圈層相互作用與自然地理學

前科協主席錢學森先生提倡發展“地理科學”和“地球表層系統科學”，對地理學和地理學家提出了很高的期望。如何發展地理科學，如何構建地球表層系統科學，引起了眾多地理學家的思考與探索。我們也進行了一些思考，認為理解與構建地球表層系統的關鍵是圈層的相互作用。如果不能從圈層相互作用的角度去研究地球表層，研究地球表層系統的組成、結構、運行機制，地理學就達不到錢學森先生所期望的高度，地球表層系統科學也就不可能建立。自然地理學是研究地球表層自然系統的核心學科，其特色與優勢就在于圈層的相互作用。

一、圈層相互作用與自然地理學

地球表層環境是一個系統，可以稱之為地球表層系統，是由巖石圈、大氣圈、水圈與生物圈相互作用而成的。要弄清地球表層環境發生、發展過程與變化規律，弄清其空間分布、分異特征與規律，就必須從圈層的相互作用出發。

與研究巖石圈、大氣圈、水圈與生物圈的核心學科地質學、大氣科學、水文學和生物學相比，地理學的優勢，也是自然地理學的優勢，不在于分門別類地去研究各個圈層，而在于從學科交叉和要素融合的角度去研究圈層的相互作用。在于從圈層相互作用的角度，探討地球表層自然環境的形成機制；從圈層相互作用的角度，探討各要素之間的相互作用、相互影響；從圈層相互作用的角度，探討地表環境的區域聯系、分異規律；從圈層相互作用的角度，探討地表環境的評估、預測、規劃、管理、優化和調控。

二、圈層相互作用的途徑

圈層之間的相互作用，都是通過能量、物質與信息的交換來完成的。

1.地球表層能量傳輸、交換與圈層相互作用

能量是維持地球表層系統運行與發展的動力，也是聯系四大圈層的橋梁和紐帶。

圈層間進行著多種不同能量的傳輸，這里只做一個簡要的歸納（圖1）。

第一，大氣圈與水圈之間存在著熱能、動能、化學能和勢能的傳輸與交換。由于大氣與水體之間溫度的差異，大氣圈與水圈之間熱能交換一直在不停地進行著。如冷空氣經過的水面會發生降溫現象，暖流對大氣有增溫、增濕作用。由于大氣與水面之間的摩擦作用，大氣運動往往影響和帶動水體的運動，如風吹拂水面會產生波浪，信風作用于洋面產生洋流。當然，水體的運動也會影響和改變大氣的運動，如在靜風天氣時，來到瀑布或快速流動的河流附近，立刻感到風的存在，這是大氣圈與水圈動能交換的結果。大氣與水體（主要是海洋）之間在不斷地進行著物質的交換，在交換過程中也會發生某些化學反應，因此兩者之間也存在化學能的交換。氣壓代表了大氣勢能的大小。當大氣壓力不同或發生變化時，會改變水體的分布與位勢。如氣壓偏低時，海平面就會升高；當氣壓偏高時，海平面就會相應降低。如臺風經過的海面，由于臺風中心氣壓比較低，往往會導致海平面高出周圍幾十厘米至幾米。當水體分布發生變化時，同樣也會引起氣壓的變化。又如，高山、高原冰川以及中高緯度地區冰蓋的發育，將會使這些地區的近地面氣壓升高，導致區域間的氣壓差增大。

第二，大氣圈與巖石圈之間存在著熱能、化學能、動能的交換。地面與大氣之間通過長波輻射、大氣逆輻射在進行著熱能的交換。大氣圈與巖石圈之間也在進行著物質的交換，發生著某些化學反應，如風化作用從大氣中吸收CO₂，同時也使巖石中的某些元素釋放出來，因此兩圈之間存在著化學能的交換。通過大氣與地面之間的接觸與摩擦作用，巖石圈的動能可以傳遞給大氣圈，大氣圈的動能也可以傳遞給巖石圈。如地球自轉速度變化，通過地面摩擦動能從巖石圈傳遞給大氣圈，從而導致大氣運動速度的改變。研究表明，在厄爾尼諾年，由于地球自轉速度的減慢，在赤道附近的大氣可以獲得1cm/s的向東相對速度（任振球，1990）。當然，大氣運動的動能也可以通過地面摩擦傳遞給固體地球。

