綜合自然地理 第二章 自然地理系統(tǒng)的整體性.ppt

1、第二章著重闡述自然地理系統(tǒng)的整體性、自然地理環(huán)境的整體性，闡述各構(gòu)成成分之間的相互關(guān)系以及自然地理系統(tǒng)的基本特征。 難點(diǎn)整體的認(rèn)識過程。 系統(tǒng)論自始至終不過幾十年的歷史，但以不可替代的綜合、總體、優(yōu)化特性滲透到自然科學(xué)、社會科學(xué)的很多領(lǐng)域，解決工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力網(wǎng)、通訊網(wǎng)、環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、水源利用、能源開發(fā)、社會經(jīng)濟(jì)等方面的多種系統(tǒng)方法在地理科學(xué)得到廣泛應(yīng)用并得到大家公認(rèn)。 系統(tǒng)論已引入地理學(xué)，用于研究地理環(huán)境的結(jié)構(gòu)、功能及其演化，地理思維使結(jié)構(gòu)和方法發(fā)生了深刻變化，把舊地理學(xué)從定性分析和解釋引入了量化分析與定性解釋相結(jié)合的階段。 目前，雖然自然地理學(xué)原理并未完全基于系統(tǒng)論，但許多重要問

2、題仍有待深入探討.但是，這一科學(xué)方法學(xué)有助于更深入了解自然地理環(huán)境的一般規(guī)律.基于對這些個規(guī)律的傳統(tǒng)解釋，用系統(tǒng)論的基本理論進(jìn)一步闡述其新的思維方法第一節(jié)系統(tǒng)綜述、系統(tǒng)綜述、一、系統(tǒng)概念、三、系統(tǒng)的主要特征、系統(tǒng)尺度、規(guī)模和范圍按系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系按人與自然的關(guān)系分類、二、按系統(tǒng)分類、整體層次的關(guān)聯(lián)性穩(wěn)定性的變化、系統(tǒng)綜述、一自然界的一切都是系統(tǒng)存在的有機(jī)的整體， 物質(zhì)世界整體、宇宙天體、太陽系、原子、基本粒子，都是由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的幾個部分構(gòu)成的。 1 .系統(tǒng)尺度、規(guī)模和范圍：星系等宇宙系統(tǒng)，整個宇宙宏命令系統(tǒng)周邊宏命令物體，如生態(tài)系統(tǒng)、人體系統(tǒng)。 原子中的電子的殼層構(gòu)造和原子核構(gòu)造系等的

3、微觀系統(tǒng)是細(xì)胞球中的核、質(zhì)、膜相互關(guān)聯(lián)和相互作用的系統(tǒng)。 二、系統(tǒng)分類二、系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系類別：開放系統(tǒng)系統(tǒng)與環(huán)境之間有物質(zhì)、能源、信息的交換與流通。 在封閉系統(tǒng)系統(tǒng)和環(huán)境之間只有能量的交換和流通，沒有物質(zhì)的交換。 孤立的系統(tǒng)系統(tǒng)與環(huán)境無關(guān)地工作。 系統(tǒng)分類，3，人與自然的關(guān)系類別：所謂自然系統(tǒng)，是指沒有人工印記的各種客觀系統(tǒng)，如天然生態(tài)系統(tǒng)。 所謂人工系統(tǒng)，是指在人造的制造的各種系統(tǒng)，由生成于人造的的各種要素構(gòu)成。 例如生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、管理系統(tǒng)等。 自然與人文的復(fù)合系統(tǒng)是指人類利用自然、改造自然的各種系統(tǒng)，如水利發(fā)電系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)分類、三、系統(tǒng)的主要特征、(一)整體性、(二)層次性、(

