第二章人类生存环境分析
地球表层系统分为自然地理系统、天然生态系统和人类生态系统三个层次，
自然地理系统是地球表层和天然生态系统的中介系统，地球表层是支撑人类生存
最直接的外部环境，是人类生态系统得以发展的物质基础。
天然生态系统是存在于自然界且很少受人类活动影响的生态系统，是占据某
一地段的生物与非生物环境之间相互作用的统一体．生物由三部分组成：生产者、
消费者、分解者。非生物环境是指光、热、水、空气、土壤、矿物盐类等，这些既是生
态系统的物质能量来源，又是生态系统的生存空间。天然生态系统的基本缩梅是
营养结梅，基本功能是以生物为核心的能量循环和物质循环。天然生态系统的远
离平衡的条件以及内部非线性作用使其比地球表层和自然地理系统更为有序，目
前正在发展的非线性力学与混沌理论是深入研究天然生态系统的理论基础之 。
地球表层学是研究自然地理系统的理论基础，天然生态系统则属于自然地理
系统中研究得较深入的部分。自然地理系统以地球表层为介质，这种物质基础是
不以人们的意志为转移的，它是自然地理系统中的“硬件”，可以说自然地理系统
是在地球表层这一物质基础上展开的系统的等级系列，系统的大小是以地球表层
物质属性的均一化和要素的统一化为限制的。自然地理系统的要索是指地貌、水
文、气候、土壤、植被、能量、动物及人类活动等，诸要素的组合决定了自然地理系
统的结构和功能，天然生态系统是自然地理系统的“软件”：自然地理系统的结构
是可变的，有时甚至是活跃的。天然生态系统是在自然地理系统中孕育发展的，由
于和自然地理系统相比有较大的能流和物流，所以它有较强的功能。目前在地球
表层中，完全不受人类影响的自然地理系统几乎是不存在的。
虽然地球表层的介质均一化和要素的统一化限制了自然地理系统的类型，然
而同一类型的自然地理系统内部仍具有层次。正是由于内部层次的不同才展示了
自然地理系统的复杂性。
自然地理工质层次一一它是最基本的自然地理层次，主要由分散体和连续体
组成，如岩矿、土壤、冰、雪、冻土、水体、气体等。该层次主要具有物理化学上的意
义，所进行的主要物理化学过程有表面运动、离子交换和吸附，相变、机械位移等；
另外还有不可忽视的生物化学过程，因为这是土壤生成的主要过程。温度是各分
散体和连续体与外界进行相互作用、交换能量的主要指标。
自然地理层次～它是高一级的自然地理层次，其基本物质组成决定于自然
地理工质层次，它不仅含有自然地理工质层次所包含的物理化学、生物化学层次
上的意义，而且还有更高一级层次上体现出的新质，具有时空特征。在时间上可以
出现周期性，如日变化、季节变化、年变化；在空间上具有铅直尺度上的变化特征，
如土壤薄厚、水位高低、海拔差异等。自然地理工质因海拔不同势能也不同，速决
定了转化为动能的潜在能力。该层次的物理运动除机械运动外还有能量的传导、
辐射、对流等传热传质热运动。能量在该层次的转化、积累和循环决定了自然地理
层层次的结构形式，同时这一系列的不可逆过程使该层次成为自然历史综合体，
包含了大量的信息，具有“富内性”。该层次的结构决定了该层次的功能，具有广义
Ie Chateier原理上的意义─当外界将该层次上的某一要素削弱时，其自身总要
加强，以抵制外来的效应。例如，土层冻结释放潜热以阻止“冷波”向下传播；冰盖
消融，地壳隆起以保持原势能等地学现象均有该功能。
自然地理区域屡次——这是自然地理系统的最高级层次，该层次涉及其中所
发生的任何宏观自然现象以及它们之间的关系{它不仅包含了自然地理工质层次
和自然地理层次的各种过程和作用，而且还出现了自组织的新功能，即演化的新
质。自然地理区域首先具有三维性，经度、纬度、海拔三要素决定了自然地理区域
的空间格局，地质、水文、大气和生物决定了自然地理区域的性质在时间上更明显
地体现出其作为自然历史综合体的继承性。自然地理介质的差异组成各种地貌形
态，如海洋、湖泊、冰川、冻土．沙漠等；其中机械运动是塑造地貌的营力之一，如海
洋潮汐、固体潮汐、冰川掘蚀、融冻泥流、火山喷发等；水、气的运动造成复杂的气
象；生物作用使自然地理区域更为活跃，如生物可改变大气成分进而又改变自身、
竞争可引起生态系统演化等；人类活动对自然地理区域的改造造成能量的重新分
配，如矿产开采、城市热岛效应、coz的温度效应、核冬天等，这不仅改造了自然地
理区域，而且也改造了地球表层。自然地理区域的内部作用是非线性的，只有非线
性作用才能造成如此复杂的自然现象。
以上的层次分析说明要理解自然地理系统应该从地球表层的本体出发，找出