第三，水圈與巖石圈之間存在著熱能、動能、勢能與化學能的交換。在水與巖石接觸的界面上，由于巖石與水溫度的差異，導致兩個圈層之間的熱能交換。最明顯的例子是海底火山、海底熔巖的溢出（如洋中脊），加熱了海水。暖流不僅溫暖所經過地區的大氣，而且還溫暖附近的巖石與土壤，寒流則對經過區域的大氣和巖石具有冷卻作用。巖石圈的變動往往引起水體分布的變化，水體分布的變化也會反過來通過均衡作用引起地面巖石高程的調整。如當山地隆升到一定高度，冰川開始發育，使原來分布于海洋的水體以固態水的形式分布在山體頂部，從而提高這些水的勢能。當冰川達到一定厚度，就會導致地面的均衡下沉，反過來對巖石圈的位勢產生一定的影響。水圈與巖石圈之間的物質交換也是很頻繁的，并且存在著一系列化學反應，從而進行著化學能的交換。如水對巖石的風化、分解與溶蝕，水中碳酸鹽、硅酸鹽等物質的析出與沉淀，海底火山噴出大量物質到海水中，洋中脊附近熔巖與海水的反應等，都是巖石圈與水圈化學能交換的例證。

第四，生物圈與其它三個圈層之間，普遍存在著熱能與化學能的交換。熱能的交換很好理解。如果沒有一定的氣溫、水溫和土壤溫度，生物是無法生長與發育的，生物需要從三大圈層中吸收熱量以保持自身所需要的溫度，當然生物呼吸也會放出熱量到三大圈層中。化學能的交換主要表現在生物圈與三大圈層之間的物質交換上，生物生長過程中不斷地從環境（三大圈層）吸收營養物質，同時生物的新陳代謝也不斷向環境（三大圈層）排泄出物質。生物死亡后生物體被分解，物質回歸環境（三大圈層）。通過物質的循環及其化學反應，生物圈與三個圈層之間進行化學能的交換。碳、氮、氧、磷、硫、氯等物質的循環，就是一個很好的例證。

2.地球表層系統物質遷移、循環與圈層相互作用

能量驅動地球表層系統的物質遷移與循環，反過來，物質遷移與循環不僅帶動了能量的流動與傳輸，而且還導致能量的轉化與交換。物質遷移與循環，同能量傳輸與轉化一樣，是地球表層系統發展演化的原因與動力，也是圈層間相互聯系的紐帶、相互作用的橋梁。

地球表層系統的物質循環，通常劃分為大氣循環、水循環、地質循環、生物循環和生物地球化學循環。顧名思義，大氣循環、水循環、地質循環、生物循環主要發生在大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈，但也不完全局限于單一圈層之中。大氣滲透到各個圈層，水圈、巖石圈和生物圈中都有大氣，并且還在不斷與大氣圈進行著交換：生物通過光合作用和呼吸作用在更新和改變著大氣，巖石、土壤中的大氣也在不斷地與大氣進行著交換，海洋則是大氣某些組分重要的源和匯。因此可以說，水圈、巖石圈和生物圈也參與了大氣的循環。水循環似乎是水圈中的物質循環，但實際上水循環跨越了大氣圈、生物圈和巖石圈：降水發生在大氣圈，水汽的運移是由大氣運動完成的；徑流發生在巖石圈表層（地表徑流）和巖石圈內部（地下徑流），是水循環的重要步驟；植物的蒸騰是水循環的重要方面，植被對降水的截留，改變了水循環的過程與速度。地質循環也不僅僅局限于巖石圈，因為巖石的風化、分解、溶蝕、侵蝕和沉積物的搬運、堆積、固結成巖，都離不開大氣與水的參與，生物在地質循環中也發揮一定的作用。生物地球化學循環，更是跨越大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈。

地球表層系統有不同空間尺度的水循環，有大陸范圍的水循環，有海洋范圍的水循環，有圈層內部的水循環，也有跨越圈層的水循環。圖2所示的水循環是跨越圈層的水循環。蒸發、蒸騰使水變為水蒸氣，從水圈、巖石圈、生物圈進入大氣圈，水蒸氣在大氣圈中隨大氣環流而運動，最后以降雨、降雪等形式回到水圈、巖石圈、生物圈。如降水被生物截留和利用，然后參與下一個水循環；降水變為地表或地下徑流，參與巖石圈的侵蝕、改造，然后流入海洋；落于高緯度地區或高山、高原地區的降雪，形成冰川或冰蓋，成為水圈的組成部分，當冰川融化，水又參與生物的生長、巖石的風化，或者再次被蒸發、蒸騰進入大氣圈，參與到天氣過程中，形成雨、雪、霜、露、雹、霧等各種各樣的天氣現象。

