【专家解说】：物质组分组成结构
一类是无机组分--固态岩，石液态水。气态空气，另外一类为有机组分。--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。
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。
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
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。
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。
四大循环 地质循环水分循环大气循环生物循环
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。
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。
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。
3. 水分循环
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。
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。
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。
第二节 自然地理系统的要素结构 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。
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(The geographical cycle)”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。
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。
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。
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。
三、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。
表3.2 全球年水量平衡
从全球数量平衡中可以看出:
(1)海陆降水量之和等于海陆蒸发量之和，说明全球水量保持平衡，基本上长期不变。
(2)海洋蒸发量提供了海洋降水量的85%和陆地降水量的89%，海洋是大气水分和陆地水的主要来源。
(3)陆地降水量中只有11%来源于陆地蒸发，说明大陆气团对陆地降水的作用远远不及海洋气团的作用。
(4)海洋蒸发量大于降水量，陆地蒸发量小于降水量。海洋和陆地水最后通过径流达到平衡。
四、生物要素及其作用过程
形形色色的生物有机体遍布于地表各个地方，其数量多得惊人。它作为自然地理系统中唯一有生命现象的有机成分，虽然活质总量远低于其他圈层的重量，却对自然地理系统产生极其深刻的影响。生物过程从根本上说，可归结为物质流与能量流通过生物体并与其相互作用的过程，如图3.1为生物过程的一般表达方式。
图3.1 生物过程的一般图解
1. 生物适应。生物适应是生物的形态构造、生理机能、个体发育和行为等特征与其长期性生存的一定环境条件相互统一、彼此适合的现象。
2. 种群增长。种群增长是种群动态的主要表现形式之一，它是指随着时间的变化，一个种群个体数目的增减变化情况。
如果一个单独的种群在无任何限制、并且没有天敌与疾病和个体的迁入与迁出等因素存在的环境中，种群的数目表现为指数式增长 ，则得到个体数目随时间不断增加的“J”型曲线。这显然是一种理想状态，实际上，当种群入侵到一个地区后，开始时增长较慢，接着加快，随后由于密度的制约又变缓，最后稳定在一定水平上。其增长方式可用逻辑斯谛方程表示:其增长曲线表现为“S” 型曲线。
3. 生态演替。生态演替为一定地段上一种群落被另一种群落所代替的过程。按群落所在地的基质状况分为原生演替和次生演替;按发展方向不同分为进展演替和逆行演替。群落演替的速度随具体条件不同而有差异，一般在演替系列的早期阶段比较快，群落稳定性差些;后期演替速度逐渐变慢;最后阶段的群落保持相对稳定状态。
4. 生态系统的简单过程
生态系统通过食物的关系彼此联结而形成一个能量与物质流动的系列即食物链。在生态系统中有着单向的能量流动、循环式的物质流动和信息的传递过程。三者相互联系、紧密结合使生态系统得以存在和发展，并赋予自然界一切生物以生存、作功和繁殖的能力以及对外界环境的影响能力。这样的过程，严格地遵循质能守恒定律。
五、土壤要素及其作用过程
土壤是地球陆地表面能够生长植物的疏松表层，是一个独立的历史自然体，它不仅具有自身的发生发展过程，而且是一个能从物质组成、形态、结构和功能上进行剖析的物质实体。
土壤是地理环境统一体中的一个组成要素，土壤层的厚度与地壳厚度和沉积岩石层相比，是极为微薄的。尽管这样，人们还是把它称为土壤圈，它位于风化壳的最表层，处于地球大气圈、水圈、生物圈、岩石圈之间的界面上，是地球各圈层中最活跃最富生命力的圈层之一，它们之间不断地进行物质循环与能量平衡。
土壤圈是一个运动的开放的物质与能量系统，与地理环境不断地进行物质和能量的交换和转化。地理环境中的水分、养分、空气和热量不断地向土壤输入，引起土壤性质发生变化，形成不同的土壤类型;水分、养分、空气和热量也以相反的方向由土壤向环境传递，引起地理环境产生变异。
土壤是农作物生长和生物累积的基础。死亡的有机物发生分解，养分一直保留到新的作物在利用时为止，直接或间接地流通于生物循环之中。同时，土壤本身还是无机界与有机界相互交汇和渗透的场所，许多微生物生活于其中。
土壤存在的时间长短直接关系到自然环境的变化和农业的成败。在自然状况下，土壤层是不可能保持它的初始状态的，它要经过风蚀、水蚀，还要不断地被人类的耕作措施所疏松，同时又在风和水的携带下，离开原来的位置，参与整个地质循环过程。
土壤这种被输运的速率，取决于诸多因子，而最主要的莫过于土壤自身的物理化学性质、地形特点、气候条件(尤其是风和水的条件)、地表的覆盖状况以及人类的生产活动。而人类的生活活动对于土壤来说，起着尤为重要的作用。人类为了从土壤中获取更多的生活必需品，将具有自然肥力的自然土壤，经过开发、改造、施肥、播种，产生了质和量的变化，形成了农业土壤。
农业土壤不仅具有受自然因素和自然过程的影响，更重要的是受人为耕作、灌溉和施肥的影响，产生人为的灌淤表层、堆垫表层、肥熟表层和水耕表层，它们的厚度在18~50cm，属于高熟化的人为表层，具有人工肥力。
当前，农业科技投入越高，土壤的生产潜力相应增大，耕地的单位面积产量显著提高，土壤在合理经营管理下，其肥力不会因农业利用而耗损，反而会提高。因而土壤可视为是一种永续利用的可更新的再生自然资源。
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