3第三章 自然地理环境的整体性.ppt

第三章 自然地理环境的整体性,第一节：整体性的概念与研究内容 第二节：自然地理环境结构的整体性 第三节：自然地理环境的功能整体性,第一节：整体性的概念与研究内容,一、整体性的概念 ：1、概念演变 整体性起源于古代东西方哲学家们的整体观： ①中国古代的整体观 《道德经》说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”道即为宇宙，“一”泛指混沌整体 《黄帝经》说：“一为道本”，“一者，道之本也” 荀况（公元前325年—公元前238年）则以“一”和“分”来表述整体与部分的关系。他用“群居和一之道”来表明群体整体与个体的协调，以发挥“分则和，和则一，一则多力，多力则强，强则胜物。”荀况的整体观还包含整体进化思想。他说“天地合而万物生，阴阳接而变化起。” 中国古代整体观也包含整体的无限性及天人合一思想。惠施曰：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一”。（《庄子•天下》）这是“一”的无限大与无限小的辩证法表述。庄子也说：“天地与我并生，而万物与我为一”（《齐物论》）又体现了古代天人合一的整体思维。 中医把人的脏腑、经络、筋骨作为一个系统整体来辨症，把人体与自然界看作一个相通的整体，把关于自然界的五行、阴阳概念运用于研究病理。 孙子兵法把“道、天、地、将、法”作为整体研究军事问题。,②西方古代的整体观,公元前6世纪古希腊哲学家巴门尼德就认为， “存在”才是真实的。什么是存在？他说：“存在不生不灭，它是整体、唯一的不动。”认为存在是不可分割的，是一个整体。 毕达哥拉斯（公元前580年—公元前500年）认为自然界任何“‘实在的东西’是自然界中存在的数学和谐” 。“这种数学和谐的知识是洞察宇宙的基本结构的知识。” 古希腊哲学家赫拉克利特（约公元前540年—公元前480年）认为，“这个世界对一切存在物都是同一的”，并描述了世界运动变化的规律，称之为“逻各斯” （希腊语为logos），恩格斯、列宁都给予极高评价。 古希腊哲学家亚里士多德（前384—前322年），是柏拉图的学生，亚历山大的老师。提出“整体大于它的各部分的总和”的思想，是后来直到现在整体观发展的基础。,③近代的整体观,15世纪以后近代自然科学兴起，其整体观的代表人物牛顿在用经验解释的力学公理系统与天体运动和地上物体运动之间，建立了广泛的一致的关系。牛顿在论宇宙系统时， 运用几何学和微积分作为系统分析的工具，开创了自然哲学从整体观的定性研究通向自然科学整体规律定量研究的新时代。但牛顿在作哲学结论时，则认为根据神学的理由，自从宇宙从虚无中被上帝创造出来以后，必定有一个大容器，里面分布着创造物。 17世纪，德国数学家、哲学家莱布尼茨虽认为世界是事物复合的整体，但“复合物不是别的东西，只是一些单纯物的一个堆积或聚集”，这些单纯物就是“单子”，他理解的整体就是“单子”的机械堆积，这是典型的机械整体观。 17世纪，瓦伦纽斯提出“自然界是统一的”思想，地理学是研究地球外部表面的“陆界和水界”。,,19世纪自然科学的发展，特别是进化论、细胞学、能量守恒与转化定律三大发明，对机械论有了根本的突破，在整体观上，就是突破了那种仅仅作为简单集合体的机械见解，还发现了整体的进化论，即整体由低级到高级的发展；宇宙自然系统各组成部分的相通性，即在一定条件下实现相互转化的可能性；以及整体系统中的守恒性，其前提是封闭的体系。 19世纪初，黑格尔提出整体辩证法。他认为从自然界到精神世界，都是多方面联系着的整体，如一朵花，具有香味、形状、颜色，但这朵花不是这些性质的机械凑合和堆积，而是体现着这朵花的整体性质，因为这些具体的性质彼此间是不可分割地、内在地、必然地联系着的。黑格尔的整体观概括起来有： 整体的独立性。他说：“整体，是构成自在自为之有的世界的独立性。” 