自然地理系统各层次所具有的规律，而不能一味追求引进其他学科的高层次方
法，这样才能建立一个具有自然地理系绕自身特征的学科。同时也要注意定性和
定量的结合，高层次的定性比低层次的定量更具有意义，但要注意分析和练合的
辩证关系，绝对的还原论将导致荒谬的结论，整体性原则始终是研究自然地理系
统的准则之一，面对如此复杂的自然地理系统．任何单一的学科都是无能为力的，
虽然系统科学还处于发展阶段，但它却能给我们提供有用的方法论。
系统论认为自然科学研究对象的复杂程度不同，构成一种等级，高层次的事
物包含了低层次的规律，但本身则出现了一些起主导作用的新质，需要有新的原
理。对自然地理系统而论，只是各层次的约束条件不同，只能在有限的范围内根据
低层次上已知的规律在高层次上作出预测，因为在增加复杂性的每一步上只有某
些低层次的相互作用才能在高层次上观察出来。约束和历史是相结合的，对自然
地理工质层次来说，对约束的依赖大于对历史的依赖；而对于自然地理区域层次
来说，对历史的依赖却远远大于对约束的依赖。这就是自然地理系统演化的哲学
基础。
自然地理系统的研究要借鉴高层次的地球表层学方法，同时也要注意生态系
统的能流物流及竞争演化方法，吸取科学“营养”。然而自然地理系统的内禀性是
我们构筑自然地理系统理论最重要的依据。
自然地理区域的序、确定性和随机牲，自然地理区域的各要素和各种作用过
程具有组合目的性，即自组织方向朝着有利于自身存在的某种功能态。在该功能
态自然地理区域的诸要素和作用过程组合最优，使自然地理区域结构最佳，功能
最强，这样的自然地理区域熵最小，最有序。以自然生产潜力为例进行分析，当生
物的初始生产力极低，甚至为零的时候(如荒漠、极地等)．各个自然要素和作用过
程的组合不严格，对于n个组合所选择的概率分布比较均匀，其有序性最低，熵最
大。随着初始生产力的提高，这种概率分布将逐渐集中到越来越步的几种选择上，
即生物产量越高越稳，诸要素和作用过程的组合越严格，自然地理区域的有序性
越大，熵值越低。
自然地理区域不仅存在对历史依赖的确定性，而且还存在内部涨落的随机
性．这里没有考虑诸如“外族”入侵、核爆炸等超过自然地理区域体系干扰承载范
围的外来突发性事件。
研究自然地理系统的目的是在于立足现在的状态预测自然地理系统的演化
趋势。自然地理系统是多变量的非线性系统，变化过程有两个方向：一是退化，进
入没有任何功能的热混沌状态；另一个是进化，通过逐级分岔进入非平衡混沌状
态，这是一种具有“自相似结构”的相干功能态，当然也是我们所希望出现的状态。
自然地理系统的演化路径由一系列相继的稳定段和不稳定段构成，稳定段受决定
论支配，不稳定段(靠近分岔点)可以在多于一种可能的未来之间作出选择，这种
选择是由决定性和随机性共同起作用的。正是这种偶然性和必然性的混合组成了
整个自然地理系统的历史。混沌现象的发现，一方面意味着预测能力受到了新的
限制；另一方面，混沌现象所固有的确定性表示许多随机现象实际上可以甩简单
的法则来解释，然而自然地理系统无论其描述方法如何，总是具有短期的可预测
性和长期的不可预测性。因此我们人类的活动更应该谨慎，因为这可能会出现人
类暂时“战胜”自然，而自然最终会战胜人类。
正确评价我们人类在自然地理系统乃至地球表层的演化过程中扮演什么角
色是很重要的，耍时刻牢记在这个演化的“剧场中”、我们人类既是“演员”又是“观
众”。人类对自然地理系统所能做的只能是合理地开发和保护。若判定自然地理系
统已向非平衡混沌方面演化，那末我们就要采取保护措掩促进演化，使自然地理
系统处于熵最小(最有序)的状态；若判定自然地理系统已向热混沌方面退化，那
末我们就要加紧开发、加紧“破坏”，从中提取并最大限度地提取人类所需要的东
西，使其更快趋于热混沌状态，即熵最大(最无序)的状态。笔者认为，上述的广义
“马太效应”或原理无论从经济发展还是从伦理进化的观点来看都是可行的，只有
这样，人类才能既大规模地开发资源，又不必面对自然地理系统的“原始”状态而
感到内疚。
地理壳的概念是地球表层概念的雏形，并一直作为地理学的研究对象而受到
重视，其基本定义是由苏联科学家格里高耶夫、卡列斯尼克和伊萨钦科等确立的。
随着科学的发展，认识和深化，尤其是探索“复杂性”理论的发展，科学家对地理壳
的认识也更加深入了。1983年浦汉昕在地球表层的系统与进化一文中提出了地球
表层是一个具有耗散结掏的开放系统概念(《自然杂志》1983年第3期)。同年著名
