第九章 时间演化规律——自然节律性

地球上一切自然地理成分及自然地理过程，随着时间的变化，并不是杂乱无章的。它们遵循着严格的规则，既不能逃避，也不能背离。我们把自然地理过程随着时间的规律演替，称之为自然节律性。

对于自然节律性，人们并不陌生。许多自然现象包括人类在内，无一不与它发生着紧密的联系。我们举一些最浅显最常见的例子：昼夜的交替，季节的交替，潮汐的涨落，候鸟的迁徙，鱼类的回游，生物钟，太阳的黑子活动，地球上的地磁转换，冰期与间冰期的转换，有机物与无机物的转换⋯⋯ 等。有人做过这样一个实验，在一个完全昏暗的房间中，把装在玻璃容器中的果蝇，放在一个放置着 24 个碟子的圆盘上，这个圆盘以每 24 小时转一圈的准确速度在做匀速运动，每小时恰好转过去的一个碟子，用以记录果蝇的产卵情况。虽然果蝇无法知道什么时候是白天，什么时候是黑夜，但每次的实验都精确地显示出，它产卵的时间都是相同的。与它在正常条件下产卵的时间毫厘不爽。类似这样的事例，真是不胜枚举。

在自然地理研究的范围内，同样有许多人们早已熟知的例子。比如，岩石的风化在白天为热胀，在夜里为冷缩；在热季是热胀，在冷季是冷缩。岩石风化时的作用力在不同的时刻，表现形式是不同的，但却是有规律交替的。植物在白天主要进行以累积自身物质为主的光合作用，在晚上则进行以消耗自身物质为主的呼吸作用；在陆地与海洋衔接处，涨潮时对海岸进行侵蚀作用，同时顶托河口，使得在河口的沉积作用加强，落潮时则会是另外一种表现；季风现象的规律交替，海陆风的规律交替等，以及在地球发展的历史中， 冰期与间冰期的转换，常常是造成大规模自然现象变化的直接原因。

在过去，我们对于自然节律性的认识，只是限于对单一的个别的现象罗列，对于它的发生、联系、影响以及规律，并没有加以认真的总结。事实上， 这项研究对于自然地理基础理论来说，是又一个重要的方面。我们知道，自然地理过程随时间的变化，或者说在自然地理系统中，能量与物质的输入的节律性状态，势必对于自然地理本身有着深刻的作用。这里我们可以将自然节律性的特点概略地归纳为几个方面：1．叠加性：在自然地理面中，任何一种成分都经受着各种各样自然节律的共同作用。我们还是以植物作为代表。它既要受到日变化的影响；又要受到年变化的影响；还要受到十一年左右的太阳黑子周期的影响以及更长时期的（有些还未被我们所认识）影响；此外， 它本身生长中又有生长、发育、繁殖、衰亡的规律变化。所有这些节律性的表现都交织在一起。对于这些我们可以做个比喻：地球本身处于规律的运动之中。在这个运动的地球上，沿特定的线路奔跑着一列客车也在运动，旅客又在这个客车上作前后的运动、同时作为生命体来说，旅客本身的生理生化活动也在不停顿地进行。不管这个旅客意识到还是没有意识到，他的活动中， 肯定不能排除火车的运动以及地球的运动，当然再扩大一些到太阳系的运动。这样我们看出这种运动形式显然是叠加在一起的。由此可以推定自然地理过程中也有类似的现象。这些叠加在一起的运动，对于某一特定对象来说并不是等同的，也不是没有规律的。在其过程中，所有的节律性表现，各自都在不同的水平上起着相应的作用。2．分级性：自然节律性虽然有各种各样的表现，但是它们的作用和规模还是可以区分得十分清楚的。我们研究自然节律性的一个方面，也就在于识别它们作用的规模以及对于特定对象影响的