独立的相对性。他说，“整体是独立物，部分只是这个统一的环节，但部分也同样是独立物，而它们的反思的统一只是一个环节，每一个在其独立性中都完全是相对于他物的东西。” 整体的有机性。他说：“部分只是在整体中才具有独立性，但整体同时又是不同于部分的独立性。因此，整体和部分是互为条件的。”整体中部分的内在的、必然的、互为条件的联系， 构成“一个有机的系统，一个全体，包含很多的阶段和环节在它自身内。” 19世纪初，洪堡德提出了 “自然界是统一的整体”。 19世纪末，道库恰耶夫提出了“自然综合体”的概念。 20世纪初，马克思和恩格斯从辩证唯物论角度阐发了整体辩证法，又使整体观提到新的高度。恩格斯强调了“存在”整体性的第一性，动态的自然界的整体性和辩证整体观的方法论意义，还运用辩证整体观来观察现实社会。马克思说，“人的本质并不是单个人所固有的抽象物。在其现实性上，它是一切社会关系的总和。”,④现代整体观,贝塔朗菲（Bertalanffy Ludwig von 1901～1972），美籍奥地利生物学家，一般系统论和理论生物学创始人，50年代提出抗体系统论以及生物学和物理学中的系统论，并倡导系统、整体和计算机数学建模方法和把生物看作开放系统研究的概念，奠基了生态系统、器官系统等层次的系统生物学研究。 1937年，贝塔朗菲提出了一般系统论的初步框架，1945年在《德国哲学周刊》 18 期上发表《关于一般系统论》的文章，但不久毁于战火，未被人们注意。1947年在美国讲学时再次提出系统论思想。1950年发表《物理学和生物学中的开放系统理论》。1955年专著《一般系统论》，成为该领域的奠基性著作。60～70年代受到人们重视。1963年苏联科学院院士索恰瓦运用系统论的思想，提出了地理系统的概念，其实指的是“自然地理系统”。 所谓自然地理系统是指，各自然要素通过能量流、物质流和信息流的作用结合而成的具有一定结构，可以完成一定功能的整体。或者说在特定地理边界约束下，各个结构有序和功能互补的要素集合，要素与要素之间不断进行物质、能量和信息的交换与传输，形成一个动态的，多级的开放系统。,,20世纪80年代以后，随着耗散结构理论的兴起，耗散结构理论也被成功地运用到自然地理综合研究上。 耗散结构理论认为，地理系统是一个远离平衡态（混沌状态）的开放系统，要素之间存在着非线性关系，它通过与外界不断交换物质与能量，有可能在一定条件下形成新的稳定的有序结构，即地理耗散结构。它具有一定的抵抗外界干扰的能力，可以吸收外界环境的一般性涨落。其结构水平愈高，涨落回归能力即保持系统稳定的能力就愈强。但发生巨涨落时，这一结构将崩溃或解体，并形成新的耗散结构形式。,小结——自然地理环境整体性的思想，实际上经历了三个阶段,（1）自然综合体学说阶段，其特点是从要素具有相互联系来认识整体性； （2）地理系统学说阶段，特点是从地理环境的结构和功能来认识整体性； （3）耗散结构理论阶段，特点是从地理环境是一个非平衡、有序的开放系统的角度来认识系统的整体性。,2、整体性概念及含义,系统的整体性指：系统必须作为一个由诸多要素结合起来的有机整体而存在，并发挥着作用。就是说，系统具有其部分在孤立状态下所没有的整体特性。 自然地理环境的整体性是指自然地理环境各组成成分之间，经过长期不休止的相互联系,相互渗透，融成一个不可分割的统一整体 ----自然地理综合整体(自然地理系统)，系统中任何一种的成分或环节的变化，都将影响到其它成分甚至整个系统的变化。 举例：实例一：气候变迁→造成海陆进退→进步造成植被土壤的变化→产生了自然地理环境的变化。比如气候转暖，第四纪冰川退却，从而引起大洋海面的升高和海洋的变化；气候变湿，陆地上引起风化方式和成土作用的变化，以及植被和动物向极地移动等。如果气候变冷，冰川范围扩大，海平面下降，气候变干，沙尘暴频发，植被与动物向赤道方向移动等等。 