径 流 量 （ 10 8 m 3 ）
1000 800 600
性之间的作用,如中游水土 流失与下游泥沙沉积、流域 降水量和径流量的关系等。
300 200 100 0
年降雨量 年径流量
400 200 0

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
五、地球表层系统
（一）定义 地球表层是由大气、水体、岩石、土壤、 生物、人类相互联系、相互制约所形成的开 放系统。 是地球上最有序的部分； 是人类活动影响最为剧烈的部分。
（二）边界 上边界：大气对流层的顶部，距地球固体 表面的距离在极地上空约8km，赤道上空约 18km，平均在10km左右。 下边界：岩石圈上部沉积岩层达到的深度， 距地球固体表面的距离约4-5km。
地貌的层次
城市景观的层次
（三）自稳定性 系统的结构、功能、状态、行为的恒定 性，即系统具有一定的自我调节或抗干扰的 能力。一般来说，系统的组成和结构愈复 杂，自稳定性愈高。 开放的稳定：在与环境之间不断进行物 质、能量、信息交换的过程中才能保持。 动态的稳定：稳定不是静止，而是围绕 一个稳定状态的上下波动。
黄河流域降水量与天然径流量变化
（二）系统的类型 1.孤立系统：系统与环境之间既没有 物质交换又没有能量交换，如宇宙。 2.封闭系统：系统在物质交换方面是 封闭的，但在能量交换方面是开放的， 如地球。 3.开放系统：系统在物质和能量交换方 面都是开放的，如地球表层。
太阳能
地球表层 开放系统
水分、气体
Q (U2 U1 ) W
2. 热力学第二定律：热量总是从高温物体传 到低温物体，不能作相反的传递而不引起其 他变化；功可以全部转化为热，但不可能从 单一热源吸收热量，全部用来做功而不产生 其他影响。在一切与热有联系的现象中，自 发地实现的过程都是不可逆的。 • 热力学熵：系统能量不可利用性的量度。
（3）开放系统 由于负熵流的输入量抵消系统内部的熵产 生量，且有负熵的盈余，使系统的总熵降 低，向着微观状态数减少的方向演化，即从 宏观热力学概率大的状态向宏观热力学概率 小的状态演化，意味着系统内部趋于整齐和 有序，如地球生物圈的演化。
二、系统的性质
（一）整体性 若干部分按照某种方式整合成为一个系 统，就会产生出整体具有而部分或部分总和 所没有的特性，称为整体涌现性。
太阳
地球系统
大气圈
生物圈 土壤圈
水圈
岩石圈
河流系统
溪流
径 坡面 流
冲沟
分水岭 分水岭 河间 地 河谷 河 谷 分水岭
流域盆地 流域盆地
植物群落系统
高层树冠
中层树冠
低层树冠
2.结构与功能 （1）结构：系统各组分间相对稳定的关联方式。 （2）功能：系统与环境相互作用的功效和能力。 （3）二者的关系： 结构相对稳定，功能则易于变化。 结构决定功能，功能可反作用于结构。
450 降 雨 量 （ mm ） 400 350 300 250 200 150
700 600 500 400 300 200
汛期降雨量 汛期径流量
（4）状态：组分、属性和 关系所具有的量值。 （5）过程：系统状态变 化的历程。
100 50 0 1956 1966 1976 1986 1996 100 0 2006
如果系统充分开放，从外界引入了足够的 负熵流，使得dSe<0，且|dSe|>dSi，则有dS<0， 于是系统的总熵降低，能量可利用性提高，系 统可以自发地组织起来，形成有序结构，称为 耗散结构。
4. 微观熵 （1）微观熵的数学表达（玻耳兹曼关系式）
S k ln
式中：S为微观熵，k为玻耳兹曼常数，Ω为 与某一宏观状态对应的微观状态数（微观粒 子排列组合方式），称为该宏观状态的热力 学概率。微观熵是系统内部混乱度的量度。
自然地理学
国家级精品课程
主讲教师：陈效逑、蒙吉军 /chenxiaoqiu/cov er.html, cxq@
第1章 绪 论
第1节 地理学与自然地理学 第2节 自然地理学的研究领域 第3节 自然地理学的系统方法
第3节 自然地理学的系统方法
25
线性系统
非线性系统
20
15 y 10 5 0 1 2 2 3 4 x 5 5 6 7 8
（二）层次性 系统有大有小，形成一种层次结构。大的 系统通常由小的子系统有机地结合而成，子系 统又由更小的二级子系统构成，依此类推。 层次的相对性：地球-地球表层-生物圈-人 类圈 层次的性质：较高层次系统之间的结合强度 较弱，但具有比低层次系统更为丰富的性质和 功能。
428,235 343,751 22,726 794,712
3,471.6 1,206.4 785.6 5,463.6
43 30 3 76
331.7 201.1 2.0 534.8
（3）关系：不同组分或属
降 雨 量 （ mm）
