地球系統(tǒng)的系統(tǒng)模型

地球系統(tǒng)的系統(tǒng)模型第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五目的:認識地球第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.1地球系統(tǒng)模型3.1.1地球系統(tǒng)的基本概念

(1)系統(tǒng)的定義錢學(xué)森指出：所謂系統(tǒng)是指由兩個以上、相互聯(lián)系、相互制約的部分組成的具有特定功能的整體。綜上所述，從小到分子或細胞，大到宇宙，從個人到整個人類社會，都可以看作為一個系統(tǒng)。用數(shù)學(xué)語言來說，系統(tǒng)S就是元素(子系統(tǒng))A及其關(guān)系B的總和，可表示為：

S={A，B}第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.1.1地球系統(tǒng)的基本概念

與地球系統(tǒng)相關(guān)的概念，早在2000多年就提出來了，如老子就提出了“天人合一”概念，實際上就是今天的“人地系統(tǒng)”?！疤臁本褪亲匀画h(huán)境，包括資源在內(nèi)，就是指地球“人”就是指人類社會“合一”就是組成了一個相互聯(lián)系、相互制約的整體“天人合一”就是指地球系統(tǒng)第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.1.1地球系統(tǒng)的基本概念(2)地球系統(tǒng)的定義：地球系統(tǒng)是指某一個特定時間、特定空間的，由兩個以上或無數(shù)個相互區(qū)別、又相互聯(lián)系、相互制約、相互作用和相互調(diào)節(jié)功能或行為的，并與外界環(huán)境相互作用的地球要素組成的整體。地球要素是指氣候、水文、生物、土壤、地質(zhì)、地形及人類社會等。外界環(huán)境，是指對整個地球系統(tǒng)而言的太陽及宇宙第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五錢學(xué)森認為：地球系統(tǒng)是一個開放的、復(fù)雜的巨系統(tǒng)。地球系統(tǒng)是由無數(shù)個，甚至是無窮多的要素所組成，這些要素相互聯(lián)系、相互制約、相互作用，有的強、有的弱，是動態(tài)的、錯綜復(fù)雜的，而且與地球系統(tǒng)以外的太陽密切相關(guān)，甚至受到宇宙影響的巨系統(tǒng)。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五(3)地球系統(tǒng)的實例：生態(tài)系統(tǒng)(包括草原生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)、沼澤生態(tài)系統(tǒng)、沙漠生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)，等等)地貌系統(tǒng)(如：河流地貌系統(tǒng)、坡地地貌系統(tǒng)、冰川地貌系統(tǒng)、凍土地貌系統(tǒng)、喀斯特地貌系統(tǒng)、沙漠地貌系統(tǒng)，等等)區(qū)域系統(tǒng)、城市系統(tǒng)等等第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五(4)地球系統(tǒng)的性質(zhì)與特征：組成各地球系統(tǒng)的要素之間，具有相互聯(lián)系、相互制約的性質(zhì)，因此系統(tǒng)的各要素或各部分之間具有相關(guān)性與整體性的特征以及有序性與層次性的結(jié)構(gòu)特征；地球系統(tǒng)還具有時間和空間兩大特征，因此它具有動態(tài)性和區(qū)域性的特征、共性和個性的特征等。第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.1.2地球系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)模型地球系統(tǒng)的功能主要原理有：“整體功能大于各部分功能之和”原理“地球系統(tǒng)具行自動調(diào)節(jié)與自組織功能”原理“系統(tǒng)功能取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”與“系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)”原理“地球系統(tǒng)的自相似性”原理上述地球系統(tǒng)功能的原理是由物質(zhì)流、能量流和信息流三者決定的。第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.1.2地球系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)模型地球系統(tǒng)研究的核心是：“系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)”與“優(yōu)化配置”問題。地球系統(tǒng)模型：地球系統(tǒng)模型是對真實地球系統(tǒng)的抽象和簡化。地球系統(tǒng)建模的內(nèi)容：包括系統(tǒng)空間行為模型、系統(tǒng)時空耦合模型、系統(tǒng)過程的節(jié)律模型及各種生產(chǎn)應(yīng)用模型等。地球系統(tǒng)熵：地球系統(tǒng)熵(Entropy)是地理系統(tǒng)狀態(tài)的定量描述。地球系統(tǒng)的調(diào)控：地球系統(tǒng)調(diào)控的目的是使系統(tǒng)能夠持續(xù)發(fā)展。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.1.3地球系統(tǒng)分析方法論原則L.V.Bertalan提出了對任何系統(tǒng)進行分析時，要素有三個觀點：第一，系統(tǒng)觀點第二，動態(tài)觀點第三，層次觀點，才能順利地解決任何復(fù)雜問題曲東升(1990)將其總結(jié)為整體性原則、有序相關(guān)原則、動態(tài)性原則、目標(biāo)優(yōu)化原則和可行性原則地球系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析：“網(wǎng)絡(luò)是某些系統(tǒng)最形象、最簡單的表達形式”。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2地球系統(tǒng)的自組織、自相似與自相關(guān)模型3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說1．地球系統(tǒng)的自組織模型自組織(self-organization)是指系統(tǒng)在無外界強迫(制)條件下的，系統(tǒng)自發(fā)形成的有序行為。這一詞來源于熱力學(xué)中的熱交流的“自我變化”。有組織是指系統(tǒng)在外界的強迫下形成的有序行為，而自組織是指自身進行調(diào)節(jié)功能的行為。第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五如:森林系統(tǒng)是一個典型的自組織系統(tǒng)當(dāng)它遭到人為或自然的破壞之后，它能自行恢復(fù)；但這種自行恢復(fù)，不是復(fù)原，而是有變化、有發(fā)展，可以往好的方向發(fā)展，也可以往壞的方向發(fā)展，完全受環(huán)境和自身的結(jié)構(gòu)而定，所以是時間不可逆的，是不確定性的。自組織就是通過事物本身的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生自發(fā)的有序化的過程，或由有序程度差向程度好的過程。第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說2．地球系統(tǒng)的GaiaHypothesisGaia是希臘神話中的大地女神，是由英國地球物理學(xué)家Lovelock和美國生態(tài)學(xué)家L．Margulis借用來代表地球系統(tǒng)的《自組織理論》的假說。假說認為地球系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、生物圈和固體圈構(gòu)成的復(fù)雜實體，是一個具有自動調(diào)功能的自組織系統(tǒng)。這個自組織系統(tǒng)的關(guān)鍵是生物圈。