4、三)相關(guān)性、(四)穩(wěn)定性、(五)變異性、整體性概念的發(fā)展傳統(tǒng)觀點(diǎn)的整體性內(nèi)關(guān)聯(lián)性系統(tǒng)觀點(diǎn)的整體性構(gòu)造功能的整體性地球表層由地質(zhì)、地形、氣候、水文、土壤、動物等成分構(gòu)成， 這些個無機(jī)自然段和有機(jī)自然段的各組成成分相互關(guān)聯(lián)、相互作用，通過自然的歷史過程，形成自然地理綜合體，該綜合體的任何成分或環(huán)節(jié)的變化影響其他成分或環(huán)節(jié)的變化，甚至是整體的變化。 系統(tǒng)的主要特征是整體性，如，我們位于暖溫帶落葉闊葉林帶，作物一年兩熟，寒冷和溫帶氣候，無霜期短，作物一年一熟，只能種植耐寒、生長期短的作物。同樣，地形要素變化，引起一系列的變化，華北平原發(fā)生地殼運(yùn)動，上升1000米以上，氣溫下降，降水相應(yīng)地變化，土壤、植

5、被也變化。 傳統(tǒng)觀點(diǎn)：基于自然綜合體學(xué)說，運(yùn)用因果規(guī)律，揭示自然地理環(huán)境的動態(tài)特征，一個因素的變化影響其他因素，體現(xiàn)自然綜合體體內(nèi)各因素的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，傳統(tǒng)觀點(diǎn)的整體性是內(nèi)在關(guān)聯(lián)的整體性。 但是，以往的觀點(diǎn)是定性的記述，不能定量地表現(xiàn)整體的原理。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，特別是系統(tǒng)論的出現(xiàn)，對整體性有了新的認(rèn)識。系統(tǒng)的主要特征整體性、2、系統(tǒng)思想功能和結(jié)構(gòu)的整體性(1)功能整體性是系統(tǒng)在外界和內(nèi)部表現(xiàn)的效果(包括物質(zhì)和能量、信息等的傳遞和轉(zhuǎn)換)。 系統(tǒng)論具有重要的原理、功能、超越性性原理，整體系統(tǒng)中子系統(tǒng)所沒有的整個功能大于各部分之和。 整體和部分的關(guān)系主要表現(xiàn)為三種情況：整體=部

6、分之和整體之和、系統(tǒng)的主要特征整體性、系統(tǒng)整體等于系統(tǒng)各構(gòu)成部分之和是經(jīng)過嚴(yán)格精確數(shù)學(xué)多次證明的命題，幾何和代數(shù)從來沒有把這種關(guān)系作為絕對正確的真理。 但是，這個命題只對聯(lián)系不緊密的松散系統(tǒng)成立，只適用于由各要素機(jī)械構(gòu)成的系統(tǒng)。 蘋果的筐和沙粒的山等。如果系統(tǒng)的整體比各部分的和小，系統(tǒng)的各部分互相纏繞，互相抑制，混入寄生現(xiàn)象和壞死的要素，這樣的系統(tǒng)常常使整體的能量大大降低，出現(xiàn)“三個和尚不喝水”的狀況。 如果系統(tǒng)的整體大于各個部分的和，并且系統(tǒng)中的各個組件相互協(xié)作，那么在系統(tǒng)上就會出現(xiàn)新的質(zhì)量，即在整體系統(tǒng)上沒有的功能。系統(tǒng)的主要特征的整體性質(zhì)，例如人雙眼視覺覺功能，大大超過了對兩個單眼視覺感

7、知功能的簡單加法的修正。 雙眼的視敏度比單眼高610倍，雙眼的視覺感知形成立體感，但單眼無力。 另外，當(dāng)時拿破侖在埃及作戰(zhàn)時，同樣是少數(shù)民族的馬木留克對戰(zhàn)，馬木留克兵對英勇的，個人格斗技術(shù)很好。 法國兵當(dāng)時取得了很多勝利，但三個馬木留克兵一定能戰(zhàn)勝三個法國兵。 一百個馬木留克兵和一百個法國兵勢均力敵。 300名法國士兵絕對能戰(zhàn)勝300名馬木留克兵。 這是因為法國士兵在大兵團(tuán)作戰(zhàn)中相互配合得很好，而馬木留克兵不擅長協(xié)同作戰(zhàn)，這起到了整體作用，整體出現(xiàn)的功能不在各部之和。 (2)結(jié)構(gòu)完整性系統(tǒng)科學(xué)取決于系統(tǒng)的整體功能與各元件的相互結(jié)合方式，通常被稱為結(jié)構(gòu)。 因此，總體功能依賴于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從以上例

