流域自然地理学论文:论地表四大圈层相互作用(1)
摘要：文章对地球表层的岩石圈、大气圈、水圈和生物圈进行了先容，阐述了能量的传输和交换及物质的迁移和循环，分析并举例说明了各大圈层的相互作用。以为地球是一个完整的，相互联系的系统，地球表层的各大圈层是相互影响，相互制约，相互作用的，应该作为一个整体来研究。
关键词：四大圈层，物质，能量，相互作用
Abstract： After introduce the geological cycles of lithosphere， atmosphere， hydrosphere， and biosphere of the earth ， the transmission and exchange of energy and the migration and the circulation of materials were expounded， the interaction between them was analyzed and illustrated. It is believed that the earth is a completed and interconnected system. The geological cycles are interacted and restrained by each other， and they should be researched as a whole.
Keywords：geological；cycles；materials；energy；interaction
前言：人类对地球的开发、利用和探索研究活动由来已久，地质学、气象学、水文学、土壤学和生态学等都有悠久的历史。近几十年来，科学家们逐渐熟悉到必须把地球作为一个由相互作用着的各个组元或子系统——主要是地核、地幔、土壤及岩石圈、大气圈、水圈和生物圈（包括人类社会）组成的同一系统，即地球系统来研究，才能真正深化对地球的研究，才能回答人类所面临的一系列地球系统行为的紧迫环境题目。
事物是普遍联系的，地球内部的物质在不断运动和循环。地球外部的各个圈层之间相互联系、相互制约，形成人类赖以生存的自然环境。人类与自然环境的关系是相互影响、相互制约的。人类活动在改造环境，环境对人类产生反作用，人类和环境协调发展，才能实现可持续发展的目标。
1地球表层四大圈层
地球表层指与人类直接有关的一部分地球环境，其范畴大致上始大气对流层顶，下至岩石圈上部，包括大气、水、岩石、生物在内的特殊圈层。地球表层的各圈层之间有着千丝万缕的联系，它们是相互关联、互相渗透的。岩石圈承载着河流、湖泊，人类和一切生命系统也活跃在这里。在各圈层之间有非常广泛的物质和能量的传输和交换。海洋和大气之间的相互作用就是非常明显的例证。大气和水圈海洋的相互作用，可以影响到全世界的天气变化。同时，它们承受变化而不产生灾难的能力是有限的。
1.1岩石圈
地壳是地球表面一层薄薄的、由岩石组成的固体外壳，地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分，其底界为莫霍洛维契奇不连续面（简称莫霍面）。整个地壳均匀厚度约17千米，其中大陆地壳厚度较大，均匀为33千米。高山、高原地区地壳更厚，最高可达70千米；平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄，厚度只有几千米。
1.2大气圈
大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000～公里高空仍有淡薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可以为是大气圈的一个组成部分。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75％的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。对流层的气温随高度的增加而降低，空气对流运动明显，是与人类关系最密切的一层，由于云、雨、雾、雪等天气现象都发生在这一层。平流层大气以水平运动为主，气流平稳，适合飞机飞行。气温随着高度的增加而升高，由于平流层的臭氧层吸收了大量的紫外线。高层大气空气密度很小，含有电离层，能够反射无线电波，对人类的无线电通讯活动有重要作用。