大科学家钱学森提出创立地球表层学，这把地球表层的研究提高到系统科学的理
论高度统。之后，钱学森又在各种会议上提倡要大力开展地球表层学研究，他在
1986年第二届全国天地生学术研讨会进行的详细的报告(《大自然探索》1987年
第1期)，该报告对我深入研究地球表层有很大启发。
地球表层学研究的对象是自然界实际存在的物质实体(地质体、有机体、天
体、大气等)以及相应的自然现象。但最具有意义的应该是与人类最直接有关的地
球环境 地球表层，其空间范围是上至对流层的顶部，下至岩石圈的上部，对于
陆地其深为5 6公里，对于海洋其深为4公里。因为该层内是天体因素(能量辐
射、粒子辐射、磁暴等)，地球因素(流体输运、固体应力释放等)以及生物因素(人
类活动、动物活动、植物发育等)的相互作用最为剧烈的场所，诸因素的相互作用
使得地球表层是一个非常复杂的巨系统，但该系统与环境有能量、物质和信息的
交换，是一个开放系统，系统与环境的相互作用以及系统内部的相互作用是非线
性的，即不是各种作用的简单叠加。非线性作用可使系统随环境因素和内部因素
发生演化，而且具有特定的功能。广义熵流也包括系统问的信息交换，分岔与突变
是系统演化的关节点。地球表层的演化既有确定性也有随机性，因此对于地球表
层演化的机制和预测就需要建立专门的学科，这就是地球表层学。它的理论基础
是系统科学，所研究的是系统与其子系统和环境的关系以及系统之问的转化。系
统科学的基础是运筹学、控制论、信息论、耗散结构、协同学和混沌论等。
地球表层具有明显的结构与层次，从结构上看，地球表层是由岩石圈、土壤
圈、水圈、气圈、生物圈、冰雪和和冻土圈组成的。各圈层次又依据时间空间的不同
而体现出明显的地域差异和时间周期。各圈层内部都有区域层次、垂直分异层次
和工质性层次，区域层次是某圈层在某一特定地域的分布情况，它是决定该域自
然地理状况的主要因索，垂直分布层次是某一圈层在某一特定地点在铅直方向上
的分布情况，它是决定该点以机构运动为特征的能量分布状的主要因素；工质性
层次是某圈层在某区域乃至某点的物质组成的情况，以化学运动为其特征．反映的是相对微观上的差异。从综合观点上看，地球表层的诸圈层具有相互渗透性，在
各种级别不同层次的序列上体现出交叉性，正是这强烈地交叉和渗透给地球表层
赋予了新质，使其具有极大的复杂性。
一个工厂的工人们组成的集体，如果按照行政长官的指令而以一定的方式活
动，称为他组织。如果不存在任何外部指令，工人们按照互相默契的某种规则而各
尽其责、互相协调，则称为自组织。事实上，地球表层也存在类似的他组织和自组
织。
地球表层的进化过程是在内部调节和外部约束下展开的，在进化的每一步上
都体现出对“历史”和“约束”的依赖，“历史”是地球表层进化的背景，而“约束”是
其进化的驱动力，如果这种“约束”是缓慢而持续的，且允许地球表层在一定时间
内进行调整协同而适应，这种情况可以认为是不十分严格的意义上的自组织。有
些外来“约束”是突发性的且强度极大，这些扰动和侵入因素使地球表层发生急剧
变化，突发事件的强硬性使地球表层完全处于被动地位，这就认为是他组织。例如
大陆漂移，板块冲撞、造山过程等使地貌形状发生格局变换，同时也给地球表层带
来了垂直分异的基础；火山喷发和地震等都是地球表层不得不承受的自然冲击；
地球的自转和公转决定了，地球在宇宙空间的位置，同时也制约了地球表层的能量
接收；陨石的降落和外部小星体的撞击可以给地球带来灾难性的后果，以至于有
人把恐龙的灭绝和史前文明的消失都归因于此；磁暴和太阳黑子对地球表层的影
响也是极其显著的。正是这些突发性的外部约束使地球表层发生他组织，可以认
为他组织不是地球表层的一种“自愿”行为。地球表层的进化是在他组织背景让所
展开的自组织行为，自组织是在既成事实的情况下与非突发性外界约束相适应的
一种自我调节，具有广义Le Chateler原理上的意义，地球表层的自组织分为以下
三个阶段：
I．地球表层的原始性自组织阶段：该阶段具有地球地质时期的特点，4 o_一19
亿年前，地球表层的能量主要来自地球的放射性生成能，大量热量的集聚加速了
地球的演化，这部分能量是地球表层自组织的动力，岩浆、水蒸汽和其它气体大量
进入地球表层、水圈和大气圈。
织的物体、生物体在远离平衡的条件下接受连续的能量流(如植物的光合作用)和
物质流(如食物链)然后将转化中的废物抛入环境，这就是生物性自组织过程。随
着生物的增多，作为生物活动承载体的地球表层形成了土壤圈，土壤圈的出现不
仅对增加物种的数量和种类具有意义，而且还为文明的出现提供了物质基础，这
