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自然地理系统及其熵变

刘宗超孙莉(中国科学院新疆地理研究所)
    地理学的内容如此广泛,以致于一个地理学家都 很难回答“什么是地理学”。本文仅讨论自然地理系统 的演化及其系统科学描述.
     一、自然地理系统与地球表层 自然地理系统是地球表层和自然生态系统的中介 系统. 地球表层是与人类直接有关的地球环境,其空间 范围上至同温层底部,下至岩石圈的上部,对于陆地 其深为5~6公里,对于海洋其深为4公里.该层是天 体因素(能量辐射、粒子辐射、磁暴等)、地球因素 (流体输运、固体应力释放等)、生物因素(人类活动、 动物活动、植物发育等)的相互作用最为剧烈的场所. 诸因素的相互作用使得地球表层成为一个非常复杂的 巨系统,该系统与其环境有能量、物质和信息的交 换,系统与环境的相互作用以及系统内部的相互作用 是非线性的,内部及外部涨落是地球表层演化的动 力.确定性和随机性的互补使地球表层演化的预测复 杂化,因此需要建立专门的学科,这就是钱学森提出 的地球表层学.它的理论基础是系统科学,所研究的 是系统与其子系统和环境的关系、系统之间的转化. 系统科学的基础是运筹学、控制论、信息论、耗散结 构、协同学和混沌论等.广义熵流是系统间的信息交 换,分岔与突变是系统演化的关节点。 自然生态系统是存在于自然界且不受人类活动影 响的生态系统,是占据某一地段的生物与非生物环境 之间相互作用的统一体.生物由三部分组成:生产 者、消费者、分解者.非生物环境是指光、热、水、 空气、土壤、矿物盐类等,这些既是生态系统的物质 能量来源,又是生态系统的生存空间.自然生态系统 的基本结构是营养结构、基本功能是以生物为核心的 能量循环和物质循环.自然地理系统的远离平衡的条 件以及内部非线性作用使其比地球表层和自然地理系 统更为有序,目前正在发展的非线性力学与混沌理 论是深入研究自然生态系统的理论基础., 地球表层学是研究自然地理系统的理论基础,自 然生态系统则属于自然地理系统中研究得较深入的部 分。自然地理系统以地球表层为介质,这种物质基础’ 是不以人们的意志为转移的,它是自然地理系统中的 。硬件”,可以说自然地理系统是在地球表层这一物质 基础上展开的系统的等级系列,系统的大小是以地球 表层物质属性的均一化和要素的统一化为限制的.自 然地理系统的要素是指地貌、水文、气候、土壤、植 被、能量、动物及人类活动等,诸要素的组合决定了 自然地理系统的结构和功能,它是自然地理系统的 “软件”.自然地理系统的结构是可变的,有时甚至是 活跃的.自然生态系统是在自然地理系统中孕育发展 的,由于和自然地理系统相比有较大的能流和物流, 所以它有较强的功能。目前在地球表层中,、完全不受- 人类影响的自然地理系统几乎是不存在的。
     二、自然地理系统的层次分析 虽然地球表层的介质均一化和要素的统一化限制 了自然地理系统的类型,然而同一类型的自然地理系 统内部仍具有层次.正是由于内部层次的不同才展示 了自然地理系统的复杂性. 自然地理工质层次——它是最基本的自然地理层 次,主要由分散体和连续体组成,如岩矿、土壤、 冰、雪、冻土、水体、气体等.该层次只具有物理化 学上的意义,所进行的主要物理化学过程有表面运 动、离子交换和吸附,相变、机械位移等;另外还有 不可忽视的生物化学过程,因为这是土壤生成的主要 过程.温度是各分散体和连续体与外界进行相互作 用、交换能量的主要指标. 自然地理层层次——它是高一级的自然地理层 次,其基本物质组成决定于自然地理工质层次,它不 仅含有自然地理工质层次所包含的物理化学、生物化 学层次上的意义,而且还有更高一级层次上体现出的. 新质,具有时空特征.在时间上可以出现周期性,如 日变化、季节变化、年变化;在空间上具有铅直尺度 上的变化特征,如土壤薄厚、水位高低、海拔差异 等.自然地理工质因海拔不同势能也不同,这决定了 转化为动能的潜在能力.该层次的物理运动除机械运 动外还有能量的传导、辐射、对流等传热传质热运 动.