程度。高一级的制约着低一级的，低一级的必定留有高一级的印痕。在一个对象的身上，这种印痕层次越多，这个对象也就越进化，而且要求的环境条件也必然越狭窄，因此它的存在也就越脆弱（从自然地理熵的角度来看，随着节律层次从高一级向低一级的演进，熵值不断变小，有序性的程度增高）。次一级的节律活动，必须首先在符合于高层次节律的前提之下，才能表现出来。这样，表现层次节律越多的物质，它对自然节律的适应状况必然更为巧妙，各自在有限的活动范围内，有机地与高于它的层次之节律精巧地联系起来。如果不符合这样的规则，要么这种成分根本不可能发生，要么就是很快地被淘汰，生物发展史上许多这样的事例，我们见到的不少。3．变异性：自然节律本身也是在不断地变化着的，这包含两个方面的意思。其一，倘若高一级的节律发生了变化，势必影响着所有比它级别低的其它节律性，如前面所说的太阳黑子活动本身的变化，不仅影响到生物，也必然影响到地球表面上其它各个成分，这种影响主要是通过输入能量和物质的变化而实现的；其二，通过次级节律性在其演进过程中所产生的反馈作用，从而影响较高一级节律的变异。诸如由于地球上大规模的质量迁移（例如大气的环流，雪的冻结与消融，大陆的漂移，洋流的运动，甚至植物的季节性更替等），都可对于地球的转动施加某些影响，这种影响称之为“摆动”（Wobble）。共中风和气压的改变对摆动的影响较大，而水体转移的影响相对要小一些。杰弗利斯（Jeffreys）大概是第一个估算了水分数量对地球摆动影响的人，许多人十分有兴趣地注意到，他曾算出被植物贮存和释放的水分，也参与了影响地球摆动的行列，只不过数量级极小罢了。

一般来说，影响的强度和范围，高一级的节律性总是比低一级的节律性大的多。让我们看一看下面这个熟知的事例吧！作为天文因素的日—地距离， 如果发生了变化，那怕是微小的变化，对于地球表面的影响将是巨大的。长期以来，人们在探求地球演化的历史中，对于这种波动就作出了很多有益的研究。

有一种假定认为，在大气上层所接受的太阳辐射能，其变化相应于地球在空间中对于太阳位置的变化，对此所作的基本数学模式，已为天文学家密罗科维奇（Miloukovitch）在 1941 年总结出来。此模式涉及了地球轴的周期波动，它的岁差以及其运行轨道的偏心率。从这些要素中，他计算了太阳光线到达地球的时间以及相应的地球温度。他并且试图用此同更新世的冰川相关联。这种观点现在已从同位素的研究中获得了相当大的支持，特别是在应用 O¹⁸ 与 O¹⁶ 的比率（据在大陆架及冰川岩心的氧 18 与氧 16 比值测定）中得到了证据。较低的 O¹⁸ 数量对应着较低的温度。丹麦人在格陵兰岛上的冰川块中，用 O¹⁸ 的方法，研究结冰时的气温指出，气温每增高 1℃时，O¹⁸ 的含量就增加千分之零点六九。据此，在北半球的中纬度，在冰期时的温度约比目前低 7℃，而在赤道地区约低 3—5℃。虽然许多人对于应用上述的方法解释冰期提出了怀疑，但是却赞许它能够解释某些较小的温度波动。这种节律性带来的自然地理过程的变化，具有翻天覆地的气派，使得地表面上的自然地理成分经历着大规模的改换和变迁，这是很多事实所证明了的。

现在发现地球的自转速度具有长期变化、不规则变化和周期变化等几种

类型。引起这些变化的原因也是很复杂的。既有其它天体因素的影响，也有地球本身的物质运动的影响，如地幔对流、大陆漂移、地球内部物质的调整， 海平面变化及上面已经提到的因素。在影响地球自转的天体因素中，太阳的

活动（如太阳黑子、耀斑等）的关系尤大。太阳爆发时，能发射一种带电的微粒流，它可以引起地球磁场在短时期内发生改变。一个在磁场中运动着的磁体，当磁场发生变化时，必然要影响它的运动。例如 1956 年 2 月 23 日及

1959 年 7 月 15 日，这两天太阳上出现了特大耀斑，造成了地球自转突然变慢，日长分别增加了千分之九点七秒和万分之八秒。这种变化，不可避免的对于地表面上的各种自然地理过程都发生影响，这是值得很好加以注意的。在我们的研究范围内，可以初步地把节律性分为三种主要的类型。当然

这不是十分精确的分类，只是作为一种提示，以便在今后的研究中，能更科学地加以总结。1．天文因素所引起的节律性：目前对一些天文因素引起的节律性，尚认识不清，例如有人认为银河系的转动周期与地球上的冰期有对应的关系，这里我们不去否定它，也不去肯定它，待今后更多的事实来作出回答。我们在这一题目下，只叙述一下已经比较清楚的太阳黑子活动规律及由于太阳、月亮对地球的引力所造成的节律作用。

