第二章 人类生存支持系统的自组织
第一节 自然地理系统分析
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结构是
营养结构，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。
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，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一。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层开的系绕的等级系列，系绕的大小是以地
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
的要素是指地貌、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。自然地理
系统的结构是可变的，有时甚至悬活跃的。天然生态系统是在自然
地理系统中孕育发展的，天然生态系统是自然地理系统的“软件”．
它与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。
l自然地理工质层次
这是最基本的自然地理系统层次。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。
2．自然地理层层次
这是比自然地理工质层次高一级的层次，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．这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
十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
广义勒夏忒列原理上的意义──当外界将该层次上的某一要素0j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。
3．自然地理区域层次
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厨．地质、水文、大
气和生物等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
的重新分布。如矿产开采、城市热岛效应、凹：的温室效应等，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
统自身特征的学科。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。要注意分析和综合的辩证关系。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式的特征。然而自然地理
系统的内禀性才真正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、确定性和随机性决定于各要素和各种作用
过程所具有组合目的性，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嫡最
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
过程的组合不协调，对于．个组合所选择的概率分布比较均匀．
其有序性最低，嫡最大。随着初始生产力的提高，这种概率分布将
逐渐集中到越来越少的几种选择上，即生物产量越高越稳．诸要素
和作用过程的组合越协调，自然地理区域的有序性越大．嫡值越
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
然地理区域体系承载范围的外来突发性干扰事件。
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
系统的未来演化趋势。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．通过连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用
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
会战胜人类的情况。
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，要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施促进演化，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，使其更陕趋于热混沌状态，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。
第二节 地球表层分析
地理壳的概念是地球表层橇念的雏形，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、认识的深化。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探入
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构的开放系统概念。同年．钱学森提出创
立地球表层学，把地球表层的研究提高到系统科学的理论高度。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2届全国天地生学术研讨会作了详细的报告，该报告对
我探入研究地球表层一定的启发。 ．
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)与地球因素(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，但诙系统与环境有能量、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。广义嫡流也包括系
统间的信息交换，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间的转
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、冰川冻土圈组成的。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。
各圆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
是莱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
的主要因素．垂直分异层次是某一圈层在某一特定墙点在铅直方向
上的分布情况，它是决定该点以机械运动为特征的能量分布状况的
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层开的，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”是其进化的驅动力，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；磁暴和太阳黑于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下
所展开的自组织行为，宫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 Chatelier原理上的
义。地球表层的自组织分为以下三个阶段；
一一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，40亿～19亿年前，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、水蒸气和其它气体大量进入地球表层、
水暖和大气圈。
──地球表层的生物性自组织阶段。该阶段是指以有机体合成
为主要特征的阶段。毫无疑问生物在其形态和功能两方面都是自然
界中创造出的最复杂最有组织的物体。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，土壤圃的
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。
──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3m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。．
以上三个阶段存在这样的逻辑关系，即在地球表层生物性自组
织阶段，地球表层的原始性自组织井未中断；同样在地球表层智能
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与自然性相互作用而产生的复杂世界格
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大自组织类型所决定的，伹是这三种类
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，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，如果麦克斯韦妖不存在，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
使二部分本来要耗散掉的负嫡流转化为固定的形态并用于产生和维
持地球表层的有序性，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：
在本体论意义上，人类是地球表层的“儿子“；在社会意义上．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，国际科联所制定的“全球变化一一国
际地圈一生物圈研究计划”更能体现这种精神。人作为社会关系总
和的代表在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jIr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題之一。
建立全球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。在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。
地球表层学的主要目的在于发现地球表层体系的统一运动规
律，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
表层诸于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。因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，而不是于系统的简单叠加。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題，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，
它决定于人们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