都可归为地球表层生物性自组织的结果。
Ⅲ．地球表层的智能性自组织阶段：该阶段是地球表层自组织的高级阶段，虽
然地球表层的生物性自组织阶段也出现过动物群体的自组织现象，但是只有人类
出现后的地球表层自组织才具有智能性质。人类出现在地球上至今也不过三百万
年的历史，但却使地球表层产生了超越以前几十亿年的变化．地球表层的进化极
大地受到了人类的干预。该阶段内地球表层完成了非生物过程和生物过程向人文
过程的转变。
以上三个阶段存在以下的逻辑关系，在地球表层生物性自组织阶段，地球表
层的原始性自组织并未中断；同样在地球表屡智能性自组织阶段、生物性自组织
和原始性自组织的同时作用使地球表层出现了现在这种社会性自然性相互作用
而产生复杂的世界格局，其中智能性自组织更具有特殊意义。
依系统论的观点，地球表层是一个复杂巨系统，它有三大耗散结构类型：自然
地理系统，天然生态系统和人类生态系统。这三大系统是由上述地球表层的三犬
自组织类型所决定的，但是这三种类型的系统相互交换能量、物质和信息，既互相
制约又互相改造，是一个难以分割对待，但又有区别的功能实体。
人类生态系统是地球表层智能性自组织过程中最积极最活跃的因素，正是人
类的这种非线性作用使得地球表层向更有序更复杂的方向发展，但也有一些学者
提出相反的观点，美国社会学家里夫金认为：人类的劳作加深了世界的混乱，使世
界日益退化、能源枯竭、污染加重、人口骤增，伦理退化、整个世界的熵越来越大。
以里夫金为代表的这种观点主要是对人类作为“麦克斯韦妖”的本质认识不够，事
实上地球表层无时无刻不在接收太阳辐射能，它是进入地球表层的负熵流，如皋
麦克斯韦妖不存在，这样流失的负熵流将都转化为紊乱的分子热运动。相反，麦克
斯韦妖的反熵活动却使一部分本来要耗散掉的负熵流转化为固定的形态并用于
产生和维持有序系统，这就是麦克斯韦妖的自组织功能。在地球表层的生物性自
组织过程中，生物也同样起着麦克斯韦妖的作用。
人类在地球表层的自组织过程中所起的作用具有二律背反性，本体论意义
上，人类是地球表层的“儿子”；社会意义上，人类则是地球表层的“主宰”。保护地
球表层是人类义不容辞的责任，地球表层的智能性自组织已开始形成全球范围的
监督系统，它表现在国际性的自然保护计划中，国际科联筹建的“全球变化——国
际地圈和生物圈研究计划”更能体现这种精神。人类作为社会关系总和的代表却
力图控制自然地理系统和天然生态系统乃至整个地球表层，但是人类又作为普通
意义上的生物体存在于地球表层中，人类“征服”地球表层的过程同时也是地球表
层“征服”人类的过程。这种辩证统一关系始终贯穿于整个人类的智能活动中，因
此地球表层的智能性自组织过程是地球表层学的重点研究课题之一。
建立地球表层总体模式所遇到的首要问题是：虽然太阳和岩石圈供给地球表
层的能量是基本稳定的，但地球表层所出现的现象却复杂多变。地球表层智能性
自组织过程中人类的巨大非线性作用使地球表层更加复杂化，成为一个“自然一
社会一经济”复合体系。事实上，一个远离平衡的开放系统，不仅它自身会趋向有
序，而且它自身也会出现混乱现象；这就是地球表层这一复杂巨系统给我们建立
总体模式带来的困惑。
地球表层学的主要属的在于发现地球表层体系的统一原理，但是在突出综合
自然观的同时也不否认分析的原则，若对地球表层诸子系统缺乏最基本的了解，
又如何去综合呢?这牵涉到下述的两个问题。
其一是描述的层次性问题。
地球表层的描述有三个层次，即宏观层次、中观层次和微观层次。困为在不同
层次上看同一研究对象会得出完全不同的结论，例如晶体在微观层次上井井有
条，而在宏观层次上确是均匀的，地球表层也会出现类似的问题。这就是说对含有
诸层次的系统而论，在增加复杂性的每一步上都会出现新质，而不是子系统的简
单叠加。对于一个优化大系统，整体大于部分之和；对于一个劣化大系统，整体小
于部分之和。根据这一原理，当我们应用地球表层学处理国土规划、资源利用、环
境保护、设计经济综合体以及国际监督性组织时更应该注重这一点。
如前所述，地球表层的物质实体和结构功能不同，地球表层系统分为自然地
理系统、天然生态系统和人类生态系统三个层次，在各层次上所进行的过程是不
同的，因此所使用的系统科学分支也是不同的。
其二是所描述对象的指标体系完备性问题。
对于一个简单的气体分子系统，用P、v、T三个指标(压力、体积、温度)就可
进行完备的描述。那么，我们是否能象描述物理系统那样对地球表层这一复杂巨
