云南高原干旱河谷的地形—气候耦合作用机制与环境效应分析

何永彬，浦同省

(1.云南大学 资源环境与地球科学学院 云南省地理研究所，云南 昆明 650223；2.国家林业局 南方航空护林总站 丽江站，云南 丽江 674100)

0 前言

地域自然环境的形成是其地理位置、地质构造、气候、生物及人为活动的综合影响的结果。地形对于生态、气候与环境的形成和规律具有直接影响作用，表现了地表过程对生态环境变化的重要影响意义[1]。已有研究文献报道了有关构造与气候因素对自然环境的影响、构造动力学背景及其环境影响等方面的成果[2-5]，地质历史时期的造山运动与地貌演变对地表环境和地域气候形成产生直接作用，并对其它因素的形成起到了基础作用。最直接表现是第四纪的地形热力效应与坡度坡向的影响引起部分区域的气候变化，并导致现代生态环境变化和生物系统演变[6]。特别是，一些区域在地形环境逐渐封闭的条件下，出现了气温升高和降水减少，以及森林下限明显受水分制约的环境变异特征，明显区别于湿润与半湿润景观的地方干旱景观[7-9]。这一类地域包括阿尔卑斯山脉、喜玛拉雅山中段、安第斯山脉中部东坡和中国西南横断山中段地区。最为典型的是在新生代隆起形成的中国西南高原与横断山区，在东起岷江上游的理县，西至雅鲁藏布江谷地的朗县的范围内，出现了具有热带、亚热带热量资源条件，又具有显著的季风型干旱、半干旱特征的一类地带[7]。

山地干旱河谷经历了长期复杂的地壳运动、地质构造变化和地貌演变，由于高原隆升、水系发育和地形受切割、岭谷高差变化大、山地地形多样化等复杂地质地貌因素的影响，具有不同的地理位置和自然环境背景，分布范围与空间幅度[10]。既是光热资源重要分布区和特色生物产业发展地带，也是生态环境脆弱、灾害频发、自然环境恶化的地带。有关云南山地干旱河谷环境形成、植物区系、生态环境变迁，植物资源保护与开发等历来受到关注，已经开展了多项综合考察和长期定点观测研究。有关形成机制已概括为山地气候变化和植被生态系统退化，以及人为干扰说等学术观点。但以往的研究重点关注山地气候环境演变及其环境效应等方面[7，11-16]。随着生态环境建设和特色开发的推进，加快生物资源开发、需要开展有关山地与河谷地貌形成过程及其对环境演变影响的基础研究，为合理利用自然资源及减少灾害、推动环境进一步恢复改善等提供依据。

笔者收集有关地理区位、地貌格局、降雨、气温等区域内外环境资料，采用条带样带和横向对照的方法分析空间变异结构，雨热变化的空间结构与变化趋势与地形环境相关性，根据区域地质构造运动变化、河谷地貌形成过程与河谷生态环境演化等方面的证据事实，重点阐述在地形与气流交互影响下的干旱河谷生态系统的演变过程及其资源环境效应。

1 研究区域概况

云南高原干旱河谷散布在由云南波状高原和横断山区的局部深切河段谷地，具有水分稀少、长期高温环境与热量聚集、水分蒸发耗散等自然特征，

在人为活动的加速作用影响下，形成了以脆弱易损的地表结构、特异耐受性和易退化自然植被结构等为特征的特殊生态系统。分布的地域主要是平均海拔>4 000 m的滇西北山谷、平均海拔3 000～3 400 m的滇西山谷与平均海拔2 000～2 500 m的滇东高原。主要分布在怒江、元江、澜沧江海拔800～1 000 m以下不连续河谷，以及金沙江石鼓-永善的海拔1 200～1 400 m以下河谷，还有南盘江开远段海拔1 000 m以下河谷[16]。

2 云南高原环境演变背景

中生代时期的地壳不断上升形成了云南山原的雏形。三叠纪中晚时期的印支运动使大部分地区不均匀上升，云南出现由海变陆的重大转折。相续在印支运动和燕山运动影响下，云南继续上升成为山地及内陆湖盆。经第三纪中新世后抬升为构造相对缓和、地势北高南低的高原，原准平原上河流随地壳抬升下切成上宽下狭的形态。新生代后期在青藏高原板块、康滇地轴、扬子准地块的挤压下出现掀升，块体旋转抬升和隆升，并伴随产生一批西北—东南方向的断裂构造线，使南北纵列的横断山形成。在第四纪时高原继续隆升、河流深切、湖泊收缩、高原解体后形成了独特的山原。总体特征是新生代隆起的年轻高原、高山、深大断裂发育的河流、断陷盆地、残存夷平面。

