适用于土壤带，也确定了这两个参数与陆地水文状况带的关系。

格里哥里也夫由于采用了地理比较分析法，并以一系列的地球物理规律为依据，曾与布德科一起提出了确定地理地带与热水平衡指标关系的地理地带性周期律，并认为这是地理结构的基础。这个周期律图式，可以用来解释各个自然过程的各种地带性规律，以及制定气候的自然地理分类系统[8，9]。

关于地理地带性和能量因素的关系，沃洛布也夫也提出了有意义的图式。另外，阿尔曼德和其他研究者也有这方面的研究。

所有这些都证明，各个地理地带都具有其特有的热水平衡数值和各要素的比例关系，因而热、水平衡在很大范围内决定着组成自然地理过程的大部分因素的强度，也决定着各个地理带最主要外表的自然特性。所以，热水平衡为研究地理环境形成的因果规律开辟了广阔前景。

（5）热水平衡与自然过程的利用和改造。由于热水平衡具有十分明确的物理意义，它是自然过程发生和发展的基本动力，因此，可以根据它来计算自然过程的变化，进而提出利用改造自然过程的意见，为农业生产服务。

人们在生产实践中所施行的许多改造自然的措施，实质上都在于改变水热状况，如治理沙漠、护田植林、合理采伐森林、河网化和水利化、排水、疏干沼泽、开垦农地、变更土壤耕作法、轮作制、水土保持、人工灌溉、积雪等，很明显都会改变热、水平衡各组成要素的比例关系，所以只要能了解这些措施对自然过程改造的效果，计算出它的改变程度，也就是认识热水平衡与自然过程变化的定量联系，热水平衡研究就可以为论证改变自然过程的方法提供资料。人工灌溉对于降水很少的干旱地区而言，其意义无疑是很大的。因为灌溉后使水热平衡各组成要素发生了很大变化，产生了良好结果：土壤湿度提高，从而使蒸散大大增加；气温降低，同时土面温度降得比气温更低；灌溉农田使温度随高度增加而增加——逆温；灌溉地由于反射辐射和长波辐射减少，辐射平衡大大增加，从而使蒸发耗热增大。可见，灌溉是防止干旱的一个有效措施，它势必改造自然过程。因此，只要深入了解灌溉地区的具体情况，借助热水平衡法确定灌溉定额和灌水期，并对下垫面的辐射特性、乱流交换等有定量概念，就能够按照人们的需要，积极改造自然过程。

这就说明，只要研究者不仅进行自然状态下的热水平衡方面的研究，而且加强人类活动影响下的热水平衡方面的研究，那么就能为改造和控制热水的情况，进而为改造和控制自然过程创造有利条件。

四、热水平衡资料的应用

由于地表热水平衡是地理环境各基本成分之间所有其他形态能量和物质交换强度的主要机制，热水平衡各种空间的变化，在很大程度上制约着交换性质中各式各样的地理变态。因此，它现在被广泛地利用于研究地理科学范畴中许多重大的理论和实践问题。此类问题是很多的，在这里不可能全面列出，所以下面仅提出一些应用热水平衡资料很有前途的重大问题：

（1）研究自然地理学的一般问题。可以用热水平衡资料来研究水文气象要素与各种地理过程的关系，找出自然环境形成的因果关系，可研究地理地带性及其地带内的地理特征。

（2）研究自然地理学和气候学的发生学分类和区划的方法。

（3）研究气候学与大气环流理论；研究长期天气过程，研究天气预告、气团变性等问题。

（4）探讨蒸发理论与计算方法。

（5）研究径流形成、海流情况及水文预报等方面的问题。

（6）建立小气候学理论，探讨水土改良措施的理论，计算土壤改良措施（如森林栽培、灌溉、保水及滞害等）的效应。

（7）评价各种防止植物霜害方法的效果，解决许多类似的农业气象问题。

（8）研究土壤形成过程。

（9）研究为植物栽培服务的农业水文气象计算，以及农作物向新区推广的可能性，解释植被发育的许多规律，阐明作物发育条件。

（10）研究热水平衡在动物生态和分布中的作用。

（11）研究地貌学问题，特别是外营力过程。

（12）研究古地理。

由上不难看出，热水平衡资料对于地理学的研究是很重要的，因为只有在热水平衡基础上才可揭示各现象及过程的物理本质，赋予各种地理问题以可靠的基础，因此可以认为，由于热水平衡资料的广泛应用，使各种地理科学之间的联系更加紧密，这说明整个自然地理环境（包括大气圈、水圈和岩石圈上层）的热量交换过程与水分交换过程的统一实际上是存在的。

从热水平衡运用的广泛应用，可见其理论意义与实践意义重大，发展前途远大。当然，在此也需指出：由于这一方向的研究刚开始，现有的条件使我们远不可能把上列诸问题，都在近期来加以解决，事实上近期我们也不应该平等地对待所有问题，因此当前应结合国家经济建设的需要（特别是农业发展的需要），重点选择某些方面先行研究，然后再扩大，再深入。

主要参考文献

[1]中国科学院地理研究所.苏联地理学会第三次代表大会论文选集（地表热量—水分平衡问题）[C].北京：科学出版社，1961

[2]黄秉维.自然地理学的一些最主要的趋势[J].科学通报，1960，（10）：1-4

[3]黄秉维.前言[A].中国科学院地理研究所.热水平衡及其在地理环境中的作用问题；第一季[C].北京：科学出版社，1960

[4]卡列斯尼克.普通地理学原理（上册）[M].北京：地质出版社，1957

[5]黄秉维.从自然地理学、土壤水分平衡谈到威尔科克斯的四篇论文[J].地理学报，1963，29（4）：331-352

[6]格里哥里也夫.杜库查耶夫与地理学[M].北京：科学出版社，1955

[7]布德科.地表热量平衡[M].北京：科学出版社，1960

[8]格里哥里也夫.论自然地理学若干问题[A].中国科学院地理研究所.热水平衡及其在地理环境中的作用问题：第一辑[C].北京：科学出版社，1960

[9]格里哥里也夫.地理地带性及其一些规律[J].地理译报，1957，（1-2）：1-4

（初稿写于1963年；1964年修定）