第三节 系统性

系统性是事物所普遍具有的规律，地理事物或景观的系统性特征表现得十分强烈。传统上地理学家用“综合性”来称呼地理事物的这种特性。我们知道，地球表层各圈层之间和各内部成分之间相互联系与作用，构成了最大的地理系统——地球表层系统。按系统科学家钱学森的意见，地球表层系统

（狭义的地球系统）是开放的复杂的巨系统。所谓开放，就是它与外界有物质能量的交换。太阳辐射是最主要的输入流，长波辐射则是主要的输出流。复杂指的是系统内部单元多，类型极不统一，这样一个系统是巨系统。它有别于统计规律占优势的大量同类型粒子组成的宏系统。理论上，巨系统是最为复杂的。

图 3.3.1 草地环境系统（据 Sarre，1991）

（A）较简单描述（B）较复杂描述

不仅整个地球表层是系统，而且作为地球表层个别表现形式的环境和区域也具有系统性，图 3.3.1 中我们表述了一个草地环境的各单元相互联系和作用形成的系统结构图。各圈层单元构成了地理系统的单元，地理过程联系了系统的内部单元。大量的研究致力于单元相互作用的具体形式。

象所有的系统一样，地理系统是有特征和状态的。状态是一个具有特殊含义的系统科学用语，它是足以刻划系统过去、现在和未来状况的特征或特征量的集合。一个系统的状态描述，并不意味着对系统所有特征的罗列。其实这种罗列的特征可以无限多。例如，图 3.3.1 中对草地环境选取了不同的状态集合，这样系统内部联系也有所不同。值得注意的是，增加系统的复杂程度，未必能有效地改进系统描述，因此系统科学家卡曼指出：状态是描述系统性状的最小特征集合。

地理系统在许多情况下是个热力学系统，它满足能量守恒，质量守恒的要求，因此联系地理系统的状态特征或单元的状态描述量之间会达到某种力学上的、物质量之间的平衡。如一个空间系统，包含有若干资源需求的城市和资源供应的城市，城市与城市之间有若干物资流的联系。显然，长期地看， 实际供给出的总资源量，等于实际总需求的资源量，在空间资源各路径的流量达到某种平衡，如图 3.3.2 所示，这时系统成某种平衡的地理空间（流量） 结构。在这个过程中，资源不能创生也不能被消灭，系统依质量守恒律确定状态量之间的平衡（当输送的是电能等，由能量守恒律确定）。

图 3.3.2 空间系统的空间流结构

在图 3.3.2 中，供应城市为 B、D、F，相应的供应量分别为{5，9，7}， 需求为{3，9，6，3}，城市为 A、C、E、G，需求量分别有多种系统平衡结构。我们可以设想，由于运费和杂税消耗等，必然有一种或几种空间结构可能使运费最少或消耗最小，这类结构在给定的地理原则下是最优的，而人类的主动或被动的自我调节会使资源分配的空间流结构趋向于某种关于空间市场需求量、空间道路利用率的状态集合。

总之，我们看到地理单元之间会因热力学守恒律的存在而形成某些平衡状态或结构，而这些允许的状态中又可能存在某种给定的地理原则下最优的

状态或结构，地理过程有驱动地理系统趋向于这种最优状态或结构的可能性。我们称这是地理系统的平衡特性。

实际的地理系统往往是动态的，它们的状态会发生变化。特别是当外界有输入时，系统会有自己特定的状态动态过程（或称状态响应）与输出。如一段河流，上游来水来沙是它的输入，约定河流对下游的输沙量、含沙分布为输出，取河流横断面形式，河槽深泓线深度与蜿蜒形态、弯道水流结构等为状态，当来水量、来沙量变化时，河流有自己特定的状态响应，结果有对下游特定的泥沙量及分布输出。同样的可能，来水来沙量对另一河段可能给出另外的状态响应和输出形式。显然，决定对下游输沙状况的不是河道断面， 也不是深泓线，而是作为一个整体的河流系统。地理系统表现为统一的功能体，系统输入与系统功能特性共同决定了输出，这就是地理系统的功能特性。

地理系统的另一种特性是它的自组织特性。系统论认为系统的平衡有两种可能，如图 3.3.3 所示，当把小球放于 A 点时，如果不受到干扰，小球是不会滚走的；如果一个干扰加上去，小球将滚向 B 点或 C 点，与干扰有关。位于 C 点的小球在受到 A 干扰后最终回到 C 点。A、B、C 均为平衡点，但 A 为非稳定平衡点，a 图中 B、C 是（局部）稳定平衡点，b 图中 C 是（全局） 稳定平衡点，a 图和 b 图表示了不同的系统数学结构，数学结构不一样，系统可能的状态集合和演化行为是不一样的。偏离稳定平衡状态的状态，会以衰减的形式或衰减波动的形式趋向平衡状态。由数学分析证明，状态还可以趋近某一周期运动，似周期非周期的混沌运动等。