地球大气圈是一个保护层，使人类免受有害射线的照射，同时提供了人类生存所必须的氧气。人类天天都在呼吸新鲜空气，吸进氧气，排出二氧化碳。空气与阳光、水分一样是不可缺少的。没有大气圈，人类乃至生物界将不能生存。
1.3水圈
水圈是地表和近地表的各种形态水的总称，包括海洋、湖泊、河流、沼泽、冰川以及土壤和岩石孔隙中的水，生物圈中存在的水等。
水圈的主体是世界大洋，其面积占全球面积71%左右。陆地上的湖泊、河流、沼泽、冰川、地下水，甚至矿物中的水都是水圈的组成部分。可见，水是地球表面分布最广泛的物质。同时，水也是地表最重要的物质和参与地理环境物质能量转化的重要因素。在地球全部的水储量中，陆地淡水仅占2.526%，而且尽大多数又以冰川的形式存在于极地和高纬度、高海拔地区。目前可供人类直接利用的淡水资源很少，因此，节约用水和保护水资源已成为当务之急。
水体水蒸发进进大气，又在适当条件下降水回到地面和海洋。陆地降水一部分汇集于江河湖泊，另一部分渗透地下，最后都流进海洋，构成了水的循环。自然界的水就像这样处于不断地活动和循环状态，从而为生物生长提供了适宜的供水条件。只有在水循环的作用下，才能把各个特征不同的水体联系起来形成水圈。它是生物生存必要的环境条件之一，也对地球表层起着巨大的改造和建设作用。水分和能量的不同组合使地球表面形成了不同的自然带和自然景观类型，水溶解岩石中的营养物质，为满足生物需要创造了条件。水分循环不仅调节天气、净化大气，而且几乎伴随一切自然地理过程促进地理环境的发展与演化。
1.4生物圈
由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物，在地球上这个合适的温度条件下，形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物约有40万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。据统计，在地质历史上曾生存过的生物约有5－10亿种之多，然而，在地球漫长的演化过程中，尽大部分都已经灭尽了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。生物在促进太阳能转化，改变大气和水圈的组成，参与风化作用和成土过程，改造地表形态等方面起着重要的作用。
人是生物圈中占统治地位的生物，能大规模地改变生物圈，使其为人类的需要服务。然而，人类究竟是生物圈中的一个成员，必须依靠于生物圈提供一切生活资料。人类对生物圈的改造应有一定限度，超过限度就会破坏生物圈的动态平衡，造成严重后果。
人类以多种方式转移地球物质，其以局部效应与整体效应两种不同形式影响环境。如人类大量开采地下能源，形成塌陷区；人类削山采石，构筑大都市中星罗棋布的高层建筑群，造成地表沉降，还明显改变其近地面层风场结构，产生干岛、湿岛、热岛效应等；而一些举世著名的拦河筑坝、移山填海工程，变山川为湖泊、变水为陆，其严重影响生态环境的同时，改变了区域的地壳承力条件。但这类物质转移，多以局部效应形式影响环境，人类已在关注研究它们的负面影响。人类从多方面对地球进行着改造，然而，人类却无力完全恢复其本来面目。尽管人们的环境保护意识不断进步，但自然规律无法改变。地球是人类的生存依靠，人们应全面关注和研究地球发生的一切变化。
2.圈层相互作用与自然地理学
地球表层系统是由岩石圈、大气圈、水圈与生物圈相互作用而成的。要弄清地球表层环境发生、发展过程与变化规律，弄清其空间分布、分异特征与规律，就必须从圈层的相互作用出发。圈层之间的相互作用，都是通过能量、物质与信息的交换来完成的。
2.1地球表层能量传输、交换与圈层相互作用
能量是维持地球表层系统运行与发展的动力，也是联系四大圈层的桥梁和纽带。圈层间进行着多种不同能量的传输。