水循環是地球表層系統中最重要的物質循環之一。{1}它對地球表層系統的能量起著再分配的作用。當水蒸發時，吸收大氣的熱量；當降水發生時，釋放熱量到大氣中；當蒸騰發生時，帶走植物體內的熱量，同時也吸收大氣的熱量。{2}它是地球表層系統其它物質運動與循環的傳送帶。任何物質的運動和循環，都離不開水的運動和循環。如泥沙的搬運、沉積，巖石的風化、分解，元素的遷移等，大都是在水的參與下完成的。

實際上，地質循環、地球化學循環以及生物循環，同樣也跨越了圈層，也是圈層相互作用的過程和途徑。

3.地球表層系統信息傳遞與圈層相互作用

地球表層系統也在不斷地進行著信息的傳遞，巖石圈、大氣圈、水圈與生物圈之間在進行著信息的交換。信息的傳遞與交換，也是圈層相互作用的途徑和紐帶。但是由于目前對于地表信息傳遞和圈層間交換的研究不夠廣泛和深入，這里就不展開敘述和討論。

三、圈層相互作用的例證

1.圈層相互作用與中國三大自然區的形成

中國的自然區劃，有不同的方案。但相對比較一致的意見是將中國劃分出三個大區：東部季風區、西北干旱區和青藏高原區（高寒區）。

這三個大區在成因上是有聯系的。研究表明，青藏高原的隆升，激發或加強了中國東部的季風，也導致了西北地區的干旱化。由于青藏高原的隆升，導致和加強了東亞季風，形成了水熱同季的中國東部季風區；由于青藏高原的隆升，青藏地區變成海拔高度大、氣候嚴寒的環境；由于青藏高原的隆升，中國西北地區盛行下沉氣流，氣候干燥，并且由于高原的阻擋作用，來自印度洋的水汽難以到達西北內陸地區，從而形成了西北干旱區。總之，由于青藏高原的隆升，改變了區域大氣環流的格局，中國的地帶性規律受到干擾與破壞，而非地帶性明顯增強，由原來的以熱帶濕潤帶、副熱帶干燥帶和溫帶濕潤帶為標志的緯向地帶性分明的環境格局，變為東部季風區、青藏高寒區和西北干旱區為標志的三區分異的環境格局。

2.圈層相互作用與地貌塑造

從圈層相互作用的角度來說，河流地貌、海岸地貌是水作用于巖石而產生的地貌，是水圈與巖石圈相互作用的結果；風沙地貌是干燥氣候條件下風作用于巖石圈表面而產生的地貌，是大氣圈與巖石圈相互作用的產物；冰川地貌、冰緣地貌是特定氣候條件下，固態和液態水對巖石表面進行作用而形成的地貌，是大氣圈、水圈、巖石圈相互作用的結果。

黃土地貌是水、重力等作用于特殊的巖石——黃土而形成的地貌，而黃土一般都是干燥氣候條件下風作用于巖石表面而形成的，因此黃土地貌也可以認為是大氣圈、水圈、巖石圈相互作用的產物。

喀斯特地貌是在一定的大氣、氣候和生物條件下，水對巖石溶蝕、淀積、侵蝕、沉積的結果，在一定程度上反映了水、大氣、生物、巖石的相互作用，是水圈、大氣圈、巖石圈、生物圈相互作用的產物。

喀斯特作用的發生必須具備四個基本條件：{1}巖石的可溶性；{2}巖石的透水性；{3}水的溶蝕力；{4}水的流動性。巖石的可溶性、透水性是由巖石圈的結構與變動（構造運動）決定的；水的流動性取決于氣候條件、地形坡度以及巖石的空隙類型與連通性；水的溶蝕力不僅取決于水的性質，而且還受大氣CO₂含量、生物產生的有機酸多少的影響與控制。喀斯特作用、喀斯特地貌的空間分布，同樣受巖石圈結構、水的分布以及氣候與生物的空間分異的影響。因此，喀斯特作用是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈相互作用的一個很好的例證。

3.圈層相互作用與自然災害

（1）風暴潮。風暴潮是指由于強烈的大氣擾動引起的海平面異常升高，使海水漫溢上陸的現象。風暴潮是一種嚴重的自然災害。據聯合國1987年的統計，風暴潮每年在全世界造成的經濟損失高達60億~70億美元，造成的人員傷亡大約30 000人。目前全世界約有15%的人口居住在風暴潮危險區。

