第五章 自然地理过程

自然地理特征既包括组成地球表层的五个圈层的各自特征，如岩性、地貌形态、水文、土壤、生物群落、气候等要素特征，也包括地球表层整体的结构、功能等综合性特征。自然地理特征产生与消亡的变化称作自然地理过程。

第一节 自然地理过程的统一性

一般而言，尽管可以将各圈层特征的产生与消亡变化，称之为地理要素过程，如地貌过程，成土过程等。将地球表层结构与功能等特征的产生与消亡变化称之为地理系统的综合过程。但事实上，既不存在独立的要素过程，也不存在独立的综合过程，它们是统一地理过程在要素或整体结构功能上的表现。这就是自然地理过程统一性原理。

地球表层由五个圈层组成，这五个圈层相互渗透、相互联系、彼此相依，可以说，它们之间时时刻刻进行着物质、能量与信息的交换，正是这种随时间变化而发生的物质、能量与信息交换的强弱，决定了地球表层这一整体及其要素变化的动态性。地球表层从来不存在单一圈层的变化，也不存在脱离圈层的整体结构与功能的变化，各圈层及整体的变化在时间轴上具有同步性。

《地貌学》中，戴维斯提出了著名的地貌循环学说。该理论模型的核心内容为：假定原始的地形面为平原面，当受到来自地壳内部力的挤压后，隆起形成高原；高原上发育的河流不断下切，当切蚀到侵蚀基准面后，河流开始向侧方侵蚀，导致河谷扩张，谷坡后退，高原面逐渐变窄，最终与谷坡联在一起，形成山脊，则平原地貌变为山地地貌；山地地貌形成后，在河流溯源侵蚀，坡面侵蚀和沟谷侵蚀等作用下，山体逐渐变得低缓，破碎，甚至失去走向，此时，山地地貌演化为丘陵地貌；当丘陵进一步遭受侵蚀后，最终被夷为平原。由此构成的一次完整的地貌循环过程，即为地貌过程。

在地貌由平原演变为高原、山地、丘陵和由高原演变为山地、丘陵、平原的这一循环的地貌过程中，水体也在发生着相应地变化。假定平原的坡度为0，那么平原上是不发育河流的。现地面抬升，在断裂等岩石破碎处形成沟谷，并下切至地下水位，形成河流，河流摆动导致流域面积增加，流量增多，这一过程就是高原逐渐演化成山地的过程，流域面积扩张的终结意味着山地形成而高原消失；河流由独流发展形成水系的过程恰恰是山地向丘陵转化的过程；与丘陵消亡同步，河流经层流阶段最终在坡降消失的同时消亡。因此，地貌的平原—高原—山地—丘陵—平原的变化过程恰是水文由无流—独流—流域扩张—支流发育—层流—无流的过程。

同样地貌演化的过程也是植被与土壤的演化过程，假定研究对象位于温带湿润区，地貌低平状态时发育了草甸土，地面抬升时土壤逐步演替为白浆土，与河谷扩张和山地形成同步，白浆土逐渐分化成山地暗棕壤和河谷草甸土。山地演化成丘陵的过程，正是山地暗棕壤向暗棕壤演化的过程，丘陵向平原演化过程也就是暗棕壤向草甸土演化的过程。

综上所述，自然地理过程是一个统一过程，其表现既是地貌过程，也是土壤过程、水文过程、植被演替过程。也就是说，地貌过程、岩石转化过程、土壤过程、水文过程、生物过程只不过是自然地理过程的不同侧面，而非独立过程，这一过程可用图表表示如下：（表5-1）。

表5-1 温带湿润区自然地理过程的统一性

地貌过程————平原-高原————高原-山地————山地-丘陵————丘陵-平原

水文过程————无流-独流————流域面积扩张————水系发育阶段————水系消亡阶段

植被演化过程————草甸-湿生森林————湿生森林-中生森林————中生森林-中湿生森林————中湿生森林-草甸

土壤过程————草甸土-白浆土————白浆土-山地暗棕壤————山地暗棕壤-暗棕壤————暗棕壤-草甸土

地方气候过程（平均积温）————温暖-冷凉————冷凉-冷凉、温暖————冷凉温暖-温凉————温凉-温暖

假定平原植被为草甸植被。当高原形成时，草甸植被转化为湿生森林；与山地形成同步，湿生森林向中生森林转化；当丘陵形成时，中生森林取代了湿生森林。丘陵转化为平原的过程，恰是中生森林经湿生森林转化为草甸植被的过程。

