自然地理环境的组成和结构

第二章自然地理环境的组成和结构(据伍光和《自然地理学》)本书绪论曾扼要地讨论了自然地理环境的概念及其包含的基本内容。这里，我们将进一步讨论自然地理环境的组成和结构，以图建立关于这个研究对象的立体的和动态的观念，并以此作为以后深入阐述其各种基本规律的出发点。第一节自然地理环境的范围和边界地球构造的一个显著特点是它的分层性。整个地球是由一系列具有不同物理和化学性质的物质圈层所构成。这些地球圈层称为地圈（图2.l）。地球的外部笼罩着大气圈，其中还可再分为散逸层、电离层、中间层、平流层和对流层；大气圈的下垫面是海洋和陆地水构成的水圈；地球固体部分的外层是岩石圈（包括地壳和地幔的刚体部分），岩石圈的表层分布着很薄的一层沉积岩石圈及地表风化壳和土被层；岩石圈以下的地球内部是地幔的大部和地核；此外，在海陆表面还存在生命物质，它们组成生物圈。所有这些地圈的组合形式具有两种类型：在高空和地球深部的地圈，其层内理化性质较为一致，圈层之间的关系较为简单，表现为上下成层的组合形式。而在海陆表面附近的大气圈（下部）、水圈、岩石圈（上部）和生物圈则表现为相互交织的组合形式。这后一种组合形式的四个地圈不仅是紧密地接触，而且是多方面地相互作用，从而构成一个新的、比较地球其他圈层具有独特地理意义的物质体系，这就是自然地理环境。由此可见，自然地理环境是地球的一个复合圈层，即地理圈。它镶嵌于地球的表层，以自己的表面朝向宇宙空间，正像一个包围着（固体）地球的“壳”。因此，人们也把自然地理环境称作“地理壳”。这个名称突出了自然地理环境的外形和空间位置。然而，要确定自然地理环境的空间位置，即确定它的范围和边界，却是一个棘手的科学课题。我们知道，客观物体的边界有两种不同的类型：第一类是突变的鲜明边界。这类边界在空间上呈一个面（没有厚度），界面两侧物质（体系）的性质有明显区别。例如海陆交界。第二类是渐变的模糊边界。这类边界在空间上呈现一个过渡区间，其内不同属性的相邻两物质（体系）并存，且一方属性逐渐消失而另一方属性逐渐显著。自然地理环境的边界正是一种具有一定过渡区间的渐变界限。它的两个边缘圈层——大气圈和岩石圈——的厚度很大，而两者的物质组成和结构特性随高度或深度的不同又具有渐变的性质，所以，要在这两个地圈中确定自然地理环境的边界就不是容易的事情了。长期以来，不少地理学家就自然地理环境的边界问题进行了深入的探索。直至近今，仍不断有新的观点提出。所有不同的观点，概括起来包括三类。有一类观点趋向于把自然地理环境的界限划定在一个巨大的空间范围。这类观点主要为原苏联地理学者所提出。其中一部分原苏联学者侧重在自然地理环境的“外部联系显著减弱之处”寻找边界和确定范围。А.А.格里哥里耶夫（ГpигopьeВ）在1933年提出，地理壳的下限在地球固体表面以下大约100—200公里的深度，那里是构造力停止作用的地方。后来又认为地理壳包括地壳、对流层、平流层（至臭氧层）、水圈、土壤、植被和动物界。即认为地理壳的上限为臭氧层底部。C.B.卡列斯尼克1947年的观点是：地理壳的上限为臭氧层的高度，约在海平面以上25—30公里高度，因为臭氧层调节了到达地表的紫外线，使波长小于0.29微米的紫外线不能到达地表；下限则应为普通震源所在的深度，即在海平面以下15或20公里到40或50公里的地方，因为普通震源是引起地表变化的地球内能来源的深度。另一部分原苏联学者着眼于自然地理环境的“内在联系显著减弱之处”。И.М.查别林（За６еЛин）在1952年提出，地理壳的下限应位于地壳中有生命和液态水分布的极限，这一深度在大陆深约5公里，在海洋深约11—12公里；而上限则为对流层顶。1953年，А.Г.伊萨钦科发表了自己的意见。他认为地理壳的上限在对流层顶，下限在沉积岩石圈的底界（约在地面以下5—6公里）。因为对流层和水圈参与着太阳所能引起的地理壳的积极的物质循环，沉积岩则是由所有三个无机圈和有机体的相互作用的产物，而从对流层到沉积岩石圈的范围也是生命有机体可能生存的区间，而在这一区间之外，自然地理环境的内部联系就显著减弱了。