秦嶺構造帶對陜西氣候和生態(tài)環(huán)境的控制作用

摘要：通過分析地質(zhì)構造的生態(tài)學涵義，指出構造運動既是地球大循環(huán)的動力起源，也是生態(tài)環(huán)境生物小循環(huán)的物質(zhì)基礎與空間載體，揭示了地質(zhì)構造影響生態(tài)環(huán)境的一般規(guī)律，進而得出地質(zhì)構造是區(qū)域生態(tài)環(huán)境形成機制的決定性因素。基于波浪鑲嵌構造學說所揭示的構造運動規(guī)律，探討秦嶺構造帶對陜西氣候和生態(tài)環(huán)境的控制作用。結果表明：秦嶺在構造上的特殊位置導致了秦嶺地區(qū)構造運動顯著而復雜，從而形成中國大陸中東部氣候的南北分界線，形成陜西特殊的天氣系統(tǒng)、氣候綜合效應，進而在秦嶺形成區(qū)成為聯(lián)系廣泛、成分極為復雜的生物多樣性中心；構造運動規(guī)律與生態(tài)環(huán)境區(qū)域差異性之間存在一定耦合規(guī)律，波浪鑲嵌構造學說揭示的構造運動規(guī)律成為揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境分異規(guī)律和生態(tài)環(huán)境問題形成機制的有效途徑。

關鍵詞：秦嶺構造帶；生態(tài)環(huán)境；氣候；波浪鑲嵌構造；耦合關系；陜西

中圖分類號：X141；P542文獻標志碼：A

0引言

陜西省南部的秦嶺山地在地質(zhì)構造上位于華北與華南兩大聯(lián)合鑲嵌地塊之間的構造活動帶，其南北兩側在古地理、古氣候、古生物、沉積地層、巖漿活動、成礦類型等諸多方面有著顯著的差異。有關秦嶺山地區(qū)域構造和生態(tài)環(huán)境分異地位上的研究持續(xù)不斷[14]。關于秦嶺山地生態(tài)因子演替與分異以及生態(tài)類型綜合評價的研究也取得了初步成果[58]，秦巴山地生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣性與新構造運動造成的復雜地貌形態(tài)之間的關系逐漸清晰。但新構造運動與土壤的關系及新構造抬升與黃土區(qū)域侵蝕強度的關系還存在一定爭議，不同尺度和強度的構造運動對區(qū)域生態(tài)環(huán)境主要因子和整體性影響規(guī)律的研究相對缺乏。本文分析了波浪鑲嵌構造中有特殊地位的秦嶺構造結對陜西氣候和生態(tài)環(huán)境的影響機制，來探尋構造與生態(tài)環(huán)境耦合關系的規(guī)律性認識。

1地質(zhì)構造與生態(tài)環(huán)境耦合關系

1.1地質(zhì)構造的生態(tài)學涵義

地球內(nèi)部的熱能、重力能以及地球旋轉能等都會引起地殼運動，這種運動必然引起地質(zhì)構造的變動。按照耗散結構理論，構造運動代表著生態(tài)環(huán)境的另一大能量來源——地球內(nèi)能。地球內(nèi)能給生態(tài)環(huán)境輸入負熵，與太陽能一起維持著地球表面生態(tài)環(huán)境有序結構。構造運動把自身的動能和熱能轉化為生態(tài)環(huán)境中生態(tài)因子空間和時間上結構分異和物質(zhì)循環(huán)的勢能，使地球表面的太陽能進行了再分配， 從而起到進一步調(diào)整系統(tǒng)物質(zhì)流和能量流的流通方式以及輸入、輸出與儲存比例的作用。因此，構造運動既是地球大循環(huán)的動力起源，也是生態(tài)環(huán)境生物小循環(huán)的物質(zhì)基礎與空間載體。