自从公元 1700 年以来，采用仪器观测到的黑子记录，说明太阳黑子变化

呈现十一年左右的起伏是明显的。但是一些事实表明，近 200 多年来的观测资料毕竟是太短了，尚未完全揭示出黑子变化的规律，比如就在这段资料以前，即十七世纪的后半叶，太阳黑子曾经一度几乎消失，这与以后资料就不太一致。1922 年，蒙德对此进行了研究。后来又有一些人参考日全食时观测到的光环，高纬度地区看到的极光纪录，树木年轮中 C¹⁴ 含量的变化等，得出了 1645—1717 年这 70 年中，太阳黑子曾一度几乎消失，并把这 70 年命名为“蒙德时期”。

对应于这个时期，在欧洲曾出现过一些反常的气候状况，如在英国即有许多严寒的记录（据王雷的资料）：

1657—1658 年：地面积雪从 1657 年的 12 月 11 日起，直到 1658 年 3 月

21 日，长达 90 天，是英国最长的积雪日期纪录；

1674 年：在三月份下了 13 天雪；

1684 年：1 月 2 日泰晤士河一直封冻到伦敦桥，这年冬天出现了英国最冷的纪录；

1694 年：12 月 27 日起泰晤士河封冻，持续到次年 1 月份；

1709 年：1 月 7 日泰晤士河结冰，持续了 50 天。

而在我国，这一时期也是近 500 年间最寒冷的时期，特别是在1650—1700

年这一段为最。在此 50 年当中，太湖、汉水和淮河均结冰 4 次，洞庭湖结冰

三次，江西省的桔园和柑园，在 1654 年和 1676 年的两次寒潮中，全部冻死。当然我们也不能完全确定，单一是由于太阳黑子活动变化造成的。但是

许多事实说明了，太阳黑子活动，的确对于地球上的各种自然现象有密切的关系。在东非维多利亚湖湖面的水位，自从 1927 年以来，其峰值在每一个黑

子 11 年周期中出现两次。其它可资说明的例子就太多了。从树木的年轮分析中，从长期旱涝状况的纪录中，也能发现这种随黑子活动变化的规律反映。

至于月亮和太阳对地球的引力，所造成的潮汐现象，这更是显而易见的， 对于潮汐作用的节律表现，前边也有叙述，此处就不再重复了。2．地球运动特性所引起的节律性：我们知道，地球的基本运动形式为它的公转和自转。这就决定了在地球上必然存在的季节变化和昼夜变化，凡是存在于地球上的物体，在它变化和运动的过程中，不管它本身的状况和性质如何，总是要受到这种节律的支配。例如从能量对自然地理系统的输入来说，我们最能感知

其随昼夜的和季节的变化。太阳辐射能的接收，对于地球上任何一个特定的地方，不可能始终以常量给予，它必然产生着离散的、断续的（白天有，夜晚没有）和渐进的（在白天获得太阳能时，也是从小到大再到小；随季节变化的状况也是如此）状态，人们恰当地把它们理解为谐波函数的形式（如图9．1）。图中 t 代表时间的演进，A 及-A 为能量输入振幅的峰值（-A 意味着能量的负输入）。很显然这是一个正弦图象，它十分符合于辐射能输入的日变化及年变化。它的数学表达式为：

r=Asinωt (9．1)

r——输入函数的振幅，ω——用秒弧度表示的角频率。由此我们看出， 地球表面上一切物体，无一例外地都带有这种节律的痕迹。太阳辐射能的日变化是如此，空气温度的变化，植物体温的变化，土壤温度的变化，大气中贴近植物层之二氧化碳含量的变化，水汽蒸发程度的变化，生物物质累积的变化，发生某些地球化学反应速度的变化以及岩石风化的不同表现形式等， 都能明显地看出来。

