综合自然地理学：第一章 自然地理环境的整体性

整体性认识的发展过程
自然地理环境组成及空间结构
能量基础 物质交换 发展演化方向
第一节 整体性认识的发展过程
1.1 自然综合体学说——从自然地理要素具有相互联系来 认识整体性
1.2 地理系统学说——从地理环境的结构和功能的有机联 系来认识整体性
1.3 耗散结构理论——从地理环境是一个非平衡有序开放 系统的角度认识整体性
陆地之上和海洋表面以下100m的范围，形成“生命膜”
2.2 要素组成
地貌 气候 水文 生物 土壤 成分：构成事物的各种不同的物质或因素 要素：构成事物的必要因素
2.3 空间结构
▪ 分层结构 ▪ 渗透结构 ▪ 地域结构或水平结构
分层结构
根源于地球重力和物质密 度特征。
规定了三大圈层的物质交 换主要沿垂直方向进行。
形成：光合作用，太阳能转化为化学能；
光合作用
6CO2 ＋6H2O ＋674卡——C6H12O6 ＋6O2↑
光合辐射：可见光部分（0.4~0.76μm）；光 能利用率：0. 1~1％ 平均：0. 5％
转移链条：食物链、腐烂链和储存矿化
3.2.3 生态系统中的能量流动
6CO2 ＋ 6H2O ＋ 674卡 光合作用 C6H12O6 ＋ 6O2↑
4.5.3 氮循环
▪ 储存库：大气；是构成氨基酸、蛋白质和核酸 等生命物质的重要组成部分
▪ 循环过程：硝化作用：氮转变为氨离子、亚硝 酸离子和硝酸离子的过程； 方式主要有：生物固氮、高能固氮和工业固氮 等三种形式 2N+3H2→NH3 氮气分离成氮原子耗能668.8kJ，生成氨释放 54.3kJ
第四节 物质交换(循环)
▪ 4.1 大气循环 ▪ 4.2 水分循环 ▪ 4.3 地质循环 ▪ 4.4 生物循环 ▪ 4.5 生物地球化学循环 ▪ 4.6 化学元素
4.1 大气循环
1、大气循环的基本形式是？ 热力环流 2、模式： 行星风系：空间范围达到1000km以上，时间超过1周。
起因：太阳辐射的空间差异（西风带则受地转偏 向力的影响） 季风环流：海洋和陆地两种下垫面性质的差异。 局地环流：成因复杂。 3、作用？最显著作用？
分层结构不具有几何学意 义：层界面不平整、厚度 不一致，不能大面积连续 分布。
渗透结构
生物圈渗透于大气圈、水圈和岩石圈 大气圈、水圈和岩石圈相互渗透
地域结构或水平结构
作为自然地理环 境地域分异结果 而出现。 重庆组团有何特 色？
第三节 能量基础
▪ 3.1 地理环境的能量基础 ▪ 3.2 地理环境中的能量循环和转化
2、植物的光合作用，固定太阳能并释放出氧气，是分子氧 的主要来源
▪ 特征：
1、氧循环总是与碳循环结合在一起，两种元素在光合作用 和呼吸作用的驱动下进行循环；
2、海洋中，二氧化碳与水结合为碳酸，碳酸根可与水中的 钙离子等化合，形成碳酸钙沉积物，使部分氧暂时脱离氧循 环。
4.5.2 碳循环
▪ 储存库：海洋、大气和有机体； ▪ 循环过程：生态系统中的碳循环基本上伴随着光合作用、呼
1.1 自然综合体学说
各组成要素和各组成部分相互联系、相互制约 组成一个整体，一个要素会影响其他要素，一 个部分会影响其他部分。
迪金森、瓦伦纽斯、洪堡、道库恰耶夫、卡列 斯尼克
自然综合体研究逐渐走向精确化：
定量观测分析代替定性描述 模拟实验补充野外观察 以数学模型探索复杂的自然地理过程并进行预测 （与计算机技术相结合，如小波变换、人工神经网络 的应用等）
CH2NH2COOH+3/2O2→2CO2+H2O+NH3+735kJ ▪ 硝化作用生成的硝酸盐被反硝化细菌还原，生成
氮（缺氧有葡萄糖条件下）
C6H12O6+4NO3-→6CO2+6H2O+2N2
4.5.4 磷循环
▪ 储存库：磷酸盐类岩石、含磷的沉积物 ▪ 循环过程：通过风化和采矿进入水循环，变成可
总辐射等值线基本沿纬线延伸 自北半球回归高压带向两极减少，以赤道为轴线，南北半球对称分布 海陆热力差异的影响，等值线往往偏离纬线
辐射平衡地理分布特征
辐射能量收入和支出的差值称为辐射平衡 大洋反射率小于大陆，同纬度大洋辐射平衡值比陆地高 陆地辐射平衡等值线因下垫面的复杂变化偏离纬线甚至呈闭合状 辐射平衡的地理分布有随纬度增加而减少的变化趋势，40°为界 有明显的日变化和年变化
