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授课题目第二章系统科学与自然地理系统第一节系统科学概述授课类型理论课首次授课时间2009年09月12日学时2教学目标通过本节课,使学生：了解系统的定义、组成部分；掌握系统和基本性质；了解系统科学的基本内容。重点与难点1系统的基本概念；2系统科学的基本内容。教学手段与方法多媒体教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）第二章系统科学与自然地理系统第一节系统科学概述系统科学可以说是20世纪最重要的科学成就之一。自40年代起，从系统论的诞生到信息论、控制论、耗散结构论、突变论、协同论，再到系统工程的出现，直至系统科学体系的初步形成，历时近半个世纪，如今在自然科学与社会科学各个领域已得到广泛应用。为应用系统科学的理论与方法、充实并改进地理科学，应对它有一个基本的了解。一、系统的定义（10分钟）“系统(system)”一词在当今社会被广泛使用着，如生态系统、呼吸系统、消化系统、教育系统、金融系统、公安系统等等。那么，究竟什么是系统？什么是系统科学？它的提出有什么科学意义？我们为什么要学习系统科学？这些都是我们首先要明确的科学问题。关于“系统”的定义有几个主要的表述。系统论建立之初，其创始人美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲（L.vonBertallanffy）认为，“系统是相互作用亦即相互联系的诸要素的复合体”。后来，他对该定义又作了补充，认为“系统是处于相互联系中并与环境发生关系的各级组成要素的总体。”我国著名物理学家和系统工程学家钱学森在其《论系统工程》（1982）一书中，将“系统”一词定义为：“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体”。从以上两个定义中可以看出对系统的表述上有一定区别：前者表达了“系统与环境发生联系”；后者则表明系统应“具有特定功能”。因此有的学者认为将这两种对系统的表述综合起来更为全面。即系统是由处于相互联系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）构成的具有特定结构和功能的有机整体。可见“系统”的定义体现系统的整体性、组成的多元性、系统内外的关联性，以及系统的结构与功能性质。二、关于系统的几个基本概念（20分钟）刚才我们对系统下了定义，为了正确理解系统的概念，必须对要素、环境、相互联系、结构与功能这5个方面有一个比较全面的了解。1．要素要素是构成系统的基本单元，是对系统组成部分、组分、成分或个体的抽象概括。如生态系统是由各种植物、动物、微生物、无机环境（土壤、水分及近地面大气）等要素组成。太阳系是由太阳、八大行星和众多小行星构成。一个系统的要素数目至少两个以上，仅仅一个要素构不成系统。在很多情况下，系统本身也是次一级的生态系统。如生态系统中的植物本身又是由根、茎、叶等器官（子系统）构成；太阳系统中的地球又由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、人类圈、地壳、地幔和地核等圈层（子系统）构成。由此可见，系统的范围是相对的，它与系统的规模和复杂程度有关。所以钱学森在规定了系统的内涵之后，又指出：“而这个系统本身又是它从属的一个更大系统的组成部分。2．环境任何系统都是有限的研究对象，也就是说，任何系统都有明确的边界限制。我们把任一系统边界外部的所有其它事物称为该系统的环境。如我们地理学研究对象为地理系统，地理系统的环境是什么？地理系统的边界为对流层顶至沉积岩石圈底部，那么地理系统的环境包括对流层以上的大气圈层、广阔的宇宙空间、以及地壳下部的岩石圈、地幔和地核。若考察地理系统某个子系统（气候、水文等），那么该子系统以外的其它地理要素（子系统）就成了它的环境。3．相互联系相互联系是指系统各要素之间以及系统与环境之间通过某种方式相互影响、相互制约、相互依存的性质。