第二章自然地理系統的整體特徵
第一節系統概述
一、系統概念與分類
系統、按系統的尺度規模和範圍分類、按系統與環境的關係劃分、按人與自然的關係劃分
二、系統的主要特徵
整體性、層次性、相關性、穩定性與變易性
1．傳統觀點的整體性
整體性：自然地理綜合體各組成要素和各組成部分之間的內在聯絡。
具體地講地球表層是由地質、地貌、氣候、水文、土壤、動物等成分組成，這些無機自然界與有機自然界各組成成分相互聯絡、相互作用，並通過自然歷史過程，形成自然地理綜合體，這個綜合體中任何乙個成分或環節的變化都會影響其它成分或環節的變化甚至整體的變化。
比如：我們所處的是暖溫帶落葉闊葉林帶，作物為一年兩熟，如果氣候寒冷則是寒溫帶氣候，無霜期短，作物只能一年一熟，種植耐寒、生長期短的作物。同樣，地貌因素發生變化，也會引起一系列變化，再如華北平原如發生地殼運動，抬公升1000公尺以上，氣溫降低，降水發生相應的變化，土壤、植被也隨之改變。
傳統觀點：是以自然綜合體學說為基礎，用因果法則，揭示自然地理環境動態特徵，乙個因素變化會影響另外的因素，體現在自然綜合體內各要素的內在聯絡性，傳統觀點的整體性是內在聯絡的整體性。但是傳統的觀點是定性的描述，不能定量地表達整體性原理。
隨著科學技術的進步和新學科領域特別是系統論的出現，對整體性又有了新的認識。
2．系統思想的整體性，結構和功能
1）功能整體性
是系統對外結合內部所表現的效應（包括物質和能量、資訊等的傳輸和轉換）。系統論中有乙個重要原理——功能超越性原理，整體系統會出現子系統沒有的功能——整體大於各部分之和。
整體和部分的關係，主要表現在三種情況：
①系統的整體等於部分之和
這是嚴格的和精確的數學多次證明的命題，幾何和代數從來就把這種關係當作絕對的正確的真理，但這一命題只是對那些聯絡不緊密的鬆散系統才成立，只適應於由各要素機械組成的系統，如一筐蘋果。
②整體小於部分之和
如果系統中各部分相互牽扯，互相遏制，甚至摻雜著一些寄生和壞死的要素，這樣的系統往往會使整體性的能量大大下降，出現「三個和尚沒水吃」。
③整體大於各部分之和
系統中各種要素互相協同，彼此配合，會使系統出現新質。如正常人的一雙眼睛是兩個眼睛的視力之和。又如：
拿破崙是一位了不起的政治家、軍事家。在現代軍事思想中，他的戰例還是很有價值的，他曾打過很多有名的勝仗，說明整體大於部分之和的道理。
有一種少數民族叫馬木留兵，馬木留兵英勇善戰，個人拚殺技術較好，法國兵在當時曾打過勝仗，3個馬木留兵絕對戰勝3個法國兵，100個馬木留兵與100個法國兵勢均力敵，而300法國兵絕對能夠戰勝300個馬木留兵。這是因為法國兵在大兵團作戰中，彼此配合得很好。而馬木留兵不善於協同作戰，這就是整體性起了作用。
整體出現的功能是任何乙個部分所沒有的功能。同樣，配合好的球隊也說明了整體功能的作用，又如：乙個生物體的整體功能遠遠大於各細胞之和，乙個**帶區域的整體特徵絕不是水、熱、氣、土、林等各要素相加的結果。
2）結構整體性
系統理論指出：系統的整體功能決定於各組成元素的相互結合的方式，通常所說的結構。因此，整體功能取決於系統的結構，從以上例子中可看出法國兵彼此配合好，整體功能好，馬木留兵不善於協同作戰，整體功能小於部門之和。
結構——從字面上看，各組成部分的搭配和排列。
所以結構和功能是密切相連的，結構是完成功能的框架和渠道。也就是說物質、能量和資訊的傳輸和轉換是通過系統的結構而實現的。反過來，物質、能量、資訊的傳輸和轉換則是維持結構存在和發展的基礎。
結構和功能是相互聯絡的不可分割的兩個方面，沒有結構的功能和沒有功能的結構都是不存在的。