2.1 物质组成
大气对流圈 气态混合物组成，大气质量的3/4和几乎全部水汽
特点：对流作用强烈，温度随高度增加而降低 水圈
水体的总称，世界大洋、河流、湖泊、冰川、沼泽和地 下水等；含多种可溶性盐、有机体和溶解气体
沉积岩石圈（地壳表层）
由沉积岩、岩浆岩和变质岩组成的圈层，平均厚度 30~35km，但只有表层属于自然地理环境 生物圈 地球表层生命有机体及其生活领域的总称，包括植物、 动物和微生物
土壤中的硫 氧化，以挥发气体进入大气 降水的形式进入海洋和土壤
植物吸收，进入生物圈
生物体死亡， H2S进入大气
4.6 化学元素
4.6.1 分布： 水圈：O、H、Cl、Na占98.4％； 大气圈：N、O、Ar占99.81％； 岩石圈(地壳)：O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、 Mg等占97％； 岩石圈(土壤)：O、Ca、K、Si、Fe、Al、Na、 Mg、Ti、N占93.45％； 有机体：O、C、H、N、Ca组成，占99.7％；
全球大气环流
焚风效应
4.2 水分循环
方式： 水本身的相变 液态水在热力梯度或势能梯度的作用下，通过洋
流或陆地上河川径流进行物质和能量的大规模传 输。
水分循环
大循环和两个小循环
水分循环的功能
蒸发—输送—降水—径流，在海洋—大气—陆地 之间循环往复，自然地理环境的“血液循环”
对全球性水分和热量的再分配起着重大的作用— —能量
生物风化——碳酸盐岩溶解
4.4 生物循环
▪ 概念：生物作用所引起循环称为生物循环。 ▪ 基本途径：一是植物和微生物作为土壤和大气之间
的联系环节，参与地质循环、水分循环和大气循环； 二是通过本身的新陈代谢作用，促进自然地理系统 的生物地球化学循环。
▪ 作用：光合作用把太阳能转化为生物能，为生命活 动奠定了能量基础；是物质和能量交换的一个重要 通道；对能量的贮存和消耗，对化学元素的迁移和 积累具有明显的作用；实现了有机界和无机界的转 化。
综合自然地理学
➢综合自然地理学是研究自然地理环境整 体的综合自然特征的学科。
➢是对自然地理环境整体进行综合、系统 研究的学科，着重探讨自然地理环境各组 成要素间的物质、能量关系，阐明自然地 理环境的地域分异、发展演变过程和类型 特征。
第一章 自然地理环境的整体性
▪ 第一节 ▪ 第二节 ▪ 第三节 ▪ 第四节 ▪ 第五节
溶性磷酸盐被植物吸收利用进入食物链。生物的 排泄物和尸体被微生物分解，把有机磷转化为无 机形式的可溶性磷酸盐，一部分被植物重新利用， 另外一部分进入海洋保存在沉积岩中。
4.5.5 硫循环
▪ 储存库：岩石圈，自然界的硫最初来自于 黄铁矿（FeS2）和黄铜矿（CuFeS2 ）
地表径流带入海洋
沉积，称为煤、石油中的硫
NH3+3/2O2→HNO2+H2O+689.7kJ HNO2→H++NO2-
▪ 在硝化细菌的作用下，亚硝酸跟被氧化成硝酸根
NO2-+1/2O2→NO3-+75.24kJ ▪ 亚硝酸盐和或硝酸盐被绿色植物吸收并转化为氨
基酸，合成蛋白质，食草动物利用植物蛋白质合 成动物蛋白质；动植物残体经细菌分解作用形成 氨、二氧化碳和水。
4.6.1 迁移方式
▪水迁移：简单离子、络合离子、分子形态、 胶体状态和悬浮物进行迁移。 水迁移系数：
Kx=（mx·100／a·nx） 式中，mx为水中元素的含量（mg／L）
nx为岩石中元素的含量（％） a为水中矿物残渣的含量（mg／L）
▪ 大气迁移 ▪ 生物迁移 生物吸收系数：
Ax = Lx／nx 式中，Lx为植物中x元素的含量
1.2 自然地理系统
自然地理要素通过能量流、物质流和信息流的作 用结合而成具有一定结构、可完成一定功能的整 体，要素之间和要素与环境之间不断进行物质、 能量和信息的交换和传输，形成一个动态的、多 等级的开放系统。（索恰瓦）
部分不具有整体的结构和功能。
1.3 地域耗散结构
地理耗散结构(dissipative structure)：地理 系统是一个远离平衡态的开放系统，要素 之间存在着非线性关系，它通过与外界不 断交换物质与能量，有可能在一定条件下 形成新的稳定的有序结构。