相互联系的实质是指点系统各要素之间以及系统与环境之间发生的广泛的物质、能量和信息交换。这里所说的“物质”是指物理学上的宏观、中观和微观实体材料，包括各种固体、液体和气体物质。“能量”是度量物质运动能力强弱的概念。如热能、势能和动能等，它是以物质为载体。“信息”是一个抽象概念，是主体（人和其它事物）所感知的事物运动状态和存在方式的形式、含义和效用的知识或情报。例如，动物通过感官感知到它周围某个地方有动物发出的声音或气味，可判断该动物是不是自己的天敌，如果是自己的天敌，它是采取某种方式予以躲避。信息是以物质和能量为载体，但与物质和能量又有本质的区别。由于系统要素之间存在着相互联系，所以某一要素之间发生变化势必引起其它要素的改变，从而使系统表现为一个有机整体。在自然界和人类社会中，几乎全部系统都与环境发生联系，因此，系统的存在状态和演变行为不仅与系统本身的性质有关，而且与它的环境性质也密切相关。4．结构系统的结构是指系统内部各要素相对稳定的组织形式（秩序）或分布关系的总称。如我国的国家行政管理系统是由中央、省、。。。村通过政令统一的方针政策维持在一起的组织结构形式。某个工厂是由厂长、经理、业务主管部门、生产班组按照特定的生产任务维持在一起的。可以看出，系统结构的形成在于各要素之间的相互联系、相互作用，其实质是各要素间物质、能量和信息的流通和转换。根据系统要素的组织或分布方式，可将系统的结构分为三种基本形式。第一，空间结构。所谓空间结构是指系统各要素在空间上的排列组合或分布形式。这种结构形式随处可见，如地球的圈层结构、植物群落结构、土壤层次结构等等。这些都是系统空间结构的典型例子。第二，时间结构。所谓时间结构是指系统各要素随时间的进程所表现出来的有规律变化或分布形式。例如地理环境的四季周期变化、生物钟现象都属于时间结构。第三，时空结构。时间结构是系统的时间结构和空间结构的统一。任何系统既不能脱离空间而存在，也不能脱离时间而左存在，空间结构总随着睦间发生改变，只是变化的快慢和明显程度不同而已，因此，系统的时空结构更具有普遍性。例如，树木的年轮在空间上表现为一个年轮，在时间上则表现为一年。这里还要特别指出的是，虽然系统结构以要素为基础，俣是要素是查对活动易变的，而系统的结构具有相对稳定性。例如，对于一个人来说，由于生理的新陈代谢作用，过一段时间之后，他的躯体大部分或全部组成物质被更新了，但是他的结构没有变，人们并不会因他的构成物质被更换而不认得他。5．功能功能是系统内部要素之间活动关系的总称。这里所说的要素活动是指要素的各种运动、变化和作用；要素的活动关系是指某一要素的活动对其它要素活动的影响，或某一要素对其它要素的作用。系统的功能表现形式多种多样，但最终都体现在系统把接受的环境作用（输入）转换为系统对环境的作用（输出）的能力，即系统对输入的响应能力。例如生态系统中的植物利用环境中的太阳辐射、二氧化碳、水和其它养分，通过光合作用形成有机化合物，表现为植物性生产力，这就是生态系统的基本功能。三、系统的基本性质（30分钟）系统在自然界与人类社会中无处不在，而且种类复杂多样。但是系统论的研究表明，系统虽然有各自不同的特殊性，但尚有其共同性质，其基本的共性有如下方面：（一）整体性系统的整体性是指系统内部各要素间相互联系、相互制约，共同构成一个有机整体，系统中某一要素的变化会引起其它要素变化，乃至整个系统发生变化的性质，所谓“牵一发而动全身”便是对系统整体性的形象表述。例如，位于我国干旱与半干旱区的黄土高原区，由特有的气候、水文、土壤、生物和地貌共同构成的一个复杂的自然地理系统。如果当地的植被遭到大规模破坏以后，生物的截流和蓄水能力下降，地表径流增加，由于黄土高原黄土抗蚀能力差，遇水极容易发生侵蚀，径流增加就会引起大规模土壤侵蚀，地力下降，生物衰退，进而使大气湿度减小，气候干旱加剧，出现整个自然地理系统的逆向演化。系统的整体性具有如下含义：首先，系统中的每一个要素都具有一定的作用，都是系统不可缺少的组成部分，如果某一要素缺失，则该系统的功能即受到影响，原有系统的性质将会发生变化。这就像一部机器一样，每一个部件都是不可缺少的，在系统中有特殊的作用。