地方气候的变化也与其他主要要素变化同步。当地貌形态为低平地时，地方气候为温暖的地方气候型；当高原取代平原时，温暖的地方气候演变为冷凉的地方气候型；当山地形成时，地方气候产生了垂直分化，由冷凉的地方气候型演变为冷凉和温暖兼备的地方气候型；当丘陵取代山地时，地方气候型转变为温凉的地方气候型；当丘陵转化为平原时，温凉的地方气候型又转化为温暖的地方气候型。

第二节 自然地理过程的平衡与非平衡

所谓的平衡是指在一定的时间段内地球表层与其环境的物质与能量交换收支相等。地球表层不仅存在着与外界环境的物质与能量交换，同时，地球表层的五大圈层也存在着物质与能量交换。不同等级、不同层次的物质与能量交换过程均具有平衡性。

地球表层与环境之间物质交换的主要方式为岩石的交换。由于地壳运动，时刻都有新的岩石加入到地球表层中来，由此影响着地貌形态的形成过程，并通过风化过程提供了可溶性岩石及矿物质等，最终形成沉积岩，在海沟处俯冲入地壳深处，完成地球表层与外界环境之间的物质交换。

同样地球表层与外界环境之间能量转化的主要方式为太阳年的转化。太阳辐射能是地球表层能量的主要源泉，它持续、稳定地以短波辐射的形式向地球表层源源不断地输入，并通过地面的长波辐射和水面的蒸发、植物的蒸腾等过程将热能返回宇宙空间。

地球表层的五大圈层之间也无时无刻不在进行着物质与能量的交换。生物圈吸收了大气中的CO2，土壤中的营养盐，水圈中的水，合成活有机质。活质死亡后被微生物分解，形成简单的无机物，最终返回到其来自的圈层。水圈通过蒸发与降水与大气圈进行着无止境交换。事实上，地球表层各个圈层的物质交换时刻都在进行着。但各个圈层的物质交换正常状态下一般是处于平衡态。究其原因，是地球表层演化的结果。不平衡的物质与能量交换是难以持久的，这种交换既能改变物质、能量源的性质，也能改变物质、能量汇的性质。例如，如果生物的生长量大于其死亡量，即在生物与环境间物质交换不平衡，生物圈中物质的收入大于支出，则生物圈的质量就会增大，与此同时，大气圈中的CO2，水圈中的水，土壤圈中的营养盐就会随之减少，使各个圈层支出大于收入，最终导致各个圈层包括生物圈自身全部消亡。同理，地球表层获得的太阳能与支出的红外辐射能应数量相等，否则，地表温度就会发生变化。换句话说，地球表层现存的物质、能量交换基本上是平衡的，不平衡的物质与能量交换发生在我们认识它之前。可见地球表层性质的稳定，依赖于自然地球过程的平衡。打破平衡，实质上就是干扰、破坏了地球表层的稳定。无论人类，还是人类及生物依存的环境，经常强调的是生态平衡。生态平衡恰恰是自然地理过程平衡的具体表现。

地球表层在其演化过程中既有稳定态也有处于进化过程中的非稳定态。自然地理过程的平衡与否，决定着地球表层的状态。地球表层整体与各圈层的状态在相当长的时间段内保持不变，是其物质与能量交换相对均衡的表现。但地球表层整体及各圈层在其发展史中又是不断地演变与进化着，这是其物质、能量交换的非平衡表现。

