地球表層系統

地球表層系統（the earth surface system）是由岩土圈、大氣圈、水圈、生物圈和人類圈所構成的地表自然社會綜合體。地球呈現出圈層構造，可以劃分出內部圈層與外部圈層。地球表層在物質組成上還有一個特徵，就是固態、液態、氣態三態物質共存。

是人類圈與地相互作用的複合物質系統，是地球圈層結構中的特定部分，與周圍的地球圈層其他部分存在物質能量交換關係，是一個開放的複雜次級巨系統。錢學森教授於1983年倡議建立“地球表層學”，認為地球表層學是“跨地理學、氣象學、地質學、工農業生產技術、技術經濟和國土經濟的新學科”“是自然科學與社會科學的交叉學科”。

地球呈現出圈層構造，可以劃分出內部圈層與外部圈層。內部圈層包括地殼、地幔、地核。

外部圈層包括岩石圈、大氣圈、水圈、生物圈。岩石圈指地球表層由固體岩石組成的圈層；大氣圈指環繞地球的由氣體組成的圈層；水圈指地球表層由各種形式存在的水組成的圈層；生物圈指地球表層所有活著的有機體組成的圈層。岩石圈、大氣圈、水圈、生物圈在空間上有著一定的交叉，難以絕然分開；在物質交換、能量傳遞以及發生髮展過程方面，更是緊密地聯繫在一起，相互作用、相互影響。每個圈層均可看作一個次級系統。一般來說，地球表層系統由岩石圈、大氣圈、水圈、生物圈交叉而成。人類是生物圈的一部分。為了強調人類的重要性與特殊性，單獨列出一個“智慧圈”或“文化圈”、“技術圈”。人類既是生物圈的一部分，又與一般的生物有著一定的區別。

地球表層在物質組成上還有一個特徵，就是固態、液態、氣態三態物質共存。地球表層是由固態、液態、氣態三態物質組成的。例如，岩石、冰是固態；水、岩漿是液態；空氣、水汽則是氣態。不僅三態物質相互作用，而且在一定的條件下相互轉化，成為地球表層系統中物質循環、能量傳遞與轉化的重要表現形式與表徵。比如，海水蒸發變為水蒸汽（吸收能量），水蒸汽在空中隨氣流運動（物質遷移），在高山或高緯地區變為雪（釋放能量）降落地表，當氣候變暖時冰雪融化又變為水（吸收能量）流入海洋。在這樣一個水的三態（水—水汽—冰）轉化過程中，不僅完成了物質的循環（海洋—大氣—高山、高緯地區—海洋），而且還完成了能量的傳遞（從大氣吸收能量—釋放能量到大氣—從大氣吸收能量）。

從整個地球看，垂直分層現象非常明顯。從地核、地幔、地殼，到水圈、大氣圈等，都說明地球表層同樣具有明顯的垂直分層現象。除岩石圈、水圈、大氣圈、生物圈顯示出垂直方向的明顯分層現象外，這些圈內部也表現出明顯的垂直分層特徵。例如，岩石圈包括上地幔的上部與地殼。地殼又可以分為上部的硅鋁層和下部的硅鎂層。硅鋁層主要由O、Si、Al、K、Na等組成，和花崗岩的成分相似，又稱為花崗岩層；硅鎂層雖然也以O、Si、Al等為主，但Mg、Fe、Ca等明顯增加，和玄武岩成分相似，又稱為玄武岩層。大氣圈又可分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。

在水平分佈方面的差異與變化比如說，南方與北方冷暖不同，大陸東岸與西岸乾濕不一，山區與平原的植被、土壤有一定的差異。再如，有的地區火山、地震比較頻繁，有的地區卻少有發生；有的地區一馬平川、一望無際，有的地區卻高山峽谷、懸崖峭壁；有的地區常年冰天雪地，有的地區卻是四季如春；海洋地殼很薄，大陸地殼卻很厚；低緯度地區對流層厚度可達17～18km，而高緯地區卻只有7～8km；有的地區林木茂密，有的地區卻寸草不生。

組成地表環境的岩石圈、水圈、大氣圈、生物圈，不是絕然分開的，而是相互交叉、相互滲透，在空間上構成了一個立體交叉的結構。岩石圈中有水與大氣的參與，水圈中含有大氣，水是大氣圈的組成成分，生物圈更是岩石圈、水圈、大氣圈交叉融合的產物。很難找到一個明顯的界限，將其截然分開。