系统进行完备的描述呢?这不仅是一个描述层次问题，更主要的是描述指标体系
的完备性问题，即是一个层次性指标体系的思维经济问题。搜集多少种类和数目
的数据才能描述系统?所确认的指标数目和种类是否确实描述了系统?在哪个层
次上进行数据搜集才最有意义?事实上，这个问题是相对的，没有绝对性，它决定
于人打j对地球表层层次的认识深度以及人类的调控能力。人类的认识深度和活动
能力是不断深化和提高的，而我们的描述和决策是当前水平上进行的。也就是说，
今天我们认为是完备的并在该基础上作出了决策，人类往往会因为这种表面上
“完备”而实际上的不完备给地球表层酿成灾难，尤其是在环境保护和对自然界有
重大影响的人为工程设计时更应注重这个问题。
协同学是理解复杂巨系统的有力工具之一，它考虑到各子系统之间的互相影
响，在复杂系统演化的不稳定点处，一般会有几个“集体模”变为不稳定的，它们将
成为描述宏观模式的序参量，同时这些序参量通过伺服原理支配微观成份的行
为。序参量的支配能力使系统获得自己的结构。通过这种方式选择地球表层的序
参量是有效的途径之一。
对于地球表层复杂系统的状态描述，熵的概念也许是有所作为的。熵的统计
意义告诉我们，它是系统无序程度的度量，尤其是在系统理论中，热力学熵和信息
熵的沟通，使熵的概念得到了极大的延拓。对系统熵的描述使我们进行两个复杂
子系统嫡有序程度的比较成为可能，其难点是必须把握住在哪个层次上进行熵的
定量比较研究。否则将会得出荒谬的结果。
地球表层学是以系统科学为指导思想建立的～门沟通自然科学与社会科学
的交叉科学}它以地理学、地质学、气象学、生态学、人类生态学、资源环境学、地震
学、社会学、经济学等为基础；对这诸多学科中与地球表层的原始性自组织过程。
生物性自组织过程、智能性自组织过程相关密切的各分支学科进行高层次的综
台。因为对于复杂系统特征的研究既要深入研究各子系统又要进行整体性的把
握。因此地球表层学的目的就是要研究地球表层的整体性功能、反馈关系、结构层
次以及人与目然的背反性和协调性。
地球表层的应用范围，已有学者从各方面进行探讨。笔者认为地球表层学的
应用主要在以下两个方面：
其一侧重地球表层的自然性
主要是指地球表层在外界约束的作用下进行自组织的演化过程，如太阳辐
射、磁暴、太阳黑子、天体引力(九星联珠等)，外部小行星入侵、陨石降落等天文因
素；火山喷发、地应力释放、地球岩石的放射性能变化、地震等地质因素；电离层活
动、臭氧层变化、大气成份(二氧化碳、氡等)的变化等大气因素中一系列无数因子
对地球表层的影响。尤其是对自然灾害的预测和中长期天气预报以及历史时期气
候变迁趋势研究更具有意义。地球表屡学研究这些问题的特色在于它对多因素的
综合性考虑，这是其它学科难以取代的。
其二侧重地球表层的“自然一社会一经济”的复合性
主要是指地球表层在人类参与下进行智能性自组织的演化过程。人类在地球
表层中有作为生物性的方面，但人类通过社会意识在一定意义上与作为外部环境
的地球表层(包括人类自身在内)相对立，这似乎忘记了人类自身的生物性。因为
人类要根据本身的需要向自然界索取，在与自然抗衡和对环境中物质能量的利用
中，出现了家、地区和社团等，从此人类开始了大规模征服地球表层乃至外层空间
的活动。对能量的使用从刀耕火种发展到矿物燃料和核能，核时代的到来增强了
人类的自信，依靠核威力可以在倾刻间摧毁地球，这就迫使人类不得不从生物性
方面重新思考人类的命运。
当前，人类的生存和社会发展已面临全球性的一系列重大问题，如全球沙漠
化在扩大、土壤在退化CO2等“温室”气体在持续增加、平流层臭氧在减少，南北
极上空相继出现了臭氧空洞、某些物种涉临灭绝及生态环境在继续恶化等。这诸
多复杂的全球灾害性问题只有依靠地球表层学从高层次进行研究。咎其原因，正
是由于人类在地球表层的智能性自组织过程中缺乏全球性的深刻认识而同时打
开了“潘多拉魔盒”，在增加地球表层有序性的同时也造成了无序性的增加。
地球袁层学所解决的理论问题对国民经济建设具有指导意义。我国冰川学家
施雅风呼沿海地区经济建设要注意海平面上升的危害，由于大量矿物燃料排放的
c02等废气增加了大气的温室效应，预计到2050年，全球平均温度升高1．5～
4．5℃，由海水膨胀和冰川及南极冰盖融化可使世界海平面升高的最大值是0．26
～1．65米。环境开发和环境保护是地球表层研究的重要应用课题，“乐山宣言”(青
年生态学会1987)已向我们敲响了警钟，我国目前环境污染严重。自然生态环境受
