第8章地球表层系统的整体特征第1节地球表层系统的结构第2节地球表层系统的功能第3节地球表层系统的概念模型一、地球表层系统的圈层结构六个子系统形成地表系统的空间序。

三个无机子系统：大气圈、水圈、岩石圈一个类有机子系统：土壤圈一个有机子系统：生物圈一个超有机子系统:人类圈或智慧圈每个圈层内部又有次级的组分和结构，形成一个有层序的整体，它们都属于开放系统。

（一）大气圈（atmosphere）1.包围地球，空间上连续的圈层；2.具有相对小的质量和厚度；3.具有较大的可压缩性，小的比热和密度；4.易于流动，具有很大的变率；5.对于外界扰动的响应时间最短；6.具有混沌性质——非线性；7.地球表层系统中能量传输的重要载体。

（二）水圈（hydrosphere）1.具有空间上不完全连续的性质；2.质量仅次于岩石圈；3.具有重要的热特性（如热容量高）；4.生命过程的重要介质和活跃的外营力；5.不同水体对环境扰动的响应时间差别显著；6.排熵最有效的介质；7.地球表层系统中的能量储存器和稳定因素。

（三）岩石圈（lithosphere）1.固体地球的一部分，具有连续分布的特点；2.质量最大的圈层；3.通过地形对其它圈层的性质和状态产生影响；4.对外界环境扰动的响应时间最长；5.除了地震和火山活动外，运动异常缓慢；6.地球表层系统中“不变”的因子。

（四）土壤圈（pedosphere）1.呈不连续分布,且质量很小；2.处于大气圈、水圈、岩石圈和生物圈交界面；3.大气、水、岩石、生物之间进行物质与能量循环、转化、交换的中心场所；4.对于外界环境扰动的响应时间很长；5.地球表层系统中相对稳定的因子。

（五）生物圈（biosphere）（1）地球上所有植物、动物和微生物等生命有机体及其占据的空间；（2）呈不连续分布，且质量很小；（3）使太阳能在地表系统中传输、转化的过程延长，效率提高；（4）将负熵流引入地球表层系统，促进系统向有序方向演化；（5）生物圈对于大气圈变化的响应最为敏感，响应时间从季节到数百年；（6）在人类活动的巨大扰动下，生物物种的数量正在以很快的速度减少。

（六）人类圈(anthroposphere)（1）由人群（生命世界的一部分）、人造工具和人类创造的各种物品（器件世界）、以及作为人类大脑活动产物的文化（精神世界）组成；（2）从自然属性上看，人类圈是地表系统的一个普通的组成部分。

（3）从社会属性上看，人类具有主观能动性，能显著地改造其生存环境，也能通过人类文化进行自我控制，并将这种自控和对于环境的调控结合起来，以促进地球表层系统的进化；（4）控制人口的增长是协调人与环境关系，实现可持续发展的重要战略措施。