1.2構造影響生態(tài)環(huán)境的一般規(guī)律

由于地球構造演化及全球性構造活動決定了海陸分布格局，而海陸分布則影響地球表面水分循環(huán)與熱量傳輸方向和強度，所以地質(zhì)構造在很大程度上決定了區(qū)域熱量和水分的分布格局，決定了區(qū)域氣候的大陸性與海洋性程度。同時，區(qū)域性構造運動也基本決定了區(qū)域地貌格局、地表組成、成土過程、降水強度、太陽輻射和溫度梯度、地表植被類型、土壤侵蝕方式等。因此，地質(zhì)構造是區(qū)域生態(tài)環(huán)境形成機制的決定性因素（圖1），地質(zhì)構造與生態(tài)環(huán)境的關系也應作為陜西生態(tài)環(huán)境研究的重點。

圖1構造對生態(tài)環(huán)境影響的一般規(guī)律

Fig.1Rules of Geotectonics Effect on Ecoenvironment

2秦嶺構造帶對陜西氣候和生態(tài)環(huán)境的影響

陜西現(xiàn)代顯著的大陸性季風氣候特征以及秦嶺以北所呈現(xiàn)出的干旱化趨勢主要是由不同尺度的構造運動所決定的。按照波浪鑲嵌構造學說[3]，中國地質(zhì)構造特征主要表現(xiàn)為NE向環(huán)太平洋構造活動帶各分帶同NW向特提斯構造活動帶各分帶的交織，其結果編織成斜方網(wǎng)格狀的中國構造網(wǎng)[9]。構造網(wǎng)上任何部位均兼具環(huán)太平洋和特提斯構造的雙重特性。構造帶與構造帶的交織形成構造網(wǎng)結，稱為構造結，是構造活動的強烈部位，秦嶺恰恰位于中國構造網(wǎng)的腹心地帶；地塊帶與地塊帶的交織形成構造網(wǎng)眼，稱為地塊，是構造活動緩和部位；構造帶與地塊帶的交織則顯示出構造帶的單一優(yōu)勢構造方向，形成構造網(wǎng)線，稱為構造段，其構造活動性介于地塊和構造結之間。陜西位于中國構造網(wǎng)的中部，為環(huán)太平洋構造活動帶的3條分帶，自東南向西北分別為渤?！ǖ岬貕K帶、燕遼—太行—龍門山構造帶、松嫩—陜甘寧地塊帶；特提斯構造活動帶的3條分帶自西南向東北分別為柴達木—四川地塊帶、祁連—秦嶺—大別構造帶、準噶爾—河淮地塊帶的交織部位，在陜西中部形成秦嶺構造結。

秦嶺從太古宙起便因處于華南與華北地殼做天平式擺動的支點帶上而具有很強的構造活動性；此后，它交替受到環(huán)太平洋和特提斯兩個系統(tǒng)地殼波浪的多次沖擊，疊加了多次構造運動的印記，喜馬拉雅運動以來主要是張、壓作用相間而造成的半地壘—半地塹式地塊波浪。從晚第三紀以來，秦嶺再次以特提斯構造波系為主導，與喜馬拉雅造山運動相一致或稍晚一些的構造運動一起使秦嶺地帶進一步遭受擠壓而抬升。第四紀早期，秦嶺并未達到現(xiàn)今的高度，也不是氣候上的分界線，甚至關中地區(qū)在氣溫稍高的暖濕期還可能發(fā)育了具有亞熱帶特點的闊葉林[1011]；到了晚更新世時，秦嶺已經(jīng)基本上升到現(xiàn)今的高度，其以北的氣候漸趨干涼，從而成了中國中東部地區(qū)亞熱帶和溫帶的分界線。