1962年，Д.Л.阿尔曼德（Apманл）这样认为：地理壳的上限为对流层顶；而下限与整个地壳的界限一致，包括了玄武岩层。其理由是深成岩也参与地理壳的物质循环，而深处的能量转化又决定着构造作用和普通的地震。原苏联学者中较新近的意见是A.E.科里瓦鲁茨基在1977年提出的。他认为在大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的相互联系中，大气循环是根本的。因此他把对流层的上限作为地理壳的上限，而把区域性潜水的不透水层顶部作为下限。另一种观点把自然地理环境的界限划定在较小的空间范围。这一观点以我国地理学者牛文元为代表。他认为原苏联地理学家划定的界限和范围偏大而流于空泛。他根据所研究问题的特点以及讨论时的方便，把自然地理环境限于一个较薄的空间内，视之为一个开放性的系统，取名“自然地理面”。自然地理面的上限放在地表向上约50—100米的近地面边界层，而下限放在太阳能量影响地表的终止线（其深度在陆地下面约20—30米，在海洋可达100米的深处）。理由是，在近地面层空气运动以乱流处于主导地位，支配着这里与其上的大气层的物质和能量交换；在陆地上以太阳作用为外力作用的代表，自然地理面的下限不应超过外力对地球的作用深度。还有一种观点也是我国地理学者提出的。陈传康认为地理学所研究的范围界限不应作硬性规定，硬性规定一个厚度未必都符合客观实际，而应视研究问题的性质有相应的变化。通常随研究范围的不同，牵涉的厚度也不同。研究小范围的问题，所涉及的厚度就应薄；研究大范围的问题，厚度就应大；全球性的问题，才可能涉及到所谓地理壳的厚度。总而言之，关于自然地理环境的范围和边界至今仍是一个值得探讨的科学问题。但就全球尺度的自然地理环境而言，目前大多数自然地理工作者基本接受了А.Г.伊萨钦科的划法。而在具体的研究中，陈传康的观点是值得重视的。第二节自然地理环境的组成一、自然地理环境的物质组成、能量组成和要素组成自然地理环境是一个庞大的物质系统。其组成包括：自然地理环境的各种物质、各种能量以及在能量支配下物质运动所构成的各种动态体系，即自然地理要素。自然地理环境的物质组成，可能包括着地球所有的化学元素种类。然而本节的讨论将不过细地涉及各种地球元素，而仅以宏观的角度着眼于那些具有地域结构意义的物质成分及其构成的物质系统。从上述观念出发，可以把自然地理环境的物质成分概括为四大类，即固态的岩石、液态的水、气态的空气和活质有机体。它们是自然地理环境最基本的组成成分。这四类物质成分相互联系、相互渗透，普遍存在于自然地理环境中，并各以自己为主体构成了下列自然地理环境的四个基本地圈。（l）对流圈。大气圈底部对流运动最显著的大气圈层，主要由气态物质组成。这里集中了整个大气质量的3/4和几乎全部水汽。它的下界是海陆表面，上界随纬度、季节及其他条件不同而不同。根据观测，对流层的平均厚度在低纬度为17—18公里，在中纬度为10—12公里，在高纬度为8—9公里。一般夏季厚而冬季薄。（2）水圈。地球表层水体的总称，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川和地下水。其中海洋面积最为宽广，占地球表面积的70.8％，平均深度3.8公里。水圈总体积约13.7亿立方公里（其中陆地水仅占2.8％）。（3）沉积岩石圈。亦称成层岩石圈，地壳（及岩石圈）的上层，主要由沉积岩构成，包括火成岩和变质岩等岩类。沉积岩石圈的厚度是不均匀的，平均约有5公里。它的最上面往往覆盖着一层风化壳及土壤（达几十米），后两者是前者的派生自然体。一般地说，沉积岩石圈位于气圈和水圈之下，露出在水圈之上的部分即构成陆地。（4）生物圈。地表生命有机体及其生活领域的总称，包括植物、动物和微生物三大类。地球生物的活动和影响范围虽然包括了对流层、水圈和沉积岩石圈，但主要集中在这三个无机圈层很薄的接触带中。组成生物圈的有机体的总质量约有1013吨，其中又以植物为主，它占了有机体总质量的99％。