第三节 自然地理系统

自然地理系统处于一种中等尺度的范围。它介于原子尺度与宇宙尺度之间的某个位置。对于系统进行分类，一般遵循着下述途径去进行，它们分别是：

1. 如果按照物质能量的交换状况与系统-环境间的关系去区分，一般可以分成孤立的系统、封闭的系统和开放的系统三类。所谓孤立的系统，就是指系统与环境之间既没有能量，也没有物质的交换；所谓封闭的系统，通常是指系统与环境之间有能量的交换而无物质的交换。而开放系统则是指系统与环境之间既有能量也有物质之间的交换。在自然地理系统中，均属开放系统，而且其过程是不可逆的。

2. 如果按照所研究的对象去分类，可以分为工程系统、生态系统、自然地理系统、社会经济系统等。

3. 建立在系统内部复杂性基础上的分类。如从粗略的轮廓来看，依照复杂程度可以设想分为以下六类：

A．形态系统：纯粹由系统的各个组成成分之间的结构网络来确定； B．级联系统：这样的系统是由能量或物质所通过的路径来规定的，即通

常所谓系统的能量流和物质流的表达；

1. 过程-响应系统：这类系统表示了至少一个形态系统和一个级联系统的偶合，过程-响应系统表示下述状况，即在此系统中，“形态”关联到“过程”，“结构”关联到“功能”，它显然要比单一的形态系统或单一的级联系统都复杂一些；

2. 控制系统：它本身也是过程-响应系统，不过在其中的关键部分，被某种有意识的手段加以控制，这种控制引导该系统去执行那个有意识控制手段所确定的方式，并达到原来预计达到的目的；

3. 生态系统：它是由植物、动物、微生物以及与其有关的非生命环境之间所组成的系统，由于它已具有生命的形式在内，而且它的控制过程可以由自身的反馈来实现，因此就更为复杂，它已将有机界与无机界综合起来了。

4. 社会系统：由于人类的进入，社会生产的组织带有阶级的意识形态， 因此它已经超出自然科学的研究范围，是自然科学与社会科学两大体系的综合，显示了更大的规模和更复杂的关系。

从自然地理系统研究的对象和任务来看，我们一直要涉及到生态系统这一级。生态系统在自然地理学中亦称生物地理群落。苏联学者 E．M．拉甫连科在谈到生态系统与生物地理群落时指出：“生态系统概念实质是与生物地理群落概念相一致的”。比利时的德·斯迈（DeSmei）等在 1975 年发表的论文中认为：生态系统相当于生物地理群落，也相当于生物地球化学景观中“系列”这一级。因此生态系统就成为自然地理学中必须关心的一个部分。尤其是陆地上的生物，它们生活的环境，基本上就处于自然地理面中；而生物本身又是组成自然地理系统的一个基本元素。因此在研究非生命系统的同时， 必须对于生态系统予以足够的重视。

下面我们着重讨论自然地理系统中几种常见的类型，每一种类型都展示了它们的独特之处，而且各个类型之间具有互相补充和随着复杂程度的递进性。由这些类型构成了自然地理系统的基础。（见图 3．7）

对于形态系统来说，首先要在所研究的对象中，找出系统所包含的成分

（元素），建立各个成分之间互相联系的渠道，这种联系的强度和方向，可通过试验或专业知识的推断来得出，一般可以通过相关分析去揭示。

在级联系统中，我们则要首先寻求能量或者物质传输的机制和途径。我们在此举出一个磷在三个亚系统中流通的例子。众所周知，磷是植物生长中不可缺少的养分之一，它的循环路径，足以代表级联系统中分析能量流或物质流的基本方法。这三个亚系统分别为土壤水、植物和食草性动物。将磷施于土壤中之后（即输入），它首先溶解于土壤水分中，随后被植物的根系所摄取而进入植物，参加了植物体的建造。植物体中的磷，一部分由于植物死亡，变成枯枝落叶重新归还于土壤水分之中，另外一部分被食草性动物取食而贮于这些动物体内。贮于动物体中的磷，一部分由于动物死亡也归还于土壤水中，也有一部分又被其它食肉性动物取食而转移到这些动物的体内，输出到我们所限定的系统之外。在土壤水分中的磷，也有一部分随着水分的淋溶而入渗到植物根系带之下，从而不能为植物所利用，也输出到系统之外。对于各个亚系统来说，这里既有磷的输入，也有磷的输出，当然也有磷在各个亚系统内的状态变化。分析类似上述的物质、能量流通过程，就是级联系统所要解决的课题。