第一，大气圈与水圈之间存在着热能、动能、化学能和势能的传输与交换。由于大气与水体之间温度的差异，大气圈与水圈之间热能交换一直在不停地进行着。如冷空气经过的水面会发生降温现象，热流对大气有增温、增湿作用。由于大气与水面之间的摩擦作用，大气运动往往影响和带动水体的运动，如风吹拂水面会产生波浪，信风作用于洋面产生洋流。当然，水体的运动也会影响和改变大气的运动，如在静风天气时，来到瀑布或快速活动的'河流四周，立即感到风的存在，这是大气圈与水圈动能交换的结果。大气与水体（主要是海洋）之间在不断地进行着物质的交换，在交换过程中也会发生某些化学反应，因此两者之间也存在化学能的交换。气压代表了大气势能的大小。当大气压力不同或发生变化时，会改变水体的分布与位势。如气压偏低时，海平面就会升高；当气压偏高时，海平面就会相应降低。如台风经过的海面，由于台风中心气压比较低，往往会导致海平面高出四周几十厘米至几米。当水体分布发生变化时，同样也会引起气压的变化。又如，高山、高原冰川以及中高纬度地区冰盖的发育，将会使这些地区的近地面气压升高，导致区域间的气压差增大。
第二，大气圈与岩石圈之间存在着热能、化学能、动能的交换。地面与大气之间通过长波辐射、大气逆辐射在进行着热能的交换。大气圈与岩石圈之间也在进行着物质的交换，发生着某些化学反应，如风化作用从大气中吸收CO2，同时也使岩石中的某些元素开释出来，因此两圈之间存在着化学能的交换。通过大气与地面之间的接触与摩擦作用，岩石圈的动能可以传递给大气圈，大气圈的动能也可以传递给岩石圈。如地球自转速度变化，通过地面摩擦动能从岩石圈传递给大气圈，从而导致大气运动速度的改变。研究表明，在厄尔尼诺年，由于地球自转速度的减慢，在赤道四周的大气可以获得1cm/s的向东相对速度。当然，大气运动的动能也可以通过地面摩擦传递给固体地球。
第三，水圈与岩石圈之间存在着热能、动能、势能与化学能的交换。在水与岩石接触的界面上，由于岩石与水温度的差异，导致两个圈层之间的热能交换。最明显的例子是海底火山、海底熔岩的溢出（如洋中脊），加热了海水。热流不仅热和所经过地区的大气，而且还热和四周的岩石与土壤，冷流则对经过区域的大气和岩石具有冷却作用。岩石圈的变动往往引起水体分布的变化，水体分布的变化也会反过来通过均衡作用引起地面岩石高程的调整。如当山地隆升到一定高度，冰川开始发育，使原来分布于海洋的水体以固态水的形式分布在山体顶部，从而进步这些水的势能。当冰川达到一定厚度，就会导致地面的均衡下沉，反过来对岩石圈的位势产生一定的影响。水圈与岩石圈之间的物质交换也是很频繁的，并且存在着一系列化学反应，从而进行着化学能的交换。如水对岩石的风化、分解与溶蚀，水中碳酸盐、硅酸盐等物质的析出与沉淀，海底火山喷出大量物质到海水中，洋中脊四周熔岩与海水的反应等，都是岩石圈与水圈化学能交换的例证。
第四，生物圈与其它三个圈层之间，普遍存在着热能与化学能的交换。热能的交换很好理解。假如没有一定的气温、水温顺土壤温度，生物是无法生长与发育的，生物需要从三大圈层中吸收热量以保持自身所需要的温度，当然生物呼吸也会放出热量到三大圈层中。化学能的交换主要表现在生物圈与三大圈层之间的物质交换上，生物生长过程中不断地从环境（三大圈层）吸收营养物质，同时生物的新陈代谢也不断向环境（三大圈层）排泄出物质。生物死亡后生物体被分解，物质回回环境（三大圈层）。通过物质的循环及其化学反应，生物圈与三个圈层之间进行化学能的交换。碳、氮、氧、磷、硫、氯等物质的循环，就是一个很好的例证。
2.2地球表层系统物质迁移、循环与圈层相互作用
能量驱动地球表层系统的物质迁移与循环，反过来，物质迁移与循环不仅带动了能量的活动与传输，而且还导致能量的转化与交换。物质迁移与循环，同能量传输与转化一样，是地球表层系统发展演化的原因与动力，也是圈层间相互联系的纽带、相互作用的桥梁。
水循环似乎是水圈中的物质循环，但实际上水循环跨越了大气圈、生物圈和岩石圈：降水发生在大气圈，水汽的运移是由大气运动完成的；径流发生在岩石圈表层（地表径流）和岩石圈内部（地下径流），是水循环的重要步骤；植物的蒸腾是水循环的重要方面，植被对降水的截留，改变了水循环的过程与速度。
水循环是地球表层系统中最重要的物质循环之一。它对地球表层系统的能量起着再分配的作用。当水蒸发时，吸收大气的热量；当降水发生时，开释热量到大气中；当蒸腾发生时，带走植物体内的热量，同时也吸收大气的热量。它是地球表层系统其它物质运动与循环的传送带。任何物质的运动和循环，都离不开水的运动和循环。如泥沙的搬运、沉积，岩石的风化、分解，元素的迁移等，大都是在水的参与下完成的。
3.圈层相互作用的例证3.1圈层相互作用与自然灾难（两两关系）