吸和分解过程进行， 1、植物通过光合作用把大气中的CO2转化为碳水化合物以 构成自身，通过呼吸作用把产生的CO2释放到大气中； 2、植物被采食后，碳水化合物转入动物体内，经消化和合 成，由呼吸作用排出CO2，排泄物和遗体中的碳，经微生物 分解进入大气； 3、矿物储藏的碳经燃烧释放CO2，加入碳循环；还有部分 碳被沉积到海底，进入更长时间尺度的循环；
53所有组成成分的发展都是相互联系的组成成分发展的同时成分间物质能量的交换得到加强具有前进性表现为新的组成成分的出现太阳能的积累和地域分异日益强化跃进性周期性现象并不决定主要发展方向纬度地带性作为普遍规律在自然地理环境的整个发展过程中发挥了作用太阳辐射能分布不均自然地理环境的发展是事物矛盾斗争的结果系统自组织性和自稳定性对比的结果54自然地理环境的时间尺度几百万年至几十亿年
4.5 生物地球化学循环
▪ 定义：指组成生物有机体的基本元素 在生态系统之间输入输出，以及与环 境之间进行的交换过程。
▪ 分类：
气体型循环；沉积型循环 全球性的：氧循环、碳循环和氮循环 区域性的：磷循环和硫循环
4.5.1 氧循环
▪ 储存库：自由氧的两个主要储存库是大气和海洋。
▪ 循环过程：
1、大气圈上层水汽的光解作用，导致氧的释放，一些氧原 子和氧分子结合成臭氧；
3.2 自然地理环境中的能量循环和转化
▪ 自然地理环境各组成成分之间，以及各 自然综合体之间的相互联系、相互作用 是通过能量转化和物质循环来实现的。
3.2.1 太阳辐射能在无机界的转化
形式： 地表垂直方向热力梯度 高低纬度间热量交换（大气、洋流） 海陆间的热量交换（季风）
3.2.2 太阳辐射能在有机界的转化
3.1 自然地理环境的能量基础
3.1.1 太阳辐射能 太阳辐射能的地理分布特征 辐射平衡的分布特征
3.1.2 地球内能 地内热能和重力能；构造运动（地震、板块运动）
3.1.3 潮汐能 月球和太阳引潮力作用下产生
3.1.4 其他 宇宙射线仅为到达地球太阳辐射能的一亿分之一
3.1.1 太阳总辐射能
地理分布特征：
2.3～3.4 半荒漠
>3.4 荒漠
自然地带与水热条件的关系
地理周期律
3.1.2 地球内能
地热 重力——位能
3.1.3 潮汐能
海洋潮汐 大气潮汐 固体潮汐 太阳辐射能约占：99.98％ 地球内能、潮汐能、宇宙射线总计：0.02％ ——太阳辐射能是最主要的能量基础
3.1.4 其它
▪ 太阳辐射能、构造作用转化的势能 ▪ 宇宙射线
普利高津
▪ 热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统 的熵一定会随时间增大，熵达到极大值， 系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统 绝不会出现耗散结构。
▪ 那么开放系统为什么会出现本质上不同于 孤立系统的行为呢？
▪ 思考：如何解释地球一直处于稳定状态？
第二节 自然地理环境组成 及空间结构
▪ 2.1 物质组成 ▪ 2.2 要素组成 ▪ 2.3 空间结构
物质“传输带”的作用（溶解和搬运）——物质 起着有机界和无机界联系的纽带作用。
4.3 地质循环
风化过程（物理、化学和生物风化） 输送过程（流水、冰川、海洋、风、重力） 沉积过程（风成、水成（包括化学）、冰
成） 构造过程（地壳运动和火山喷发）
物理风化——雅丹地貌
化学风化——碳酸盐岩溶解
第五节 自然地理环境的发展演化
nx为该植物生长的土壤或岩石 中x元素的含量
4.6.2 地表元素迁移的影响因素
▪ 内在因素：（化学键的类型、电负性[元素周期 表中各元素的原子吸引电子能力的一种相对标 度 ，又称负电性。元素的电负性愈大，吸引电 子的倾向愈大，非金属性也愈强 ]、原子和离子 半径、原子价）
▪ 外在因素： 地球化学环境（酸碱条件、氧化条件） 地表的自然地理条件（水热条件、气流变化、 地貌形态以及生物等） 人为影响（人类活动）
辐射平衡R的应用——自然地理过程的动力因素
划分地表热量带的指标（R）（kJ/cm2·a）
<20
20~30
35~50
50~75 >75
寒带
亚寒带
温带
亚热带 热带
确定辐射干燥指数（A） A=R／Lr
式中：L为蒸发潜热；r为降水量。
A值与各自然带的关系
&1.1～2.3 草原