第五节 能量与物质在自然地理系统中的传输

在自然地理系统中，能量的传输与物质的传输经常是很难分开的。能量的传输往往伴随着物质的传输，而物质的传输如无能量作为动力，本来是不可能进行的。最常见的例子就是水变为水汽传输到数千公里以外的地方，粗看起来，似乎只是水这种物质的传输过程，但同时蒸发水分时的潜热也要在水汽重新凝为液态水时被释放出来，因而它又是能量的传输。这样的例子我们在自然界是不难见到的。

综观自然地理系统的全貌，能量与物质输入、变换、流通、贮存、输出的方式，可以归纳为四种类型，这可以用习见的地质循环、水分循环、大气循环和生物循环，作为近似的表达。在这四种循环中，自然地理面均是循环过程的必经链条，联系着物质能量由内、外环境的输入再经映象后，输出到内、外环境当中去。在自然地理系统中，一切涉及物质能量交换、传输和贮存等，从大规模和大范围着眼，均可由这四大循环加以阐释。它们代表了固态、液态、气态三种状态；代表有机与无机两大类型；以及势能与动能、显热与潜热等不同的形式，在全球范围内的流通过程。并且这四大循环过程巧妙地偶合在自然地理系统之中。1．整个地质时代中，地球表面是被四个基本地质过程的不间断循环所控制的。

1. 风化作用：包括了所有剥蚀陆地物质的作用手段，它动用全部损毁地球陆地表面的力，如机械的、化学的和生物的各种方式，既破坏表面的岩石， 也侵蚀着表面的土壤；

2. 输运过程：把上述的风化产物通过各种渠道，输运到远离产生它的地方，这些风化物最终的输运目标是海洋的底部（当然也包括在湖底及低地等）；

3. 沉积过程：在改变温度、压力和深度的状况下，使得输运来的风化物逐渐密实，改变成分，并在岩化作用条件下，逐渐变成为岩石；

4. 构造过程：最后的一个基本过程称之为构造过程。由于地球内力的作用，产生地壳的抬升、下陷、断裂、褶曲、火山、地震等现象，同时也发生着地壳大规模的水平运动。这个构造过程有时是剧烈的，有时是缓慢的；在此处可能是剧烈的，在彼处可能是平静的，主要视地球内能的输入状况来决定。

地质循环的这四个基本过程是互相联结的，其动态演化可以参看图3．14。

由图 3．14 可看出，陆地表面的土壤是在地质循环的一刹那形成的，土壤体本身经历着一种更为迅速的动态演化，随着循环过程的演进，土壤不断地消失也不断地产生，进行着积极的更替。由于它的物质组成以及所处的位置，因而它十分容易遭到侵蚀；但又由于在其中发生着极有意义的物质转换过程（是无机物转换为有机物的基本场所之一），因而它又成为地表面有机界与无机界互相关联的一个枢纽部分。这就是人们对于土壤这个极薄层次的认识。土壤之所以表现为自然资源，就在于它的基本作用是作为初始生产力的代表者——植物的生长基地，也是微生物和土壤动物的主要栖息地。这样， 土壤的形成、演化、侵蚀或保持等，肯定与其它因素（例如地质循环、地形状况、热量与水分条件、土壤本身的物理化学性质以及其上的植物、其中的微生物和土壤动物等）有密切的关系。土壤具有肥力，并有特定的结构和功

能。

土壤作为土地来看待，它具有特殊的生产潜力，与人类的关系至为重大。美国农业部的专家们对这方面的研究指出，把土壤当作土地看待时，可根据它所表现的生产潜力进行分类，用以辨认和衡量人们需要了解的潜力级别。

（见图 3．15）

联系到物质能量在自然地理系统中的传输过程，人们的目的之一在于尽量维持土壤这一类极有价值的物质，不使其尽速地输出于系统之外，当然土壤的侵蚀有地质速率和加速速率两种。前者要求人们认识它、遵从它；后者要求人们防止它、改造它。现引述福奈尔（Fournier，1972 年）的一项资料， 说明不同处理的土壤侵蚀程度（见表 3．1）。

对于自然地理系统的认识和进行结构上的改造，以及实行控制，是能够达到改变状态变量及输出速率的。2．水分循环：水循环在全球规模的能量物质输运过程中，采取两种主要的方式。其一，水本身通过相变，即由液

表 3．1 在三种耕作实验区中的土壤侵蚀量

其中：1．无土壤保持措施 2．具有等高线耕作和排水控制

3．具有等高线耕作和梯田

态或固态转换成气态，随着大气环流或地区性的空气运动，传播到远方， 而后在适当的条件下，再由气态转换成液态或固态，返回自然地理系统。这种通过相变方式的水循环过程，其输运能量的本领通常比输运物质的本领更

为引人注目；其二，通过热力学梯度或势能梯度的作用，以洋流或陆地上的河川迳流为代表，进行对物质能量的大规模传输，这是水循环中又一种重要方式。在此方式中，水并不需要发生相变，例如在赤道附近的海面，由于所接受到的太阳辐射能数量多，因此温度相应也比较高，而在高纬地区的海洋， 由于单位面积接受的太阳辐射能少，因此它的温度相应比较低。于是在低纬与高纬之间必然形成由于能量分布不均匀所引起的热力学梯度。依照热力学第二定律，热量必定要由温度高的地方自动地向温度低的地方传递，这种传递加上风力作用的帮助（风可以看作是热力学梯度在气态中的表现形式）， 便形成了洋流。此外，由于海洋表面的温度高于其下层的温度，因而在垂直方向上也有热量的交换，但它的规模比起水平运动的洋流来要小的多。当然在洋流的形成中，海水密度的差异也是重要因素之一，但这里则主要说的是由温度梯度而引起的水流运动。