图 3.3.3 平衡点与系统结构

地理学中早就发现地理系统趋向于某一稳定状态的现象。在河流地貌学中，提出了均衡剖面的概念，认为河流系统状态（地貌系统状态）存在某一稳定状态——均衡剖面，系统状态演化到均衡剖面附近时，在小的干扰下， 只要系统的结构不改变，河流就能通过冲淤等地貌过程消除干扰，保持均衡剖面不变。均衡剖面就是局部稳定平衡态。戴维斯的准平原实际上相当于地貌系统演化的全局稳定平衡点。

不仅地貌系统有自组织特性，一般的地理系统也有自组织特性，在景观生态系统中，景观生态被认为存在稳定态。在城市系统中，稳定态的观点也被普遍的引用。图 3.3.4 显示了一个森林生态系统从皆伐到趋向于稳定态的过程。一个生态系统的稳定态被定义为第一性生产力与呼吸量的平衡，景观生态的稳定态可以理解为群落结构与格局保持不变。从图中可以看出，趋稳过程是复杂的，认识各种趋稳过程阶段，是地理学的一个方向。

图 3.3.4 森林生态系统从皆伐趋向稳定（据鲍尔曼，1981）

当系统受到大的干扰或系统的条件改变时，地理系统会发生突变。突变有两种情况，一种是大的干扰，将处于图 3.3.3（a）中 C 点附近的状态强迫改到 B 点附近，系统趋向不一样；另一种是系统的条件发生变化，这时系统基本结构发生变化，发生类似于从图。3.3.3（a）向（b）的变化。对于生态系统来说，突变的形式为生态系统的演替，生物种群、群落及其格局都发生变化。气候的演变常常是生态系统突变的动因。类似地，在地貌系统中构造运动往往改变系统的结构，引起地貌部位发生突变。在地球的发展史中，大气圈、岩石圈的演化从来没有停止过，因此生态系统、地貌系统的突变是经常的。突变现象是地理系统的普遍现象。有的学者认为，由于银河系、太阳系、地球系统的演化从来没有停止过，因此真实的地球系统（地球表层系统）

从来没有达到过任何真意义上的稳定状态，缓变与突变构成了地理系统的演化系列。

地理系统的一种表现是地理现象的节律性，也就是说节律性是地理事物系统性的一种表现形式。地球绕日运动过程中，出现太阳辐射输入的周期性变化，地理系统的功能特性，使之发生状态响应，于是，出现地理景观的年周期节律现象。在一个地理系统内部状态调整过程中，当系统趋向于稳定的周期运动形式或混沌运动时，我们可以观察到地理现象的周期性节律或伊萨钦科所谓的旋回性节律。如在若干个城市之间迁移的人口，在一定的政策条件下，就可能出现人口在城市之间周期性的或混沌性的流动。关于节律性， 我们在下一节专门讨论。

值得一提的是，由于实际的地理系统总是开放的，来自宇宙的，以及人类行动的干扰不断地作用于地理系统，因此我们可以断言，地理系统的非稳定的平衡几乎是不可能的，地理系统的可观察平衡，总是稳定平衡。同时， 由于干扰的存在，地理系统也不可能出现严格的周期运动。又由于混沌运动是一种对初始值敏感的运动，处于混沌状态的地理系统受到小的干扰时，会出现与未受干扰时完全不同的演化行为。因此历史过程对地理系统的演化有时显得十分重要。从这一点看，“必须历史地理解地理现象”，如河流的改道可能引起区域系统完全不同的发展。

地理系统有时还表现出对时间的滞后效应和继承性。例如，气候变化并不能引起森林生态系统的同步变化，一般讲，生物圈变化总是滞后于大气圈变化的，地理系统对输入有一定的滞后交应。当气候突变时，只要这种突变不是太大，一般讲土壤-植被系统并不发生相应的变化，原生的植被可以残存下来。地理现象表现出了继承性，这是因为地理系统的突变要求干扰达到一定的阈值，这个阈值对各个地理子系统可以不一样。滞后现象和继承现象都要求我们“必须历史地理解地理现象”。总之，在地理学中，历史主义的分析方法是基于地理事物系统性的，是十分有价值的。

地理事物经常表现为宏系统（marco－system），宏系统就是由大量不可区分的粒子构成的系统，这些粒子或单元有相同的随机性质，宏观上对这些“微观”的粒子或单元可以作统计分析，而且统计分析得出的平均状态可看成宏观上可测的状态。例如人口构成了宏系统，它的特征由统计的人口金字塔、生育模式、迁移模式来表述，不必也不可能追溯个别人或人群的生死过程、迁移过程；在这种宏观分析中，人口不可区别或区分个体无意义。又如第二章所述，气候是统计特征，地貌坡面是统计单元，地域的范围、缘带的性质也是统计的。地理事物的宏系统性保障了地理现象可作统计分析，统计分析在地理学中一直占有重要的地位。

地理事物还更多地表现为巨系统，巨系统是由大量的类型复杂的单元构成的系统。

关于地理事物的宏系统性和巨系统性的其它讨论，可参考有关现代理论地理学的专著，限于本书的职能，我们就不再讨论了。可以说地理系统都是开放的。常见的有形成层次结构的巨系统（如城镇体系）、形成链结构的巨系统（如一系列断面相互作用的河道系统），巨系统的数学理论还是初步的。