第03章-自然地理系统的物质与能量结构

第三章自然地理系统的物质与能量结构重点：自然地理系统的物质结构、要素结构、能量结构。难点：从物质与能量循环的角度说明部分与整体的关系。一、物质元素——组分组成结构二、物质循环结构第一节自然地理系统的物质结构一、物质组分组成结构一类是无机组分，另外一类为有机组分。固态岩石无机组分液态水气态空气有机组分——活质有机体三种无机组分在自然地理系统有规律地构成三个相互渗透又相互独立的物质圈层（沉积岩石圈、水圈和大气圈）。每一个圈层的内部，除了各有一种占绝对优势的主要组分（沉积岩石圈的岩石、水圈的水、大气圈的空气）以外，还有一定数量的其他组分混杂渗透其间。一、物质组分组成结构在自然地理系统中，除了上述四种基本组成成分外，还有多种次生的组成成分。这些次生的组成成分是四种基本组成成分相互作用的结果，又称为衍生物。衍生物一般集中分布于大气圈、水圈和岩石圈直接接触和联系最紧密的部位，即自然地理系统的界面上。一、物质组分组成结构自然地理系统的衍生物主要有以下几种类型：（1）陆地表面岩石风化壳及其表层的土壤，主要分布于大气圈和岩石圈的界面上；（2）覆盖于岩石圈表面的大陆冰川，分布在大气圈和岩石圈的界面上；（3）富含生物有机体的海底软泥、湖底腐泥和沼泽泥炭等类现代沉积物，分布在水圈和岩石圈的界面上一、物质组分组成结构从总的来看，自然地理系统的物质，既广泛分布，又相对集中。各种组成成分在不同的圈层中都有分布，而他们又相对集中于某一圈层。这就是自然地理系统物质组成的广布性、集中性和成层性。一、物质组分组成结构（二）组成要素1.大气圈的基本组成成分为空气，主要的组成要素为氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）、二氧化碳（CO2）和水汽（H2O）等元素态气体及其化合物，另外还有固体杂质等。2.水圈是由各种水体（海洋、江河、湖泊和地下水等）所组成。这些天然水体则为复杂的混合液，含有多种溶解质。天然水中的溶解性气体多呈分子状态，主要由溶解氧（O2）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、氮气（N2）、甲烷（CH4）和氦（He）等。天然水中的大部分元素呈离子状态，主要由氯离子（CL-）、钠离子（Na+）和钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、重碳酸根（HCO3-）、碳酸根（CO32-）、硫酸根（SO42-）等。一般说来，海水的溶解质以氯化物为主，陆地水的溶解质以碳酸盐类为主。此外，地下水中还富含生物的分解物质，如硝酸根（NO3-）、亚硝酸根（NO2-）和铵离子（NH4+）等。3.沉积岩石圈的主要组成成分是粘土和泥质页岩、砂岩和灰岩等，其组成要素主要为氧、硅、铝、铁、钙、氢、碳、钠、钾、镁等元素及其化合物SiO2、AI2O3、CaO、CO2、H2O、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O等。范围物质组成元素组成质量（T）质量占比例（％）厚度（km）生物圈生命区域（包括植物、动物、微生物等）主要元素（C、H等）、大量元素、微量元素1.60×10120.0000082水圈盐水和淡水：海洋、河流、水库、冰川、积雪溶解性气体（O2、CO2等）、离子态气体1.41×10126.93.8沉积岩变质岩等整个自然地理系统935空气N2、O2、水汽、CO24.0×10150.02516大气圈无机物与有机物10015O、Si、Al、Fe等1.9×1019表3.1自然地理系统的元素——组分组成结构表二、物质循环结构一种是物质循环，一种是能量转化。二者是辩证统一的。能量转化是物质循环的动力基础，物质循环是能量转化得以实现的保证。正是这样，自然地理系统才能不断向前发展。这四种类型的物质循环，既代表了无机圈层之间以及生态系统内部物质流通过程，也反映了自然地理系统物质组分的“固、液、气”三种形态的转变。