至于在陆地上的迳流，其所以运动的原因关系到势能梯度的存在，势能梯度形成的原因很复杂，既牵涉到地球的构造运动，也牵涉到外力的作用。由于这个势能梯度，因此“百川归海”成为了一个名符其实的原则。

这第二种传输方式所表现的侧重点，与第一种依赖水的相变而循环是不同的，因为它的主要作用不仅仅是传输能量，而且传输物质的比重相应地更大。例如迳流本身，它既是相变水循环的一个组成部分，又是地质循环中输运风化物质的主要传送带，同时还是侵蚀地面特别是侵蚀土壤的一个重要外力因子。这样，我们可以说第二种方式输运物质的本领更引人注目。3．大气循环：在自然地理系统中，有相当一部分的物质和能量，是通过大气循环的方式进行输入和输出的。由于气体的自由度最大，运动速度比较快，交换能力也比较强，因此它的作用也是很大的。

大气环流的动力，主要是由太阳辐射能加热地面，再由地面进行热辐射到大气底部（对流层内）以及热对流来提供的，此外还由于水汽在大气中的凝结放出汽化潜热来提供。作为一种对比，我们可以分析一下海洋和大气在增温上的明显差异。海洋中的加热是在其表层进行的，因而导致了比较稳定的状态；而大气却是在底部进行加热，这样就导致了它的强烈的不稳定。这种强烈的运动有助于我们更好地去理解大气活动的规律。

至于全球性的大气环流，其形成也是由于太阳辐射能在全球的分布特点所造成的。让我们先来考虑一个典型的大气状况。在赤道由于温度高，空气必然产生膨胀，于是在高空的气压就会高于极地上空的气压。在气压梯度力的作用下，赤道上空的空气便能自动地向极地流去。而地面的状况是，在赤道地区为低压，极地地面为高压，于是在低层就要产生从极地流向赤道的气流。这样从高空的由赤道到两极，和从地面的从极地到赤道，气流就构成了南北向的闭合环流。这可以算作大气环流的雏形吧！

但随之复杂的现象就产生了，由于地球自转而造成的地转偏向力效应， 在北半球它使运动的气流向右偏转，在南半球运动的气流向左偏转，而且这种偏向的作用随着纬度的增加而增加。当气流从赤道上空向极地流动时，因受这种偏向力作用，就使得原来的南北向逐渐发生变化，到纬度 20—30 度处，空气运行方向就成为东西向了，于是空气在这里发生了堆积沉降，使得此处地面气压升高而形成了一个高压带，一般称之为副热带高压。在副热带高压和极地高压之间，有一个相对来说的低压带，称为副极地低压带。这样在副热带地区的近地层，空气就分成两支分别向赤道和两极流去。向赤道流

去的一支在北半球为东北风，称东北信风带，对应在南半球为东南风，称东南信风带。这就是通称的信风环流圈。至于从副热带流向极地的那一支气流， 称为极地环流圈。而在中纬度处，在南北方向上也构成一个环流圈，称中纬度环流圈，其运行方向与上述的信风环流圈和极地环流圈相反。我们可以参考英国气象学家哈得利（Hadley）在 1735 年提出，后来又经美国气象学家凡利尔（Fer-rel）修改的大气环流模型。（图 3．16）

复杂的状况远不止此，例如海陆的分布差异、地形的差异、下垫面状况以及大气与地表的摩擦等，都会对大气环流产生各种各样的影响。真实的大气环流，就是在上述各种因素综合作用下的表现。

即以地面状况来说，它对于大范围中的大气环流有显著的作用，巨大高亢的青藏高原就是一例。此外雪和冰的范围，必然对应着高空西风带里的低压槽，这一观测到的现象，很好地说明了热力的惯性作用，即由于水的比热大和冰雪融化的潜热所造成的特定现象。

纳米亚斯曾研究了经常为雪所覆盖的地面，应用它所引起的热力偏差去说明地表状况对大气环流的影响。他以 1960 年洛基山以东的美国地区为例。在这一年的二月中旬到三月中旬，这个地区一直维持着积雪，引起了好几次高气压的爆发，使地面刮着持续的偏北风，并使积雪位置达到北纬 36°（比常年偏南）。这种现象是怎样引起的呢？因为在积雪区以南的地面吸收太阳辐射能量平均为 300 卡／平方厘米·日，而为雪所覆盖的区域对太阳辐射要丧失 80％，遂使这一部分大陆比正常季度吸收的热量要小的多。

大气环流在输运物质与能量上，作用是很大的。如在赤道发生的环流圈， 平均每秒可以流动 2×10⁸ 吨空气，因此它也不断地改变着自然地理面中的能量、动量、水分和其它物质的分配，成为传输物质能量的有效手段之一。4．生物循环：它包括两个方面的含义，一是生物作为土壤-植物-大气之间的一个联系环节，从而成为水分循环的重要通道之一；其次也是更重要的，它实现了有机界与无机界之间的互相转化。生物循环对于能量的贮存和消耗，对于化学元素（特别是一些微量元素）的迁移和积累，对于碳循环，氮循环，氧循环和其它有关成分的循环等，都具有明显的作用。从而使其在自然地理系统的物质能量交换中，成为又一个相当重要的方面。