研究整體性既要研究整體功能認識它的綜合效應，又要研究這種功能是由什麼樣的結構所決定的。研究系統是怎樣隨結構、功能的變化而變化的，目的是提高整體性的功能。
3）地球表層系統的整體性：結構整體性（空間和時間結構）、功能整體性
時間結構是維持空間結構在狀態上一系列變化的結果。
空間結構是各組成要素的分布格局。空間結構包括垂直結構和水平結構，垂直結構包括大氣圈、水圈、岩石圈。水平結構是各組成成分在水平方向上發生分異，如從赤道到極地分為熱帶、溫帶、寒帶。
時間結構是地球表層從簡單到複雜不斷發展進化的。
功能：物質的迴圈和能量的轉換是地球表層最重要的功能。從地球表層內部看，各組成成分之間物質和能量交換分為兩種方式。
垂直方向：岩石——地下水——地表水——土壤——空氣以及貫穿於各成分的生物。水平方向：
各組成部分有物質的機械遷移和物理過程、化學過程、生物代謝過程。
地球表面有了這些結構和功能，才有可能把四個圈層融合成乙個統一的動態系統，決定著地球表層的整體性。從地球表層的外部聯絡看：地球表層與外部系統（高層大氣、宇宙、地幔、地核）也有物質和能量的交換、轉化。
能量的輸入是太陽能、地球內能等。能量的輸出是地面的長波輻射。物質輸入是隕石、侵入岩漿等。
物質輸出是構造運動、板塊間拖曳。
與傳統的觀點比較：系統的結構和功能的整體性既反映了自然綜合體的內在聯絡性又定量的反映了地球表層物質的能量變換的關係。彌補了傳統觀點的不足。
系統觀點的整體性涉及能量流動，涉及熱力學第一定律，所以運用熱力學第一定律**地球表層的能量流動和轉換。
熱力學第一定律：能量守恆。能量既不能創造也不能消滅，這是一條普遍的規律，地球表層的能量流動也必須服從這一規律。
如太陽能進入地球表層後，轉化成熱能，地面溫度和大氣溫度增加，參與水分蒸發耗熱，地貌、土壤的形成過程，大氣環流洋流運動等都與熱能有關，同時地面又以長波輻射出去，將熱能輸出返回空間，完成了收支數量上的平衡，遵循這能量守恆的普遍原則。熱力學第一定律只要求能量在轉換過程中守恆，不限制過程所進行的方向。
熱力學第二定律則不同，是關於過程進行的方向問題。克勞修斯指出能量是從密度較高的地方流向密度較低的地方，直到一切都達到均勻為至。他指出在孤立系統中熱量總是由高溫自動地傳向低溫物體，而不能作相反的傳遞，直到兩個物體達到相同的溫度為止。
是不可逆的自發的過程。起決定作用的是能量密度的差異和朝著均勻方向的流動。
所以他創造了乙個術語「熵」表示任何一種能量在空間分布上的均勻程度，用他的話來說，「能量密度的差異傾向於變成均等」是自然界的乙個普遍規律，或換句話說：「熵隨著時間的混亂程度或無序程度。熵越大，系統越混亂，反之，系統越有序。
舉例：我國有句成語「涇渭分明」涇河水清，渭河水渾。涇河流入渭河時，清濁不渾，比喻界線清楚，是非分明。
這種有序狀態是暫時的，他們一經自動混合之後，就再也分不清那種是涇河水那種是渭河水。說明能量的密度差異是朝著均勻方向流動的。又如兩個水庫，水位的高度不同，一高一低，如果把他們連線起來，水會從高水位的水庫流向低水庫，直到兩個水庫的水面相同。
兩例都說明了能量趨向於均勻的分布。熵值隨著時間增大，能量完全均勻分布，熵值達最大值，也就是混亂度或無序程度最高。
克勞修斯把熱力學第二定律推廣到宇宙之中，根據熵增加原理，宇宙中的能量分布在不斷地均勻化。宇宙正在不斷地增大，最後必須達到最大值——平衡態。整個宇宙在走向混亂趨向無序，一切運動都得停止，最後達到「熱寂」。
可是地殼演化歷史正好相反，滄海桑田變遷，生物界、人類出現是在從簡單到複雜，從低階到高階進化發展。這種進化過程與熱寂說的預言退化形成截然不同的鮮明對比。早期的熱力學只考慮系統的內部聯絡不考慮系統與外界環境的聯絡。