生物調(diào)節(jié)著地球系統(tǒng)內(nèi)的能量流、物質(zhì)流，調(diào)控著大洋的溫度、鹽度、酸度及元素的地球化學(xué)循環(huán)，這種機制稱為Gaia假說。第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說例1：森林遭毀壞后的自動恢復(fù)過程，動物種群的消、長周期過程，都是生物自組織功能的表現(xiàn)。森林越長越密，阻礙了新的樹苗生長，結(jié)果使森林退化衰落；當(dāng)樹的密度減少到一定程度時，新的樹苗又能生長了，森林將恢復(fù)原氣。這就是自組織功能。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說例2：某種野生動物繁殖越來越多，食物就越來越少動物因吃不飽而死亡，于是動物數(shù)量就開始減少當(dāng)減少到可以供養(yǎng)新生的動物時，動物的數(shù)量也將會恢復(fù)原狀這也是自組織功能的結(jié)果第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2.1地球系統(tǒng)的自組織模型與Gaia假說無機物質(zhì)也有自組織過程，如化學(xué)反應(yīng)、晶體的生成過程等都是自組織過程，地貌的發(fā)育與演化過程也是自組織過程。自組織過程是地球過程的普遍現(xiàn)象，也是主要過程之一。第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2.2分形與自相似分形分維是描述復(fù)雜圖形的數(shù)學(xué)，即分形分維幾何學(xué)，由B.B.Mandelbrot于1982年創(chuàng)建。分形分維幾何學(xué)可描述自然界中的分形特征。自然和社會中的復(fù)雜的幾何形態(tài)，具有相似性的特征，在統(tǒng)計意義上總體形態(tài)的每一部分可以被看作是整體標(biāo)度減少的映射，標(biāo)度指級別，或觀測數(shù)目。第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五不論形態(tài)是如何復(fù)雜，它們在統(tǒng)計上的相似性或概率上的相似性是普遍存在的。局部形狀與整體形狀的相似性，以及局部的局部形狀與整體形狀的相似性，是自然界和社會中的普遍存在的現(xiàn)象。第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五B.B.Mandelbrot認為，自然和社會中的復(fù)雜的幾何形態(tài)，可以用冪函數(shù)D，即分形數(shù)來表達：

