（一）自然地理面是独特的三相交界面

在广阔的大自然中，物质的界面是一种特殊的存在条件。凡是处于界面上的物质，其所表现的物理特性和化学特性，与物质的内部（即非界面）相比，肯定具有十分独特的表现。而我们所谓的自然地理面，就恰好位于地球固-气，液-气和固-液这三种物质的交界面上或是它的附近。至于地球的其它部分，具体说就是自然地理面的内部环境和外部环境，都没有这种独特的存在条件。由此也就决定了处于自然地理面中物质与能量的交换，具有自身显著差异于地球其它部位的特性。界面现象在微观研究中，是必然要考虑的基本因素之一。作为地球的自然地理面来说，它的这种界面现象可以理解为无数微观现象的总和，从其整体效应中，再以宏观上的界面现象表现出来。

首先，把一定体积的固体物质粉碎之后，其微粒的总表面积肯定大于原来整块物质的表面积，而且粉碎得愈细，这块物质的总表面积就愈大。举例来说，假定我们取一个边长为 1 厘米的立方体，它的总表面积不过 6 平方厘

米，如若将它切成边长为 0.5 厘米的 8 个小立方体，总表面积立即增大至 12

平方厘米，照这样分割下去，待到所取的微粒边长为 10-7 厘米时，其总表面积即可达到 6，000 平方米，参看图 2．3。

从物理意义上看，能量和物质在开放系统的交换与传输，主要是通过界面来进行的；从化学意义上看，吸附作用和吸收作用，在很大程度上取决于所接触到的表面积，在前一种吸附作用下，物质被附着于表面，在后一种吸收作用下，物质要通过表面才能进入内部。因此，在其它条件相同时，较大的表面积，将会有更多更快的物质能量交换，也会有更多更快的吸附和吸收。已经发现在组成成分相类似的土壤中，体积相同的旋绕型土壤颗粒将比球型土壤颗粒吸收更多的水分子，由于前者的表面积要大一些。随着颗粒的变小，表面积（S）与体积（V）之比迅速增加。S/V 比值的变化，只有在界面中才能很好地表现出来。

以陆地表面与大气相接触的固-气界面而言，的确具有总表面积不断增大的趋势。由于陆地表层在外部环境不断输入能量进来的情况下，遭到强烈的风化作用，将使整块的岩石不断碎裂成小块，这种由大变小、由粗变细的过程，也就是总表面积逐渐加大的过程。倘若进一步形成土壤，那么所组成的颗粒将要变得更细，S/V 的比值就有更加迅速的增大。这里我们有一个浅显的例子，已知目前地球上陆地的表面积约为 150×106 平方公里（一亿五千万平方公里），假定在地面以下深 1 米的距离内，整个陆地的体积统统碎裂为

平均边长等于 1 厘米的立方体颗粒，其表面积将比一亿五千万平方公里增大一千倍，在自然地理面中，表面积随着颗粒变小而惊人增长的事实，不能不引起我们的极大重视。另一方面，一块平整的陆地表面，由于内部环境中地球构造力的作用，出现褶曲、凹陷、断裂等，也是使得地表比原来面积增大

的过程，这是不断扩大表面积的又一种方式。

在夏天，荷叶上的水珠，或者是在秋天清晨凝结在草叶上的露珠，都以圆球的形状存在着，这是我们日常能够碰到的事实。如果用分子间的相互引力来解释，那是很容易就可理解的。如下图（图 2．4）：横线 AB 表示水体的上表面，在 AB 之上为空气，空气和水在 AB 形成一个明显的界面。水分子在大块液体中的存在位置，我们分别以三种状况去加以讨论，并用 m，m1，m2 代表。每个分子的小圆，表示着水分子引力的范围。在水体中间，分子 m 对各个方向上所受到的引力可以互相平衡，它们的合力等于零。而分子 m1 离开表面 AB 的距离小于分子引力范围的半径，它从上面所受到的引力，要比从下面受到的引力为小，因为在界面 AB 之上的气相中，空气分子的浓度比水分子的浓度小得多，所以近似地认为 AB 线以上分子的引力等于零，这样处理的结果，形成了对分子 m1 的作用合力 f1，它力图将分子 m1 拉入水体中间；同理，作用在分子 m2 上的合力 f2 更大，由于分子 m2 更加接近界面 AB。由此，看出液体表面的分子总是处于方向指向水体内部的引力之下，此力企图尽量缩小界面的表面积。这种趋势就说明了，为什么波体在一定体积下具有最小表面的原因，也就是我们所举的荷叶上水滴及青草上露珠呈现球形的原因，这是因为在相同体积的情况下，球形具有最小的表面积。

