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1、第四章 自然地理系统的时间结构,重点：自然地理系统的时间演化规律难点：自然地理的时间动态特征,第一节 自然地理系统的发展演化,第二节 自然地理系统的时间演化规律,自然地理系统结构,物质、能量结构,时间结构,空间结构,地理学在其长期发展过程中，一直非常重视对地理空间属性的研究。在地理学发展史上一个很长的时间段内，地理空间研究是地理学中唯一的、压倒一切的研究对象。我们所学的区域地理主要研究地理环境的空间结构。到了现代地理学阶段，许多地理学家才感到：现在应该是加强地理事物时间属性研究的时候了。空间研究：静态、结构、空间分布的特点 定性的、描述的、归纳的特点时间研究：动态、功能、时间序列的特点 定量的
2、、精确的、演绎的特点,任何一个事物同时具有时间、空间的特性，时间结构也就是地理事物发展演化的时间序列结构，用于揭示地理事物的动态特征，深刻理解地理事物随时间演化的规律。,什么是时间结构？,第一节 自然地理系统的发展演化,一、古代自然地理环境的演变,二、新生代自然地理系统的变化,原始状态 元古代 古生代 中生代,海陆变迁 气候变化 生物演进,一、古代自然地理环境的演变,地球内部热量大量积聚，使地球物质熔融，火山喷发十分频繁，喷溢出大量的岩浆、气体和水蒸汽，形成了原始的岩石圈、水圈和大气圈。原始的岩石圈主要是由玄武岩类的岩石所组成（如太平洋底的硅镁层），没有沉积岩。原始的大气圈主要成分是H2O、C
3、O2、CO、CH4和NH3等，缺乏O2，尤其是动、植物呼吸所必须的游离氧更为缺乏。原始海洋面积可能比现代海洋大，但相当浅，且为酸性矿化水，缺乏现在海水中所含的各种盐类物质。,古代自然地理环境的演变,人们把40亿年以前的地球发展史称为地球的天文时期，40亿年以来称为地球的地质时期。,在距今4019亿年期间,大陆地壳逐渐扩大、增厚，地能对自然地理系统的作用减弱，太阳辐射能逐渐成为自然地理系统的主要能源。火山活动相对减弱，大气中CO2浓度降低，游离氧增加。从原核生物进化为真核生物，从单细胞进化到多细胞，从异养生物转化为自养生物，从厌氧生物进化为喜氧生物，地球表层进化史进入一个新阶段。由于光合作用，原
4、始大气的成分逐渐从还原型转变成氧化型，大气圈的上层形成了臭氧层，吸收对生物有杀伤力的短波紫外线，为生物在地球表层中的繁衍创造了有利条件，物种数量增多。植物经历第一次大发展，晚期出现了原始动物。造山运动多次发生，并使小陆块逐渐拼合为泛古陆。,距今625亿年的元古代,古代自然地理环境的演变,古生代早期，泛大陆分裂，形成冈瓦纳、北美、欧洲和亚洲四个大陆。气候随海陆范围的改变呈现规律性变化：当海侵范围扩大时，气候区相吻合，海洋性气候特征比较明显，气候的地域差异性很小；当陆地面积增大时，气候的干燥程度增强，大陆性气候特征较明显。到泥盆纪初期陆地面积扩展时，气候的地带性和非地带性差异已非常显著。,古生代（
5、距今2.36亿年）,古代自然地理环境的演变,加里东运动后，古欧洲和北美合并成一个大陆；海西运动后，欧美大陆和冈瓦纳大陆合并；晚二叠纪，亚欧大陆形成，至此新的泛大陆宣告形成，海退现象相伴而生；随着陆地面积的不断扩大，鱼类和两栖类动物达到全盛；植物界从水生发展到陆生；蕨类植物达到极盛；晚古生代晚期出现了裸子植物。,古代自然地理环境的演变,古生代（距今2.36亿年）,中生代自晚二叠纪起，泛大陆再次分裂，造山运动强烈。约从三叠纪中期开始到侏罗纪中期为止，广大地域的气候虽然不断变化，各地互有差异，但是主要以温暖潮湿的气候类型占优势。从侏罗纪末期开始到白垩纪中期为止，气候的地带性和非地带性分异逐渐增强，亦