地质循环水分循环大气循环生物循环四大循环在自然地理系统中，岩石圈的内部以及与其环境之间所存在的物质循环和能量转化过程，称为地质循环。地质循环是在一定的能流驱使下进行的，比较明显易于观察到的动因是地表水循环。地质循环的全过程实际蕴含着太阳能与地球内能的一系列转化及其相应的四种作用过程：风化剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、构造作用。1.地质循环总之，岩石圈的物质循环是由四个基本过程构成的。岩石圈风化物渗入水圈、大气圈和生物圈；另一方面水圈中、大气圈中和生物体中的物质又返还岩石圈中，从而完成地质循环，并形成自然地理系统特有的发生体——沉积岩。物质循环结构——地质循环2.大气循环在自然地理系统中，有相当一部分的物质和能量，是通过大气循环的方式进行输入和输出的。大气循环是指大气圈及其与环境之间存在的物质循环与能量转化过程。它包括大气圈内的物质循环和大气圈及其圈层之间的循环。大气循环运动的基本形式——大气环流。大气环流按其空间范围和规模的大小，大致可分为全球性环流系统、海陆间季风型环流系统和地区性环流系统等不同层次。形成大气环流的原动力来源于太阳辐射能，但是不同规模的大气环流，又各有其不同的形成因素。在物质能量系统中，大气环流具有重要的意义和作用。物质循环结构——大气循环大气环流在输运物质与能量上作用很大。如在赤道上发生的环流圈，平均每秒流动2×104吨空气，因此他也不断地改变着自然地理系统中能量、物质、水分和其他物质的分配。大气圈与其它圈层的循环—在太阳能的作用下，其它圈层的水体可以通过蒸腾和蒸发进入大气层中。据计算，每年约有52km3的水量进入大气层。物质循环结构——大气循环岩石圈进入大气圈的物质主要是尘埃（通过风力、火山爆发和燃烧）。据估算全球每年有50座左右的火山喷发，向大气中排放数百万吨的尘埃和火山灰等。大气环流最显著的作用在于传输大气中所含的各种物质元素和贮存的热能，不断对地表的热量和水分的空间分配进行调节，从而形成各种气候、促使天气发生变化。物质循环结构——大气循环水循环是指在自然地理系统中，水圈的内部及其外部圈层之间的物质循环与能量转化过程。水循环可分为大循环和小循环两种。在自然地理系统的物质能量系统中，水循环既是协调各圈层之间能量转化的物质因素，又是沟通各圈层物质联系、促成地质循环的主要动力因素，同时他还参与大气循环及生物循环的全过程，并起着重要作用。3.水分循环水循环运动具有多方面的作用和重要的地理意义：①它是岩石圈风化壳产生机械输运作用、促使地表各种化学元素迁移的主要动因；②它是陆地上雕塑各种地貌形态、形成各种水域的重要机制；③它是维持生物生命活动、形成地表生态系统中水胶体系的基本条件，是沟通无机界与有机界物质联系的纽带。4.生物循环在自然地理系统中，围绕有机界发生的物质循环和能量转化过程称为生物循环。生物循环是更高级的物质循环形式。生物循环的基本途径有两种：一种是植物和微生物作为岩石风化壳及其土壤与大气之间的物质联系环节，而直接参与地质循环、水循环和大气循环运动过程；并通过他们自身的生物物理和生物化学作用，而促进水分循环以及水迁移元素和空气迁移元素在地球表层的循环。另一种途径是通过各种生物的生命活动与其无机环境进行物质交换（包括能量转化），亦即通过生物的新陈代谢作用，而促使自然地理系统的无机物和有机物在更广泛的范围内进行循环。生物循环集中表现在生物的新陈代谢过程中。任何有机体的存在和发展都是依靠从外界摄取和积累物质和能量，并消耗和分解这些物质和能量来维持，这些就是生物新陈代谢的两个方面，即同化过程和异化过程。物质循环结构——生物循环生物循环的重要作用表现在：①绿色植物通过光合作用把太阳能转化为生物能，为一切生命活动奠定了能量基础，成为生物进化的原始动力，从而推动着自然地理系统不断向前发展；②生物作为土壤—植物—大气之间的一个联系环节，成为物质与能量相互交换的一个重要通道；③生物循环对于能量的贮存和消耗，对于化学元素的迁移和积累，对于碳循环、氮循环、氧循环和其他有关成分的循环等具有明显的作用；④更为重要的是生物循环实现了有机界与无机界之间的转化。