在液体的界面上有这种奇异的现象，那么在固体-气体的界面上，例如地球陆地表面与大气相接触的界面上，能否反映这种类似的奇异现象呢？答复是肯定的。而且事实证明，地-气界面上，将固体物质拉向地心的力，与刚才所举水的例子进行比较，应当更大一些，这是由于固体分子的浓度及引力，较之液体水更大的缘故。所有的实验资料都无一例外地指出，固体的“表面能”要比液体为大，只不过至今尚无直接的测定方法而已。基于这种观念，对于我们去理解地球的形状（乃至整个空间的天体）大都呈球形或近似球形，很有帮助。当然，星体呈球形与本身的运动状况及形成原因，亦有很大关系，它决不至于象解释水滴和露珠那样简单，但我们除开起源上的原因与运动特性外，还是可以如实地把各种天体在形状上相类似的原因，看做是作用于界面物质上力的宏观表现。

处于界面上的物质既然受到拉向其内部的力的作用，毋庸置疑，则表面必有自动缩小的趋势，从热力学上来看，这种缩小的过程亦是它的总自由能减小的过程。相反，如果要把界面扩大，就必然要求外加一定量的功。作功的大小和所欲增加的表面积成比例：

A=σ△S

△S 为产生的新表面面积；A 为产生△S 所要做的功。如果△S=1 平方厘米，则 A＝σ，故σ可以看作是单位表面的表面能。也就是说在等温条件下，新形成一平方厘米的界面所需要做的可逆功（当界面缩小时，还要释放出这个等量的功来）。对于水来说，在界面上的σ，就称之为表面张力。

以一定量的物质来说（如地表几米以内的固体厚度），它的比表面越大，则其所具有的表面能也越大，正如上边我们曾举过的例子，当地表分散为平均一立方厘米的碎粒时，其比表面比原假定未破碎时要增大一千倍，这种系统当然可以看做是具有较大表面能的系统，这样它与自然地理面以外的环境相比较，简单说与地球内部的物质相比较，就处于一个很不稳定的状态之中，因为表面能总有自动趋于减少的方向。岩石风化时意味着界面的扩大，同时必须有外加的力去做功，这个主要做功者就是太阳辐射能来提供的，当然内

力作用在表面积扩大上也起一定的影响。这种过程是可逆的，当地表界面缩小时，还要放出这种多余的表面能，从而对外做功，作为输出从系统转移到环境中。例如当碎屑物质沉积、密实并进行岩化作用时，就要释放表面能。我们的重点在于说明，只是在自然地理面内，才存在着这种普遍的、独特的界面现象，这种可逆的、不稳定的状态，是区别于自然地理面的外部环境和内部环境的突出特点。

这个突出特点的宏观反映，还可以举出很多来。例如在此界面上，是表现地球重力作用最为明显的地方。可以想象，在自然地理面以下的岩石圈中，由于固体物质本身的互相密集、作用强烈及粘聚力效应，它们不能自由移动，至多只可以随着相当规模的整体运动而运动，在这种环境里，重力作用的表现一般是整体的、缓慢的和不大明显的；但是在自然地理面中，由于界面上下的物质密度突然发生了急剧的改变，分散程度高、粘聚力变小、状态不稳定等则重力作用能十分清晰地显现出来。诸如所见的崩塌、滑坡、泥石流、冰川运动、雪崩等固体运动；河流、瀑布、水分下渗、洪积、冲积等液体运动；风积、大气密度分布等气体的重力表现等，在地球内部是无从看见的。