地球表層環境可以劃分為不同空間尺度的環境。例如，地球表層環境可以劃分為陸地環境和海洋環境。陸地環境還可以劃分為各大洲的環境、各個國家的環境，進一步劃分為各區域（如省市）的環境及局地環境。海洋環境可以劃分為四個大洋；進一步劃分為大洋和邊緣海，邊緣海還可劃分為大陸架與大陸坡，等等。從系統學的角度說，這就是系統的多層次性、多級次性。這些系統不是並列的拼湊在一起的，而是在空間上相互交叉、疊置，並且相互聯繫、相互作用的。

一、物質傳輸、能量流動、信息傳遞

地球表層系統在各個圈層之間、各個地域之間、各個不同層次的系統之間，存在著物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。垂直方向上，各個圈層之間、各個圈層內部的各個次級層次之間，都可能存在著物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。例如，大氣圈與水圈之間、大氣圈與岩石圈之間、水圈與岩石圈之間存在著物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。再如，大氣圈中的對流層、平流層、中間層、暖層、散逸層之間，海洋的表層、中層與深層之間，岩石圈的地殼、上地幔、軟流圈之間也存在物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。水平方向上，大洋與大陸之間、大洋與大洋之間、大陸與大陸之間、地區與地區之間存在著物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。通常所講的海氣相互作用、陸海相互作用，就是指由於海洋與大氣、大陸與海洋之間的物質、能量、信息的交換而導致的正、負反饋作用。

生物圈很難與其他圈層截然分開，它與其他圈層相互交織在一起，與其它圈層之間也存在著物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。例如，生物圈與大氣圈之間、生物圈與水圈之間、生物圈與岩石圈之間，以及生物圈內部的各個部分之間如動物、植物、微生物之間，喬木層、灌木層、枯枝落葉層之間，也都存在著物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。不同層次之間同樣存在物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞。通常所說的大氣循環、水分循環、地質循環、生物地球化學循環（如碳循環、氮循環、磷循環、氧循環等）等，都是跨圈層、跨層次，在空間上立體交叉，在時間上具有不同尺度的物質傳輸過程。在這樣的物質傳輸過程中，伴隨著物態的變化、能量的流動與轉化，以及信息的傳遞。

二、地球表層系統的可預測、可調控功能

由於地表系統存在物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞，並且由於物質的傳輸、能量的流動和信息的傳遞，決定了系統的結構與功能，決定了系統的演化，故可以通過研究地表系統物質傳輸、能量流動和信息傳遞的過程與規律，來預測系統的可能變化，通過改變系統的物質流、能量流或信息流，來改變系統的結構與演化的趨勢，從而達到對地表系統進行優化、調控的目的。

到目前為止，科學家只發現地球上存在著人類。人類在地球表層環境中產生，人類是地球表層環境發展、演化、分異的產物。

研究發現，人類是由森林古猿的一支演化而來的。第三紀晚期是古猿的繁盛時期。由於環境的變化，森林面積縮小，草原範圍擴大。一部分森林古猿仍然留在森林中生活，它們逐漸演化成今天的猩猩、大猩猩等。另外一部分古猿不得不在草原上生活。草原環境的生活，促使它們直立行走和利用前肢抓取食物。從而引起身體器官功能的改變，尤其是大腦的發育。當草原上生活的古猿不僅學會了使用工具，而且學會了製造工具時，也就完成了由古猿向人類的轉化，人類也就誕生了。可以看出，在古猿向人類發展、轉化的過程中，地球表層環境的變化與分異發揮了重要的作用。

一般來說，可以把人類分為三個種族，即三大人種。它們是尼格羅人種、歐羅巴人種和蒙古人種。也就是通常所說的黑種人、白種人和黃種人。

尼格羅人種形成於熱帶的草原曠野上，那裡太陽輻射強烈，而色素較深的黑皮膚和濃密的捲髮能對身體與頭部起保護作用，寬闊的口裂與外粘膜發達的厚唇，以及寬大的鼻腔也有助於冷卻吸入的空氣。歐羅巴人種，主要形成於歐洲的中部與北部。那裡的氣候寒冷，雲量多而日照弱，因此人體的膚色、發色和眼睛的顏色都較為淺淡。人的鼻子高聳，鼻道狹長，使鼻腔粘膜面積增大，從而使寒冷空氣被吸入肺部時可以變得溫暖些。蒙古人種形成的環境沒有非洲的炎熱和歐洲的寒冷，故形成較為適中的人體特徵。

即使是同一人種，由於各個地區環境的差異，不同地區的人的人體特徵、性格也存在一定的差異。例如，有的地區人的身高普遍較高，有的地區卻普遍較矮；有的地區人的膚色深一些，有的地區則淺一些；有的地區人的體形魁梧一些，而有的地區卻小巧一些；如此等等。