能量在该层次的转化、积累和循环决定了自然地 理层层次的结构形式,同时这一系列的不可逆过程使 该层成为自然历史综合体,包含了大量的信息,·具有 “富内性”该层次的结构决定了该层次的功能,具有 广义LeChatelier原理上的意义——当外界将该层 次上的某一要素削弱时,其自身总要加强,以抵制外 来的效应.例如,土层冻结释放潜热以阻止“冷波”向 下传播;冰盖消融,地壳隆起以保持原势能等地学现 象均有该功能. 自然地理区域层次──这是自然地理系统的最高 级层次,该层次涉及其中所发生的任何宏观自然现象 以及它们之间的关系;它不仅包含了自然地理工质层 次和自然地理层次的各种过程和作用,而且还出现了 自组织的新功能,即演化的新质.自然地理区域首先 具有三维性,经度,纬度、海拔三要素决定了自然地 理区域的空间格局,地质、水文、大气和生物决定了 自然地理区域的性质,在时间上更明显地体现出其作 为自然历史综合体的继承性.自然地理介质的差异组 成各种地貌形态,如海洋、湖泊、冰JJf、冻土、沙漠 等;其中机械运动是塑造地貌的营力之一,如海洋潮 汐、固体潮汐、冰川掘蚀、融冻泥流、火山喷发等; 水、气的运动造成复杂的气象;生物作用使自然地理 沤域更为活跃,如生物可改变大气成分进而又改变自 身、竞争可引起生态系统演化等;人类活动对自然地 理区域的改造造成能量的重新分配,如矿产开采、城市 热岛效应,C02的温室效应、核冬天等,这不仅改造 了自然地理区域,而且也改造了地球表层.自然地理 区域的内部作用是非线性的,只有非线性作用才能造 成如此复杂的自然现象.
    三、自然地理系统的系统科学基础 以上的层次分析说明要理解自然地理系统应该从 地球表层的本体出发,找出自然地理系统各层次所具 有的规律,而不能一味追求引进其他学科的高层次方 法,这样才能建立一个具有自然地理系统自身特征的 学科.同时也要注意定性和定量的结合,高层次的定 性比低层次的定量更具有意义,但要注意分析和综合 的辩证关系,绝对的还原论将导致荒谬的结论,整体 性原则始终是研究自然地理系统的准则之一.面对如 此复杂的自然地理系统,任何单一的学科都是无能为 力的,虽然系统科学还处于发展阶段,但它却能给我 们提供有用的方法论. 系统论认为自然科学研究对象的复杂程度不同, 构成一种等级,高层次的事物包含了低层次的规律, 但本身则出现了一些起主导作用的新质,需要有新的 原理.对自然地理系统而论,无论是哪个层次,系统 科学所要研究的都是系统,只是各层次的约束条件不 同,只能在有限的范围内根据低层次上已知的规律在 高层次上作出预测,因为在增加复杂性的每一步上只 有某些低层次的相互作用才能在高层次上观察出来. 约束和历史是相结合的,对自然地理工质层次来说, 对约束的依赖大于对历史的依赖;而对于自然地理区 论认为,在非平衡的线性区域,不会自发形成时空有 序结构.在自然地理层内,任何人为强加的有序结 构,也会随着时间的推移而消失,达到一个相对无序 的定态. 3.自然地理区域层次的非线性理论 (1)非线性热力学用于自然地理区域所遇到的困 境 自然地理区域乃至整个自然地理系统、物质和能 量的输运在以下四种循环中进行:地质循环、水分循 环、大气循环和生物循环.这四种循环过程巧妙地耦 合在自然地理系统中.自然地理区域的“广义流”和 。广义力”呈非线性关系,正是这种复杂的非线性作用 使自然地理区域远离平衡态.在该情况下,最小熵产 生原理已不适用,作为自然地理区域的稳定性判据是 超熵产生δχP 式中,是熵的二阶变分. 二 事实上将(8)式用作自然地理区域的稳定性判据 将会陷入困境。我们很容易找出一个非线性化学反应 体系的axp而对于一个复杂的具有自组织功能的自 然地理区域,要找出一个具有实际热力学意义的6。P 几乎是不可能的.实际上非平衡热力学在处理非线性 问题时则更加注重体系的动力学行为. (2)自然地理区域的序、确定性和随机性 自然地理区域的各要素和各种作用过程具有组合 目的性,即自组织方向朝着有利于自身存在的某种功 能态.