6、即气候的地域差异性逐渐增大。,古代自然地理环境的演变,中生代（距今0.72.3亿年）,当时世界各大陆不仅有热带和温带的差别，而且还有沿海温润气候区和内陆干燥气候区的差异。这种气候的地域差异性，导致了当时生物界的大变革：裸子植物代替了蕨类植物，爬行动物一度繁盛之后又走向灭绝，鸟类、哺乳动物、被子植物欣欣向荣。,古代自然地理环境的演变,中生代（距今0.72.3亿年）,古代自然地理系统的变化，从宏观上看，主要包括：由于构造运动而引起的全球性的海陆变迁、陆地表面起伏程度的改变以及地面物质的大规模迁移。由于气候变化而引起的全球性的或大范围的冷、暖、干、湿变化，以及与其相应的大气环流和气候带的变化。通过这
7、些变化，生物界也在变化。虽然某些发展变化过程至今仍影响着现代自然地理系统的发展，但它们作为历史过程中的一些环节，与现代自然地理环境毕竟缺乏直接的联系。因此，新生代，特别是第四纪以来自然地理系统的发展或变迁过程作为我们讨论的重点。,古代自然地理环境的演变,古代自然地理系统的变化,二、新生代自然地理系统的变化,作为自然地理系统发展演变一个重要历史阶段的新生代时期，约从中生代的白垩纪后期开始，经过第三纪、延至第四纪，持续时间达7000多万年。新生代以来，世界自然地理系统进入到了一个新的发展时期。现代自然地理系统就是通过新生代，特别是第四纪以来的变化逐步形成的。,新生代自然地理系统的变化,1.海陆变迁
8、在新生代期间，强烈的地壳运动造成了各大洲的高大山系，海陆轮廓显著改观。经过第三纪喜马拉雅构造运动，亚洲大陆南侧的古地中海消失，非洲大陆与欧洲进一步靠拢，现代大地貌单元基本形成。,新生代自然地理系统的变化,1.海陆变迁全世界大陆的平均海拔高度由新生代初期的300m，增加到现在的800m左右。全球海陆分布轮廓已经和现代相似，只是海水所占面积比现在稍大，而陆地面积比现在稍小。第四纪期间虽然已形成现代全球构造和地理面貌，但新构造运动却在时时刻刻改变和塑造着新的面貌。,新生代自然地理系统的变化,1.海陆变迁 构造运动所引起的地貌分异，往往导致许多自然地理要素发生变化，以致影响整个自然地理系统的面貌。在大
9、陆上，构造运动所决定的地形起伏与山系排列，强烈地影响到气候要素的梯度变化，自然地理的纬度地带性也由于地形的影响而受到干扰，巨大的山系或高原的“雨影区”出现了大面积的干旱荒漠；与巨大的山系相伴产生的盆地与平原，不断接受各种沉积物，并且形成比较发达的河湖水系；在大洋里，构造运动也造成了洋中脊、裂谷、洋底火山以及各种规模的海底盆地、海底火山等复杂地形，它们对于大洋环流、大洋水的物理化学性质、大洋生物都有很大的影响。大陆与大洋在地球上的空间配合，不仅决定了全球的气候特征，还决定了全球自然地理环境演替过程中出现的各种复杂的物质、能量交换关系。,新生代自然地理系统的变化,2.气候变化新生代气候的变化，在很
10、大程度上同地形的改变直接相关。阿尔卑斯构造运动前期，广大地区具有湿热的气候特征，热带的范围相当广阔。到第三纪末期为止，湿热气候带的范围逐渐缩小，干旱气候区的范围不断扩大，并形成单独的干旱气候带，而且在温带和两极地区的气候有变冷的趋势，气候的地域差异性相对增强，同现代气候类型的分布状况基本相似。后来由于气候的分异进一步加剧，中、高纬度地带的气候更加变冷，所以到了第四纪的更新世在温带和极地区先后出现了34次大陆冰期和间冰期。,新生代自然地理系统的变化,在第四纪期间，高纬度地区以及中、低纬度的高山，发生了多次冰川作用，因而冰期与间冰期交替出现也是第四纪的显著特征。据研究，每百万年发生的冰川作用即达2