從人口的分佈看，目前約佔地球表面71%的海洋幾乎無人居住。即使陸地上，也有35%-40%的地區基本上無人居住。全球人口的1/3集中在1/7的土地上。世界上人口最密集的地區是南亞、東南亞和東亞，次為西歐、中歐和南歐，再次為北美大西洋沿岸和五大湖地區。人煙稀少的地區是北美洲和亞洲的近極地和高寒地帶，以及撒哈拉、中亞和澳大利亞的荒漠地帶。此外，熱帶的亞馬遜流域、剛果河（扎伊爾河）流域，因開發難度大，人口密度也很小。中國的人口分布也很不均勻：東部地區，尤其是沿海地區人口密度大，而西部地區，尤其是乾旱和高寒地區密度小（圖3-4）。黃河與長江中下游平原地區人口密度大，而上游山區密度小。

在古代社會，生產力水平還很低下，人類的生活受到自然環境的極大制約。在氣候適宜、水源充足、地勢平坦、土地肥沃的地方，人類便於取得生活所需的條件，因而容易成為人類定居、生活、繁衍的好地方，人口密度也就大一些。進入近代工業社會以後，儘管生產力得到很大的提高，但人類的生產、生活還在很大程度上依賴於自然環境與資源。人口的分佈受到地表環境的影響也是不言而喻的。儘管人類發展到今天，已經開始向知識經濟社會邁進。知識經濟社會，人類對於自然資源的依賴不再像以前那麼強，但人類的生產與生活不可能完全擺脫地球表層環境的影響。

從人體血液的元素組成看，60多種化學元素的含量與地殼元素的含量有著明顯的相關關係。這是人類長期生活在地球表層，通過新陳代謝與地球表層環境不斷進行物質交換的結果。保持這種不間斷的交換和平衡，對維持人類的健康與生存發展是必不可少的。化學元素在地球表層的分佈是不均勻的。這種不均勻超出一定限度，會導致環境與生命之間元素交換平衡狀態的破壞，影響人類的健康與生存。地方病的發生，就是與一些地方某些元素過剩或者缺乏造成的。例如，缺乏碘，會出現甲狀腺腫大；氟過剩，會導致氟骨病；儘管克山病和大骨節病的病因還不完全清楚，但研究發現，與硒缺乏有關。這也從另一角度說明，地球表層環境對人類的影響。

地球表層環境時刻都在發生著變化。有些變化給人類帶來了巨大的損失，稱之為自然災害。大家比較熟悉的自然災害包括火山、地震、颱風、海嘯、洪澇、乾旱、滑坡、泥石流、沙塵暴等。這些自然災害干擾了人類的生活與生產過程，甚至給人類的生命財產帶來了威脅。發生在中生代與新生代界面附近的小行星撞擊地球的事件，導致了恐龍等生物的大絕滅。

社會的發展，在一定程度上也受到地球表層環境的影響。人類早期的社會大分工便是以自然為基礎的。在那些水草豐足的地方適宜放牧，便逐漸出現了專門從事畜牧業的部落；而在那些土地肥沃宜於墾殖的地方，逐步出現了從事農業的部落。這就是第一次社會大分工。社會的分工促進了生產力的發展。構成這種社會勞動分工的自然基礎，正是地球表層環境的地域差異性。

地球表層環境的差異與自然資源分佈的不平衡，造成了生產條件的不同。從而對人類社會的發展產生了或多或少、有利不利的影響。一般來說，優越的自然環境有助於加快社會發展的進程，惡劣的自然環境則阻礙社會的發展。亞非的一些大河流域，氣候溫和、土地肥沃、水源充足，有利於人類定居與耕作，甚至在較低的生產力水平也可能出現剩餘產品。歷史上這樣的大河流域往往形成古代文明的中心：在北非有尼羅河流域的埃及，在西亞有兩河流域的巴比倫，在南亞有印度河流域的印度，在東亞有黃河、長江流域的中國。它們早在公元前三千多年至兩千多年前就脫離了原始社會，建立起奴隸制國家。社會發展到今天，已經進入了資本主義社會或社會主義社會。

令人驚訝的是在文明世界的今天，仍然殘留著許多原始社會的部落。在南美的亞馬遜雨林中，在非洲的叢林中，在太平洋的一些島嶼上，都居住著至今仍處在石器時代的原始人群。當代的原始居民大都分佈在熱帶區域的孤立環境中。高山、密林、海洋等自然屏障限制了他們與外部的溝通，又由於當地的自然條件能夠滿足其原始生活所需，抑制了這些原始部落發展生產的要求。社會的發展被自然因素延緩了。