8、子可以看出法國兵相互配合，結(jié)構(gòu)好，總體功能好，馬木留兵不善于協(xié)同作戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)差，總體功能小于部門和。 從字面上看，結(jié)構(gòu)是各構(gòu)成要素的組合和排列。 結(jié)構(gòu)和功能緊密相連，結(jié)構(gòu)是完成功能的框架和渠道。 也就是說，物質(zhì)、能量、情報的傳遞和變換是通過系統(tǒng)的構(gòu)造來實現(xiàn)的。 相反，物質(zhì)、能量、信息的傳遞和轉(zhuǎn)換是維持結(jié)構(gòu)存在和發(fā)展的基礎(chǔ)。 結(jié)構(gòu)和功能是相互關(guān)聯(lián)的不可分割的兩面，不存在沒有結(jié)構(gòu)的功能和沒有功能的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)的主要特征是整體性，研究整體性必須一邊研究整體功能認(rèn)識其綜合效果，一邊研究其功能是由怎樣的結(jié)構(gòu)決定的。 研究系統(tǒng)如何隨結(jié)構(gòu)、功能的變化而變化，目的是提高整體功能。與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相比，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

9、的整體性反映了自然綜合體的內(nèi)在聯(lián)系和云同步，并定量反映了地球表層物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系。 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀點(diǎn)的不足。 因為系統(tǒng)觀點(diǎn)的整體性與能量的流動有關(guān)，與熱力學(xué)第一定律有關(guān)，所以用熱力學(xué)第一定律探討地球表層的能量的流動和轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)的主要特征是包容性，熱力學(xué)第一定律：能量守恒。 能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，這是普遍的規(guī)律，地球表層的能量流也必須遵循這個規(guī)律。 太陽能進(jìn)入地球表層后，轉(zhuǎn)化為熱能，地面溫度與大氣溫度增加，參與水分蒸發(fā)熱、地形、土壤形成過程，大氣環(huán)流、海流運(yùn)動等都與熱能有關(guān)，地面通過長波輻射，熱能輸出到空間，完成收支量的平衡，能量守恒的普遍原則熱力學(xué)第一定律只要求能量在轉(zhuǎn)換過程中保存，而不

10、限制過程的發(fā)展方向。 熱力學(xué)的第二定律不同，是有關(guān)過程進(jìn)行的方向問題。 克勞迪婭說，能量從高密度的表兄弟流向低密度的表兄弟，直到一切都變得均勻。 指出，系統(tǒng)的主要特征是整體性，孤立系統(tǒng)總是從高溫物體向低溫物體自動傳遞熱量，不能反向傳遞，兩個物體達(dá)到相同溫度，是不可逆的自發(fā)過程。 起決定作用的是能量密度的差異和向平均單向式的流動。 他創(chuàng)造了“熵”這個術(shù)語，表示所有能量在空間分布中的均勻性，用他的話來說，“能量密度的差有均勻的傾向”是自然段的普遍法則，換句話說，“熵隨時間增大”是混亂程度嗎熵越大，系統(tǒng)越混亂，相反，系統(tǒng)越有序。 例1 :中國有“涇渭分明”的說法，涇河水渾濁。 涇河流入渭河時，清濁不