策是在当时水平上进行的。也就是说，虽然今天我们认为是完备的
并在该基础上作出了决策，其结果往柱是人类恰恰为这种表面上
“完备”而实际上的不完备的蒙蔽而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分的行为。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，径之一。
地球表层学是以系统科学为指导思想建立的一门沟通自然科学
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、贤源环境学、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合。
由于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、结构层次以及人与自然的背反性和协调性。
地球表层学的应用范围，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。例如，太阳辐射、磁暴、太阳黑
子、天体引力(九星联珠)等因素，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．都是对地球表层的约束．这对于自然灾
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。地球表层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
地球裹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，在与自然界抗衡和对环境中物质能量的利用中，出现了国
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、干流层臭氧在减少，南北极上空相继出现了臭氧空洞、某
些物种濒临灭绝及生态环境在继续恶化等。究其原因．正是由于人
类在对地球表层的智能性自组织过程中缺乏全球性深刻认识的前提
下打开了“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。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。
地球表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吁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CO2，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"C，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学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、黄淮海乎原的综
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。人类自从诞生以来，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。人类
经济活动所造成的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“人与生物圈计划”(MAB)之后，人
们又提出了一个规模空前的全球变化课题： “国际地圈．生物圈计
划” (IGBP)。这是国际科学联合会(ICSU)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lCSU
第2l届大会上通过。1988年在北京召开的ICSU第22届大会，进
一步明确了IGBP的内容和任务。现在已有24个国家和地区建立
了“国家地圈一生物圈计划”(NGBP)委员会。中国科学家对全球
变化研究高度重视，于1988年成立了中国的NGBP委员会并强调
指出：IGBP是一个以整个地球系统及其支持生命的独特环境为对
象，研究发生在该系统內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。
IGBI’秘书处于1988年底提供的全球变化研究纲领，制订了一
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，其主要焦点在午大气圜和生物圈的相互
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．个項目构成了
1GⅢ赖以发展的基础，即(1)观测和预测全球变化； (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1个程序来完成
的：即区域性和全球性的地球系统过程的模拟；全球性的关键自然
现象的观测和监视；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
有助于我们理解全球变化中的因果关系。模拟模型是1GBP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-物田观
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IGBP召开的科学评议联合会
议(SAC-IGBP)的评议，详细的计划已于1989年产生，具有明确
目的的IGBP最初计划已于1990年形成，其实施过程将持续到本
世纪末。
1GBP的产生不是偶然的，全球系统的现存状态使得IGBP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題。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IGBP内容相应的全国
性观测网络，同时还应优先开展一些与国计民生有关且侧重“自然
一社会一经济”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c02、N20、CI＼和氟里
昂引起温室效应的加剧以及对环境的影响，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C0，、N，0、CIL
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，还应开展海洋一大气相互作用过程、陆面一大气相互作
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。
：、全球系统的子系统与自组织
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
子系统內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
统是在地内系统上层开的¨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，OL
外系统是它的间接环境。
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；①准平衡态生态环境于系统．它具有相对孤立的特征，与其
他区域极少作用，很少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。③远离平衡态的非
线性生态环境子系统，它是一个物流、能流和信息流都较大的开放
系统，经济辐射功能强，结构更新快，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。 ．
地表系统申是由准平衡态环境子系统、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是系统的最大熵。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——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耦合出
现了各种复杂的全球变化现象，似乎像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·摄氏度)的热量到大气外层(255K)
放热．其热值为0．1137Q，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△是一144．62焦耳／(厘米。·年·
摄氏度)，△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必前要多1／4。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；
μ——I的变化率；α——地球反射率；e——发射率因子；σ——
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，时闻一旦超过16．5年
贝lI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，然而全球的气候系统却有
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。本纳德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本纳德对流。这种运动模式
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
球系统的各于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全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。如气象中洛伦兹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响，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是一个能自我繁殖的超级生
命，正是它，致力于地球系统的调节，才维持了人类的生存。对于
地圈一生物圈来说，虽然太阳发光度增加了，但生物从空气中固定
CO2作用，已使大气中的CO2含量降低到生命起源时含量的
0．01％，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，改变了局域性本纳德对流的格
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。卣于全球
气候系统的不可逆性决定着初始信息必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一。
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已为及时掌握全球变化提供了技术
手段，诸如人与生物圈计划(MAB)、全球大气计划(GARP)、世
界气候计划(wcP)、国际水文计划(IHP)、地球物理年(IGY)、
日一地物理计划等一系列全球性计划正在开展．通讯卫星的数据传
递和高速处理为上述各计划提供了必要的条件，而系统科学的发展 和各专门学科的深化则为实施这些计划奠定了学科基础和方法论。
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生态文明专著>>《生态文明观与中国可持续发展走向》