实例二：过度砍伐森林→造成植被破坏→进一步造成水土流失和气候的干旱效应、暴雨效应→土壤贫瘠化和次生植被的变化→最终产生自然环境的整体恶化。,系统（自然地理环境）整体性的含义（广义、狭义）,系统内部的统一性（有机性、内在联系性）：系统内部要素或部分联系紧密，必可分割、互为条件，构成一个有机的统一整体，其有机联系方式就是系统的结构。通过系统结构格局的有机联系，统一地表现出系统的外部功能。换言之，系统的内部结构又决定了系统的整体功能。物质与能量交换转化是系统内部联系的手段。 从某种程度上来说，系统的内在联系性也可以通过整体效应和制约关系来实现。 系统整体与部分（要素）的相对性与独立性： 系统整体与部分的差别性（独立性）：整体与部分不同，系统的整体具有其成分所没有的新功能；部分+部分≠整体，部分功能好，不等于整体功能好。 一般情况下，整体大于部分之和。 系统与部分的相对独立性：从分析的观点看，系统的整体与部分相对独立。系统的整体是一个相对“独立物”，系统的部分或要素是这个相对独立物的一个环节，是次一级的“独立物”。他们之间的区别在于其内在联系的紧密程度的差异，相当于母系统与子系统的差别，即系统的层次性。一般情况下，要素或部分的紧密程度，大于系统整体内部的紧密程度。因此从综合观点来看，系统的部分或要素紧密结合，形成统一的有机整体，表现出整体性；而从分析观点来看，系统整体内部，有表现出差异性。部分或整体，就是这种差异性的重要表现形式。 从以上分析，还可以得出这样的结论：从广义上来说，自然地理环境的整体性，已包括了自然地理环境的差异性。,二、整体性研究的内容,(1)整体的结构：结构是系统内部元素在空间和时间方面的偶合关系与联系方式，即“部分的秩序”。整体结构包括：组分结构，空间结构，时间结构(演替)。 (2)整体的功能：功能是系统对外界和内部所表现的效应。包括物质交换，能量转换，信息传递三个方面。功能是指“自然地理过程的秩序 ”。 关系：结构决定了功能。,第二节：自然地理环境整体的结构,一、自然地理环境的组分结构： 1. 自然地理环境的组成成分：总体而言，自然地理环境的构成可以分成无机成分和有机成分两类： (1)无机成分：大气，水，岩，土壤 (2)有机成分：植被，动物，微生物,组分结构的层次性,（1）化学元素组成：比如大气中氮(78.09％)、氧(20.95％)、氩(0.93％)、二氧化碳(0.03％) ；各种水体的化学组成，仅氢和氧就占96.5％；地壳中氧的重量百分比为46.60，硅为27.72，两者之和即超过74％，铝、铁、钙、钠、钾、镁六种元素共占24 %，其余所有元素不足2％。 （2）地理圈层构成： 大气圈 、水圈 、 岩石圈 、生物圈 等 （3）要素构成 ：地貌 、气候 、水文 、生物 、土壤 等,2. 自然地理环境组分结构的性质和特点,1)由于组分特点不同，同类组分可参与形成不同的结构形式，不同的结构形式具有不同的组分。 2)组分间联系方式的多样性，决定了自然地理环境结构的多样性---不同的结构模式，----不同的特征，物理，化学，生物过程的联系方式。 3)组分间相互联系在一定条件通过中介环节来实现。土---植，土壤－根系吸收----物质交换过程，能量转化过程---了解因果关系 4)组分间联系的紧密程度并不是绝对一致的。 组分：基本组分 大气，水，土，微生物，植物，母质非基本组分：动物 5)动态变化中，各组分呈现出不同的变化速度与幅度。 周期性，多变化的成分---结构或的关键组分。 各组分原则上都可成为关键因素，如水热组分，生物组分----最活跃,3．自然地理环境组分间相互关系、相互作用的基本特征,1)整体效应：包括部分的整体效应和要素的整体效应。 一个自然环境要素和其它环境要素之间的相互联系，是不间断地进行着，任何一个要素的变化都会影响到其它要素的变化，最终影响整个环境的变化，形成了要素的整体效应。 