隨著社會的進步、科技生產力的提高，人類對地球表層環境的作用與影響越來越大。

人類的活動，改變了地表環境的結構。比如，毀林墾種使森林變為農田，城市的建造使森林、草地或者農田變為混凝土為主的地面，過度放牧或開墾使草原變為荒漠，水庫的建設使旱地變為水面，乾旱區節水灌溉技術使戈壁、荒漠變為良田，如此等等。總而言之，人類已經和正在改變地表環境的結構。

如果沒有人類活動的影響，地表環境將按照自身演化的規律進行演化。人類活動的影響已經達到可以改變地表環境演化方向的程度。比如說，科學家研究認為，第四紀中冰期/間冰期旋迴持續的時間大致上為10萬年，其中間冰期持續時間只有1萬年。冰後期作為一個現代間冰期，已經經歷了大約1萬年的時間。也就是說現代間冰期即將結束，新的冰期即將開始，今後世界氣候將向寒冷方向發展。然而由於人類活動的影響，大氣中的CO3等溫室氣體大幅度增加，從而將導致世界氣候的變暖。有人預測，由於溫室效應，未來氣候不是變冷，而是變暖。

由於人類活動的影響，地表環境變化的速率也會發生改變。有人估算過，在土壤侵蝕過程中，由於人類的影響，全球平均每年每平方千米的土地上，損失掉的土壤為1，500～85，000mm3。而天然侵蝕的背景值卻只有12～1,500立方米，前者是後者的125～170倍。也就是說，由於人類活動的影響，使土壤侵蝕的過程加快了一百多倍。另據美國的資料，在13個州約5萬個測點上所得到的數據表明，原來植被覆蓋的土壤每年每公頃損失0.85t，而一旦被人開墾后，土壤損失的數字一下子上升到83.55噸，提高了98.3倍。這些事例表明，人類已經和正在改變地表環境變化的速率。

人類改變地表環境的物質循環表現在多個方面。一個典型的例子就是對水的控制。人類建造水庫，改變了水流下泄的速度與時間；建造排灌工程，可以把低處的水調到高處；跨流域調水，更是改變了兩個流域水分的循環。例如，即將實施的南水北調工程，將把長江流域的水調到黃河流域。不僅會使長江入海流量減少，而且會增加黃河流域的水量。從而使兩個流域的水分循環發生變化。

再如，人類燃燒化石燃料，使大氣中二氧化碳的含量大幅度增加；人類利用氟里昂作為製冷劑，泄露到大氣中，破壞了臭氧層；化肥的使用改變了地表環境中氮、磷、鉀等元素的自然循環過程，導致了湖泊的富營養化；灌溉和水庫的建設，增加了局部地區地面的水蒸發，從而使降水也增加。

人類改變了地面的結構，從而也就改變了地面的反射率，使地面接收到太陽輻射量增加或者減少，也就改變了地表環境的能量平衡。沙漠化使地面反射率增加，後果是使地面接收到的太陽輻射減少，使地面溫度降低；城市熱島效應使城市中心溫度比周圍地區溫度高；由於水的熱容量比較大，水庫對熱量的調節比較明顯，從而使水庫及其周圍的氣溫日較差與年較差都較小。溫室效應也是人類改變地表環境能量平衡的絕好的實例：化石燃料燃燒使得大氣CO2濃度升高，引起地面長波輻射減少，導致地面溫度升高。

人類在不斷地開發利用自然資源。有些資源是可再生的，有些資源則是不可再生的。由於長期的開發利用，一些資源面臨枯竭的危險。與此同時，一些資源受到了嚴重的破壞。由於人類不合理的墾殖，土壤侵蝕速率增大了許多倍；由於過度開墾與過度放牧，沙漠化的速度加快；另外全世界每年有3，000 km2的耕地因城市建設被佔用。加上人口的急劇增加，人均耕地面積越來越少。由於水資源分佈在時間與空間上的不均勻性，也由於人類對水資源的不合理利用以及對水資源的污染，人類正面臨著水危機。礦產資源是不可再生資源，並且礦產資源的儲量是有限的。據估計，按照現在的發展速度，世界石油只能再用100～150年，煤可以再用150～250年，金屬礦藏也將在不久的將來全部用完。由於人類活動的影響，森林面積迅速減小，生物滅絕的速度比自然滅絕速度加快了50～100倍。資源的枯竭與破壞，為今後人類的生產、生活帶來許多不便，為今後社會的發展帶來困難。