此外，在固体与气体的交界面上（当然亦包括固体与液体水的交界面），地球的内力——构造力，也获得了充分的表现。一般说来，自然地理面的上限可以看作是地球构造力影响的终极。在地球内部，由于岩石的密度和压力都很大，限制着构造力的表现形式，只有在界面上，由于突然失去了束缚其表现的条件，于是这种界面被塑造成为一种结构复杂、起伏参差的自然地理面“基架”。如以海平面为准，在陆上最大的高下相差可达八千多米。如果相对于地球的半径而言，这不算个大数字，但是，对于地表来说，已经显示出地球构造力的威力了。这种在界面上明白显示地球构造力的事实，还可以通过日常生活中的经验加以阐述。比如在一个拥挤的公共汽车上，车厢内站满了人，当汽车转弯或刹车时，车中不同位置的人，其受力状况是不同的。对于处在中间、四周都有别人存在的那些人来说，他们的感觉是随着力的方向有比较平稳的运动，而对于处在边缘的人来说，就会感到这个力的作用十分显著；对应的运动幅度也就很大。难怪有人说，边缘（或者说界面）能够对于力的作用起某种放大的效果。当然，再生动的例子也不能代替事实本身，它只可近似地帮助我们去理解所要说明的道理。

正因自然地理面处于这样的交界面中，因此它肯定应当比其下的岩石圈和其上的大气圈都要复杂，它也成为地球上表现这种复杂性的唯一场所。如果进一步去讨论自然地理面中所存在的界面现象，即可看出，不仅在具有很大的总表面积的固体中，形成了不少的裂隙和孔穴，供自由度较大的液态水和气体充填，就是在自然地理面的近地面大气中，也含有数量众多的固体微粒（如尘粒、烟粒、海面以上大气中的盐粒等）及液体微滴；而在自然地理面内所包括的水体部分中，既溶有气态的空气，也存在着各种类型的固体微粒，这些次一级的三相界面充斥于自然地理面中，使得它的表面积进一步大大的增加。这里我们具体地揭示界面的表现及其作用，据徐英宝所举植物为例：地球上的树木，采用化整为零的方法，尽量扩大自己与外界的接触面，以求最大限度地吸收自身生长所必需的物质并最大限度得到所必需的能量。可以这样认为，树木的生命活动，正是通过与外界接触的最大可能表面积去进行物质与能量的交换，才得以维持的。这当然是从一个角度看问题时所得出的结论，但从中亦可推论出在整个自然地理面中，表面积扩大的实质意义。

据计算，植物每制造一克糖，不仅需要约四千卡的太阳辐射能，还要吸收进来相当于 2，500 升大气中所含的二氧化碳，加上所必需的 1，000 克左右的水分，以及各种养分（其中大部分水分需经过气孔散逸到大气中去），它必然要求植物的叶子与日光、大气、水分和养分有充分的接触面。

一株中等大小的桦树，约有 20 万片叶子，每片叶子暂平均以六平方厘米

计算，其总面积就是一个很大的数字。有人曾对一棵生长 165 年的发育良好的老松树，作了一次统计分析，其上针叶的总长度将近二百公里。当然，我们现在所说的树叶之表面积，尚不包括肉眼看不到的树叶之内表面积。一棵梓树，其全部叶子的外部表面积虽高达 390 平方米，而其叶子的内部表面积

（如细胞外的空隙面积和细胞内部的结构面积等）则达 5，100 平方米，比外部表面积大十余倍。再则，植物叶子内部的叶肉细胞中，常含有几十个到几百个叶绿体，一片平凡的山毛榉树的叶子，所含叶绿体的总面积，比叶面积要大二百多倍，这样一株大树所含叶绿体的总面积，约达二万多平方米，即合三十余亩，这不能不使我们感到惊异，由此将能深刻地体会出，表面积的扩大对于物质能量交换的规模和速度的巨大影响。无数事实证明，在生物圈中的初始生产力，总是与当时当地单位体积的总表面积大小有密切关系，热带雨林比其它生态环境具有较大的生产力，正好与它们具有最大的界面面积相符。而且物质能量交换、传输的复杂性与这种界面的大小呈正相关。

总之，在自然地理面中，这种互相渗透并高度集中的分散性体系，使其具有巨大的表面积，确是有别于其它范围的一个显著特征。在自然地理面以外，也能发现某些分散相的存在，但远远不如这里集中、典型和完备。这种在宏观上分散相存在的事实，使自然地理面具有很多独特的物理、化学和生物方面的性质，这也是自然地理学应着力进行研究的内容之一，从而也是区别于任何其它学科的所在。海绵能贮水，依赖于它的表面积大的缘故，自然地理面中具有如此庞大的表面积，有利于它贮存能量和物质，并使得系统的状态变化更为复杂。因此在这个空间范围内的物质能量传输和交换必然具有十分独特的规律。阐明这种独特的规律，正是自然地理工作者义不容辞的职责。