刘宗超孙莉(中国科学院新疆地理研究所)
    地理学的内容如此广泛，以致于一个地理学家都 很难回答“什么是地理学”。本文仅讨论自然地理系统 的演化及其系统科学描述．
     一、自然地理系统与地球表层 自然地理系统是地球表层和自然生态系统的中介 系统． 地球表层是与人类直接有关的地球环境，其空间 范围上至同温层底部，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．该层是天 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)、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成为一个非常复杂的 巨系统，该系统与其环境有能量、物质和信息的交 换，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，内部及外部涨落是地球表层演化的动 力．确定性和随机性的互补使地球表层演化的预测复 杂化，因此需要建立专门的学科，这就是钱学森提出 的地球表层学．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、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．广义熵流是系统间的信息交 换，分岔与突变是系统演化的关节点。 自然生态系统是存在于自然界且不受人类活动影 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．自然生态系统 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．自然地理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 论是深入研究自然生态系统的理论基础．， 地球表层学是研究自然地理系统的理论基础，自 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，它是自然地理系统的 “软件”．自然地理系统的结构是可变的，有时甚至是 活跃的．自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。
     二、自然地理系统的层次分析 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——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．该层次只具有物理化 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，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，同时这一系列的不可逆过程使 该层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LeChatelier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JJf、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 沤域更为活跃，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，C02的温室效应、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．
    三、自然地理系统的系统科学基础 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，但要注意分析和综合 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，无论是哪个层次，系统 科学所要研究的都是系统，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 论认为，在非平衡的线性区域，不会自发形成时空有 序结构．在自然地理层内，任何人为强加的有序结 构，也会随着时间的推移而消失，达到一个相对无序 的定态． 3．自然地理区域层次的非线性理论 (1)非线性热力学用于自然地理区域所遇到的困 境 自然地理区域乃至整个自然地理系统、物质和能 量的输运在以下四种循环中进行：地质循环、水分循 环、大气循环和生物循环．这四种循环过程巧妙地耦 合在自然地理系统中．自然地理区域的“广义流”和 。广义力”呈非线性关系，正是这种复杂的非线性作用 使自然地理区域远离平衡态．在该情况下，最小熵产 生原理已不适用，作为自然地理区域的稳定性判据是 超熵产生δχP 式中，是熵的二阶变分． 二 事实上将(8)式用作自然地理区域的稳定性判据 将会陷入困境。我们很容易找出一个非线性化学反应 体系的axp而对于一个复杂的具有自组织功能的自 然地理区域，要找出一个具有实际热力学意义的6。P 几乎是不可能的．实际上非平衡热力学在处理非线性 问题时则更加注重体系的动力学行为． (2)自然地理区域的序、确定性和随机性 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。有人以自然生产 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．描述自然地理区域的方程可 分两类．一类是随机微分方程，有代表性的是主方程 (9)式的含义如下：设自然地理区域这一非线性体系 的分布函数为P(x，t)，x为体系的一个广延量．P(i， t)代表在时刻t时x取值为j的概率；W(j→i)代表 在单位时间内由j表征的自然地理区域状态转移到由 i表征的自然地理区域状态的转移概率。P(i，t)和 W(i→J)的含义可以由P(j，T)和W(j→i)的含义类 推出来．非线性主方程的物理意义是使随机性问题得 到确定性描述． 另一类是确定性微分方程．自然地理区域中比较 典型的系统是两物种捕食的生态系统，描述系统行为 的是Lotka—Voltrra方程．已有的研究表明，在Lot— ka—Voltrra方程这类含有三个或更多变量的非线性 微分方程组中导致“奇异吸引子”的新型分岔已成为可 能，即从确定性问题中产生随机行为，从倍周期轨道 运动向混沌过渡是通过阵发性混沌实现的．在更广泛 的意义上，M．Feigenbaum常数4．6692016…是倍周 期分岔现象中通向混沌的“桥梁”．这在研究多变量自 然地理区域中的确定性问题时也同样具有意义，可以 预言，随着自然地理区域定量研究的深入可以发现越。 来越多的混沌现象． 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。 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。 (在太文的成文过程中曾与兰卅大学昝廷全同志 进行过有益的讨论，谨致谢意．)--摘自自然杂志-1988-611卷