（1）大气圈与水圈的相互作用——风暴潮。风暴潮是指由于强烈的大气扰动引起的海平面异常升高，使海水漫溢上陆的现象。风暴潮是风暴与潮水结合的产物，是大气圈与水圈相互作用的结果。当风暴经过沿海地区时，正值大潮***，风暴与潮水叠加导致异常***位时，就可能形成特大的风暴潮，造成严重的风暴潮灾难。风暴潮的影响大小或者风暴潮灾难的严重程度，除了与风暴强度、潮位状况有关外，还与沿海地区的地形条件有关。不管如何，风暴潮产生于大气圈与水圈的界面上，是大气圈与水圈相互作用的产物。
（2）大气圈与岩石圈的相互作用——沙尘暴。所谓沙尘暴，就是大风扬起的地面尘埃使空气浑浊，水平能见度小于1000m的恶劣天气现象。假如水平能见度小于10m，则称为黑风暴。首先，沙尘暴的形成需要地面干燥，并且地面上要有比较丰富的碎屑物质，即岩石圈表面要比较破碎或分布有较多的疏松沉积物。沙尘暴多形成于干旱、半干旱地区，中亚、北美、中非和澳大利亚是世界上四大沙尘暴区。在我国主要发生在西北干旱、半干旱地区。其次，沙尘暴的形成还必须具备特定的大气环流条件。只有当大气系统处于不稳定状态，尤其是当狂风或风暴来临的时候，才有可能形成沙尘暴。我国西北地区的沙尘暴多发生在春季，就是由于在春季大气系统处在调整时期，大气系统不稳定，并且经过一个较长的干燥时期，地面比较干燥的缘故。由此可见，沙尘暴是在特定的大气状态下，风暴作用于特定的岩石圈表面而形成的，是大气圈与岩石圈相互作用的产物。
（3）岩石圈与水圈的相互作用——滑坡，崩岸，泥石流，海啸。
滑坡是指斜坡上的土体或岩体沿一定的滑动面整体下滑的现象。滑坡形成的必要条件是：岩体存在一定产状的软弱面或破裂面，岩体具有一定的临空面。滑坡的诱发因素是：地震、火山爆发、水的浸泡和润滑作用、水动力或人为对坡脚稳定性的破坏。抛开人类活动的影响，自然状态下发生的滑坡，主要是岩石圈与水圈相互作用的结果。岩石（包括碎屑堆积物）的组成、性质、结构、构造，决定了岩体是否存在一定产状的软弱面或破裂面，岩石圈的变动（地震、火山爆发和地壳运动）不仅是滑坡发生的诱发因素，而且与水动力对沟谷的腐蚀作用一起，决定了岩体是否有临空面、岩体是否稳定。地面水或地下水对岩体的浸泡和对软弱面的润滑，是滑坡发生的诱发因素。可以说，岩石圈与水圈相互作用产生了滑坡。
崩岸是指河岸、湖岸、海岸的崩塌。崩岸的发生，一是与组成河岸、湖岸、海岸的岩石或碎屑物的性质、结构、构造有关，破碎的、结构疏松的岩石或碎屑物轻易发生崩岸；二是与水动力对河岸、湖岸、海岸的腐蚀有关，水动力对河岸、湖岸、海岸的腐蚀越强，越轻易发生崩岸。因此崩岸多发生在河流凹岸，湖流靠近的湖岸或迎波岸（波浪正面冲击的湖岸），潮流或潮沟逼近的海岸或波浪正面冲击的海岸。可见，崩岸也是岩石圈与水圈共同作用的产物。
泥石流是含有大量泥沙、石块等固体物质的洪流。它暴发忽然，历时短暂，来势凶猛，具有强大的破坏力。泥石流的发育必须具备三个条件：流域内具备丰富的、破碎的、易于搬运的固体物质；具备丰富的并且能够在一定时间内集中在一起的水；比降比较大的沟谷。要满足第一个条件，要求岩体破碎、易于风化，这是由岩石圈的结构与性质决定的。假如某一地区构造复杂、断层交错，岩石往往比较破碎。要满足第二个条件，要么在一定时间内有足够的降水，要么在一定时间内要足够的冰川融水、上游河水、地下水或其它来源的水的积累，这是由水圈的性质及其变化决定的。第三个条件是由岩石圈与水圈共同决定的。构造断裂、岩石性质与岩石圈的变动（构造活动）在一定程度上控制了沟谷的发育与沟谷的比降，水流对谷地的腐蚀也在一定程度上影响了谷地的性质。尽管重力作用过程也对谷地的发育与特征产生了一定的影响，但重力作用的强弱同样受岩性、构造及其构造活动的控制，也受水的影响。假如岩石破碎、构造活动强烈、并有水的参与，重力作用就会明显加强。泥石流的发生还与其它圈层的变化有一定的关系，如植被发育好坏（生物圈）、降水的性质（大气圈与水圈的相互作用）等。但是从以上分析可以看出，泥石流的发生，是一定的条件下岩石圈与水圈相互作用的结果。
某些突发事件引起的短时内海平面的大幅度升降，称为海啸。大部分海啸是由于海底地震引起的，地震波传到海底，由于海底的剧烈波动或震动，引起海水的剧烈波动，从而发生海啸。岩石圈的破裂造成地震，地震导致了海平面大幅度的升降波动——海啸。可以说，海啸是岩石圈的突变导致水圈的突变而形成的。海啸发生于并作用于岩石圈与水圈的界面四周——海底与海岸。海啸影响的大小，更是取决于两个圈层之间的相互作用。岩石圈的变动越剧猎冬产生的地震越强，引发的海啸尤溪人规模越大。海啸规模越大，对岩石圈的改造（对海底与沿海地区的腐蚀、堆积）也越强烈。