到破坏，稀有动物灭绝速度加快，植物种类也在减少、森林线北移、水土流失严重、
草原退化、尤其是沙漠化的速度更是惊人，保护环境刻不容缓!经济建设所要进行
的环境开发则要求地球表层学作出预测和评价，三门峡的悲剧再也不能重演了
一些大的开发项目如黄土高原水土保持、黄淮海平原的综合治理、南水北调、长江
三峡水利枢纽等大工程，以及建设高效和谐现代化城市和大型工矿等的布局方案
论证与环境预测都是地球表层研究的用武之地。
生态环境是人类赖以生存的基础之一。自从人类出现以来，无时不在为了本
身的生存而改造着生态环境。由于生产力水平的提高．人类逐渐从生态环境的襁
褓中“解脱”出来，并以超然的态度对生态环境给予人类的约束愤愤不平。然而，正
当人类大刀阔斧地给生态环境。旧貌换新颜”时，却得到了自然界的无情报复，生
态环境的急剧恶化，严重影响了人类的生存。这就引起了人类的反思：在生态环境
的变化中哪些是属于自然界本身的变化?哪些是由于人类活动所强加于自然界
的变化?这种反思使人类产生了对自然界中支持生命的独特环境进行深入理解的
欲望。人们认识到了仅开展局域性生态环境的研究是不够的，因为局域生态环境
的变化与全球变化关系密切，它是在全球生态环境的大背景下变化的，若缺乏对
于全球生态环境的广泛认识，局域生态环境的研究是很难深入的。因此，在生态环
境的研究中必须打破国家和地区的界限，在全球范围内建立广泛的联系。这已得
到了各国政府和科学家的大力支持，继人与生物圈(MAB)之后，人们又提出了‘
个规模空前的全球变化课题：国际地圈一生物围计划(IGBP)。这是国际科学联台会
(1csu)会于1983年开始筹备组织的以全球变化为中心的国际合作研究，已于
1986年在Icsu第21届大会上通过，1988年在北京召开的JCSU第22届大会进
一步明确了IGBIc，的内容和任务。现在已有24个国家和地区建立了国家地图生
物圈计划委员会(NGBp)。中国科学家对全球变化研究高度重视，于】988年成立
了中国的NGB[，委员会并强调指出：IGBt，是一个以整个地球系统及其支持生命
的独特环境为对象，研究发生在该系统内并受人类活动影响的物理、化学、生物的
相互作用过程的多学科国际合作计划，旨在改进人类对地球环境的认识，提高对
全球环境和生命过程重大变化的预测能力。
IGBP秘书处于1988年底提供的全球变化研究的新闻首版给出了该计划的
最新内容，主要是制订一系列计划来研究地球系统的各分量(生物、陆地、海洋和
大气)之间的关系，研究的重点有所转移，最初强调加强对于陆地、海洋和大气系
统基本循环的理解，其主要焦点在于大气圈和生物圈的相互作用。今后，IGBI，将
更多地研究几十年到几百年中可能发生的区域性到全球性自然过程，尤其注意受
人类活动干扰的自然过程。最终目的是发展一种预测未来变化的方法。下述的4
个项目构成了IGBFr赖以发展的基础：(1)观测和预测全球变化j(2)观测和定向理
解各主导因子的功能；(3)对瞬变现象的理解；(4)估价全球变化对于资源的影响。
这4个项目是通过实施下述的0个程序来完成的：(1)区域性和全球性的地球系
统过程的模拟；f2)全球性的关键目然现象的观测和监视；(3)与全球循环相关联
的自然过程的实验研究。因为在建模中各分量是相互影响的且依赖于实验结果，
模型预测的有效性依赖于全球性主导过程的观测，所以弄清每一个分量的作用将
有助于我们理懈全球变化中的因果关系。模拟模型是IGBP成功的关键，因为它将
被用于检验我们的假定是否正确，同时它也将被用于解决跨越一定时间尺度和空
间范围内的特定自然现象问题。模拟的目的就是要建立一个机制明确的模型，该
模型代表着地球系统中各分量之间的相互作用，这些分量影响着对全球变化预测
的结论。
要深入研究全球变化问题，必须建立全球性的地圈生物圈观测网络，观测作
为某一特定生态系统的基准点，用以校正遥感地面观测、模拟模型以及区域性实
验研究中的误差。观测网的长期记录也将为研究全球变化提供依据。此外，还必须
进行相应的实验研究，实验结果的诠释依赖于我们对地球系统不同分量之间联系
的深刻理解。实验研究的结果将被用于检验人类活动和气候变化的因果性和用于
确定生物、陆地、海洋和大气在全球变化中的耦合作用。
上述的IGBP内容还要经过专为IGBt，召开的科学评议联合会议的评议
(SAC-IGBP)，详细的计划已于1989年产生，但具有明确目的IGBP最初计划已于
1990年形成，一经形成计划的实施过程将持续到本世纪末。
IGBP的产生不是偶然的，全球系统的现存状态使得IGBF，的产生成为必然。