自然地理环境的能量组成，主要包括太阳辐射、地球内能以及潮汐能等等。其中以太阳辐射和地球内能（地热能及重力能）为最重要，它们共同支配着自然地理环境内部的物质运动。上述各种能量均来自自然地理环境外部，构成为影响自然地理环境的外部因素。对此，我们将在本书第三章再展开论述。自然地理环境的要素组成，包括地貌、气候、水文、土壤和生物。它们是自然地理环境四种基本组成成分在能量的支配下相互联系、相互作用，而产生的各种自然地理动态的物质体系。它们既是物质的，又是动态的。如果说自然地理环境的物质组成强调物质实体的一面，则自然地理环境的要素组成更强调物质的运动方面。地貌是固体地壳的表面形态。作为形态，地貌与组成它的岩石有着密切的依存关系，两者共同构成为岩石地貌复合体。地貌是大气圈、水圈、生物圈（它们蕴含着外力）和岩石圈（蕴含着内力）相互作用的结果。但是，地貌要素反过来又影响着其他各个要素的发展。因为地貌是大气、水和生物作用的场所，地表形态的差异必然引起各种自然地理过程和现象的变化。因此，岩石地貌复合体是自然地理环境要素组成的基本部分。气候是长期的大气状态和大气现象的综合。它是最活跃的自然地理要素之一。大气蕴含着最终来自太阳的热能，它的物理过程首先支配着地表的热量平衡，同时支配着海陆间的水分循环，从而影响了生物分布和陆地水文网的分布，以及它们的动态。风化壳和土壤覆盖层的形成，受着大气过程各种作用的影响。大气过程还是各种地貌的外营力。水文也是最活跃的自然地理要素之一。水体所起的一种重要的环境作用，在于其潜热特性。巨大的水体（如海洋）贮藏着大量的热能。水与大气相互联系，决定着自然地理环境中水热的配置。地球重力赋予水一定的功能，使之起着某种对地表形态的塑造作用。水还滋养着整个地球的生物界，没有水就没有生命。因此，各种水文过程实质成为自然地理环境内部相互联系的纽带。土壤既是自然地理环境派生的自然体，也是它的一个组成要素。土壤以不完全连续的状态存在于地球表层（可称为土壤圈或土被）。它的空间位置正处在四个基本地圈紧密交接的地带。在整个自然地理环境中，土壤是结合无机界和有机界的枢纽，是联系各自然地理要素的关键环节。生物是行星地球的特殊物质，作为自然地理环境的组成要素，它也起着特殊的不可替代的作用。首先，绿色植物通过光合作用将自然地理环境中的无机物合成有机物质，同时又把所截获的太阳能转化为化学能而贮藏于有机物质中。通过食物链的联系，植物、动物和微生物共同改造着周围环境。其作用表现在：改变大气圈、水圈的组成，参与风化作用、土壤形成作用、地貌的改造、岩石和非金属矿产的建造等等。人类作为生物的特殊部分，既有自然属性的一面，又有社会属性的一面。因此，在自然地理环境的组成中，人类起着十分特殊的作用。总之，自然地理环境的各种物质成分在以太阳能和地球内能为主的各种环境能量的作用下，形成了各种自然地理组成要素。每一组成要素都按着自身的规律存在和发展着，但是，其中没有一个要素是孤立的。换言之，没有一个要素不受其他要素的影响和给予其他要素以影响，因此，各个要素相互联系、相互作用使自然地理环境组成为一个特殊的物质体系。二、自然地理环境的基本特征综上所述，自然地理环境在组成上具有自己的特殊性，因而明显地区别于其他地球圈层。这种特殊性一般可概括为如下自然地理环境的基本特征：（l）地球的外能和内能作用显著。以太阳辐射为代表的地球外能，除小量被高空大气吸收和被云反射回太空外，其余都投射到地球表层，并在这里发生多方面的转化与传输，成为自然地理环境中各种过程的主要能源。而以地热和重力为代表的地球内能也进入地球表层。内外两种能量在自然地理环境中相互叠加、共同作用，支配了整个自然地理环境的功能、结构及动态发展。（2）气体、固体和液体三相物质并存。自然地理环境中三相物质并存，而又以同心圈层分离形成一定界面：在陆地表面是固态圈层和气态圈层的界面，海洋表面是液态圈层与气态圈层的界面，海洋底部是液态圈层与固态圈层的界面，海洋和陆地边缘部分是特殊的气、液、固三态圈层的界面。在这些界面之间，三相物质既相互分离，又相互接