表1 云南高原环境的概略演变过程

Tab.1 General outline of environment evolution process in Yunnan plateau

云南区域经第三纪中新世后抬升为构造相对缓和、地势北高南低的高原，原准平原上河流随地壳抬升下切成上宽下狭的形态。在第四纪时云南高原继续隆升、河流深切、湖泊收缩、高原解体，形成了独特的山原。在新生代后期，对喜马拉雅运动继承和发展的新构造运动在中、上新世开始使滇西与滇东高原掀斜抬升形成高原，高原化过程中断裂的再次活动产生断裂差异抬升后阶梯状断块山地改变了水系格局，在云南高原发育了数量众多的山间盆地与一系列断陷谷地，并沿大断裂发育了断裂深陷河谷。特别地，滇西“歹”型构造体系、滇中南北向构造体系、滇北川西的东西向构造体系等对盆谷发育的显著控制作用，形成大流量、流速高、冲刷力强的河流。原来古夷平面上的河流分散流向周边的低一级地形阶梯地带，水系向南、向东汇流格局形成[22]。金沙江、元江、南盘江、北盘江的河流剧烈下切，广泛发育河谷、峡谷等。至第四纪末，以印支板块为主对喜马拉雅运动继承和发展的新构造运动，使得云南南部地形沉降，滇西高原快速大幅度隆起，横断山区的河流切蚀不断加深，流经高原边缘的河流快速强烈切割侵蚀，形成高山峡谷[5，14]。南北纵列的横断山的山顶>4 000 m，江面深切在1 200 m以下。从河谷切割深度看，西北部怒江切割深度最大，达2 600 m以上，澜沧江切割深度达2 450 m，金沙江切割深度为2 300 m以上[23-28]。

相应地，自始新世——渐新世的喜马拉雅运动开始，云南高原区域气候由干旱炎热向湿热特征的热带转变。随着青藏高原的地形显著上升，对高空西风环流系统的影响增强，东亚季风系统形成。自新生代以来区域剧烈隆升为山原，并且成为西南季风、东南季风与青藏高原季风交汇影响的“季风三角”区域。具体地，冬半年高空受南支西风气流控制，近地层为来自阿拉伯半岛——伊朗高原的北方大陆干暖气团控制，形成晴朗少云、降水甚少、日照丰富、冬暖显著的气候条件；夏半年受热带海洋气团控制，水汽来源有南亚季风和东亚季风，多云雨天气[16]。原本按照自然水平地带分布属于副热带高压控制的干旱炎热区域气候转向季风型热带亚热带为基带的山地垂直气候，局部出现干旱炎热气候[5，6]。

3 地形—气候环境系统演变与耦合作用机制

3.1 干旱河谷地形—气候环境系统演变

3.1.1 河流深切对河谷环境的影响 随着在上新世末或第四纪初开始的掀斜抬升与断陷沉降的基础上的切割侵蚀作用不断加强，河谷的垂深性发展直接增加了山原自然景观垂直结构的分带复杂性[17]。更新世时期随着青藏高原抬升，加剧了自然地带的垂直结构分异。根据滇西北纵谷轮廓是在地质年代相对较近的早第三纪时开始出现[22-24，27]，怒江潞江坝阶地沉积物的形成年代是上新世[25]，金沙江改变流向的地质年代约是在渐新世[26]，以及红河剪切断裂的阶地台数只为二至三级[28]等证据情况，说明河谷环境变化是在河谷形态不断向垂深方向发展后才逐渐发生的。一方面，在水平基带以上，随高度增加形成气温梯度、最大降水高度以下降水逐步增加，而最大降水高度以上气温与降水同步梯度减少的自然环境分异结构，山地的“增雨效应”显著，降雨集中于雨季并且多暴雨[28，29]。另一方面，在水平基带以下，随着高山深谷地形“屏障效应”与封闭地形环境影响，出现窄幅的“反向垂直自然地带”格局[30]，在河谷地带形成了相对少雨干旱的隐域性特殊自然地带。干旱河谷多年平均年降水量的变化趋势是由东部、南部向中部、北部递减。云南干旱河谷沿河流流向的降雨变化趋势见(表2)。

3.1.2 山地-河谷地形对暖湿气流输送的影响

由于临近太平洋北部湾与印度洋孟加拉湾的地理位置条件，夏季影响云南高原的大气环流有东南季风与西南季风等。在降雨集中的夏半年，隆起的山系起到阻挡西南水汽输送和促进形成多次地形抬升的降雨，暖湿气流在延伸至云南山原腹地的远距离输送过程中，引起水汽流的能量，水汽数量，水汽流规模和深厚程度的逐步衰减，在云南高原地区的形成了一个相对干旱地带[28]。其中，在河谷地区地形封闭、高山与河谷走向与汽流运移方向相交的地带，尤其是大尺度高山地形的“阻隔效应”造成暖湿气流向温暖干燥的热下降风的转变，在部份河谷与封闭盆地地区出现“焚风效应”，降水相对迎风坡面明显减少，河谷内形成水分蒸发旺盛、温度持续偏高、降水稀少的特殊环境地带[6，7]。另外由于北向南逐渐倾斜的、呈西北——东南走向列排列的云南高原地势的影响，在河流中下游地带出现循着东南——西北向、西南——东北向开口的河谷逆河而上，向高原腹地输送暖湿水汽的“通道效应”，形成“舌状”湿润河谷植被景观和纬度性自然地带向北伸展的现象[7，30]。特别是在云南高原南部的低纬度、且开口向南的河谷作为暖湿气流通道，致使沟谷季节雨林向北沿河谷延伸的特殊现象[17]。但是也同样存在暖湿水汽循河谷向高原腹地输送的过程中受地形阻隔作用，出现明显的降雨剧减的情况。云南干旱河谷中不同坡向的降雨变化趋势见表2。