从时间轴上看，地球表层在进化过程中其物质、能量的交换又是平衡的。例如原始大气圈中存在大量的CO2，通过大气圈与生物圈的物质交换以及生物圈与岩石圈的物质交换（或煤、石油），大气圈中CO2的含量极大地降低，而O2含量增加。也就是说大气圈中的碳经生物圈进入了岩石圈。同理，原始的水圈中含盐量较低，通过岩石圈与水圈的物质交换，一价盐的含量逐渐增多。可见，时间轴上自然地理过程的平衡与不平衡的转化恰恰是地球表层整体及其组成圈层进化的直接原因。例如，二氧化碳在大气圈中的逐渐减少和氧气在大气圈中的逐渐增加，正是地球表层进化的重要方面，也是生物登陆的前提。生物出现后，生物从大气中吸收了大量的CO2，通过光合作用合成有机物，通过吸收作用和分解作用，又将CO2返回到大气圈中去。如果只有光合作用而没有呼吸作用和分解作用，大气圈中的CO2只够供给植物生存200年。可见，自然地理过程的平衡与非平衡的转化，才使地球表层产生由简单到复杂、由低级向高级的演化，才使大气圈、生物圈和整个地球表层进化为今日地球。自然地理过程的平衡存在于不平衡中，短期的平衡与长期的不平衡决定了地球表层的稳定与进化。

第三节 自然地的扰动过程

扰动是地球表层普遍存在的现象之一。扰动可以产生地球表层中的不连续变化，也可以产生地球表层中的短暂变化。地球表层中的干扰有的来自于人类，有的来自于自然界。

常见的自然干扰有：地壳运动、地震、火、洪水、生物侵入、冰期等。在地球表层的进化过程之中自然干扰是始终存在的，因此，地球表层整体及其各要素已经适应了各种自然干扰，并产生了相应的抗性。因此，自然干扰对地球表层整体的结构和功能的形成具有积极意义。

如果没有地壳运动，地势将均质化，陆地将消失，各圈层的结构也随之消失。生物学界有人提出地壳运动导致原有物种灭绝和新物种的产生，是进化的主要因子。还有人提出地球上的生命和水均来自于陨石和陨冰，即来自于干扰事件，此观点虽然强调了干扰的重要性，但目前尚属假说。

火常被当作一种灾害，其实，天然火（比如雷击火）对生物群落演替有十分重要的意义。在北美洲，有大面积正常生长的原始暗针叶林，但近几十年来，由于人类对森林加强保护，组建了设备先进的空中消防队人为地杜绝火灾的发生，森林已经有几十年未发生大面积火灾，结果研究人员最近发现，森林中老树比例增加，而幼树发育不良，森林更新困难。可见，火是森林中老树死亡、林中空隙斑块增加、光线增强、幼树正常生长的关键因子。消除火干扰后，生物群落难以正常演替。

生物在适应环境以后，才可生存，但一般不发生进化。如深海环境中的生物现在多保持其原始状态而没有进化。只有环境受到干扰发生变化，生物为适应这种变化，才发生个体的变异与生物竞争，不适应环境的物种被淘汰，新的物种才会应运而生。因此，在一定的意义上，干扰是生物进化的必要条件。

洪水对湿地的形成与保存具有重要作用，作为地球表层之肾的湿地具有重要的功能。

自然干扰引起的地球表层扰动一般具有循环性。一方面由于地球表层进化出消除自然干扰引发扰动的机制，另一方面各种自然干扰的发生也具有节律性。也就是说，一次干扰后果的消除需要一个过程，当消除扰动的过程尚未结束时，新的扰动又开始了，因此地球表层始终处于多种干扰下的扰动消除过程。例如，地壳上升引起了地貌、水文、生物、土壤、气候的变化，以及地球表层结构、功能的变化。地貌由平原变为高原、山地、丘陵，再由丘陵逐渐演化为平原的同时，土壤类型也由草甸土向白浆土、山地暗棕壤、暗棕壤，再向草甸土转化。随着新干扰的到米，地壳再次上升，上述过程又开始了新一轮的循环。

从对自然地理过程的影响看，人工干扰与天然干扰没有本质的差异，但是人工干扰在频度上、作用方式上和强度上明显不同于天然干扰，且地球表层尚未接受、适应这种干扰，因此造成了地球表层的性质、功能、结构的大变化，且具有不可逆性。例如低频度、小面积地采伐森林，其作用方式类似于火对森林的干扰，因此经过一段时间的群落演替后，群落的原生状态可以得到恢复，此时干扰的后果被消除。但如果高频度、大面积地采伐森林，就可能导致群落性质永久变化。例如，暖温带湿润区，目前保护着的森林建群种是壳斗科植物，如辽东栎等。其实壳斗科植物多为先锋树种，它不应是顶极群落的建群种。但是由于暖温带湿润区经过人类长时间的严重干扰，原有的建群种、常见种早已经灭绝，因此，对其生态恢复永远也无法实现其地带性特征，也就是说干扰后果永远无法消除。