例如自然地理系统中的土壤是结合无机界和有机界的中心环节，离开它就不能形成植物界，没有植物界也就没有动物界，没有动物界和植物界也就没有生物圈，滑有生物圈也就有自然地理系统。当然，这并不是说系统中所有的要素都是同等重要的，往往可以分为主要因素和次要因素，主要因素对系统的作用大于次要因素。其次，系统各要素之间的相互联系是系统整体性形成的唯一原因。系统各要素之间通过能量、物质和信息流联系在一起，形成复杂的统一整体。如果系统中某一个流通环节出现故障，系统内各流通环节将受到影响，整个系统亦将发生某种变化，在自然界与生活中这种实例是常见不鲜的。（二）稳定性系统的稳定性也叫自稳性，是指系统的性质是在一定的内外干扰下不发生相应改变或发生改变后可以自动恢复原来状态的性能。外干扰是指来自系统之外的环境因素的干扰，内干扰则指发生于系统内部某些要素的随机干扰。内、外干扰在某种程度上都可能使系统的状态和属性在其平均值（状况）附近发生波动变化，这种波动又称之为“涨落”。可见系统的稳定性就是系统抵抗其所受内外干扰或涨落影响的性能。系统之所以具有稳定性是由于系统内部存在一系列负反馈机制或自我调节机制。所谓的反馈是指系统的输出反过来能够控制系统输入的现象或过程。反馈又分为正反馈和负反馈。负反馈是指反馈的信息与输入的信息方向相反或符号相反，系统按原来方向发展的趋势被抑制，出现与原来方向相反的发展趋势的反馈；正反馈是指反馈的信息与输入的信息方向相同或符号相同，系统按原来方向进一步发展的反馈。可见，正反馈可以使系统偏离正常状态，表现出不稳定性；负反馈可以抑制系统偏离正常状态，保持系统的稳定性（系统科学及其在地理学上的应用p27）。系统的稳定性或稳定程度的大小主要与系统的组成和结构的复杂程度有关。系统的组成和结构越复杂，物质、能量和信息流通的途径越多，自然抗干扰的方式或途径也越多，不致使系统轻易受到破坏，故其稳定性能也越大。反之则系统的稳定性脆弱。任何系统的稳定性都是相对的、有条件的，它的自我调节能力均有一定限度，当系统的内、外干扰超过该限度后，系统的整体功能会发生重大变化。变化后的系统有两个截然不同的演变方向：或进化，或发生退化，然后再趋向新的相对稳定。由此我们可以看出，要使系统向高级方向发展，必须对系统实施正确的干扰，并且干扰能力应大于系统的自然调节能力。（三）层次性系统的层次性是系统结构特点的表现。任何系统其内部要素的相互联系会形成一定的组织结构形式。系统的结构状况决定着系统的性质、类型与功能。系统内部的结构通常是有一定组织层次或级别的。系统内部的层次又称为“系统的组织水平”，它反映一个系统的复杂程度。例如：一个大系统可由若干次级的亚系统组成，每个亚系统又可由若干子系统组成，子系统又可依次再划分下去，直至其最基础组织单元或元素为止。如图3（p18）所示，系统A中包含五个亚系统B1、B2…B5，而亚系统B1中又包括更次一级的子系统C1、C2、C3、C4。在系统A内，B1～B5之间的箭头符号表示亚系统之间的联系状况，联接的整体状况反映系统A的组织结构形式等。（四）开放性系统的开放性是指系统与其周围环境的联系性质而言。也就是我们所说的系统与其环境发生物质、能量和信息交换的性能。其表现是系统从其周围环境输入物质、能量与信息，以及经由系统向其外环境输出物质、能量与信息。系统的开放性是一切系统存在与演化的前提，也是系统的一个普遍特性。（五）动态性系统状态随时间不断变化的性质称为系统的动态性。按辩证唯物主义的观点，客观事物是运动的，绝对静止的事物是不存在的。动态性是系统的本质属性。系统在完成与环境间进行物质、能量与信息的交换过程时，自身也在随时间不断发展变化着。系统动态性有多种表现形式：1．周期性与非周期性变化关系：周期性变化表明系统在一定时间段内的变化有规律的重复。在地理系统中，周期性变化是非常明显的。如气温、潮涨潮落的日变化，月相、大小潮是以月为周期的变化，气候、候鸟迁移、季风转换都是年变化，太阳黑子导致的地理现象和过程以11周年为周期的等等。非周期变化是因系统受某偶然的、随机性干扰而发生的无固定周期的变化。例如地震、火山喷发，