11、淤，比喻界限線清晰，是非分明。 這種秩序狀態(tài)是暫時的，他們自動混合后，就分不清哪個是洼河水，哪個是渭河水了。 說明能量密度的差異向均勻的方向流動。 /兩個水庫，水的高度不同，一個低，把他們連接起來，水就從高水位的水庫流向低水庫，兩個水庫的水面是一樣的。 兩個例子都表明能量有均勻分布的趨勢。 熵值隨時間增大，能量完全均勻分布，熵值最大，即混亂度和無序度最高。 系統(tǒng)的主要特征是包容性，克勞迪婭將熱力學(xué)第二定律傳播到宇宙，而根據(jù)熵增原理，宇宙中能量分布不斷趨于均勻。 宇宙越來越大，最后必須達(dá)到最大值平衡態(tài)。 整個宇宙朝著混亂的方向走向無秩序，一切運(yùn)動停止，最后達(dá)到“沉默”。 但是，地殼進(jìn)化的歷史正相

12、反，滄海桑田變遷，生物界的人類出現(xiàn)了。 正在從簡單向復(fù)雜、從低級向高級進(jìn)化。 這一進(jìn)化過程與靜寂說的預(yù)言退化形成了完全不同的鮮明對比。 初期的熱力學(xué)只考慮了系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系，不考慮系統(tǒng)和外部環(huán)境的聯(lián)系。 近年來新的耗散結(jié)構(gòu)理論成功地揭示了這個問題。 系統(tǒng)的主要特征是整體性，創(chuàng)立者：普里戈金比利時人的腳手架：系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互關(guān)系、相互作用、彌補(bǔ)了早期熱力學(xué)的不足。 (1)什么是耗散結(jié)構(gòu)？ 平衡的開放系統(tǒng)，通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，當(dāng)外界條件的變化達(dá)到一定的閾值時，有可能從原來的混亂無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間、空間或功能的有序狀態(tài)，在這種平衡的狀況下形成的新的有序結(jié)構(gòu)，是不斷地與外界的物質(zhì)、系統(tǒng)的

13、主要特征整體性，3、耗散結(jié)構(gòu)理論非平衡有序系統(tǒng)的整體性，兩層含義：開放系統(tǒng)：系統(tǒng)和外界環(huán)境有物質(zhì)和能量，信息交換是在一定條件下，使系統(tǒng)無序化. 簡言之，就是消耗外界環(huán)境的物質(zhì)、能源來維持系統(tǒng)內(nèi)部的新秩序結(jié)構(gòu)。 (2)耗散結(jié)構(gòu)理論開放式系統(tǒng)熵的變化通過引入外界負(fù)熵流降低系統(tǒng)總熵，使系統(tǒng)從無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。 但是，為了強(qiáng)調(diào)這種穩(wěn)定是非平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部的能量總是均等，熵不斷增加，只有在不斷從外部輸入負(fù)的熵流的情況下，才可以保持相對的穩(wěn)定。 外界的條件一旦被撤銷，混亂度和無序度增加，系統(tǒng)恢復(fù)無秩序狀態(tài)。 沙漠的綠洲，就是不斷地從外界得到物質(zhì)、能量為負(fù)的熵流的輸入，保持這個秩序狀

14、態(tài)。 一旦斷水，就會馬上變成不長草的沙漠。 自組織現(xiàn)象：耗散結(jié)構(gòu)與外部交換物質(zhì)、能量時在云同步內(nèi)有自組織能力，有無序化的過程。 例如，生物有機(jī)體將光、熱、水、二氧化碳等無序物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換成糖類合成，變成無機(jī)儲藏在體內(nèi)，變成無序形成有序的過程。 另外，他還吟誦道：“野火不熄，春風(fēng)吹又生”，大火燃燒后，第二年春天有著可一盞茶的陽光和雨水的滋潤，恢復(fù)了原狀。 說明自然地理環(huán)境中有自我組織能力。系統(tǒng)的主要特征是整體性，信息：物質(zhì)、能量和信息是現(xiàn)代科學(xué)研究的三個主題，以前僅介紹了耗散結(jié)構(gòu)及其物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的基本情況。 用信息概念認(rèn)識地球表層整體性的新課題之一。 一般理解：信息信息、知識。 我們理解信息是建