地球表层是充满干扰的，也必须存在干扰。适度的干扰是地球表层进化的动力，但由于人类干扰的特殊性，决定了必须对其进行深入的研究，才能发挥干扰的积极作用。

第四节 现代自然地理过程的特点

人类本是作为一种物种存在于地球表层之中，但是由于人类进化速度明显快于地球表层的进化速度，因此人类逐渐独立于地球表层建立起了人类社会，其标志是农业文明、工业文明的诞生。由于两个文明的建立，人类的诸多行为已经与自然地理过程不同步、不协调，不适应，而成为对自然地理过程的干扰。现代自然地理过程就是指人类干扰产生后的自然地理过程。

一、复合性特点

现代地理过程中，人类干扰是主要的干扰因子。人类干扰的对象可能是单一圈层，如采伐森林；也可能是全方位的，如开垦、种植水稻，既改变了植被、土壤的结构与属性，也改变了水文与小地形，同时对地方气候也产生了影响。无论是对单一圈层的干扰，还是对地球表层整体的干扰，其干扰因子常常与地球表层其他机制共振，导致干扰效应相应被放大。

在温带湿润的针阔混交林中，采伐建群种红松，由此增加了林内的光照强度和冬季群落内的风速，导致了抗寒性差和不耐寒树种幼苗的死亡，而抗寒性强、喜阳的蒙古栎则大量萌生，当形成蒙古栎纯林时，林相和林质极度恶化。同样，破坏植被导致水土流失、水分缺乏和土壤肥力的下降进一步影响了植物的生长，形成恶性循环。

二、阶段性

现代自然地理过程具有独特的阶段性，一般地说，表现为三阶段模式。

自升员芹四策

1.景观破碎化阶段

在人类未干扰之前，地球表层在相当大的范围内存在最观一致性的特点，如茫茫林海，一望无际的大草原等。人类在开发土地资源时，首先是以斑块状的方式进行，建立起居民点斑块、农田斑块等。随着斑块数量的增加，虽然景观基质尚没有改变性质，但却使景观发生破碎化。

景观破碎化初期，对地球表层的生产、处置等功能的正常进行没有造成显著的衰减，甚至在某些方面还有一定的正面影响，如提高生物群落的生长量等。但对于生物多样性的影响较明显，如核心种的消失（依赖较大同质景观的物种，如虎）和边缘种的增加（依赖多种生境，如部分鸟类）等。

2.功能衰减阶段

当人类干扰范围扩大到整个景观时，则地球表层的功能发生了严重的衰减。如在吉林省东部，人类的过度采伐使森林由原始的针阔混交林逆向演替为杂木林，形成蒙古栎、山杨、白桦纯林，榛、胡枝子灌木林等，林相退化，生产力水平大幅度降低。在吉林省西部，过度放牧造成羊草草原退化成杂类草草原，马莲纯群落或碱蓬纯群落，此时群落的生产功能、处置功能都严重衰减。

3.平衡失控阶段

在人类持续超强度的干扰下，地球表层的平衡过程被打破，各要素之间、各单元之间及自然地理整体与外界环境间的物质与能量间收支的平衡被打破，造成沙化、水土流失、泥石流等不稳定事件的发生。稳定性丧失不仅导致地球表层生产功能、保护功能等的彻底丧失，而且对人类安全也构成了严重的威胁。

三、不可预见性

自然干扰引发的自然地理过程具有可循环性，因此可根据干扰发生规律对自然地理过程的方向进行预测。但是，人类干扰引发的自然地理过程部分是不具循环性的，因此也难以预测。例如在洗衣粉未被发明之前，生活污水排放后由于有微生物分解、土壤吸附等机制会将污染物消除。但工业污染物的消除一般较为困难，这就造成环境中污染物的收入大于支出，发生累积，这是污染问题的核心。现在转基因制品进入食物链，转基因累积的后果，同样是不可预见的。因此，应慎重对待。

