8．2 环境的地理学性质
8．2．1 地域分异性
我们认为，地理环境具有两个基本性质或者说两种基本特征，其一是地域分异性，其二是地理系统性或称环境系统性．
环境总是赋存于一定地域空间的，由于环境内部过程的作用，必然是地域发生性质变异．这种性质变异和特化可以说是双向的，一方面地域原始结构的不一致，如地球是球形，这样地理过程在这种地域介质的作用下就会发生过程差异或变化；另一方面不同的地理过程作用于地域，又强化了地域的分异．球形的地球对太阳辐射的差异性的接受，产生了对应于太阳幅射的天文分带，而这种分带的存在使气候、水文等过程变异进而使地貌、生态、人类活动发生分化，从而最终形成纬度地带性．
地域分异的高级形式是地带性，地带性包括纬度地带性、高度地带性、经度地带性和非地带性，后者专指不是平行或近平行带状的其它条带状分异现象，这种分异最终形成地理事物的带状分布．
关于地带性的理论解释，有两类方式，其一是统计的，其二是机理的．由于地带现象起因复杂而又涉及众多的小干扰，统计分析可能是适合的，然而又由于几种地带性的同时存在，使统计模式产生明显误差．牛文元建议了一个地带分布的统计关系，它是关于高度地带性的统计关系．由统计分析，他认为高度地带与纬度有下列关系：
Hn=exp(anφ)+bn
(8．2．1)
式中，Hn为地带n的海拔，φ为纬度，an，bn，为与n有关的参数．蒋信忠认为基带存在偏移，他提出的关系为下列形式
Hn=Aexp[-an(φ-d)2]-bn
(8．2．2)
程国栋发现，北半球多年冰土下界具有牛-蒋模型形式
H=3650exp[-0.003(φ-25.37)2]+1428
(8．2．3)
关于高度地带性的这种对纬度的指数衰减形式，尚无机理解析说明．
地带分异的机理模型是基于过程分析的，我们仍以高度地带性来说明．山地环境的气温、降水、随高度而变化，相对于饱和气团运动来，气温高度的递减率约为6℃km-1．对于不饱和气团来说，已经证明递减率不会大于9.8℃km-1．实际观察到的山地气温递减率普遍低于6℃km-1的理论值，这可能解释为山地坡面对大气的加热作用所致．更为复杂的是在山地中，由于夜间冷空气下沉，谷底形成逆温层，在坡地上而不是在谷底形成最热带．此外，有的观察发现，气温递减率有季节性变化，在夏季较大．在阿尔匹斯山的观察发现，在最热带以上，冬季：夜间2点为4.9℃km-1，中午为6.6℃km-1；夏季：在夜间2点为6.0℃km-1，中午为8.9℃km-1．英格兰的资料发现最大衰减率冬季为 6—7℃km-1，夏季为9—10℃km-1，而且地温的温度递减率大于这个值可达10—11℃km-1，地气系统未能达到一致，这一些观察数据说明，理论分析与实际情况的差异．气温分异是较简单的，它与理论符合得较好，降水的理论模型则与实际情况有较明显的偏差．Elliectt(1977)提出降水的高度分异关系
式中，P0为降水的地形分布量，V为垂直于地面的平均风速，s为坡度，△c为云层厚度，q为大气的绝对湿度．这一关系在描述实际问题是不充分的，因此使得对山地降水带的估计产生较大偏离．实际观察出现降水与高度的关系与纬度有关．图8．2．1是山地降水的纬度分异．这一结果表明，各种地带性规律交织在一起使得地带现象更为复杂．
关于山地气温变化的理论分析梗概如下：由热力学第一定律，气体吸收的热量，增加气体的内能从而改变气温．对绝热过程来说，热量吸收为0，气团扩张造成气温变化，起因于气压的变化，这时有
cpdT-VdP=0
(8．2．5)
这里cp为定压比热，T为气温，V为气体体积，P为气压．由于大气静力平衡，有
dP/dZ=-gP
(8．2．6)
这里g为重力加速度，P为空气密度，Z为垂向坐标，对于单位质量来说，Vp=1，所以有关系
成立．对于干空气来说，cp约为1.0×103Jkg-1K-1，所以气温递减率最大不应超过9.8K·km-1，即9.8℃·km-1，这个分析已经成为典型的物理问题了．
地带性的变化，还不仅仅表现在气候特征方面，生物学的观察表现得更为明显，这是熟知的．其实人口的密度的垂向分布，文化现象的地带性分布也是常见的事实，这些事实已经不能用类似于(8．2．5)—(8．2．7)的模式简单地说明了，因此统计模型在描述地带性方面是有价值的．