二、地球表层系统的时间结构整个地球表层系统及其各组成要素都具有随着时间的推移而变化的特性，形成系统的时间序。

（一）动态指系统的圈层结构及其功能不作根本改变的可逆变化，体现了系统的自稳定性。

这种变化通常具有不同的周期、振幅、趋势和阶段性。

昼夜节律, 季节节律, 超年节律高层次的节律往往包容着低层次的节律；低层次的节律则是高层次节律的组成部分。

（二）演化指系统的圈层结构及其功能作根本改变的、不可逆的或循环周期很长的变化。

自身演化是一种自然的过程，表现为系统从简单到复杂，从比较无序到比较有序的进化，也可称为自组织演化。

被动演化是一种叠加在自然过程之上的人文过程，表现为人类对于地球圈层结构与功能的某种改造，也可称为被组织演化。

它可以是完全不可逆的过程，也可能是周期很长的一种节律，但其周期的不确定性更大，构成了各种动态变化的大背景。

三、地球表层系统的时空尺度定义：在地球表层系统内发生的事件及其过程，都具有一定的空间与时间的延展性（界限），并且二者之间存在着一定的关系，称为时空尺度。

表现：不同时空尺度事件发生的驱动因子和控制过程是不同的。

（一）时间尺度1.五个时间尺度2.自然地理学的关注点注重现代的事件和过程，特别是从季节到近百年时间尺度上的过程，主要包括大气、海洋、陆地和生物之间的相互作用。

（二）空间尺度1.四个空间尺度2.自然地理学的着重点注重运用从全球着眼，从区域和地方入手的方法论，研究地方自然要素的综合，以及社会经济与生存环境变化之间的关系；地方之间的相互依存性与空间格局的形成；尺度之间的相互依存性与尺度转化机理。

（三）时空尺度的联系性各种事件和过程的时间尺度与空间尺度是相关联的。

一般来讲，较大空间尺度的事件和过程，其时间尺度的范围也较大；反之，时间尺度的范围也较小。

不同时间与空间尺度的事件和过程尽管影响范围不同，性质也各异，但它们是相互作用的，并且具有一定的尺度转换关系。

宏观事件是微观事件产生的背景，微观事件构成宏观事件发生的基础。

不同时间与空间尺度的组合具有一些典型事件和过程，要研究某种事件和过程，应该根据它发生的特征时空尺度确定研究的时段和区域范围。

地球表层系统中事件与过程的时空尺度第2节地球表层系统的功能定义: 系统与外部环境相互联系和相互作用中表现出来的性质、能力、功效等，主要表现为在太阳能量输入驱动下的物理过程、化学过程和生物过程之间的相互作用。

两个层面：自然圈层之间人与环境之间一、圈层之间的相互作用（一）海-气相互作用热量交换：海洋占据地球表面积的71%，并且海水具有流动性和比热大的特点，它是地表系统中最主要的太阳能量存储器。

在热量交换中，海洋起着主导的作用。

动量交换：交换主要表现在大气通过风应力向海洋提供动量，形成海浪和洋流，并导致大范围内的能量与物质输送。

在动量交换中，大气起着主导的作用。

物质交换：水分交换是海-气界面物质交换的最主要过程；气体交换具有调节温室气体浓度的作用；盐粒交换，为大气提供了一种气溶胶。

地球表层系统各圈层之间的相互作用（二）陆-气相互作用热量交换：岩石、土壤和植被表面接受太阳辐射能，并通过热辐射、传导、湍流、对流、蒸发、蒸腾等形式加热大气，大气也通过红外辐射的形式对地面起到保温作用。

在热量交换中，陆地起着主导的作用。

动量交换：由于陆面起伏的地形、粗糙的地表物质和植被等产生的对于风的阻力，加大地面的摩擦。

物质交换：水分交换；植物与大气之间O2、CO2的气体交换；陆面的尘埃、花粉、气溶胶进入大气产生的颗粒物交换等。

（三）海-陆相互作用物质交换：最常见的海-陆间物质交换是入海河流将陆源的泥沙输入海洋，陆地在物质交换方面起着主要的作用。

动量交换：在滨海地区，海水的动能对海岸产生机械剥蚀作用，剥蚀下来的物质由海水搬运并沉积形成沙滩或砾滩。

海洋在动量交换中起着主要的作用。

海平面变化：由于全球气候变暖，使海水膨胀、极地冰原和大陆冰川融化，导致海平面上升。

小结：各圈层之间的相互作用往往具有物理、化学和生物过程的综合性质，某一种性质的变化可以引起其它性质发生相应的变化，这三种过程的相互转化与相互作用，在大气、土壤与生物之间的交界面上表现得最为显著。