第五节 自然地理过程研究的意义

一、现代自然地理过程研究的意义

1.在生态建设中的意义

在地球表层五个圈层中对人类干扰最为敏感的圈层是生物圈，因此减少人类干扰对地球表层影响的重点多集中于以植被为核心的生态系统，这种以植被恢复与重建为主要内容的生态工程被称之为生态建设。最初，人们只注意到由于植被遭受破坏引起了地球表层稳定性的缺失问题，如沙化、沙尘暴、水土流失等，为提高系统的稳定性采取了植被修补方式，如人工植树、种草等，由此提高了生态系统的稳定性。随着研究的深入，地球表层其它功能的缺失问题也逐步被发现，功能修补成了生态建设的主体，开展了包括林相改造（增加生产功能）、增设隔离带（添加阻碍功能）、草坪建设（美化功能）等。目前已开始了生态健康研究，标志着功能修补已进入了功能诊断、防患于未然的阶段。

人类对生态系统功能的认识是一个逐步深化的过程，目前仍有许多重要的功能我们仍不清楚，且功能恢复也可能顾此失彼。因此生态建设的最高阶段应是对生态系统整体的恢复，使其结构、物质的交换方式等均得到恢复，于是相对应的功能也将得到全面恢复。

现存的生态系统已不同程度地遭受到人类的干扰，要恢复生态系统的原型是不可能的。因此，必须明了现代的自然地理过程，即根据目前生态系统的特征和现代自然地理过程逆向推出的生态系统的原型。进行人与自然共同创造的生态建设，重建与恢复人与自然和谐、平衡、各自安居乐业的状态。而要实现这一目标，现代自然地理过程的研究是基础。

2.在过程调控中的作用

人类要生存、发展，就一定会不同断地对地球表层施加各种干扰。这一方面是由于人类自自然环境中索取的是低熵的物质，而排出的却是高熵的物质，至目前阶段，人类自身尚没有学会如何将这种高熵的物质熵值降低，再将其返回到自然环境中去；其二是人类的生产、生活节奏快、周期短，与自然地理过程不同步，因此，必然引发人与自然环境间的不和谐，且这种不和谐并不会因为人类物质文明与精神文明的提高而消失，因此希望人类与自然完全统一是不现实的，也是不可能的。

在人类与地球表层的矛盾之中，人类不能完全采取被动的态度，一味追求对地球表层的适应，必须采取主动，这就是对现代地理过程的调控。

对现代地理过程的调控手段主要是改变地球表层的水文过程，如我国的南水北调、东北区的北水南调和吉林省的东水西调等，都是通过地表水文过程的调控，引起连锁反应，最终改变地球表层的整体过程。

过去，人类对自然地理过程的调控既有成功的模式也有失败的教训。如四川的都江堰就是通过改变水文过程而使当地环境的整体功能得以完善，而黄土高原的过度开垦使其成为水土流失的重灾区，系统的整体功能缺损。还有相当一部分的调控后果是灾难性的，如灌溉，产生了次生盐渍化。究其原因是对地球表层内部结构与功能缺乏认识。因此，了解现代自然地理过程及各种因子之间的相互制约关系，特别是人类干扰对自然地理过程的影响是进行自然地理过程调控的关键。

二、全新世以来的自然地理过程研究的意义

现代自然地理过程是全新世以来自然地理过程中的最新、距人类最近的过程，或者说是全新世自然地理过程的延续，因此其自然特征应与全新世以来的自然地理过程保持一致。

目前，全球变化的研究是全球科学研究的热点。所谓全球变化，主要是指人类干扰导致的地球表层的变化，如人工排放的CO2导致全球气温升高，

氟利昂导致臭氧层破损等。

人类观察到的地球表层变化，既包括自然干扰引发的地球表层的变化，也包括人类干扰导致的地球表层变化。但由于人类对全新世以来的自然地理过程缺乏深入的认识，因此无法区分人类影响效应与地球表层的自身变动，就可能过于强调地球表层变化的人为性。

通过对吉林省西部沙地的研究，我们发现，10000年以来，甚至是2000年以来其温度、干燥度的变化幅度惊人，出现了寒温带、温带、暖温带之间的变幅和亚湿润和亚干旱之间的变动。也就是说，近期的干旱与温度上升，远远未超出其自然变动的幅度。很难说清是自然波动的结果还是人类干扰的后果。

综上所述，如果没有搞清近期自然地理过程，我们很难进行全球变化的研究。