11、0次左右，冰期与间冰期的温差约34或610不等。冰期时，高纬度地区的大陆冰盖扩大，中、低纬度山岳冰川下伸，古冰川的覆盖面积为现代冰川的3倍。在冰川作用最强大的时候，大陆冰川的总面积曾达4 300万km2，而间冰期温暖程度不次于甚至略高于现在，年均温比目前高23。,新生代自然地理系统的变化,第四纪的后期，即最近1万年以来的全新世时期，全球性的气候变暖，年均温上升810，陆地上的冰川大量消融，世界海平面大幅度上升，中低纬山地雪线抬升1 000m以上，自然地理纬度带向极地方向迁移，各个自然地理带的气候、水文、土壤、动植物都逐步接近于现今的面貌，现代自然地理系统经过全新世而告形成。全新世的气候转暖以及
12、由此而引起的自然地理系统的变化，具有显著的波动性。,新生代自然地理系统的变化,早全新世呈转暖趋向，但仍偏冷；中全新世为全新世最温暖的阶段，即所谓“气候适宜期”或高温期，但这个时期也有温度稍稍下降的时期，各地并非都是气候适宜；晚全新世是高温期之后的偏凉时期，即使在这个短短的二三千年间，气候的变化仍然比较明显。公元8世纪至13世纪的“小冰期”是晚全新世以来最冷的时期，山地冰川重新推进，气候灾害频繁。如我国南方的柑桔树、地中海沿岸的橄榄树等，在这一时期都受到了较大的冻害。19世纪至20世纪上半期，气候有了转暖，但是到20世纪50年代又偏冷。现有的研究结果还不足以证明现代究竟是处于间冰期，或是小冰期。
13、,新生代自然地理系统的变化,随着人类的出现，人类活动的逐步加强对全球气候的变化具有深刻和重要的影响。尤其是工业革命以后，由于人类大量地使用矿石燃料（煤炭、石油和天然气），CO2及其他温室气体如CH4、N2O浓度增加，加上其他人为活动过程，导致温室效应的加剧，从而被认为可能会引起全球的温度增高，并由此将产生一系列的环境问题。,新生代自然地理系统的变化,3.生物演进,新生代生物的进化中，植物界以被子植物的大发展为特征，动物界以哺乳动物空前繁盛为标志。第四纪以来，随着现代动物群的形成，新的动物种的出现，尤其是灵长目动物的迅速进化，古猿类的一支开始向人类的方向发展。随着人类的出现，自然地理系统的发展进
14、入了一个更加崭新的时期人类利用和改造自然环境的时期。,新生代自然地理系统的变化,新生代自然地理系统的变化,表3.3 自然地理系统的历史演进阶段简表,第二节 自然地理系统的时间演化规律,一、自然地理系统的节律性二、地理随机现象模拟三、地理突变现象,一、自然地理系统的节律性,在自然地理系统向前发展的过程中，存在着许多重复发生的现象和过程，如昼夜的更替、季节的更替、冰川的进退、海洋潮汐的涨落、候鸟的迁徙、鱼类的迴游，以及生物的生死、物种的盛衰等等。我们把自然地理现象和过程随时间的演化而表现出来的周期性的规律，称之为地理节律。把由自然地理过程的循环和振荡引起的随时间推移而有规律演替的现象，称之为节律性
15、，或周期性。,（一）自然地理系统的节律类型,分为三种类型：一是由天文因素所引起的节律；二是由地球本身因素所引起的节律；三是由生物特性所引起的节律。,自然地理系统的节律性,1.天文因素所引起的节律,（1）由太阳黑子活动引起的节律 11年轮回的周期 太阳黑子亦影响太阳常数的变化。太阳常数对于自然地理系统的能量输入是至关重要的，它随时间的变化，将严重地影响着地球表面的一切地理过程，因此它的变化对于自然节律的影响是不可忽视的。,自然地理系统的节律性,太阳常数在大约11年为周期的太阳黑子活动中，其变化范围约为0.5。太阳常数随时间的变化问题，一直为研究地理系统的节律研究时所关注。因为假若太阳常数真正发生
16、了某种变化，那么它对于地球表面上各类地理过程的影响将是巨大的和急速的。理论计算表明，太阳常数如果达到1的变化，地球表面温度的相应变化可达1.5左右，这个效应是不可低估的。,自然地理系统的节律性,（2）地球受其他天体影响引起的节律 地质历史时期由于地球受其他天体的影响致使轨道扁心率、地轴向轨道平面的倾角发生变化而引起自然地理系统的节律性。因为地球沿轨道运动的变化直接影响到太阳辐射能在地表的分配状况，从而引起气候的变化。,自然地理系统的节律性,（3）潮汐变化的节律 潮汐变化的节律，表现为地表的周期性潮汐现象，而最明显的是海洋表层水体周期性潮起潮落，以及海岸的节律性潮水进退现象。,自然地理系统的节律