表2 云南高原干旱河谷的降雨变化趋势

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3.1.3 山地中的深切割低凹地带的局地封闭环流形成的热量积聚效应

由于云南高原位于北热带与亚热带的过渡地带，夏季低纬度条件下的大气和地表接受的太阳辐照时间长，接受和吸收的太阳辐射值高，加上在深切谷地和断陷盆地的地形相对封闭，到达地表的太阳辐射热量的散射逸失数量极少，造成局部地域的热量相对聚集。在冬季则受西风系统的南支西风急流控制，加上青藏高原东南缘高大山系阻挡了北方冷空气的侵袭影响。另一方面，在冬春季节，由于山地上部冷湿气流受重力作用沿山坡向下移动或者是河谷局地“狭管效应”导致的环流变向等原因，在河谷出现大风致使河谷的干旱程度增加。多方面因素的作用形成了在局域低洼盆谷的热量条件相对偏高的干暖环境。整体上自南向北在云南高原随着纬度增加和河谷积温的减少，在低纬度、低海拔的河流中游河谷出现较轻干旱程度、高热值的轻度干热河谷分布区；在中低纬度的东西走向的金沙江河谷，也出现了干热河谷，而稍高纬度的青藏高原东南缘的川西高原内陆河谷则出现干暖性旱谷。

云南高原干旱河谷与低洼盆谷地带出现暖热季节和局域高温干燥环境。多年日平均气温18～20℃，暖冬显著，冬季日均温≥10℃，≥10℃积温一般为6 000～6 500℃，达到中亚热带热量条件。而元江元谋等地达8 000℃以上，达到南亚热带至北热带条件[18]；蒸发剧烈，全年平均气候干燥度为1.5～15.9[19，20]。云南干旱河谷水热特征见表3[18，19]。

表3 云南干旱河谷的水热环境特征

3.2 干旱河谷演变的地形—气候耦合作用机制

在区位、海陆关系、地形环境、大气环流系统等区域环境条件的制约下，地形影响气候表现为高大山地对运行气流的屏障阻拦效应，江面至分水岭的垂直高度变化引起的气流变异效应。在部分河谷与低凹盆地出现了干旱和降水稀少、气温持续偏高、水分蒸发旺盛、水热组合失衡、生态系统结构变异与季节动态变化显著、坡地退化等为特征的特殊“干旱河谷”[7，14，18]。同时，有关研究说明，在近几百年来，谷地为人类活动密集地带及迁徙商旅的主要通道，其环境受到的干扰较为剧烈，造成原始环境受破坏后难以恢复并且逆向退化成特殊生境[11]。尤其值得注意的是20世纪中晚期以后，人为活动致使森林线上缩了几百米的幅度，灌草地分布先上升了相对更大的幅度。图1是云南高原干旱河谷的地形—气候耦合作用机制分析。

(1)以气温升高和降水减少为主导因素的地表环境退化过程驱动致使季风常绿阔叶林、沟谷地带的季节雨林逐渐演变为稀树灌丛草坡。水热条件的限制使地域自然生态环境中的植被群落外貌为常绿肉质多刺灌丛和稀树灌丛草坡，主要土壤植被类型是燥红土-干热稀疏灌丛草坡，褐红壤-干热稀疏灌丛草坡等。植被形态在干热生境中出现变异，植被呈矮化、多刺、小叶、肉质多汁等旱生化特征，并且有生长缓慢、生产量低、生长期与雨季相关等特点[14，15]。发育的特有土壤类型燥红壤、褐红壤条带循河谷地分布，明显的与气流循谷地深入山原腹地过程中的水分衰减变化有关。

(2)另外，植被覆盖度低造成了雨季地表径流快速流失、地表植被的水分涵养功能不显著，坡地土壤水分的季节与年际动态变化显著。同时土壤层多砾石结构和旱季土壤表层“土壤裂缝”发展等原因都造成土壤水分储存能力下降[19]。在季节降雨集中的条件下，盆谷和坡地地形条件促进了坡面径流过程，直接导致了地表土壤表层“砂砾化”趋势和土壤水分容量降低。

(3)退化环境胁迫促进了生态系统退化和土地生产力下降。60%以上的稀树灌木草坡因缺水造成土地得不到有效开发利用。干旱河谷的水分亏缺造成了雨养农业特征：耕地生产力是光温生产潜力的60～70%，复种指数平均只有1.0～1.1。旱地以耕作一季中季农作物为主，冬旱季节因缺水而大部分水田实行休闲[21]。

图1 云南高原干旱河谷的地形—气候耦合作用机制

4 结论

在云南山原，地质历史时期的造山运动与地貌演变是气候环境变化和地方气候形成的重要因素，对于区域或局地的水热状况和气候特征等具有直接作用。干旱河谷地带的出现与山地地势、高度和盆谷切割深度有密切关系。

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