2)制约关系：各组分相互作用过程中，相互依赖，相互制约，任何一个组分变化对其它要素、甚至整个系统的变化的影响，都要受到其它要素或者整个环境的制约，使这种影响机制有规律可循，有章法可依。,二、自然地理环境的空间结构,1. 空间结构特征 ：3点 (1) 分层结构——层次性——分层性 ▲垂直分层性：地理壳的垂 直 分 层 性： 大气圈：对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层 5层： 水圈：大气水、地表水、浅层地下水、深层地下水 4层 岩石圈：地壳、上地幔、下地幔、地核 生物圈：乔、灌、草、苔藓、地衣、根部 土壤圈：耕作层（有机质层）、淋溶层、淀积层、母质层 智慧圈：人是破坏者、建造者、协调者▲系统层次性：母子系统的结构层次——层次组合关系。 ▲区域层次性：全球－洲（国家）－自然区－自然地带（亚地带）－自然地区－自然小区－土地单位，等。,(2)渗透结构——空间关联性 (3)地域结构或水平结构——空间组合性：相对层次性而言 气，水，生，岩――――→地理圈 自然综合体（小）―→（大）自然综合体 土地类型单位――――→自然区划单位,2. 核心活动层及整体性,核心活动层是指海陆地表附近，三个无机圈相互渗透，相互制约最紧密的部位，也是生物集中存在的薄层。这里集中了生物的主要或主体部分，进行着能量和物质交换以及最强烈的化学过程与元素迁移，人类活动对它的影响比整个生物圈更为直接。三者之间关系为密切，成为自然地理环境独特的组成部分，表现出相对的整体性特征。 别称： 土地 农业生物层 土壤——植被——大气连续系统（SPAC）整体性---综合自然地理学研究中心问题之一物质、能量---整体性的核心问题 核心活动层----自然地理环境的核心部位（问题）和最高理论与实践的体现场所。,3. 空间结构的形式---结构格局,层次性 组合性 树枝状组合 对称阶梯 同心圆状组合结构等。,三、时间结构——演替,1、时间结构的概念 自然地理环境的时间结构是指随时间的变化，自然地理环境特征依次变化的过程。从动态发展观点来看，自然地理环境处于不断发展变化之中，而我们所看到的各种自然地理环境的组成部分(子系统)，只不过是这个发展过程中的“瞬间表现”，时间结构表现为时间序列----演替序列。 自然地理环境在发展变化中：古地理——一般称“演化”现代特征——一般称“演替”,2. 自然地理环境发展的时间规律 ——节律性,节律性，是指由自然地理过程的循环和振荡引起的随时间推移而有规律（周期性）演替的现象。自然地理过程或现象的节律性，无论在以气温、降水和气压等表征的大气过程，以河流径流量和湖泊水位等表征的水文过程中，生物现象中，还是在海侵与海退、冰川进退、地貌形成、沉积岩形成过程中，都可观察或观测到。节律性也称周期性。,按照所涉及的地理环境的特点 可以分成5大类,(1)固相循环周期性：也称地质循环，包括风化、侵蚀、搬运、沉积、岩化、构造上升等环节。 (2)液相循环周期性：包括水蒸发、水分输送与降落、径流、洋流等环节。 (3)气相循环周期性：通过大气环流形成。 (4)生物循环周期性：通过矿物元素吸收、化合，组成有机物，食物链转换，枝叶枯落，动植物遗体分解等环节形成。 以上四类循环的周期性互相交叉，在生物循环中受到其它循环的影响，总称自然界的循环和周期性。 (5)社会循环周期性：国家、地区、经济都有一定的循环与周期性。社会循环周期性比自然界的循环与周期性复杂得多。,按照所涉及的周期变化特点可以分为3类,（1）周期性节律：以严格的时间间隔为循环振荡周期。如：昼夜节律，年节律，季节节律等； （2）阶段性节律：以不等长的时间间隔为循环振荡周期。如：生物（或人）的生长节律（婴儿－幼儿－少儿－儿童－少年－青年－中年－老年），生物进化节律 . （3）旋迴性节律：以一定的旋迴阶段为周期。如：冰期节律（气候冷暖旋迴节律），地质旋迴节律（岩浆——花岗岩＋火山岩——沉积岩——变质岩——岩浆），地貌旋迴节律（山地——平原——山地——平原）等。