17、性,2.地球本身因素所引起的节律,1.昼夜节律2.季节节律3.自然地理系统的时间节律还有一些特殊的现象，那就是随月为周期的节律变化，如潮汐的周日变化，海洋中很多生物觅食的时间安排就同潮汐的节律一致等。,自然地理系统的节律性,2.地球本身因素所引起的节律,（1）昼夜节律人类感觉最深刻的自然节律是昼夜的循环更替。地球绕地轴自转，使地表大部分地区在每天24小时中都经历一段光明和一段黑暗，以及相应的一段加热和一段冷却的时间。自然地理系统许多地理事物、地理现象和地理过程都随昼夜更替而重复出现。,自然地理系统的节律性,气候要素中的气温、气压、云量、风等都存在一定的日变化。地表水体的温度在白天升高，在夜间降
18、低。冰川补给的河流白天融冰量大，河流水位上涨；晚间融冰量小，河流水位下降。岩石的机械风化在白天为热胀，在夜间为冷缩。植物在白天主要进行以积累自身物质为主的光合作用，在晚上则进行以消耗自身物质为主的呼吸作用。,自然地理系统的节律性,植物含水量也有日变化，白天蒸腾作用强，植物充水度低；晚上蒸腾减弱，植物充水度最大。无论在海水或淡水水体中，每天都可以见到浮游生物在白天潜入水下，而晚上升向水面。昼行性动物“日出而作，日入而息”，夜行性动物则相反。,自然地理系统的节律性,（2）季节节律 昼夜节律是地球自转对自然地理系统产生的效应，季节节律则是地球公转所产生的效应。由于公转，地球产生了季节更替，许多自然地
19、理过程和现象随之而出现以季节（年）为周期的节律变化。例如：气候的夏热冬冷，夏雨冬雪，季风进退；冰川运动夏快冬慢；河流水情冬封春解或夏洪冬枯；岩石热季膨胀，冷季收缩；植物季相变化，春花秋实；动物季节移栖和冬眠（动）夏动（眠）等。,自然地理系统的节律性,3.生物特性所引起的节律,生物节律是法国天文学家梅朗于18世纪初发现的。现在生物学家证实，无论是植物还是动物，其功能的周期性变化是一切有机生命活动的基本规律的反映。生物节律指各级（分子的、细胞的、组织的、器官的、最终包括种群和生物圈的）生命过程中所发生的量变以及由此引起的质变。,自然地理系统的节律性,生物中的生命活动受生物特性作用所形成的节律制约。
20、这种节律是生物生命活动的内在节律，是自然地理系统发展到一定阶段的产物，它的出现表明自然地理系统产生了新的组成物质，是具有特殊性质的节律。这种节律又分为不同的层次。第一层次是对生物的总体来说，无论是植物、动物、微生物，都要经历胚胎、出生、成长和衰亡的过程，而它们的后代也都要重复相似的过程，这样的周而复始的过程，使得各种生物才代代相传。这种节律周期的长短，因生物种类的不同而相差很大，如草本植物与木本植物的周期相差较大。而动物之间以及动物与植物之间的周期的差别更大。,自然地理系统的节律性,第二层次是对生物群体来说。对植物群体来说，不同的植物的生长经历着不同的发育阶段，不同植物的生长要经历几个发育阶段
21、，而不同的阶段又都具有特定的节律性。总的来说，生物特性所引起的节律，实际上是生物感受外界环境条件变化的过程中不断调节自身的生理运动所表现出来的自动调节环境制约能力的一种功能。,自然地理系统的节律性,对生物群体来说，除受上述节律性制约外，它更具有独特的随时间变化的节律性。“生物钟”即是典型的例子。生物不仅需要同步自己的体内节律，还需要同步外部环境，绝大部分生物都自然地发展了各自的“体内时钟”，以预测随时间呈周期性变化的外部环境，这就是通常所说的生物钟。有许多花是固定开放的：1月腊梅 2月二月梅 3月迎春花 4月牡丹 5月芍药 6月紫丁香 7月百合 8月凤仙 9月桂花 10月芙蓉 11月菊花 12