700 600 500 400
1200 径 流 量 （ 10 8 m 3 ）
系统的状态
稳定状态
稳定状态 不稳定状态
稳定状态
稳定状态
三、系统反馈
（一）反馈的概念 一个系统的输出反过来作用于输入，从而 对系统再输入产生影响的机制。 对于一个系统过程来说，指过程结果反过 来对该过程本身及其原因产生影响的机制。
（二）正反馈 系统结果使原因在原来变化方向上得到促 进，例如：陡坡开垦产生的越垦越穷，越穷 越垦现象；湖水污染-鱼类死亡-污染加剧；我 国GDP高增长-环境破坏加剧-GDP高增长。 正反馈过程一般是一种趋势性的变化，具 有方向性，它使系统趋于不稳定，产生偏离 平均状态的涨落，是导致系统自组织的原因。
一、系统的概念 二、系统的性质 三、系统反馈 四、系统模型 五、地球表层系统
一、一般系统论(general system theory)
1.一般系统论的基本观点 （1）真实的世界就是整体 （2）世界的部分具有可以理解的秩序 （3）世界作为整体也具有可以理解的秩序 2.一般系统论的任务 （1）确立系统的一般原则 （2）概括系统的共性特征
二、系统的概念
（一）系统的定义 1.系统与环境 （1）系统:由相互关联和相互制约的若干组成 部分结合而成的、具有特定结构和功能的有机 整体，它具有模糊的或确切的边界。 （2）环境:系统边界以外的部分。 （3）二者的联系:物质、能量和信息的交换。
太阳系
土星 海王星 天王星 木星
火星 地球 金星 水星
整体涌现性——全球风场
整体涌现性——城市热岛
1.非还原或非加和：整体不等于部分之和 沙袋可以筑堤防洪，而散沙则不具此功能； 氢原子和氧原子键合形成水分子，后者具有 与前者完全不同的特性； 土壤的水、肥、气、热组合决定其肥力，而 单一条件好的土壤，肥力不一定高。
2.非线性 一种原因可以导致若干个不同的结果，不 同原因也可产生相似的结果（全球变暖）； 输出的结果并不与输入的扰动呈比例。
（四）自组织性 系统从一种稳定状态自发地变成为另一 种稳定状态的过程。 演化阶段：原有稳定状态→涨落放大→ 系统自我调节能力遭到破坏→重新组织→ 新的稳定状态。
演化方向： 正向涨落（dSe <0，|dSe|>dSi，dS <0）导 致系统从较无序向较有序方向进化，如生物 进化； 负向涨落(dS >0)导致系统从较有序向较无 序方向退化，如土地荒漠化。
3.组分、属性和关系 （1）组分：系统的组 成部分，如黄河由上、 中、下游及众多的支流 组成。 （2）属性：组分可以
河段 区间
被感知的性质，如黄河 中游的长度、面积、流 量、含沙量、水质等。
面积 (km2)
长度 (km)
支流数目 (条)
天然径流量 （亿m3）
上游 中游 下游 全河
河源~河口镇 河口镇~桃花峪 桃花峪~入海口 河源-入海口
2.图解模型（概念模型）：框图、示意图、 地图、流程图等，如：大气环流模型，生态 系统能量流动和物质循环模型。
3.数学模型: 描述系统和要素之间相互关系的 数学表达式，一般由状态变量、函数式和参数 三部分组成。 机理模型：模型的参数是由建立模型所依据 的某种理论所确定的，具有物理学、化学、生 物学的意义。如描述黑体辐射能力的斯蒂芬玻耳兹曼定律：
E T
4
经验模型：模型参数的估计是基于观测或 实验数据，通常不具有物理学、化学、生物 学的意义。如早期的全球陆地初级生产力模 型,y为净初级生产力（g‧m-2‧a-1），x为年平 均气温（℃）。
3000 y 1 . 315 0 . 119 x 1 e
（三）数学模型的建立过程 1.概念模型的提出 2.模拟：适当简化 3.预测：外推应用 4.误差评估：可接受性
系统环境：上边界以外的大气上层和下边 界以外的固体地球部分。 地球表层系统的边界具有逐渐过渡的性 质，随着人类活动对地球表层的影响范围与 影响强度的增大，系统边界呈扩张的趋势。
水分、气体
大 气 圈
圈 水
生物圈
岩石圈 岩石 热 量 热 量
植物叶片开放系统
二氧化碳 二氧化碳
氧气
氧气
阳光
能量储存在糖和其 他碳水化合物之中
糖和其他碳水化合 物的分解（氧化）
水 矿物质，水和 其他营养物质
水分蒸腾
水 矿物质，水和 其他营养物质
水分蒸腾
热量散失
（三）系统的热力学性质 1.热力学第一定律：外界传给系统的热量 （Q），一部分用于改变系统的内能(U2－ U1)，另一部分用于系统对外作功(W)。即 能量的形式可以转换，但数值是守恒的， 能量不会凭空产生或消灭。
能质和熵
能量类型 宏观物体的动能 引力势能 电势能 核反应热能 太阳光能 化学反应热能 沸水的热能 海水的热能 宇宙背景辐射的热能 每焦能量携带的熵值(J/K) 0 0 0 10－11 10－5 10－4 2.710-3 3.610-3 310-1