二、人与环境的相互作用（一）在自然资源输入端的相互作用主要表现为人类开发、开采自然资源和物质，并将其输入到人类圈内或改变其在自然界中的位置与性质。

非生物性资源和原材料生物性资源和原材料土地和空间资源水资源空气资源生态包袱：资源开发与输入过程中的物质损失量。

人类与环境之间相互作用的模式全球非生物资源和原材料的产量及其生态包袱比值人类对资源的开发越剧烈，对自然界自身演化过程的扰动作用就越大，环境对人类的负面回馈作用也就越大且越深远，这样人类为改善其生存环境质量所需投入的附加自然物质与能量就会更大，从而引发成一个类似“滚雪球”的正反馈效应。

因此，尽可能减少物质和能量向人类圈的输入量，是改善人与环境间在自然资源输入端相互关系的唯一途径。

（二）在废弃物输出端的相互作用主要表现为废水、废气、固体废物的排放，农药、化肥的施用和流失。

物质守恒原理：输入量＝存量＋输出量在存量基本恒定的条件下，人类从自然界获取的资源数量越多，经生产和消费过程排放的废弃物数量就越多，同时，为了处理、处置这些废弃物所需消耗的附加自然物质和能量也就越多，这样必然加剧资源和原材料的消耗，从而会引发另一个正反馈效应。

由此可见，改善人与环境间在废弃物输出端相互关系的根本途径仍然是尽可能减少物质和能量向人类圈的输入量，并提高物质、能量和废弃物的循环利用效率。

我国物质需求总量已显著超过国土面积大致相当的、最大的发达国家美国，说明相对于美国而言，我国经济系统的物质资源投入超量，生态环境压力很大。

我国人均物质需求量虽然低于发达国家，但人均国内物质需求量已经超过荷兰和日本，说明经济系统的运行主要依赖于国内资源的消耗。

我国单位物质投入所创造的GNP数额明显低于发达国家，说明我国资源开发粗放，且利用效率低下。

物质输入总量与输出总量（不包括水）在1985－1997年期间呈现相似的增长趋势，说明输入量在一定程度上决定着输出量的多少。

因此，控制自然物质资源的输入量是减少输出端污染物排放量的有效途径。

自来水供应量和城市生活污水排放量的时间序列遵循多项式的统计关系，说明输入水量在很大程度上决定着废水的输出量，因此，节约用水才是治理水污染的根本途径。

物质消耗强度和物质排放强度（不包括水）均呈显著增大的趋势，并且人均物质输入量的增长速率大于人均物质输出量的增长速率，此外，在物质输出方面，废气和固体废弃物的人均排放量增长迅速。

在用水量与废水排放量的强度方面，人均用水量的变化趋势不甚显著，而人均城市废水排放量则逐渐减少。

物质利用效率明显提高，创造单位GDP的物质输入量与输出量（不包括水）均呈下降的趋势，其中，单位GDP的固体废弃物和废气排放量显著减少。

此外，单位GDP的水资源消耗量和废水排放量也呈减少的趋势。

第3节地球表层系统的概念模型定义:利用积累的大量观测和实验事实对这些子系统模型进行综合集成，用统一的观点加以解释，得到的一个关于地表系统变化的整体性的图象。

它以框图的形式表示，是对整个系统进行数值模拟计算的认识基础。

建立这种模型的基本假设是：地球表层作为整体具有可以理解的秩序。

地球表层系统的概念模型一、地球表层系统的驱动力量（1）太阳辐射直接或间接地影响着大气热力状态、运动状态和化学成分的变化，以及大气、海洋、陆地之间能量转换、物质循环的强度和速度的变化。

（2）地球内能最主要的驱动因子是火山活动，它通过喷发出多种颗粒物和气体引起大气上层化学成分发生显著改变，也属于一种外部的驱动力。

（3）人类活动改变自然物质含量的比例关系。

改变自然物质的赋存位置。

带给自然界原来不存在的物质。

二、地球表层系统的控制过程（一）物理气候过程受到太阳辐射能量输入、火山活动和平流层大气化学成分的影响，主要包括：大气动力过程海洋动力过程陆地表面的能量收支过程水分循环过程由于光、热、水是生物的基本生活条件，它们的变化必然会引起陆地和海洋生态系统结构与功能发生相应的调整。