22、月一品红,自然地理系统的节律性,人体内的生物钟不十分明显，但许多节律确实存在。最明显的例子是人需要睡眠，且睡眠觉醒是有一定节律的，其周期大约是24小时。其次，心脏跳动、体温变化等，也都有固定的节律。总之，生物特性所引起的节律，实际上是生物感受外界环境条件变化的过程中不断调节自身的生理运动所表现出来的自动调节环境因素制约能力的一种功能。,（二）自然地理系统节律的特点,层次性、耦合性、变异性,自然地理系统的特点,1.层次性 节律性的一个很大特点就是具有层次性，即大周期中包含数个小周期，小周期中又包含若干个小周期。自然地理系统节律之间存在一种有序的制约排列的等级制约关系，并表现出一定的规律性：高一级
23、的节律制约着低一级的节律，低一级的节律同时能反映出高一级的节律。从因素制约关系看，其有序性为：天文因素制约着地球因素和生物特性因素，地球因素制约着生物特性因素。,2.耦合性 在自然地理系统中，任何一种组分同时要受到多种层次节律的作用。这些节律在地理事物上得到巧妙的耦合，使得地理事物不断向前进化。不同主体的地理事物，所耦合的节律层次是不一样的，进化程度高的地理事物所耦合的节律数量多，进化程度低的地理事物所反映出来的节律作用层次就少。如生物受到的节律作用要比无机界的地理事物受到的节律作用层次多；生物中，动物要比植物所耦合的节律层次要高，动物还要受生物钟的作用等，而植物也是节律共同作用的结果，其生长
24、既要受到日变化的作用，又受年变化的影响，同时还要受更高层次太阳黑子活动（以11年为周期）的影响。,自然地理系统的特点,3.变异性 自然地理系统的节律不是一成不变的，它们也处在不断地发展变化中，这种变化主要体现为：一是因为制约节律变化的因素本身也在发生着一定程度的变化，如地球自转的微小变化，导致节律周期发生变化；二是各种地理节律之间的变化所产生的相互影响而引起的节律变异。,自然地理系统的特点,另一方面表现为低级节律的变化在其演进过程中所产生的反馈作用影响到高一级的节律。如大气的环流、雪的冻融、大陆的漂移、洋流的运动，甚至植物的季节性更替等地域上的大规模的物质迁移等，都可以对地球的转动施加某些影响
25、。一般说来，高一级节律性的影响总比低一级的节律性的影响的强度和范围大得多。这种变异一方面表现为高一级的节律若发生某种变化，势必要影响到低一级的节律，如太阳黑子活动本身的变化，不仅要影响到年变化，也要影响到日变化，还要影响到生物本身的生长节律，同时还会影响到自然地理系统的其他组成成分；,自然地理系统的节律性,4.地域性 地理节律在不同区域具有不同的性质和特点，因而具有一定的区域特点：在纬度不同的情况下，季节节律随纬度的增加而表现的越来越显著，昼夜节律的差异，则与季节节律的变化趋势相反。在纬度相同的情况下，一般内陆地区的节律幅和频率大于沿海及海洋区域，而且时相也不相同。两极地区的地理节律具有特殊的
26、表现形式，那里的昼夜节律和季节节律相重叠，二者相互制约又相互加强。赤道地区则不存在季节节律，昼夜节律却表现得十分突出。,自然地理系统的特点,（三）节律与振荡,地理节律提供了地理振荡存在的线索，而这种振荡往往是人们所忽略的重要性质。18世纪的科学家惠更斯（Huygens），似乎是第一个注意到这种性质的人。它通过实验发现了周期性趋势的存在，并认为这种趋势是非线性振荡的一个基本特性，于是揭示了这种特性在地理过程中的表现。节律是由振荡产生的，振荡通常可以区分为线性振荡和非线性振荡。,在自然地理系统中有相当多的地理过程表现为具有周期性的振荡行为。其中有的属于线性振荡，有的属于非线性振荡。最常见的例子如气