我们还可以考虑以下的事实：

大气本身的增温，主要不是依靠太阳辐射能的穿过，而是依靠地面接受太阳辐射能之后，再进行长波发射所产生的热量和潜热释放，这些才是大气的主要热源。我们可以举出其中之一，即热量通过近地面层的乱流交换作用输送到大气这一途径。这样由于地表面的温度具有节律性（即日变化及年变化），因此使得大气，特别是近地面的大气也具有这种节律性的变化，只不过这种变化的振幅较地面的要小，变幅发生的时间也相应落后而已。计算它们的公式这里也不再列出了。总之这种从地面向上的温度变化振幅，随高度依指数定律而衰减。根据在法国巴黎的爱佛尔铁塔各个高度的观测纪录可以证明这一结论。

向上的传递是这样，向地面以下的传递也是如此，同样具有明显的周期性规律，直至自然地理面的底部为止。因为在自然地理面的下限，已经显示不出温度随日变化及年变化的痕迹了。这里我们引用 1963 年在石家庄的观测结果。如果以 x 代表地表以下的深度，并分别取地表（0 厘米）、5 厘米、10 厘米、15 厘米、20 厘米、40 厘米、80 厘米和 160 厘米，用 R0 代表在地表处温度的日较差，Rx 代表在深度 x 处温度的日较差，随意取五天的数据为：

据此资料，经过进一步的整理，可以得出反映节律性的明显结果来：

这种关系呈现一条十分规律的曲线（图 9．2），可以用这样的公式加以表述：

Rx = R 0e( −βx−α ) (9.2)

式中的α和β均为常数，它们分别是 0.9602 和 0.0396。

以上我们仅仅介绍了气温及土壤温度对于这种节律性的反映。类似于这种表现的自然地理要素和现象，能够举出更多的实例。这里我们不得不加以省略。

同时，我们经常可以看到，树木年轮的变化，珊瑚体的规律变化等，也能清楚地反映出这些节律性。在不少的著作中曾举出一种淡水浮游生物，随着日变化在水中具明显的垂直节律变化。

3．生物自身特性所形成的节律性：无论是植物也无论是动物或微生物； 无论是一年生的还是多年生的；无论是草本的还是木本的，它们在节律性的表现上，是另外一种层次。它们总经历着出生、成长、衰老；接着子代又重复着同样的过程。周而复始，呈螺旋式的前进。它们既要受上述二类节律所影响，又有自身活动的节律。我们知道，植物的生长，总是经历着不同的生育阶段，它随时间所表现的历程，符合于罗吉斯蒂曲线即 S 形曲线的特点， 这种 S 形曲线简单地描述及它的一般数学表达式为：

dW = (r + sW)W dt

(9.3)

式中 W 代表生物的生长量；t 为生长的时间；r 代表增长率；s 代表与生物生长量 W 有关的阻滞参数。

其中的生长过程可以用株高，植物干重增长，以及其它的生物量来表示。当然我们再细分下去，对于生物体结构的基本单元的生命过程，除开要服从以上所有节律性的作用外，又有自己独特的随时间发展的形式。例如，关于生物钟的研究就涉及到这个部分。这些，对于自然地理研究来说，就不再去考虑了。

以上是三类主要的节律性表现。它们之间不是孤立的，也不是等同的， 作用的范围和表现的形式都有各自的特点。自然节律性的研究就是建立它们

之间的统一关系。很显然，它们作用的顺序是天文因素—地球因素—生物因素。根据这些，我们可以去判断一些随时间演化的成分属于何种范围。例如放射性元素随时间的蜕变规律，可以容易地判断出来，它不属于生物因素的范围，也不属于地球因素的范围，它是属于宇宙因素范围的。因为它的蜕变规律，不受日变化和年变化的影响；相反，它的变化过程所引起的地球内部热历史的演进，却能影响地球本身的运动。因此，它应当是属于比地球运动形式更高一级的节律范围内。事实上，这个判断也已经得到了证明，它牵涉到地球的起源问题。而这个问题恰好提供了证据，即地球形成本身所具有的宇宙因素性质。而且业已证实，地球的物质和陨石物质是同源的。人们正是根据这一点来推算地球的年龄。

目前，对于自然节律性的研究，还仅仅是一个开始，尚未建立成熟的方法，没有总结出基本的规律，它对自然地理的意义，认识还不透彻，它的研究价值也没有得到应有的评价。但作为自然地理研究的一个方面，在今后应当引起相当的注意。诸如指数衰变规律、谐波形式及罗吉斯蒂曲线等随时间变化的各类节律表现，大量存在于自然地理系统之中，并共同交联于自然地理动态演化的结果之内。