3.2圈层相互作用与地貌塑造（三三关系，四圈关系）
从圈层相互作用的角度来说，河流地貌、海岸地貌是水作用于岩石而产生的地貌，是水圈与岩石圈相互作用的结果；风沙地貌是干燥天气条件下风作用于岩石圈表面而产生的地貌，是大气圈与岩石圈相互作用的产物；冰川地貌、冰缘地貌是特定天气条件下，固态和液态水对岩石表面进行作用而形成的地貌，是大气圈、水圈、岩石圈相互作用的结果。
黄土地貌是水、重力等作用于特殊的岩石——黄土而形成的地貌，而黄土一般都是干燥天气条件下风作用于岩石表面而形成的，因此黄土地貌也可以以为是大气圈、水圈、岩石圈相互作用的产物。
喀斯特地貌是在一定的大气、天气和生物条件下，水对岩石溶蚀、淀积、腐蚀、沉积的结果，在一定程度上反映了水、大气、生物、岩石的相互作用，是水圈、大气圈、岩石圈、生物圈相互作用的产物。喀斯特作用的发生必须具备四个基本条件：岩石的可溶性；岩石的透水性；水的溶蚀力；水的活动性。岩石的可溶性、透水性是由岩石圈的结构与变动（构造运动）决定的；水的活动性取决于天气条件、地形坡度以及岩石的空隙类型与连通性；水的溶蚀力不仅取决于水的性质，而且还受大气CO2含量、生物产生的有机酸多少的影响与控制。喀斯特作用、喀斯特地貌的空间分布，同样受岩石圈结构、水的分布以及天气与生物的空间分异的影响。因此，喀斯特作用是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈相互作用的一个很好的例证。
3.3圈层相互作用与中国三大自然区的形成（四圈关系）
中国的自然区划，有相对比较一致的意见是将中国划分出三个大区：东部季风区、西北干旱区和青躲高原区（高冷区）。这三个大区在成因上是有联系的。由于青躲高原的隆升，导致和加强了东亚季风，形成了水热同季的中国东部季风区，青躲地区变成海拔高度大、天气严冷的环境，中国西北地区盛行下沉气流，天气干燥，并且由于高原的阻挡作用，来自印度洋的水汽难以到达西北内陆地区，从而形成了西北干旱区。总之，由于青躲高原的隆升，改变了区域大气环流的格式，影响到水汽的走向，从而影响植被的分布，形成我国的三大自然区，是岩石圈→大气圈→水圈→生物圈的过程。
3.4圈层相互作用与土壤形成（四圈关系）
土壤发生在岩石圈、大气圈、水圈、生物圈的界面上，是岩石圈、大气圈、水圈、生物圈相互作用的产物。土壤的发育，离不开生物与岩石的相互作用，也离不开大气与水的参与。实际上，土壤是在一定的水气条件下生物与岩石相互作用，经过一系列物理、化学和生物化学过程形成的。美国土壤学家Jenny，考虑到其它因素的影响以及不同土壤形成过程中的主导因素不同，提出了一个函数关系式：S=f（Cl，O，R，P，T，......）
式中，S为土壤，Cl为天气，O为生物，R为地形，P为母质，T为时间，省略号为尚未确定的其它因素。从上述函数式可以看出，土壤是多要素共同作用的结果。尽管在不同的地区可能起主导作用的因素不同，但回结起来土壤是岩石圈、大气圈、水圈、生物圈相互作用的产物。
同时，土壤也不断的与其他圈层进行着相互作用。土壤为动植物提供营养物质和水分，我们吃的食品，使用的纸张，建筑，衣物都依靠于土壤（土壤→生物圈）。土壤能过滤和净化水体，能改变水体的化学性质并影响雨后地下水的补充量和空气的水汽量（土壤→水圈）。土壤能存储和传输热能，影响大气的温度，并控制土壤中动植物的活动（土壤→大气圈→生物圈）。
小结：通过以上分析，地球表层的四大圈层并没有明显界限，它们是相互渗透，相互影响的，地球表面上任何事件的发生都可能是两个或多个圈层相互作用的结果。例如，天气干燥，轻易引起森林火灾（即大气圈→生物圈），森林火灾能破坏植被，植被减少使得土壤腐蚀加剧（生物圈→岩石圈），而水土流失的加剧，使得河水流沙量增多（岩石圈→水圈），河流中泥沙含量的增多，则会影响到河流中的动植物（水圈→生物圈）。可见，一个事件或现象，只要是跟地理圈层有关，就有可能是多个圈层间相互作用相互影响的结果。因此，分析事件发生背后的多方面原因和可能造成的一系列的链式反应，把圈层的相互作用考虑进来，把地球表层四大圈层当一个完整的系统来研究，该是面对地表题目时一个应有的熟悉。
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