地域分异性不仅有地带尺度的分异规律表现，而且在一个小的环境内也有表现．如海滩湿地从陆地向海洋依次分异为盐沼带、潮间带、潮下带等，其生物特征、沉积学特征都有明显的不同．其分异的形式，也未必都是带状，如城市地域的分异就有扇形化的特征．普遍认为地域分异是有尺度等级的．最大的分异，是陆地与海洋，再次是陆地自然带与海洋自然带，而进一步的有自然大区、自然区、土地系统、土地类型等．在人文现象中，文化景观的分异也是递阶的．各种尺度的分异可以以不同的地理过程为主导，如海陆分异，是地质地貌特征与过程主导的；自然带分异，主要起因于气候过程，土地系统的分异具有明显的生态过程或经济过程特点．在把握这种分异的理论解析方面，目前尚少进展．
地域分异的另一种重要形式是区位分异．区位分异主要是空间经济过程的作用造成的．关于区位分异现象已经在第六章中作了讨论，区位分异是以市场和资源的相互契合而展开的．与地带分异不同，地带性分异一般导致次级环境形成，区位变异的这种倾向并不突出，这是因为区位分异的过程比较简单，因子较少．例如城市以CBD为中心分异为CBD过渡带、居民区、城市边缘带、近郊工业区，CBD过渡带和居民区不能被认为是独立的环境，城市边缘带已经有了独立亚环境的意义，其原因在于它未完成城市化，自然结构得于较多地保持，从而从自然地理过程和生态系统特征讲它有别于城市中心地区，成立独立的环境．城市的例子似乎还表明，第一，环境最后的分异不是分异为环境，而是分异为均质的环境单元，后者已不是独立的环境，这种在给定的观察意义下的均质环境单元的另一表象，似乎也不能视为区域，CBD与过渡带是不可分割地联系在一起，不能引用空间相互作用的指数势、牛顿势来分析它们，这种区也只能叫亚区．第二，环境的一部分可能继续分异下去成为更小尺度的环境，而另一部分的分异既使存在也不再形成更小尺度的环境，环境的分异是不平行的，与各部分包含的地理过程的复杂性而定．
总之，环境内存在着两种最基本的分异：地带性分异与区位分异，前者主要是自然因子的，如第一节所述．对环境来说，因子的重要性第一级为地貌、地质、气候、水文过程．第二级为生态过程和次级地貌、水文过程．第三级是纯物理、化学、生物学的非地理过程，它们的分异作用也不再分异出独立的环境，而是分异出环境单元．区位分异的主导因子是经济过程，它可能是两级的．第一级主要是空间经济一人口过程起分异作用，第二级为文化、经济因子，第一级分异形成城市与农村，中心地带与资源地带，第二级分异为城市的内部地域结构．无论自然因子为主导还是人文因子为主导，环境一旦被分异出来，也就有了整体的自然地理、人文地理特点．城市是人文分异的结果，但这个环境又有其特殊的城市气候过程，城市水文过程．自然区也有其相应的人文特征，干旱区人口稀少，文化相对落后，所以产生这种现象是因为地理过程相互联系，它们造成的地域介质特点又影响其它过程．简言之，地理过程是互为条件的，分异是整体进行的．图8．2．2中，山地环境的分异被形象地给出，容易看出分异的基本形式是(高度)地带性和区位作用．地带性分异和区位分析是环境的主要分异作用，当然不是唯一的两个分异作用．
地理环境不仅有地域分异性，而且把地球表层各单元(有些单元是地域分异的结果，有些则不是)联系在一起，构成统一的地理环境，以系统的形式表现出来．
为了描述环境系统，一般用两种方式建模，第一类模型是基于热力学的，多从物质与能量的平衡关系出发建立模型，其中又以物质平衡最常见，在《生态过程》一章中，我们介绍过河流BOD/DO的转化迁移模型，就是以物质平衡原理为基础的．在《气候过程》一章中，我们已经了解到了气候系统(全球环境)的能量平衡、熵平衡模式；后者可以认为是一般的热力学模型．在《地貌过程》一章中，关于河流泥沙的分布问题建模型，包括了物质(质量)、能量和熵三种形式．图8．2．3是更一般意义上的流域过程模型，它显然是基于物质平衡关系的．另一类模型是基于一般物理学原理，从力学过程、物理机理角度来建模．图8．2．4是一般的物理原理上的建模．二者都有一个共同的特点，忽视大量的系统内部过程而着眼于某一种(或某一类)地理过程与具体问题，实际的可操作的模型，总是不可能面面俱到的．系统观是对现实世界的一种认识论，模型则更进一步是对系统的一种有角度的近似．地理学针对各种环境系统建立了多种角度的模型，我们将在第二卷中系统地介绍它们，关于流域系统的各种角度模型可参见Huggett(1980)．