又如：社会发展的左右倾变化。,第三节：自然地理环境整体的功能,一、自然地理环境中的能量转化过程 1．能量来源 1)外来能：▲太阳能：直接，间接▲恒星发射的宇宙射线导致的化学能：约为太阳能的1/1亿，使某些气体从分子态变为离子态。如极光、磁暴、空气离子化。▲流星及其他星际物质在地球引力作用下的坠落能。如陨石。太阳辐射能：太阳发射的光量子流，以电磁波形成存在， 泛称太阳辐射能，包括可见光，不可见光和各种微粒。 人类生产中所耗能几乎都是间接或直接来自太阳能： ▲人类生活食品中植物有机体内潜存的化学能。 ▲含能体物质燃释能： (煤，石油，天然气，油页岩，薪炭) ▲过程能：风能，水能 ▲太阳能：,2)地球潜在能：A 地球自身引力势能B 地球内部蕴藏的热能C 地球内部蕴藏的原子核能 作用：▲地热通过岩体热传导，使地表年增温0.2—0.3℃,近地大气0.1—0.2℃,海底近1米内海水增温0.5℃, 冰川底部0.5℃, 冰层融化，冰川移动，形成冰蚀、冰碛（qi）地貌。▲ 引起构造变动▲岩浆活动 3)潮汐能： 太——地、月——地引力形成。 作用：因潮汐磨擦，在某些程度上使地球自转的速度变慢，昼夜长短延长1秒/4万年。 2．能量转化 1)地气能量系统： 对流层——地表海洋层 2)生物---环境---生态能量系统：---生态系统,二、自然地理环境中的物质迁移与循环过程,物质循环以能量为动力，能量循环以物质为载体 循环：微观：化学元素迁移宏观：四大循环(地质，大气，水，生物),1．化学元素在自然地理环境中的迁移 (1)空气迁移元素：通过大气活动进行迁移的元素，有O2、C、N2、H2、He、I。 光合作用：6H2O＋6CO2――――→C6H12O6＋6O2 固氮作用：N2――生物肥力元素。如：蓝绿藻、豆科植物的固氮作用；人工固氮。 空气迁移元素在所有环境中都起重要作用，是任何地方有机体和天然水的重要成分。O2、H2、C、N2活有机体（活质）总合平均组成的98%。活质重要表现是：气态成因，然后又变成气态。 空气迁移元素的最大作用是通过活质改变大气的成分。 O2、H2、C、N2的强烈迁移可作为所有含活质类型的自然环境的特征，可作为所有环境的标型元素----决定景观地球化学的重要特征元素。,(2)水迁移元素：主要是通过地表水，潜水和土壤水，以离子成分状态迁移的元素。大部分元素都属于水迁移元素，特别是：Na、Ca、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Mn、Fe、Co、Ni、V、Sr 等。 水迁移元素也是有机体的组成部分之一，在有机体中起着主要作用。 相对于空气迁移元素来讲，水迁移元素因地而异，它强烈的迁移远远不能作为所有自然环境的表征元素，而只能作为特定环境的标型元素。 Fe＋＋在寒温带针叶林地带的沼泽中迁移很活跃，在草原中不行，可作为沼泽的标型元素； Ca＋＋在草原中强烈迁移、堆积。(在针叶林中却很少)，可作为草原的标型元素。 Fe＋＋＋和Al＋＋＋在湿热的环境下迁移强烈，可以作为亚热带、热带环境的标型元素。,2．自然地理环境中的四大物质循环,地质循环：块状晶质岩→风化过程→沉积岩岩层形成→沉积岩倾斜到深处、变质岩的变质作用→变质岩→变成块状结晶。 大气循环：大气元素与地球元素、生物元素之间的循环。 水循环：海洋——海水蒸发---大气运动---大气降水――径流输送---海洋。 生物循环：土壤、大气养分――植物发芽长大---结果――死亡---分解---归还给土壤与大气。,三、生态系统中的物质流与能量流,1．生态系统的概念及其与自然地理环境(自然地理系统)的区别 生态系统是生物有机体与非生物环境相互作用，占有一定空间，具有一定结构并能完成一定功能的由物质和能量联系起来的整体。它是由作为生产者的植物，作为消费者的动物，作为分解者的微生物和非生物循环之间组成的系统，是有机界与无机界的复杂结合，这一概念是由A.G.