过程-响应系统，是两类系统的综合，这就更加接近于现实的状况。一个简单的过程-响应系统如图 3．8 所示。在这个简单的过程-响应系统中，一旦分析清楚了它的内部结构，也就是知道了它们之中所包含的成分以及各成分之间的制约关系，并且已知四个内部常数参量（这种内部常数参量可以通过实验观测得出，亦可通过理论推导得出，它反映了各个成分的状态变化，反映了各成分间互相作用的方向、强度、流通速率等），它们分别为：

a11，a12，a21，a22

按图 3．8，该系统中的输入向量 U 和输出向量 Y 分别是：

U = u1 

 

 2 

Y = y₁ 

 

 2 

当系统处于稳定运行的条件下，即假定它为离散时间、定常的线性系统

时（如实际的系统不具这些条件时，要设法变换成近似于这些条件），即可顺利地建立输入与输出之关系：

a11u1（t）+a12u2（t）=y1（t） a21u1（t）+a22u2（t）=y2（t）（3．1）

只要内部常数参量固定，那么只需知道 y（t）的值，便可确定 u（t）的值。用行列式去表达：

u1 (t) =

(3.2)

u2 (t) =

(3.3)

这里的关键在于，要建立输入变量与输出变量之间的真确关系，首先必须把系统内部各个元素之间的结构搞清楚，这其中包含着既要明了形态系统，又要明了级联系统，还要明了二者的偶合，系统的反馈等，再经过相应的数学处理（如线性变换等），引入矩阵的运算法则，从而将输入变量通过系统内部结构的作用，映象到输出变量。

至于控制系统，那是必须在完成过程-响应系统之后，方能有效地去实行。

关于非生命部分的自然地理系统，包括这四类中的任何一种，针对所研究对象的复杂程度，以及研究所要达到的目的，确定我们需要应用那一类系统。

为了深入理解自然地理系统的原理和方法，我们举出一个能量在自然地理系统分室模型中的传输过程，它具有普遍的意义，无论针对自然地理面中的什么区域、什么规模，它都是适用的。这个例子实际上是将系统论应用于自然地理中的基本模式。为了分析上的方便，我们先规定：系统是线性的、时不变的、离散的；能量在分室间的流通为“给者控制”，系统是确定性的而不是随机性的。

在此条件下，我们绘出了能量在自然地理系统中的一般流通过程（参看图 3．9）：

上述能量流通过程的各分室（xi）的状态变化，可以用一类微分方程表达出来，即

dx = F + AX dt

其中：dx/dt 代表状态随时间的变化，F 为相应的对系统的输入变量，A 表示描述能量流通速率的矩阵，X 代表各个状态变量。

以图 3．9 为例，简单地推导状态方程以及矩阵 A 的过程，可以参看书末附录 1。

状态方程亦可以表达系统对于以往输入的数量，在经历一段时间后，对于当前系统的影响效果，这样就把自然地理系统中的“能量流”或“物质流” 随时间的演变，输入输出之间的联系，系统的响应状况等，动态地表示出来。

在此要注意两个问题：其一，建立模型要有明确的物理含意，必须能正确反映它们之间的本质联系；共二，具有可测性，就是说，一个系统的状态变数很多，能否找出代表本质的几个，以此来反映状态的基本内容。这就是可测性的含意。同时，要通过观测和理论推导，求出流通率的具体数值。如果一个系统中，这些数值具备时，立即可以进行运算。只是由于运算量很大， 因而必须通过电子计算机来进行。将图 3．9 编出程序，进入机器，是一件不太复杂的事。有关上述分室模型的电算语言，就不再列出了。

自然地理系统的研究还刚刚在开始，数据的积累也需要假以时日，方法也要进一步完善，它的作用和意义也还没有为大多数人所理解，但是相信它一定会在自然地理学的发展中，作出相应的贡献。

以上我们只是举了一个在自然地理系统中能量传输的例子，没有涉及到物质的交换和传输，但它们的原理和处理原则是一致的。更重要的是，我们应当更进一步地去分析生态系统，它比非生命的系统表现得更复杂、更精巧， 而且在研究水平方面，也更趋于成熟一些。生态系统研究的意义可以表现在：

生态系统的演化，可以改变或影响具有地理规模的地表形态特征；

在自然地理系统中，它是一个基本的环节；它也是水分循环的必经路径之一；

应用它可以调控天然的过程-响应系统。例如利用植被对于水土流失过程的控制、对于沙漠的改造、对于气候的影响等。为此，我们将专辟一节对此加以阐述。这两类系统的主要差异在于：生态系统的系统与环境分别指生物体与无机环境；自然地理系统的系统与环境则是自然地理面与其上其下的内外环境。至于研究方法和遵从的原理则是一致的。