顧名思義，風暴潮是風暴與潮水結合的產物，是大氣圈與水圈相互作用的結果。當風暴與潮水疊加導致異常高潮位時，便形成了風暴潮。風暴主要有熱帶風暴和溫帶氣旋兩種。熱帶風暴在太平洋地區叫做臺風，在大西洋地區稱為颶風。當風暴形成在大洋上，并且不經過沿海地區時，不會形成風暴潮；當風暴經過沿海地區時，如果正值小潮低潮時，也可能不會形成風暴潮，至少不會造成嚴重的風暴潮災害；如果風暴經過沿海地區時，正值大潮高潮時，很可能形成特大的風暴潮，造成嚴重的風暴潮災害。風暴潮的強度除了與潮位狀況有關外，還與風暴強度有關。風暴強度越大，引致的風暴潮強度可能越強。反之，風暴強度越小，則引致的風暴潮強度越弱。當然，風暴潮強度還與風暴作用于近岸水域時的風向有一定的關系：向岸風會加強風暴潮的強度與破壞力，離岸風則會減弱風暴潮的強度與影響。

風暴潮的影響大小或者風暴潮災害的嚴重程度，除了與風暴強度、潮位狀況有關外，還與沿海地區的地形條件有關。不管如何，風暴潮產生于大氣圈與水圈的界面上，是大氣圈與水圈相互作用的產物。

（2）沙塵暴。近年來，經常見到有關沙塵暴的報道。所謂沙塵暴，就是大風揚起的地面塵埃使空氣渾濁，水平能見度小于1 000m的惡劣天氣現象。如果水平能見度小于10m，則稱為黑風暴。沙塵暴是大氣圈與巖石圈相互作用的產物。第一，沙塵暴的形成需要地面干燥，并且地面上要有比較豐富的碎屑物質。要達到這一要求，一方面除氣候必須比較干燥外，另一方面巖石圈表面要比較破碎或分布有較多的松散沉積物。巖石的破碎狀況取決于巖石的組成、結構、構造和巖石風化的條件與程度。如果巖石結構松散、巖性軟弱、節理裂隙比較發育，那么巖石就比較容易風化、破碎；如果巖石結構密實、巖性堅硬、節理裂隙不發育，那么巖石就難以風化、破碎。當然只有在氣候干旱的條件下，這些巖石碎屑或已有的其它沉積物（如冰川、冰緣沉積物或河湖相沉積物等），才能呈松散狀態。沙塵暴多形成于干旱、半干旱地區，中亞、北美、中非和澳大利亞是世界上四大沙塵暴區。在我國主要發生在西北干旱、半干旱地區。第二，沙塵暴的形成還必須具備特定的大氣環流條件。在風和日麗的天氣條件下是不可能形成沙塵暴的。只有當大氣系統處于不穩定狀態，尤其是當暴風或風暴來臨的時候，才有可能形成沙塵暴。我國西北地區的沙塵暴多發生在春季，就是因為在春季大氣系統處在調整時期，大氣系統不穩定，并且經過一個較長的干燥時期，地面比較干燥的緣故。

上述分析表明，沙塵暴是在特定的大氣狀態下，風暴作用于特定的巖石圈表面而形成的，是大氣圈與巖石圈相互作用的產物。

（3）滑坡。斜坡上的土體或巖體沿一定的滑動面整體下滑的現象，叫做滑坡。在山區坡陡壁直的地方，尤其是在河谷兩側經常會發生滑坡。滑坡會堵塞河道、引發洪水，封堵道路、阻礙交通，毀壞房屋、傷及生命。因此必須加強對其形成機制及防治措施的研究。

滑坡形成的必要條件是：巖體存在一定產狀的軟弱面或破裂面，巖體具有一定的臨空面。滑坡的誘發因素是：地震、火山爆發、水的浸泡和潤滑作用、水動力或人為對坡腳穩定性的破壞。

拋開人類活動的影響，自然狀態下發生的滑坡，主要是巖石圈與水圈相互作用的結果。巖石（包括碎屑堆積物）的組成、性質、結構、構造，決定了巖體是否存在一定產狀的軟弱面或破裂面，巖石圈的變動（地震、火山爆發和地殼運動）不僅是滑坡發生的誘發因素，而且與水動力對溝谷的侵蝕作用一起，決定了巖體是否有臨空面、巖體是否穩定。地面水或地下水對巖體的浸泡和對軟弱面的潤滑，是滑坡發生的誘發因素。可以說，巖石圈與水圈相互作用產生了滑坡。

（4）崩岸。河岸、湖岸、海岸的崩塌叫做崩岸。崩岸常妨礙航道、影響交通，毀壞堤防、影響防汛，毀壞房屋、傷及生命。

崩岸的發生，一是與組成河岸、湖岸、海岸的巖石或碎屑物的性質、結構、構造有關，破碎的、結構松散的巖石或碎屑物容易發生崩岸；二是與水動力對河岸、湖岸、海岸的侵蝕有關，水動力對河岸、湖岸、海岸的侵蝕越強，越容易發生崩岸。因此崩岸多發生在河流凹岸，湖流靠近的湖岸或迎波岸（波浪正面沖擊的湖岸），潮流或潮溝逼近的海岸或波浪正面沖擊的海岸。