在地理系统建模中，一个需要把握的关键点是时空尺度．不同的时空尺度下，各种具体的地理过程意义是不一样的．在第一章中，我们已经粗略表示过地理的时空尺度范围与配合问题．某些过程，对小时间尺度是重要的，当时间充分长时，它可能表现为稳定的统计特征值而成为“常数”背景，可能被忽视；另一些地理过程，如板块运动、黄赤交角变化等，对地球表层系统的演化意义非常重大，但10-102年尺度的全球演化问题来说，它们由于作用漫长而可以忽视．在空间尺度方面，这种现象也普遍存在，小流域演化所需要考虑的地理过程与大流域演化所考虑的，很不一样．在小流域内，你可能不需要考虑地带性作用，把空间特征视为来自一个平稳随机过程；而在大流域中，地带性规律往往是明显的．例如习惯上在分析黄河泥沙来源时，一些学者倾向于建立小流域土壤侵蚀量与降水、植被的关系．我们在分析黄河中游土壤侵蚀的作用时，首先针对大流域特点，将它划分为若干自然区，然后再建立各区内土壤侵蚀模数(这是一个相对长时间的统计平均量)与植被盖度、气候特征、土地利用、地貌特征的关系．尺度不同，分析的方法与着眼的地理过程内容有明显的差异．在确定尺度与地理过程的关系方面，图1．4．1是有益的，但它只是作为起点，进一步的分析需要研究具体地理过程的变量，可能舍去某些项和使某些变量参数化．图8．2．5与图8．2．6分别是地球表层系统103-106年乃至更长的概念模型和10-102年的概念模型．读者可以认真地比较它们，过程内容，地理状态选取都很不一样．如果谁试图把两个模型合到一起，他就必然如堕烟云而不知所措．
．例子
全球气候研究意义上的简化生物圈模型(A Simplified Biosphere Model for Global Climate Studies， SSiB)．
对地理环境的系统分析，仅有概念模型(结构流图)是不够的，必须引用理论公式或经验公式说明各个环节或联系，这种公式将各环境单元的状态关联起来，从而可能使计算机可模拟计算系统的演化和动力学行为．下面的例子试图说明这种地理系统分析的原则．
地球表层系统是个大环境系统．为了分析CO2倍增的全球效应，需要分析各圈层相互作用，为此，需要将各圈层作为子系统来认识，相对独立地建模，然而通过某些与子系统输入、输出或结构参数有关的量将整个系统耦合起来．Sellers等(1986)提出了一个适用于全球气候研究的生物圈(及土壤圈)模型——SSiB(简化生物圈模型)．从气候演化角度出发，它取植被温度、土壤温度，土壤湿度为状态变量，根据热力学平衡原理和经验公式，提出了模型的基本方程如下：
(1)树冠温度Tc方程
式中，Rnc为地表净辐射、Cc是树冠层热容量、树冠层表示植被层，Hc与λRc取作
式中，Ta和ea分别是树冠层的气温与水汽压，e*(Tc)是温度Tc时的饱和水汽压，Wc是树冠层的大气湿度，Cp是等压比热，γ是湿度计常数，λ是汽化潜热，Hc，λEc项表示了显热流与潜热流．
(2)地面温度Tgs，方程
(8．2．11)
这里下标标注地表量，τ是时长，Cgs为土壤有效热容量，Td是深部土壤温度，这个模型将土壤划分为两层．显热流与潜热流分别为
这里fn是贴地表空气相对温度．
(3)深部土壤温度Td方程
(4)树冠截流水分Mc方程
这里Pc是降水量，Dc是溅落量；Ewc是蒸发(蒸腾)量，为
(5)土壤湿度方程
(8．2．17)
(8．2．18)
(8．2．19)
式中，wi为第i层土壤湿度，Qij为第i层与 j层交换的地量，Dc为层厚，Edc为深层土壤潜热因子，P是λ渗水量，θs是土壤体积含水率．
(8．2．20)
上述关系中r表示阻尼因子，需要参数化，bi为与植物根系有关的量．
式中rootl(i)是在第i层土壤中的根长．此外，作为一个系统，树冠层内，气温与水汽压由能量平衡条件决定
由这里建立的模型可以与描述大气圈运动的GCM模式耦合，构成陆地环境与气候系统模型，进而对气候系统进行模拟(还应耦合海气相互作用模型)特别是可对陆地环境生物圈-土壤圈系统模拟．
上述关于陆地环境土壤-植被系统的分析模式是针对气候演变的大时间尺度而建立的．若换一个尺度，则需要另外的模型系统，如图8．2．7所示，陆地环境土壤植被系统的概念模型SSiB的解析模型并不相同，这个概念模型，适合于局地环境的农业问题和生态问题分析．
2
8．2．2 地理系统性
1．一般的讨论