2.1秦嶺構造帶對氣候的影響

秦嶺構造帶對氣候的影響主要是對低層氣流的動力作用和機械阻滯作用。氣流穿越山脈，在迎風坡沿坡爬升，水汽冷卻而凝結，云量及降水較多；在背風坡氣流下沉，降水較少。秦嶺在冬季有效阻隔了中國北方盛行的極地大陸氣團冷空氣，對氣候的影響主要表現(xiàn)在溫度差異上。在極地大陸氣團控制下，陜西秦嶺冬季南北氣溫相差3 ℃～4 ℃[12]，特別是當強冷空氣過境時，這種阻滯效應更為明顯，南北溫差可超過10 ℃。夏季中國盛行熱帶海洋氣團，由于大陸上基本都為熱低壓，南北氣溫相差不大，所以秦嶺的屏障作用主要表現(xiàn)在降水的差別上。

同時，秦嶺的構造隆升不僅使各種氣象要素在同一海拔高度上的水平分布南北差異大，而且垂直變化也有差異。秦嶺以北的極端最低氣溫遠比秦嶺以南低，說明秦嶺以北氣候大陸性遠比秦嶺以南強，使得秦嶺以北季風氣候大陸性增強，秦嶺以南季風氣候大陸性減弱。西安與漢中緯度只相差1°14′，漢中還在西安以西，但西安大陸度（氣候受大陸影響的程度）卻比漢中大10%[13]。另一方面，從秦嶺山麓到山頂，大陸度有所減少，從這個意義上說，凸出山峰具有氣溫年度差異較小的海洋性氣候特征。這就加強了中國北亞熱帶西部（具體表現(xiàn)在秦嶺南坡海拔800 m以南的陜西地區(qū)）的氣候特征，使其與同緯度中國大陸東部靠近海洋地區(qū)具有基本同樣的水熱指標，并且典型性和穩(wěn)定性比同緯度中國大陸東部地區(qū)還要強，陜西最南部的河谷和壩子甚至具有中亞熱帶生態(tài)環(huán)境的水熱組合特征[14]。

根據(jù)天氣動力學原理，氣流翻越山脈后將產(chǎn)生振動波，當具備一定濕度條件時，即可產(chǎn)生降水，并且山體越高大，產(chǎn)生的背風波動越強。陜西降水的水汽輸送主要靠低層偏南氣流，而3 000 m以上的秦嶺山脈則對此氣流有強烈動力擾動作用。在山脈平均高度以上的地方，山脈背風面出現(xiàn)降水峰值偏南；低于山脈平均高度的地方，山脈背風面出現(xiàn)降水峰值偏北。秦嶺北側夏季的大范圍大雨、暴雨是大尺度自南向北的暖濕斜升氣流、自北向南的干冷氣流與較小尺度的背風擾動共同作用的結果，在兩種不同尺度系統(tǒng)的共同作用下產(chǎn)生較強的上升運動，加大了陜西的降水效率，但這種波動效應同秦嶺南坡和延安南側為上升運動區(qū)，而與關中為下沉運動區(qū)的分布一一對應，即上升運動對應于降水峰值區(qū)，下沉運動對應于降水谷值區(qū)。關中地區(qū)位于秦嶺山脈的背風面，地勢較低，幾乎不產(chǎn)生氣流波動效應，因此，在7月雨季波動效應產(chǎn)生的降水量最少，但關中地區(qū)西部由于被三面山地圍陷，也可產(chǎn)生較強的背風波動作用。關中地區(qū)以北地勢逐漸增高，背風波動產(chǎn)生的降水量也逐步升高，在秦嶺北側約一個半緯距附近（延安南部地區(qū)）出現(xiàn)了一個降水次峰值區(qū)。

秦嶺是新構造運動強烈隆升形成的半地壘—半低塹山地，東南暖濕氣流被逐級抬升，從而使該地區(qū)成為陜西的多降水區(qū)。由于秦嶺北仰南傾的構造特征，氣流越過秦嶺主脊后處于強烈下沉區(qū)，降水急劇減少，所以秦嶺南部長江水系流域總面積雖只占全省總面積的354%，但有效受雨面積大，年徑流量占全省的734%。秦嶺以北黃河流域面積約占全省總面積的62.6%，但年徑流量僅占全省的266%。秦嶺對氣候的多種作用是導致陜北和關中大部分地區(qū)資源性缺水的根本原因。同時，由于陜甘寧地塊向東南傾斜和渭河斷陷盆地北仰南俯，并分裂成許多較小的斷塊，其中大多數(shù)斷塊也向南傾俯（例如驪山和沁水傾斜斷塊），所以造成秦嶺以北主干河流的支流普遍北長南短[3]，秦嶺以北大范圍水系向關中地區(qū)匯集在一定程度上彌補了關中地區(qū)的水資源量[1516]。