D=Log[N(r)]/Logr

式中，D-分形維數(shù)，r-形狀的變量，[N(r)]-標(biāo)度，指級別或觀測數(shù)目。分維數(shù)是對分形復(fù)雜性程度的度量。分維數(shù)的基本概念包括：在歐氏幾何中，點是0維，線是1維，面是2維，體是3維，推而廣之，時空是4維，高維抽象空間可以為5維，6維及任意n維(n為整數(shù))，這種整數(shù)維的圖形，經(jīng)過拓撲變換，即拉長，壓縮或扭曲，仍然是不變的，稱為拓撲維數(shù)。第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五自然界存在各種尺度的分形形體，大到宇宙，小到一個樹的圖形，這與數(shù)學(xué)上分形有兩點差別：1.自然界的分形，不是按一定規(guī)則構(gòu)造出來的一種有規(guī)則的分形，而是一種具有自相似性的隨機對象，是無規(guī)則分形2.自然分形的自相似性層次是有限的，分形只存在被限制的范圍內(nèi)，不存在無限的自相似層次，如一條河流的分支，一株樹的分支，都不是無限的第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.2.3地球系統(tǒng)對象的自相關(guān)性“自相關(guān)”(Self-relation)是地球系統(tǒng)的又一基本特征在一個區(qū)域內(nèi)，所有的組成要素之間都存在著自相關(guān)或自適應(yīng)(Self-adapt)的特征如地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、植被、動物、微生物、土地利用，甚至社會經(jīng)濟活動之間均存在著“自相關(guān)”或“自適應(yīng)”的特征。第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五這是長期以來這些要素之間或地球系統(tǒng)對象之間相互作用、相互改造、相互適應(yīng)，取得的“和諧”、”協(xié)調(diào)”結(jié)果。如果某一要素，如植物、動物、或微生物；或土地利用方式，與地質(zhì)、地形(地貌)、氣候等基礎(chǔ)要素“不相關(guān)”或“不適應(yīng)”的話，該要素或?qū)ο缶蛯⒚撾x該系統(tǒng)，或在系統(tǒng)中被淘汰。外來的動植物進入系統(tǒng)時，它要進行“自相關(guān)”、“自適應(yīng)”的過程，通常稱為“馴化”過程。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.3地球系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)與空間功能模型3.3.1地球系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)地球空間結(jié)構(gòu)(Geo-spatialstructure)指在一特定的空間范圍或區(qū)域內(nèi)，自然和社會各要素，包括資源、環(huán)境、經(jīng)濟和社會諸要素的組合關(guān)系或耦合關(guān)系。同一空間范圍內(nèi)的資源配套關(guān)系(如陽光、土壤與水資源的配套等)、環(huán)境的配套(如深水港、地形等)和社會經(jīng)濟的配套(如人口素質(zhì)與基礎(chǔ)設(shè)施等)關(guān)系。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.3.1地理系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)

1）地理系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)理論／生產(chǎn)力布局與地域生產(chǎn)綜合體理論資源與環(huán)境的耦合(空間結(jié)構(gòu)化原理之一)資源耦合環(huán)境耦合資源與環(huán)境耦合資源、環(huán)境與社會、經(jīng)濟條件的耦合(空間結(jié)構(gòu)化原理之二)第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五2）空間過程理論物質(zhì)流、能量流與信息流在空間的擴散方式，有：

