刘宗超   昝廷全

 地球表层学是著名科学家钱学森1 985年以来

多次提倡建立的一门地理学的基础性学科。近三

年来．地球表层学进展很快，本文主要目的是论

述笔者对地球表层学的理解、探讨地球表层学发

展的可能途径。

    一、地球表层的概念

  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深入了。1981年牛文元提一

出对自然地理全新认识的观念，以力能学为主线

论述了自然地理系统的运动和演化，对自然地理

的熵进行了初步探讨。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。同年钱学森提出刨

立地球表层学，这把地球表层的研究提高到系统

科学的理沦高度。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，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。地球表层的演化既有确定性也有随机性。因此对于地球毒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。

    二、地球袭层的结构与层次

    地球表层具有明显的结构与层次，从结构上看，地球表层是由岩土圈、土壤圈、水圈、气圈、

  生物圈、冰雪圈和冻土圈组成的。各圈层又依据时间空间的不同而体现出明显的地域差异和t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素；垂直分异层次是某圈层在某一特定地点在铅直

  方向上的分布情况，它是决定该点以机械运动为特征的能量分布状的主要因素；工质性层次是某圈

  层在某域乃至某点的物质组成的情况，以化学运动为英特征．反映的是相对微观上的差异。从综合

  观点上看，地球表层的渚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于了新质，使其具有极大的复杂性。

      三、地球表层的他组织和自组织    。  !

    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0“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带的基础；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

  龙盼来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

  球表层的进化是在位组织背景之上所展开的自组织行为，自组织是在他组织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，40—l9亿年前，地球表层

  的能量主要来自地球物质的放射性生成能，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、水固和大气固．

    Ⅱ．地球表层生物性自组织阶段：该阶段是指以有机体各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仓4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)然后将转亿中的废物抛入环境，这就是生

  物自组织过程。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l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；同样在地球表层的智能性自组织阶段，地球表层的生物性自组织和地球表层韵原始性自组织

    仍在进行着．因为地球表层的智能性自组织、生物性自组织和原始性自组织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世界格局，其中智能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。这三大系统是出上述地球表层的三大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。自然地理系统的研究成果浩如烟海，现在已进入非线性热力学研究阶段，牛文元，潘玉君对自然

    地理系统的特点从系统秘学的角度进行了研究，提出3种较有意义的定性思考。自然地理系统及其熵

    变的唯象理戬、笔者已有较详细的论述。天然生态系统的研究已从定性分析提高到定量计算的水平，

    以奥德姆、梅等学者为先导进行了一系列的理论研究。

    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园索，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。但也有一些学考提出相反的观点。美国社会学家里夫金认

    为：人类的劳作加深予世界的混乱，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靳韦妖的本质认识

    不够，事实上地球表层无时无刻不在接收太阳辐射能，它是进入地球麦层的负熵流，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_帮譬

    苯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，遗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，国际科联正在筹建

    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

    为图控制自然地理系统和自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掺表层学的重点研究课题之

    一

    四、建立全球模式的可能性与困境

    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。地球表层的智能性自组织过程中的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──社会复合体系。事实上一个无离平衡的开放系统，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超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?逮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。这就是说对含有渚层次的系统而论，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。仅以地球表层的物质和功能实体

为例给出系统科学的框架图(见图1．)

    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2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，这个问题足相对的，没有绝性，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用了决策。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．尤其在环境保护和对自然界

¨有重大影响人为工程设计时更应注重这个问题。但这绝不是说地球表层学无所作为，而是要求地球表

层学在处理地球表层谬题时，注意方法论．对该困境有所突破。 

    协同学是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熵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。 

普里高津和尼克里斯曾、以全球为背景，提出了一个全球气候变迁的模式：

当然，方程(3)相对于地球体系的复杂性而言确实是太简单了，但足它可以给出地球体系气候变迁

的定性说明．同时为我们建立地球表层系统的统一模型提供一种启示。

    五、地球表层学的应用前景

    地球表层学足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、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合。因为对予复杂系统，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：  

   Ⅰ量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的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。   

 Ⅱ侧重地球表层的自然——社会——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，土壤疆在退

化，C02和CH4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洞

某些物种濒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，咎其僚因则正起人类在地球表层的智能性自组织过程由于缺乏全球性的深刻认识而同

时打开了“潘多拉的魔盒”，在增加地球表层有序性的同时也造成了无序性的增加。

    地球表层学所解决的理论问题对国民经济建设也具有指导意义。著名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废气(C02等)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，由海水膨胀和冰川冰盖融化可使世界海平面升高

的最大值是0.26～l.65米。环境开发和环境保护是地球表层学的重要应用课题。  “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，植物种类电在减少、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。布局方案的论证与环境

预测都是地球表层学的用武之地。

    地球表层学是源于我国的一支科苑新葩．笔者祝愿它能广吸百科甘露，获得大发展。

--摘自理论之声-1989-3