坦斯莱(Tansley)提出的。 在概念上，生态系统与生物地理群落比较接近。 地理学与生态学联系紧密。1922年美国地理协会会长巴罗斯（Barrows）就提出：“地理学是人类生态学”，后来1939年Troll发展了景观生态学。,生态系统与自然地理系统的区别,生态系统是自然地理环境整体中更富有意义的一部分，是自然地理系统中的能量转换装置（景贵和），但两者在概念和内容上是不等同的，表现为： (1)生态系统的能量活动主要是沿食物链的活动，而自然地理系统除了能量在有机界的转换外，还要注意能量在无机界的转换。 (2)生态系统中的物质迁移循环也主要是沿食物链进行的，而自然地理系统的物质迁移除食物链外，还有水迁移，空气迁移，板块运动，岩浆活动等带来的宏观迁移。 (3)索恰瓦认为：生态系统是单中心的(生物中心)综合体，而地理系统(自然地理系统)是多中心的；生态系统旨在研究有机体与其环境的关系，地理系统则涉及到作用于系统的全部联系。,2．生态系统结构：(构成),3．生态系统中的能量流与物质流：----生态系统的功能就是维系生态平衡,(1)食物链： 1)食物链：食物链是被食者和捕食者之间的相互作用顺序。 食物链生态金字塔：在生态系统中，沿食物链，从初级生产者到顶级消费者，生态系统的个体数量、生物量和能量，像金字塔一样依次减小的规律。包括数量金字塔 生物量金字塔 能量流金字塔 。 越是向上越小，营养级总能量逐渐减少 2)第一性生产量(生产力，生产率) 绿色植物在单位面积上每年通过光合作用生产有机物质的总量，称总第一性生产力(率)。 绿色植物在单位面积上，除去每年呼吸和代谢后，剩余的有机质的数量称第一性生产力(率)。,3)能量流的基本特点： A．生态系统中能量流总是单向流动。能量总是由初级生产者向终级消费者转化和流动，不能反向流动。牛可以吃草，但牛不能变回草。 B．能量以不同形式转换：比如牛吃草，牛拉车，人吃牛肉这个过程，草内化学能→转变成牛的生物能→再转变成机械能（畜力）和生物能（人的能量）。等等。 C．能量流符合热力学第一，第二定律。也就是总量守恒，逐级转换、分散。♥热力学第一定律：外界传递给一个物质系统的热量等于系统内能的增量和系统对外所做的功的总和。♥热力学第二定律：表述有三：①热量总是从高温物体传送到低温物体，不能反向传递而不带有其它变化；②功可以全部转化成热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所受到的热量转变为功；③在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵值增大，这个定律也称为“熵的增加原理”。,(2)生态系统的物质流(物质循环),生态系统的物质循环，主要是来自地球的，生物生命所必需的各种营养元素物质从大气，水域或土壤中，通过绿色植物吸入食物链，然后转移给食草动物，最后被微生物分解与转化回到环境中。这些释放到环境中的物质，再一次被植物吸收利用，重新进入食物链参加生态系统的物质再循环。这个过程形成循环。 生物生命所必需的营养元素有许多种，有15种营养元素的需用量比较大，其中H、C、O占活质总量的99.4%，其余只占0.6%。 大量元素：H、C、O、N、Ca、K、Mg、S、P； 微量元素：Si、Al、Cl、Na、Fe、Mn等 无论是大量元素或是微量元素，在生命体中所起的作用都是独一无二的。往往由于微量元素的缺乏，造成了作物的减产。 生命源泉： C循环， O循环 其次是： N，S， P， Ca， Fe循环。 从循环周期来看：CO2每300年循环一次；O2 每二年循环一次；水圈水被植物细胞裂解，并为动物细胞再组成，一次循环约需200万年。,作业,什么是整体性？举例说明自然地理环境组成成分之间相互关系的基本特征。 举例说明水迁移元素对自然地理环境的标型作用。 什么是生态金字塔？生态系统能量流的基本特征是什么?,