15、立物質(zhì)之間聯(lián)系的特殊形式。 任何物質(zhì)的運(yùn)動形態(tài)都可以發(fā)生交換信息，信息也可以通過物質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行運(yùn)動傳播。 天體發(fā)出的電磁波包含天體的構(gòu)成、年齡、運(yùn)動等各種信息。 化石提供了關(guān)于地質(zhì)時期古動物、植物、地殼變遷的信息。 信息是事物存在形態(tài)的運(yùn)動狀態(tài)和規(guī)律的特征。 人們之所以把信息作為信息、知識來理解，是因為物質(zhì)構(gòu)造、狀態(tài)和歷史反映在人的腦中，以人的語言、文字、符號等形式轉(zhuǎn)換而得到的。 系統(tǒng)的主要特征是總體，信息反映物質(zhì)、能量分布和變化程度，而信息在自然段和社會物質(zhì)運(yùn)動中執(zhí)行這種聯(lián)系功能。 所謂信息就是系統(tǒng)的秩序性，所謂信息就是負(fù)熵。 生物和人都得不到信息。 新陳代謝是動物不斷從環(huán)境中攝取必要的食物、

16、空氣和水，通過機(jī)體的生理機(jī)能消化、吸收食物，使之成為機(jī)體的一部分，排出殘渣的過程。 一個有序系統(tǒng)是輸入信息量或向外部輸出負(fù)熵，使得例如，生物進(jìn)化可以認(rèn)為是系統(tǒng)信息量的增加或熵的減少的變化。 信息既不是物質(zhì)也不是能量，但它的傳播離不開物質(zhì)和能量，物質(zhì)和能量是如何存在的？ 有什么運(yùn)動規(guī)則？ 為了了解這些個，還必須傳達(dá)他們的信息。 物質(zhì)、能源、信息是構(gòu)成客觀世界的三個基石，系統(tǒng)的主要特征是整體性的，整體概念在不斷發(fā)展和深化。 從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)描述了內(nèi)在聯(lián)系的整體性、從定性到系統(tǒng)思想結(jié)構(gòu)和功能的整體性和耗散結(jié)構(gòu)理論的非平衡有序系統(tǒng)的整體性，豐富了整體性原理，使人們從物質(zhì)流動、能量流動、信息流、三個互補(bǔ)的客

17、觀過程中認(rèn)識到整體性。 從具有耗散結(jié)構(gòu)的開放式秩序系統(tǒng)的整體功能來把握整體性。 整體性是物質(zhì)、能量和信息在消散結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)動、變化和發(fā)展的整體性。 運(yùn)用這些個新理論認(rèn)識地球表層仍在初級階段和探索中。要求：把握整體概念，包括不同觀點(diǎn)的整體意義。 的雙曲馀弦值。 系統(tǒng)的主要特征是總體，每個系統(tǒng)由子系統(tǒng)組成，它本身是更大系統(tǒng)的一部分。 可以從不同的角度分析系統(tǒng)的層次。系統(tǒng)的主要特征層次性、1、空間層次性反映了系統(tǒng)范圍的包含關(guān)系，如國家政體與人體組織的層次結(jié)構(gòu)：全國省市縣農(nóng)村個體大姨媽系統(tǒng)器官組織細(xì)胞分子、層次性、空間層次性、時間層次性、(2)層次性、2、 時間層次性隨著系統(tǒng)的進(jìn)化而具有階段性例如人體經(jīng)驗的階段：胎兒兒童小二哥中年時間層次性是系統(tǒng)發(fā)展的規(guī)律表現(xiàn)，理解系統(tǒng)發(fā)展的時間層次性是認(rèn)識系統(tǒng)發(fā)展變化規(guī)律，對人工系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)定及改造具有重要意義。 系統(tǒng)論把整個客觀世界看作是一個結(jié)構(gòu)秩序、多