2.2秦嶺構造結X型構造格架的氣候綜合效應

地學界普遍將秦嶺—淮河一線作為中國氣候的重要分界線，是暖溫帶和北亞熱帶氣候的分界線。同時，由于中國降水主要受太平洋東南暖濕氣流的影響，專家們普遍認為降水、溫度等氣候指標主要表現(xiàn)為自東南向西北的梯級式下降，但局部矛盾顯而易見。研究發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象是秦嶺構造結兩個斜向的構造隆升帶交織疊加后形成的X型構造格局所制約的X型地形特征造成的。

干燥度是蒸發(fā)力和降水量的比值，通常以干燥度1.0、1.5、2.0、4.0作為濕潤、半濕潤、半干旱、干旱和干燥氣候的界限。黃土高原的干燥度除五臺山小于10，為濕潤氣候外，其余各地的干燥度都大于10[13]。2.0等值線大致從長城沿線一帶通過，此線以南屬半干旱、半濕潤氣候；山西高原絕大部分、陜北高原北部、甘肅六盤山以西屬于半干旱氣候；隴東、關中西部、陜北南部、晉中南山區(qū)是黃土高原濕潤狀況最好的地區(qū)，年干燥度小于1.5，屬半濕潤氣候。秦嶺北麓的干燥度除華山小于10外，基本上都大于10，秦嶺南坡的干燥度基本上都小于10（圖2）。

以往的研究都認為近EW向秦嶺是濕潤氣候與半濕潤氣候的分界線，但對于下列干燥度的分布卻無法解釋：離海位置相對更遠的漢中干燥度小于10，是濕潤氣候，而位置偏東的安康、白河、商州、山

圖件引自文獻[13]，有所修改

圖2秦嶺地區(qū)干燥度分布

Fig.2Distribution of Aridity in Qinling

陽等地區(qū)干燥度大于10，是半濕潤氣候；離海位置相對更遠的寶雞干燥度小于1.5，位置更西更偏北的隴東、陜北南部干燥度都小于1.5，是半濕潤氣候，而渭南、潼關、三門峽、澠池等地區(qū)干燥度接近或大于1.5，是半干旱氣候。而如果從秦嶺構造結的X型現(xiàn)代構造地形來看，這個問題可以迎刃而解。

圖件引自文獻[13]，有所修改

影響陜西及其周邊地區(qū)降水的東南暖濕氣流首先遭受秦嶺構造結東南翼東秦嶺—大別構造段的抬升，在其迎風坡河南魯山、欒川形成降水中心，接近1 000 mm；陜西東南部陜豫過渡的商洛等地區(qū)則由于山體相對西部較平緩且有低矮埡口，使得南北氣