在该功能态自然地理区域的诸要素和作用过程 组合最优,使自然地理区域结构最佳,功能最强,这 样的自然地理区域熵最小,最有序。有人以自然生产 潜力为例进行分析,当生物的初始生产力极低,甚至 为零的时候(如荒漠、极地等),各个自然要素和作用 过程的组合不严格,对于n个组合所选择的概率分布 比较均匀,其有序性最低,熵最大.随着初始生产力 的提高,这种概率分布将逐渐集中到越来越少的几种 选择上,即生物产量越高越稳,诸要素和作用过程的 组合越严格,自然地理区域的有序性越大,熵值越 低. 自然地理区域不仅存在对历史依赖的确定性,而 且还存在内部涨落的随机性,这里没有考虑诸如“外 族”入侵、核爆炸等超过自然地理区域体系干扰承载 范围的外来突发性事件.描述自然地理区域的方程可 分两类.一类是随机微分方程,有代表性的是主方程 (9)式的含义如下:设自然地理区域这一非线性体系 的分布函数为P(x,t),x为体系的一个广延量.P(i, t)代表在时刻t时x取值为j的概率;W(j→i)代表 在单位时间内由j表征的自然地理区域状态转移到由 i表征的自然地理区域状态的转移概率。P(i,t)和 W(i→J)的含义可以由P(j,T)和W(j→i)的含义类 推出来.非线性主方程的物理意义是使随机性问题得 到确定性描述. 另一类是确定性微分方程.自然地理区域中比较 典型的系统是两物种捕食的生态系统,描述系统行为 的是Lotka—Voltrra方程.已有的研究表明,在Lot— ka—Voltrra方程这类含有三个或更多变量的非线性 微分方程组中导致“奇异吸引子”的新型分岔已成为可 能,即从确定性问题中产生随机行为,从倍周期轨道 运动向混沌过渡是通过阵发性混沌实现的.在更广泛 的意义上,M.Feigenbaum常数4.6692016…是倍周 期分岔现象中通向混沌的“桥梁”.这在研究多变量自 然地理区域中的确定性问题时也同样具有意义,可以 预言,随着自然地理区域定量研究的深入可以发现越。 来越多的混沌现象. 研究自然地理系统的目的是在于立足现在的状态 预测自然地理系统的演化趋势.自然地理系统是多变 量的非线性系统,变化过程有两个方向:一是退化, 进入没有任何功能的热混沌状态,另一个是进化,通 过逐级分岔进入非平衡混沌状态,这是一种具有。自 相似结构”的相干功能态,当然也是我们所希望出现 的状态.自然地理系统的演化路径由一系列相继的稳 定段和不稳定段构成,稳定段受决定论支配,不稳段 (靠近分岔点)可以在多于一种可能的未来之间作出选 择,这种选择是由决定性和随机性共同起作用的.正 是这种偶然性和必然性的混合组成了整个自然地理系 统的历史.混沌现象的发现,一方面意味着预测能力 受到了新的限制;另一方面,混沌现象所固有的确定性 表示许多随机现象实际上可以用简单的法则来解释, 然而自然地理系统无论其描述方法如何,总是具有短 .期的可预测性和长期的不可预测性.因此我们人类的 活动更应该谨慎,因为这可能会出现人类暂时“战胜” 自然,而自然最终会战胜人类。 正确评价我们人类在自然地理系统乃至地球表层 的演化过程中扮演什么角色是很重要的,要时刻牢记 在这个演化的“剧场中”、我们人类既是“演员”又是 。观众”.人类对自然地理系统所能做的只能是合理地 开发和保护.若判定自然地理系统已向非平衡混沌方 面演化,那末我们就要采取保护措施促进演化,使自 然地理系统处于熵最小(最有序)的状态;若判定自然 地理系统已向热混沌方面退化,那末我们就要加紧开 发、加紧“破坏”,从中提取并最大限度地提取人类所 需要的东西,使其更快趋于热混沌状态,即熵最大 (最无序)的状态.笔者认为,上述的广义“马太效应” 或原理无论从经济发展还是从伦理进化的观点来看都 是可行的,只有这样,人类才能既大规模地开发资 源,又不必面对自然地理系统的“原始”状态而感到内 疚。 (在太文的成文过程中曾与兰卅大学昝廷全同志 进行过有益的讨论,谨致谢意.)--摘自自然杂志-1988-611卷

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