物质循环结构——生物循环第二节自然地理系统的要素结构气候要素及其作用过程地貌要素及其作用过程水文要素及其作用过程生物要素及其作用过程土壤要素及其作用过程岩石要素及其作用过程六大要素及作用过程一、气候要素及其作用过程大气是自然地理系统的重要组成部分和最活跃的要素，在地理环境物质交换与能量转化中是一个十分重要的环节。大气层中天气系统的生成与消亡，发展与运动，是全球气候的基础。大气层是使生物免受有害辐射的保护层，其所含气体还满足植物、动物维持生命的需要。气候过程主要是通过气候模式来体现的。目前常见的气候模式主要有以下几种：1.GCM模式——典型的动力学模式2.能量平衡模式——出发点是气候系统趋向能量平衡3.熵模式——气候状态的定态，最小熵交换只适用于这种状态，偏离定态，其假定不能成立。自然地理系统的要素结构——气候要素二、地貌要素及其作用过程地貌是自然地理系统中的一个重要因素，它与人类生活和生产活动关系极为密切。地貌是内外力作用下的产物，在地貌发育过程中，两种力量是同时出现，彼此消长，相互作用，相互影响的。在地球表面长期演化过程中，内力作用与外力作用在数量上或强度上都具有同等重要的意义，两者趋于动态平衡。从地貌的长期发展史来看，内力在地表变化过程中通常起着构成地表大型地貌骨架的作用，或隆起成为高山高原，或下沉成为海洋盆地。而外力作用主要是将地表夷平，使高地削蚀，低地填高，且在此过程中塑造出各种丰富多彩的外力地貌。自然地理系统的要素结构——地貌要素在地貌学发展史上，对于地表形态的认识和总结，曾经历了几个重要阶段，每个阶段都有一批地貌学家把各自的学说或理论综合成一定的思维程序或概念组合，并通过这些表达了他们对于地貌过程的理解程度。W.M.戴维斯、W.彭克、突变论自然地理系统的要素结构——地貌要素1.戴维斯模型戴维斯于1899年创立了“地理循环（Thegeographicalcycle）”学说（又称侵蚀循环）。该学说认为地貌的发育要素有三个：即构造、时间（侵蚀阶段）和营力。把地理循环分为“风蚀循环”、“冰蚀循环”、“水（河流）蚀循环”、“海蚀循环”等。在每种循环中，又分出若干相对意义的发育阶段，即幼年期、壮年期和老年期。老年期地面被夷平，称之为准平原。自然地理系统的要素结构——地貌要素这种理想的地理循环，是戴维斯所倡导的依赖于时间序列的模型。戴维斯理论比较全面地概括了地貌发育的因素，对地貌学发展曾经起过推动作用。但也有较为严重的缺点，主要在思想方法上给予简单的推理和演绎，忽视了地貌演化过程中由于多种要素变化而使循环方向发生变化的复杂性。自然地理系统的要素结构——地貌要素2.彭克模型他认为地貌是内外力同时相互作用下的产物，研究地貌学的主要目的就是通过分析地貌形态实际去了解内外力之间的相互关系，以便确定地壳运动的性质。地貌分析的具体方法是分析斜坡形态，认为斜坡剖面形态有三种：即凸形坡、凹形坡和直线形坡。每种形态都包含着内外力的数量关系。如凸形坡表示地壳上升大于剥蚀作用；凹形坡表示剥蚀作用强于地壳上升；直线形坡则表示两者均等。如果地壳上升时快时慢，那么，斜坡的剖面形态就变得复杂起来。自然地理系统的要素结构——地貌要素彭克比戴维斯更加注意岩石调节模型的问题，表现在他给予的等级程度比戴维斯的要高。他总结出，不同岩性的岩石对化学风化和机械侵蚀，具有不同的抵抗能力。彭克的提法对戴维斯学说提出了挑战。自然地理系统的要素结构——地貌要素自然地理系统的要素结构——水文要素水是地球表面分布最广和最重要的物质，并作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和发展过程，在所有自然地理过程中都不可或缺，具有重要的地理学意义。包括水循环和水量转化。降水量、蒸发量和径流量作为水循环的三个重要环节，同时也是水量平衡的三个重要因素。因素水量/km3海洋降水量382000海洋蒸发量419000陆地降水量106000陆地蒸发量69000进入海洋的径流量37000来自陆地蒸发的陆地降水量12000来自海洋蒸发的陆地降水量94000来自陆地蒸发的海洋降水量57000来自海洋蒸发的海洋降水量32500