近年來新型的耗散結構理論，成功的揭示了這一問題。
3．耗散結構理論——非平衡有序系統的整體性
創始人：普里高津比利時
立足點：系統與外界環境的相互聯絡，相互作用，彌補了早期熱力學的不足。
1）什麼叫耗散結構？
乙個遠離平衡的開放系統，只要通過不斷與外界交換物質與能量，在外界條件的變化達到一定的閾值時，可能從原有的混亂無序狀態，轉變為一種在時間上和空間上或功能上的有序狀態，這種在遠離平衡情況下形成的新的有序結構，依靠不斷地耗散外界的物質和能量來維持，稱為耗散結構。
二層意思：
①開放系統：系統與外界環境有物質和能量、資訊交換。
②在一定條件下，使系統變無序為有序。
簡單概括：消耗外界環境的物質、能量來維持系統內部的新的有序結構。
2）理論：乙個開放系統熵的變化，用公式表示為ds=des+dis
通過引入外界負熵流降低系統總熵，使系統從無序轉入有序狀態，來維持系統的穩定。但強調這種穩定是非平衡的穩定態，所以系統內部的能量總是趨於均等，熵不斷的增加，只有在外界不斷輸入負熵流的情況下，才能保持相對穩定。一旦外界條件撤去，混亂度或無序度就會增加，系統就會回到無序狀態中去。
如：沙漠中的綠洲，就是不斷地從外界獲得物質、能量有負熵流的輸入，才保持這種有序狀態。一旦斷絕了水源，很快就變成寸草不生的沙漠。
自組織現象：耗散結構在與外界交換物質、能量，同時還有一種自組織能力，變無序為有序的過程。如：
生物有機體光、熱、水、二氧化碳轉入無序的物質、能量合成為醣類，變無機為有機儲存於體內，變無序為有序過程。
又如：詩句「野火燒不盡，春風吹又生」大火焚燒過後，第二年春天有充足的陽光和雨水的滋潤，恢復原狀。說明自然地理有自組織能力。
1）資訊：物質、能量和資訊是現代科學研究的三大主題，前面只介紹了耗散結構及其物質能量轉化的基本情況。用資訊概念認識地球表層的整體性——新課題之一。一般理解：資訊——情報、知識
現在理解資訊為物質之間建立聯絡的一種特殊形式。任何物質運動形態都能產生和交換資訊，資訊也能通過物質現象而運動傳播。
如：①天體發生的電磁波包含著天體的構成年齡、運動等各種資訊。
②化石提供了地質時期古動物、植物和地殼演變的資訊。
資訊是事物存在形式運動狀態和規律的表徵。
人們之所以把資訊理解為情報、知識，正是因為物質結構、狀態和歷史在人的大腦中的反映，經過人類的語言文字元號等形式變換以後獲得的產物。
資訊一方面反映了物質、能量分布和變化程度，另一方面資訊在自然界和社會的物質運動中執行這種聯絡的職能。可以說資訊是指乙個系統的有序性，資訊就負熵。生物、人離不開資訊。
新陳代謝——生存發育，新陳代謝是動物體不斷從環境中攝取所需的食物、空氣和水通過有機體的生理功能將食物消化。吸收成為有機體的一部分，排掉殘渣過程。
乙個系統有序是由於輸入了資訊或向外界輸出了熵，如生物進化可看成是系統資訊量的增加或熵的減少的變化。
資訊既不是物質，也不是能量，但它的傳播離不開物質和能量，而物質和能量是否存在、如何存在，要想知道這些又必須通過他們發生的資訊。組成客觀世界的三種基元是物質、能量、資訊。
總結：整體性概念是在發展的，逐步深化的。從傳統的觀點內在聯絡的整體性，定性描述到系統思想結構和功能的整體性和耗散結構理論非平衡有序系統的整體性逐步豐富了整體性的原理，引導著人們從物質流、能量流、資訊流，三個相互聯絡相互補充的客觀過程中去認識整體性，從乙個具有耗散結構的開放有序系統所產生的整體中來把握整體性。
所以整體性是物質能量資訊在耗散結構系統中的運動，變化發展的整體性，用這些新理論認識地球表層，還處於起步階段和探索中。
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