当前，各国政府和决策者都面临着一系列不断增长的与全球环境有关系的难题。
自然界的变化和人类活动的影响是导致全球变化的两个原因，在以后的年代里，
人类的影响幅度将大于自然界的影响幅度，人类活动是再也不容忽视的因素。全
球变化的现存状态极为复杂，与人类活动是密切相关的。
我国的人口和面积在世界上占有很大比重，在我国开展全球变化研究对
IGBP有重要意义。首先要建立与IGBF内容相应的全国性观测网络，同时还应优
先开展～些与国计民生有关且侧重“自然一社会经济”复合系统方面的课题。例
如，全球气候变化对我国主要农业产区降水的影响；主要大工业对CO2、N2O、CH4
和氟里昂引起温室效应的加副以及对环境的影响；迅速发展乡镇企业对农村生态
环境的污染；几种典型植被和海洋生物对CO2、N2O、CH4和氟里昂等温室气体的
调节作用：农业生态系统功能下降的研究等。此外，还应开展海洋大气相互作用
过程、陆面大气相互作用过程、地质过程等大尺度过程对全球变化影响的专题
研究。
全球系统是由地内系统、地表系统和地外系统组成的。这三个子系统内部和
它们之间的相互作用以及与宇宙环境的相互作用为人类及生物进化提供了自然
环境。与生物圈关系最密切的是地表系统，地表系统以下便是地内系统，它是地表
系统的承托体，地表系统是在地内系统上展开的。地表系统向上便是地外系统，它
包括对流层之外的大气层。地表系统是生物圈的直接环境，地内系统和地外系统
是它的闻接环境。
依据非平衡态热力学中的系统分类法，可将地表系统分为以下几类t(1)准平
衡态生态环境子系统，它具有相对孤立的特征，与其他区域极少作用，很步受现代
生产力的影响，如人迹罕至的高寒区等；(2)近平衡态非线性生态环境子系统，它
具有相对封闭的特征，与其他区域的相互作用强度不大，其外界能流和物流的供
给仅仅起到维持该子系统的作用，并不能使其结构更新，受现代生产力的影响很
大并在现代生产力中起主导作用，如大工业区等。以上3类系统的划分强调了人
类活动这一因素。但是，要对各类系统的行为作深入了解，还应将其与相应的自然
条件结合起来进行分析。为此，我们引入自组织和序参量的概念。
地表系统中是由准平衡态环境于系统、近平衡态非线性环境子系统和远离平
衡的非线性环境子系统组成了一个自组织过程的序列。一个系统是自组织系统的
判据为
：
这里s是系统的熵，Smax系统的最大熵。地表系统及其子系统的自组织过程不仅
有量的变化，也有质的变化一一自组织过程中的广义相变。依据协同学的观点。可
认为全球系统中各分量的偶合出现了．各种复杂的全球变化现象，似乎象有一只无
形的手在驱动着，而这只手正是产生这些复杂现象的诸子系统通过协同作用来创
造的，这个安排一切的手就是序参量。
全球变化的现存状态是业已经历的一系列变化的目前阶段。它是继承历史状
态而演变来的。同时也是即将经历未来演变的起点。因此，应该从它的产生过程来
理解其结构和功能。
地表系统和地外系统的能量主要来自太阳辐射。地面吸收短辐射，但发射长
波辐射并加热大气。大气从地面(288K)带走Q为321．86千焦耳／(厘米2·年)的
热量到大气外层(255K)放热，其热值为O.1137(2，这就是地表系统和地外系统进
行各种变化的能量总和。该过程的熵值△s是─4.62焦耳／(厘米2·年·℃)，△s
小于零，地表系统和地外系统获得的是负熵流。正是这种负熵流才使地表系统和
地外系统维持着各种变化，而该变化是在部分负熵流的范围内进行的。
作为全球系统的外环境，宇宙环境对全球系统的外界持续作用有两种：其一
是地球及月球系统在运行中相对于太阳的各种变化及地球、月球系统自身的变
化；其二是太阳的发光度随时间的推移而增强，太阳产生的热量比生命起源以前
要多四分之一。仅根据前一种作用的周期性以及太阳发光度的变化，我们对于地
球系统中出现的周期性冰川循环是可以理解的，根据气候模式：
式中：T——气候系统的温度，C一热容量，I0——太阳常数，n——I0的变化率
a一地球反射率ε～发射率因子，一斯蒂芬玻尔兹曼常数。
由此可得出气候系统的3个定态解。其中一个定态解是不稳定的且介于两个
定态解之间，两个定态解分别对应于一种冰期气候和当前气候。若用上式研究气
候系统的行为，时间一旦超过16．5年则出现混沌现象。
在全球变化研究中，我们遇到的却是如下事实，虽然在短期内太阳供给全球
系统的能量没有明显变化，然而全球的气侯系统却有着瞬息可变的万千气象且具
有非平衡不可逆性，这就提出了如下的复杂问题：