上述分析表明，崩岸也是巖石圈與水圈共同作用的產物。

（5）泥石流。泥石流是含有大量泥沙、石塊等固體物質的洪流。它暴發突然，歷時短暫，來勢兇猛，具有強大的破壞力。

泥石流的發育必須具備三個條件：{1}流域內具備豐富的、破碎的、易于搬運的固體物質；{2}具備豐富的并且能夠在一定時間內集中在一起的水；{3}比降比較大的溝谷。要滿足第一個條件，要求巖體破碎、易于風化，這是由巖石圈的結構與性質決定的。如果某一地區構造復雜、斷層交錯，巖石往往比較破碎。要滿足第二個條件，要么在一定時間內有足夠的降水，要么在一定時間內要足夠的冰川融水、上游河水、地下水或其它來源的水的積累，這是由水圈的性質及其變化決定的。第三個條件是由巖石圈與水圈共同決定的。構造斷裂、巖石性質與巖石圈的變動（構造活動）在一定程度上控制了溝谷的發育與溝谷的比降，水流對谷地的侵蝕也在一定程度上影響了谷地的性質。盡管重力作用過程也對谷地的發育與特征產生了一定的影響，但重力作用的強弱同樣受巖性、構造及其構造活動的控制，也受水的影響。如果巖石破碎、構造活動強烈、并有水的參與，重力作用就會明顯加強。

泥石流的發生還與其它圈層的變化有一定的關系，如植被發育好壞（生物圈）、降水的性質（大氣圈與水圈的相互作用）等。但是從以上分析可以看出，泥石流的發生，是一定的條件下巖石圈與水圈相互作用的結果。

（6）海嘯。某些突發事件引起的短時內海平面的大幅度升降，稱為海嘯。海嘯往往掀翻船舶、毀壞港口碼頭、淹沒沿海低地，給人類的生命財產帶來巨大的損失。2004年12月發生在印尼的大海嘯，使約30萬人遇難。

大部分海嘯是由于海底地震引起的。地震波傳到海底，由于海底的劇烈波動或震動，引起海水的劇烈波動，從而發生海嘯。

地震是由于巖石圈的破裂造成的。地震導致了海平面大幅度的升降波動——海嘯。可以說，海嘯是巖石圈的突變導致水圈的突變而形成的。海嘯發生于并作用于巖石圈與水圈的界面附近——海底與海岸。海嘯影響的大小，更是取決于兩個圈層之間的相互作用。巖石圈的變動越劇烈，產生的地震越強，引發的海嘯規模越大。海嘯規模越大，對巖石圈的改造（對海底與沿海地區的侵蝕、堆積）也越強烈。如大的海嘯可以對幾十米（甚至百余米）水深的海底進行侵蝕，淹沒沿海幾十千米（甚至數百千米）范圍的陸地。當海嘯發生時，如果正是大潮高潮時，海嘯對海岸與沿海陸地的影響，將會大大增強；如果海嘯發生時，正值小潮低潮時，海嘯對海岸與沿海陸地的影響，將會大大減弱。如果地震導致海嘯發生的時候，也同時引起沿海地面的沉降，海嘯對于海岸與沿海陸地的影響將會成倍增強。

4.圈層相互作用與土壤發育

土壤發生在巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈的界面上，是巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈相互作用的產物。

土壤的發育，離不開生物與巖石的相互作用，也離不開大氣與水的參與。實際上，土壤是在一定的水、氣條件下生物與巖石相互作用，經過一系列物理、化學和生物化學過程形成的。

在19世紀末，俄國土壤學家道庫恰耶夫就曾經指出，土壤是巖石、地形、氣候、生物與時間的函數，并用函數關系式表示如下。

Л= f(K，O，г，P)T

式中，Л為土壤，K為氣候，O為生物，г為巖石，P為地形，T為時間。

看起來似乎沒有考慮水的影響，但實際上他把水的影響放在氣候因子與地形因子中。

20世紀40年代，美國土壤學家Jenny，考慮到其它因素的影響以及不同土壤形成過程中的主導因素不同，提出了另外一個函數關系式：

S= f(Cl，O，R，P，T，......)

式中，S為土壤，Cl為氣候， O為生物， R為地形，P為母質， T為時間，省略號為尚未確定的其它因素。

從上述函數式可以看出，土壤是多要素共同作用的結果。盡管在不同的地區可能起主導作用的因素不同，但歸結起來土壤是巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈相互作用的產物。