(1)地理系统是一个开放系统
地理科学研究地理系统的模型有孤立系统、封闭系统、开放系统三类。相比之下开放的地理系统具有“活”性,更具有普遍意义。开放性是地理系统的首要特性,耗散结构理论引入“地理熵”(geography entropy)剖析地理系统的这一特性。假定地理系统各要素间有n种组合,第i种组合的概率为Pi,则地理熵S定义为:
(2)地理系统是一个非平衡系统
在地理系统中,耗散结构的所谓地理时空有序,就是地理时空对称的破缺,所谓地理组织和结构性的产生,实质上是地理对称性减少。完全的地理系统就意味着没有任何地理秩序,没有任何地理结构和信息,这正是孤立的地理系统处在平衡态的特点。开放的地理系统则越出地理平衡区到达非平衡态的区域,向有序、复杂、高级的进化正是地理对称性的破缺(包括地理时空、结构和功能对称性的破缺),系统不断地通过引入外界的负熵流,抵消系统本身的熵产生,维持对称性破缺后形成的动态有序结构的相对稳定性;不断地进行“新陈代谢”、“加强营养”,而不至于因返回地理平衡态而瞬息窒死。
按耗散结构理论,地理系统远离平衡态是由于系统内部存在的各种“地理梯度”产生“地理梯度力”(简称地理力),导致了“地理流”的出现。地理流
由于熵是一个广延量,对单个的局部熵求和即可得到整个地理系统的总熵产生。运用这种化整为零和集零为整的方法,注意到平衡与非平衡态、非平衡线性区与非线性区矛盾的转化,即可保证地理系统在非平衡态达到有序结构。
总之,地理系统内地理力的存在,就意味着“非平衡”,地理系统维持着这种促使其有序的非平衡,并在不断打破内部各自“平衡”的基础上创造新的非平衡。从系统进化的定义看,平衡就是地理系统中每一个要素在系统内部的地位、作用、性质和功能上都没有多少差异,耗散结构使地理系统内部的各个要素“高度分工协作”,要素间的对称性不复存在,要素对系统的责任更明显,各要素间的关系更密切,各要素功能于系统的整体功能大大强化。
(3)地理系统是要素间有非线性相互作用的系统
地理系统是由各个组成要素或各个组成部分相互作用,并具有一定结构,能完成一定功能的整体。地理系统是一个等级系列,其要素就是指气候、地貌、水文、土壤、植被、动物以及人类活动等单项的“条条”要素。这些“条条”要素本身就可以成为地理系统的子系统。
地理系统是一个具有整体性和倏忽性等重要特性的复杂系统,因此在地理系统中,作为输出能量物质的“营养源”的自然地理系统和作为输入营养的“营养汇”的人文地理系统之间相互促进又相互制约,彼此间存在着极复杂的非线性相互作用(反馈、自催化、自组织、自我复制等),同时自然、人文地理系统内部的各要素间的非线性联系更为密切。这种非线性相互作用使无数个地理要素的微观行为得到“协同”和“合作”,产生出宏观的“序”,其结果形成了错综复杂的层次结构系统,如农业与气象气候、矿产资源与采掘工业、人口与生产和生活资料等,各个自然要素、人文要素、非线性子关系、子层次的有机集合组成了地理系统的结构和功能。其结构和功能的性质取决于人文地理系统开发利用方向与自然地理系统所提供的物质、能量的潜在利用方向之间的非线性协同关系,若二者不存在重大偏离,则协同效应显著,协同系数大时,地理系统视为耗散结构,否则为非耗散结构。良性的耗散结构具有极强的协同力(自调节能力和抗干扰能力),系统功能的发挥利用耗散结构的进一步良化,其结果降低了系统的熵值,巩固和革新了地理系统的耗散结构。恶性的非耗散结构则使系统的不稳定性增大,熵值升高,结构遏制功能的良好发挥,功能的反作用进一步恶化结构,其结果只能加速地理系统耗散结构的消亡。
地理系统内自然和人文地理要素的协同和合作具有异常巨大的良化能力。如果系统内某一地理要素发生扰动(这一扰动可由人类有目的地诱发,也可由人类盲目开发或其他原因引起),引起关联因子的扰动,而要素群体的共同扰动产生比线性叠加远为巨大的协同效应,从而使地理系统产生各子系统前所未有的有序结构和“特异”功能。地理要素的扰动改变了地理系统差异的内容,变更了地理系统演变的轨迹,良化了系统的结构与功能。但扰动在产生协同效应的同时,同样会产生消极效应破坏有序结构,恶化系统功能。由此可见,人类在对地理要素有目的的诱发产生扰动的同时,尽可能地控制扰动幅度和方向,方可更有效地发挥要素间非线性相互作用产生的协同效应对地理系统结构与功能的异常巨大的良化能力。
(4)地理系统是一个动态涨落系统
地理系统的时间组织性决定了地理系统是一个演变的动态系统,其演变的重要机制是偶然性的随机涨落,它的产生与放大取决于系统熵的二阶超量的贡献,即系统的超熵产生:
与此同时,由于地理系统具有等级性和包容性的特点,一个有限大小的基本地理系统的环境要素总处在不停地随机变动之中,从而形成对基本地理系统宏观状态的各种随机扰动,即地理系统的“外部涨落”或“外部噪声”。地理系统的内涨落与外涨落互相叠加、同步和共振,造成系统涨落特性的复杂性,构成了其本身形成耗散结构的触发机制和破旧立新达到有序结构的先行官,进而加剧了地理系统演化规律的复杂性。
1)众多涨落的并存,决定了地理系统进化是个由环境选择的过程。对于在具体时空条件下的地理系统进化来说,地理系统耗散结构的形成,并非由旧状态中的任何一个涨落放大而来。实际上能成为一次具体进化内部根据的,只是众多涨落中某一个或很少的几个,其余的只能被淘汰。具体哪个涨落被放大或淘汰,归根到底由环境选择决定。环境在众多同时并存的涨落中选择某一个或少数几个与自身产生的“外涨落”步调一致的涨落,将其放大并稳定下来形成新的有序结构,即耗散结构,从而决定了地理系统进化的实际方向。
2)涨落形成过程的随机性,决定了地理系统进化方向的偶然性。由于地理系统内每一个子系统或每一个要素的运动本质上都是随机的,不可能从原则上完全预言。在某一特定的时刻,系统在所有形成的数目惊人的涨落类型中,实际上恰好形成这种或那种特定类型的涨落只具有概率的确定性,这就决定了地理系统演化的方向不可能纯属必然,而是带有偶然性。正如普利高津指出的“系统进化的最终状态决定于微小涨落产生的几率,在这种意义上,演变变成为一个随机的过程了”。
3)几个涨落的合作与竞争,导致了地理系统进化过程的复杂性。对于地理系统的进化来说,能够被放大的涨落往往不是一个,而是一个以上。在这种情况下,系统进化最终出现哪一种特定的有序结构,由这几个涨落间的合作和竞争结果决定。在合作与竞争过程中,随着某一参量达到新的临界值,合作的基础不复存在,竞争机制不断加强,具有旺盛生命力和远大发展前途的涨落在竞争中获胜,单独主宰整个系统的有序结构。这无疑加大了地理系统进化的复杂性。