(1)按方式分：集中與分散方式孤立與嵌入方式鄰近效應(yīng)與輻射方式

(2)按性質(zhì)分：物質(zhì)過程：資源、環(huán)境要素的移動過程(物質(zhì)流)粒子-能量過程：太陽的電磁波能量、重力、磁力、電力場等(能量流）人類社會行為過程：引起的物質(zhì)流、能量流和信息流人類的經(jīng)濟過程第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.3.2地理系統(tǒng)的空間功能地理空間功能或地理空間結(jié)構(gòu)功能(Geo-spatialstructurefunction)，指區(qū)域或系統(tǒng)所具有的經(jīng)濟和社會發(fā)展?jié)摿Φ拇笮?，或可持續(xù)發(fā)展能力的大小，或潛力的大小。具有最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的地區(qū)或系統(tǒng)，一定具有最強的地理空間功能，具有最強的經(jīng)濟和社會發(fā)展的潛力，或可持續(xù)發(fā)展的能力最強。例如，長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)具有最佳的地理空間，因此具有最強的地理空間結(jié)構(gòu)功能。江漢平原和黃淮海平原具有中等的地理空間功能，西藏阿里地區(qū)及新疆塔里木盆地具有較差的地理空間功能。第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五(1)地理空間功能分工理論：發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢理論，包括資源優(yōu)典、環(huán)境優(yōu)勢、社會優(yōu)勢、經(jīng)濟優(yōu)勢，因地制宜地發(fā)展理論發(fā)揮區(qū)域綜合優(yōu)勢理論，地域生產(chǎn)綜合體類型及其優(yōu)化結(jié)構(gòu)等(2)地理空間協(xié)同理論：不同功能區(qū)之間的互補關(guān)系理論不同功能區(qū)的融合理論第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五(3)地理空間功能評估區(qū)域自然資源、環(huán)境與生產(chǎn)力發(fā)展條件綜合評估區(qū)域經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)間聯(lián)系發(fā)展機制評估區(qū)域開發(fā)中的地區(qū)生產(chǎn)綜合體的形成與發(fā)展評估區(qū)域空間聚集(人口、產(chǎn)業(yè)等)過程及合理規(guī)模評計估不同類型空間的發(fā)展戰(zhàn)略(4)地理空間發(fā)展原理最小的投入，最大的產(chǎn)出，最小的破壞原則，節(jié)省資源/能源和資金及勞動力，減少廢氣、廢水、廢物的排放量，而且要高產(chǎn)出、高效益，主要是有高的科技貢獻率。效果檢驗標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)濟效益、資源與環(huán)境效益、社會效益包括科教效益等。第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五(5)地理空間發(fā)展模式的選擇：分析該空間的資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟的優(yōu)缺點，并提出措施在分析上述四大要素狀況的基礎(chǔ)上，對空間生產(chǎn)力布局的結(jié)構(gòu)、功能特征進行論證對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展模式進行論證第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.3.3地球系統(tǒng)的區(qū)位理論區(qū)位理論(LocationTheory)是:探討地理空間對各種經(jīng)濟活動分布的影響和研究生產(chǎn)力空間組織的一種學(xué)說。它是經(jīng)濟地理學(xué)、空間經(jīng)濟學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)相結(jié)合理論。區(qū)位理論有三條基本法則：第一距離衰減法則第二空間相互作用原理第三中心地學(xué)說

第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五區(qū)位理論按其研究對象，可以劃分為:農(nóng)業(yè)區(qū)位論、工業(yè)區(qū)位論、運輸區(qū)位論、市場區(qū)位論等。資源的空間分布及其價格，生產(chǎn)成本及運輸成本，市場需求(價格)等決定農(nóng)業(yè)、工業(yè)、運輸及市場的區(qū)位，具有明顯的空間和系統(tǒng)的概念。如E．M．胡佛的運輸區(qū)位理論，他以追求最低成本為目標(biāo)，將區(qū)位費用因子分為運輸和生產(chǎn)費用兩部分，認為運輸距離、方向、運輸量及其他運輸條件的變化，往往直接引起工業(yè)布局發(fā)生變化。所謂區(qū)位理論就是追求能達到最大效益的區(qū)位?？臻g因素，尤其是空間結(jié)構(gòu)具有很大的作用?！胺涓C狀”是理想的市場區(qū)位結(jié)構(gòu)。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3.4地球系統(tǒng)的人口承載力與可持續(xù)發(fā)展理論

3．4．1人—地系統(tǒng)理論環(huán)境決定論人定勝天論人與環(huán)境協(xié)調(diào)理論第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五3．4．2關(guān)于地球系統(tǒng)的人口承載力問題關(guān)于承載力的計算問題資源承載力(極限)環(huán)境的承載力關(guān)于“增長的極限”與“無極限的增長”之爭人口增長的極限第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五可持續(xù)發(fā)展(SustainableDevelopment)是當(dāng)代影吶最大的“人與自然相互作用的理論“。1992年在巴西里約熱內(nèi)盧召開的“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，有182個國家和地區(qū)首腦參加，共同簽署了名為《21世紀(jì)議程》的宣言，正式確認了“可持續(xù)發(fā)展是世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)”。3．4．3可持續(xù)發(fā)展理論第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五可持續(xù)發(fā)展是指：經(jīng)濟和社會的發(fā)展，既要滿足當(dāng)代人的需求，又要不影響后代人的需求。社會經(jīng)濟的增長，不人能片面追求增長的數(shù)量和速度，要考慮增長的質(zhì)量，