首先，地球系统是一个远离平衡的开放系统，而地球的气候系统确实被保持在远离平衡的位置上，由于太阳能在地球纬度方向分布的不均性，赤道和两极的
子午温度梯度得以形成，并且由于继续吸收太阳辐射能而得以维持。另外，地球向
日球面和背日球面也形成类似的温度梯度。Benard对流是一种在一定梯度下的流
体层所产生宏观卷筒式环流现象的一种物理现象。它是流体从分子混乱运动状态
突然变成有规律的自组织状态，并于最后过渡到混沌。这里的环流起着序参量的
作用，引导着各部分流体的运动方式。一旦这种运动方式在流体中的部分领域形
成，其他部分也被吸引进来，而最初的环流完全是由涨落引起的。事实上，地球系
统的大气运动，海洋运动和上地幔运动中广泛存在着这种Benard流。这运动模
式代表了一大类全球变化中的自组织现象。
其次，全球系统的形成过程不是如热寂说所预言的那样始终增加无序；而恰
恰相反，各种自组织过程的序参量，把原来无序的全球系统的各子系统吸引到已
经存在的有序状态中来，并且在行为上支配它们，序参量的支配作用是安排垒球
系统自组织集体行为有序的根源。在全球系统中，这样的序参量往往有一组且相
互竞争。只有少数序参量才获胜占居主导地位，但这种“统治更替”是不规则的，这
就是导致混沌现象的原因。越来越多的研究表明，地球的气候系统是一个初值敏
感的系统，瞬时不可预测，有不确定性。只要气候系统相差极其微小的两组初值，
随着时间增加、差异增大，运动就会经历完全不同的过程，且该过程就会混沌地进
行。这主要因为在临界点处，环境条件的初值差异放大，引起了完全新的序参量或
序参量组；如气象中Lorenz方程所描述的混沌现象。
最后，智能性自组织过程中人类的大规模生产活动和生物性自组织过程中生
物活动对于自然界的影啊，也是值得重视的。因为这些活动不仅影响局域生态系
统的序参量组，而且对全球系统的序参量组也有影响。洛夫洛克提出的盖娅假说，
把地球系统看作是有生命的有机体和无生命的地球进化紧密配合的一个巨大的、
能自动调节的有机体，甚至认为地球系统本身，致力于地球系统的调节是有意义
的。对于地圈生物圈来说，虽然太阳发光度增加了，但生物从空气中固定CO2的
作用，已使大气中的CO2含量降低到生命起源时含量的千分之一，减弱的温室效
应抵销了相应的增温，从而使地球系统维持着适宜的温度。人类的活动不仅使
CO2含量增加，而且人类的农、林、牧活动改变了下垫面的反射率，改变了局域性
Benard流的格局进而影响了气候系统的序参量组。虽然只有那些在全球系统的
时空偶合中能够引起宏观相变的特征量在临界点处才最容易被放大而成为现实。
但是各种大规模的人类活动都有可能作为涨落被放大而成为控制全球变化模式
的“统治者”。因此，智能性自组织的目的不是控制全球变化而是参与全球变化，不
是影响自然界而是与自然界合作=
在合作时，所遇到的首要问题是我们对地圈生物圈之间的复杂依赖关系的
了解是否可靠。这种可靠性程度对于提高我们对因果关系的鉴别能力和对经济及
环境之得失的预测能力非常重要。尽管我们需要了解大自然对紊乱的人类活动将
如何进行报复，但是要作出可信赖的预报还有困难。即使我们对全球系统作用方
式有了充分的了解，并且对人类活动的影响也有一·定的认识，也很难作出精确预
报，因为还存在一个全球系统可能出现混沌现象问题。由于全球气候系统的不可
逆性决定着初始信息岿然在有限时间后失去，该系统不可经历一个完整的彭加莱
循环。除了自然过程之外，智能性自组织过程的非线性作用使全球系统更加复杂
化，很小的涨落往往在临界点处被放大而波及整体，而这诸多人类活动形成的涨
落是难以观控的。这是建模中的困难之。
当然，这并不意味着人类对全球变化束手无策，进行全球系统建模还是有一
定基础的。近几十年来，遍及全球的地学观测网的建立，航天和太空遥感技术的发
展为及时掌握全球变化提供了技术手段；已开展和正在开展的全球性计划，如人
与生物圈计划(MAB)、垒球大气计划(GARP)、世界气候计划(WCP)、国际水文计
划(IHP）地球物理年GGY)、日地物理计划等递和高速处理提供了必要的条件；
系统科学的发展和各专门学科的深化则提供了学科基础和方法论。
IGBP是智能性自组织过程实施的对全球系统的监督系统，表现出人类对自
身生存环境的全球性关切．它必将为人类生存和延续作出伦理学意义上的贡献。
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生态文明专著>>刘宗超博士论文-作者刘宗超