流易于交流而難以形成鋒面，同時由于該地區(qū)是夏季副熱帶高壓控制下中國華北反氣旋下沉氣流補償區(qū)，所以形成秦嶺主脊以南相對高溫少雨區(qū)，年降水量不超過750 mm。暖濕氣流翻越高大的秦嶺山脈后，形成強烈氣流下沉區(qū)，因而在渭南、潼關一帶形成明顯焚風效應，高溫少雨。這股氣流隨同東來氣流受關中北山阻礙，首先向新構造抬升較弱的關中西部移動，在寶雞一帶受秦嶺構造結西北翼抬升的影響，其降水量遠高于關中東部，年降水量701 mm。秦嶺中西部的佛坪、寧陜、留壩、漢中等地區(qū)由于背依高大的秦嶺構造結中心強烈隆起區(qū)，形成陜西一個較強的降水中心，年降水量約900 mm。青藏高原東側兩支西風氣流附合，在低空形成準靜止鋒，多雨帶沿邛崍山—龍門山東麓經(jīng)北川、青川、廣元進入陜甘南部，暖濕氣流爬上秦嶺構造結西南翼，雨量增加。因此，略陽、留壩等秦嶺西部地區(qū)雨量較多，雖然在陜南偏西部位，但卻比秦嶺東部降水量大。陜西鳳縣及甘肅兩當?shù)鹊貐^(qū)由于處在秦嶺構造結西南翼局地地形背風坡，并且處在青藏高原四周垂直環(huán)流下沉補償區(qū)的少雨帶邊緣，所以降水量比其東面和南面相鄰山區(qū)少。陜北南部北山一帶是東南暖濕氣流諧振的又一抬升區(qū)，但由于多低山且沒有形成顯著緯向阻擋，所以除在黃土高原南部形成一個半濕潤區(qū)外，干燥度在總體上呈現(xiàn)由東南向西北增加的趨勢（圖3）。

2.3秦嶺構造帶對侵蝕地貌形成和侵蝕堆積規(guī)律的影響

由于秦嶺新構造運動的間歇式北仰南俯的掀斜上升，其南坡被一系列NE向和NWW向深斷裂分割成斜階狀的北仰南俯半地壘—半地塹山地，形成大小不等的半地塹盆地，于第四紀中期堆積了老黃土，為現(xiàn)代侵蝕提供了適宜的物質(zhì)來源。秦嶺山脈主要橫向河流通常切割縱向延伸的中、新生代紅色盆地，這些盆地的兩側常存在一系列峽谷。作為嘉陵江源頭的東河以及嘉陵江的一些支流穿過甘肅徽縣紅色盆地，并切穿盆地兩側的一系列峽谷；丹江流經(jīng)洛南紅色盆地，然后穿過一系列峽谷，最終流過商南紅色盆地；漢江兩次流過安康紅色盆地，形成了一個巨大的弓形曲線，漢江支流任河和金錢河與丹江支流（如老君河、武關河和清油河）都切過新生代紅色盆地或侏羅系含煤盆地。在晚第三紀，進一步的構造運動使得塊狀斷裂活動發(fā)生強化，秦嶺地區(qū)這一古老準平原的北側上升得越來越高，向南傾斜得越來越厲害，傾斜運動速度大于渭河支流的下切速度；古老的秦嶺準平原河流幾乎都向南流，這些支流在地塊傾斜或斷裂作用時期的進一步侵蝕形成許多巨大的橫向河谷，并具有許多作為先成河流的深切曲流。漢江的主要支流還在以前形成和新近形成的盆地中填滿了晚第三紀沉積，并在形成的泛濫平原上迂回流動，而且于上升隆起時期流經(jīng)這些盆地，形成了許多切入紅色地層的深切曲流。秦嶺山地尤其是秦嶺構造結第三紀末期至第四紀以來為強烈隆升區(qū)，上升速率為每年0.7～10 mm，形成了中國大陸東部最宏偉的山脈。秦嶺強烈隆升，深切曲流在穿過那些紅色盆地時產(chǎn)生強大的侵蝕動力，由此形成了陜南幾個重點水土流失區(qū)。陜西商洛地區(qū)強度、極強度和劇烈侵蝕區(qū)面積占總面積的63.5%，陜西略陽水文站監(jiān)測到的多年平均侵蝕模數(shù)高達每年7 740 t·km-2，已超過渭北黃土高原大部分地區(qū)和陜北部分地區(qū)。