27、温的日变化和年变化过程、太阳辐射的日变化过程等。正因为有了节律性的基础，所谓的地理模拟、地理预测和地理决策才具备了坚实的理论基础。,二、地理随机现象模拟,在自然地理系统、地理过程和地理结构研究中，不少输入变量和状态变量等，随时间总是在作不确定或随机的变化，均可被看作以独立时间变量表示的随机现象。一般地，将这些地理事件或地理现象随时间的变化称为随机过程和现象。包括：地理随机事件的蒙特卡洛模拟 马尔科夫过程模拟,（一）地理随机事件的蒙特卡洛模拟,在地理学的时间过程分析中，蒙特卡洛方法（Monte-Carlo Method）作为优于其他时间序列方法的有效手段而经常应用于随机事件时间演化的求解上。蒙特
28、卡洛方法又称统计试验方法或随机模拟方法，是通过随机变量的统计试验分析及其随机模拟求解，获得近似结果的常用方法。如果应用蒙特卡洛方法进行定积分，则有：,（二）马尔科夫过程模拟,在某一时刻发生的事件，只在有限的时段内产生影响的随机过程，称为马尔科夫过程（Markov Process）。更明确的说，马尔科夫过程为：“在某时刻的事件，仅仅只受过去有限时间内某事件影响的随机过程”，其定义为：xt；tT为一随机过程，如果对于任意正整数n和t1t2tn-1tn，都有：P（xtnA）xt1x1，xt2x2，xtn-1x n-1）=P（xtnA）xtn-1x n-1）,绝大多数的马尔科夫过程都假定，这种随机事件
29、系列，不会在地理过程中发生突然变化，即在足够长的时间内，序列中所含的任一部分，都具有相同的转移概率特性。此种马尔科夫过程叫做遍历过程。目前使用马尔科夫过程刻划地理系列时，大都限于这种遍历过程。,曾有人应用吸收型的马尔科夫链研究城市的土地利用。随着城市的发展，它必然占据相当数量的农田，一旦农田被城市建设利用后，这部分土地几乎没有可能重新恢复到原始的农田状态，这就使此类问题变成了相当典型的吸收型过程。如果承认这种结论的正确性，对于马尔科夫过程而言，如欲达到其稳定态，那只有等到全部土地都变为城市用地时才可能实现。这当然不符合实际，因为城市不能无限制地占用农田，而且随着城市的不断发展，由农田变为城市的
30、概率亦不会保持常数而不发生变化，它的数值应该变得越来越小。,马尔科夫过程的时间序列分析，已为不少学者应用到地理学的实际研究当中，并且获得了满意的结果。在应用中，必须保持两个合理的基本假设，其一，传递矩阵在整个时间过程中保持不变，并以此进行预测；其二，在移向另一状态时，具有动态平衡的倾向。在此基础上，科尔曼（）研究了英格兰西北部农产品加工问题；帕威尔（）等则研究了威尔士的农业结构变迁，都取得了很大的成功。我们应从他们的分析中，得到启发和借鉴，以服务于更加深入的理论研究。,三、地理突变现象,对于地理过程的一般表现，可以概括为两种基本类型。一种为渐变型，一种为突变型。渐变型表明事件随时间的变化是缓慢
31、的、连续的和渐变的。达尔文的著名学说“进化论”，就是在承认自然渐变与连续性的前提下得到的。,事实上，在很早以前，人们就认识到了这种现象。法国科学家居维叶大约在200年以前，就在地学中首先使用灾变这一术语描述自然界中的突变现象，例如地层的断裂，古生物的灭绝，火山的爆发等。但他“没有缓慢作用的原因可以产生突然作用的结果”的论断，割断了量变与质变的联系，具有不全面性。直到1972年，法国数学家托姆在专著结构稳定性和形态发生学中，才突破“微小的、连续的、不断地施以触发力的作用，能否引起结果的突然变化”这一命题，精确地认识了它的机制，并被科学界命名为突变论（Catastrophe Theory）。,突变论的主要功绩在于：它把渐变型与突变型的产生原因有机地归纳到一个统一的基础之上，并且可以相当精确的方式表达该理论基础，从而使自然界中两类时间过程类型，从互相对立到互相包容，从互相争论到互相补充，使人们在更高一级的层次上认识了自然过程的本质。此外，突变理论也给自然界的突变现象提供了解决方法。,