2.4秦嶺構造結成為區(qū)域生物多樣性中心

秦嶺在晚第三紀以來強烈的構造活動性體現(xiàn)最明顯的地區(qū)是秦嶺構造結地區(qū)。強烈隆升的山體使其成為中國南北重要的自然分界線以及暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)與北亞熱帶濕潤氣候區(qū)的分界線，同時，秦嶺構造結是落葉闊葉林植被帶與常綠闊葉、落葉闊葉混交林植被帶的分界線，是古北界動物區(qū)系與東洋界動物區(qū)系的分界線；另一方面，強烈隆升的山體使西北風不便南去，東南暖潤氣流被阻滯，亞熱帶季風氣候特征在陜西得以北延，使秦嶺構造結成為中國種子植物泛熱帶分布屬和熱帶分布屬的北界。由于秦嶺北仰南俯以及形成的盆嶺相間的構造格局在山脊峰頂便于青藏高原、蒙古和新疆以至于中亞的內(nèi)陸成分的納入，秦嶺內(nèi)部山谷低地可以保存若干古老南遷植物成分，秦嶺北部由于山地而加大了大陸性，旱生及中旱生內(nèi)陸植物成分有可能就地繁衍。此外，由于秦嶺是中國大陸中心部位的構造結，生態(tài)環(huán)境整體性沿波密帶（構造活動帶）走向延伸，表現(xiàn)為水熱因子和物種的生態(tài)幅沿構造帶長距離基本保持一致，所以物種和基因也多沿波密帶走向進行遠距離交流。秦嶺處于中國構造網(wǎng)的腹心地帶，使其與中國西南、東南、華北、西北動植物區(qū)系分布產(chǎn)生了廣泛的發(fā)生學聯(lián)系（表1）。這是秦嶺生態(tài)系統(tǒng)復雜、生態(tài)類型多樣的根本原因。

Tab.1Composition of Fauna and Flora of Taibai Mountain in Qinling Tectonic Knot

種子植物區(qū)系名世界分布屬泛熱帶分布屬

熱帶美洲和熱帶亞洲間斷分布屬東半球熱帶分布屬熱帶亞洲至大洋州分布屬熱帶亞洲至熱帶非洲分布屬熱帶亞洲分布屬北溫帶分布屬

植物屬數(shù)67707991210185

種子植物區(qū)系名中亞分布屬東亞—北美間斷分布屬東半球溫帶分布屬溫帶亞洲分布屬地中海、西亞分布屬東亞分布屬中國分布屬

植物屬數(shù)552752097522

注：數(shù)據(jù)根據(jù)文獻[11]整理；古北界、東洋界、廣布種等獸類分布種數(shù)量分別為23、22和10種；古北界、東洋界、廣布種等鳥類分布種數(shù)量分別為67、63和40種。

3結語

（1）地球構造演化及全球性構造活動決定了海陸分布格局，而海陸分布則影響地球表面水分循環(huán)與熱量傳輸?shù)姆较蚝蛷姸?，因此，地質(zhì)構造在很大程度上決定了區(qū)域熱量和水分的分布格局，決定了區(qū)域氣候的大陸性與海洋性程度。同時，區(qū)域性構造運動也基本決定了區(qū)域地貌格局、地表組成、成土過程、降水強度、太陽輻射和溫度梯度、地表植被類型、土壤侵蝕方式等。地質(zhì)構造是區(qū)域生態(tài)環(huán)境形成的控制性因素。

（2）構造運動規(guī)律與生態(tài)環(huán)境區(qū)域差異性之間存在一定耦合規(guī)律。波浪鑲嵌構造學說揭示的構造運動規(guī)律成為揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境分異規(guī)律和生態(tài)環(huán)境問題形成機制的有效途徑。

（3）陜西位于波浪鑲嵌構造中國構造網(wǎng)的中部，在中部形成秦嶺構造結。秦嶺在構造上的特殊位置導致了秦嶺地區(qū)構造運動顯著而復雜，從而形成中國大陸中東部氣候的南北分界線，形成陜西特殊的天氣系統(tǒng)及氣候綜合效應，進而在秦嶺形成區(qū)成為聯(lián)系廣泛、成分極為復雜的生物多樣性中心。

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