秦岭生态地质环境系统本底特征及研究体系初步构想

Background Characteristics of Ecological Geological Environment System in Qinling Mountains and Assumption of Its Theoretical System

摘要

生态文明建设已成为关系人民福祉和民族未来的重大战略任务.秦岭作为中国地理分界带、气候分区带和生态屏障带，也是黄河、长江的重要水源涵养地，其生态屏障功能对维系整个中国生态安全至关重要，在我国生态地质格局中占据重要地位.但目前，在气候变化和人类活动的影响下，秦岭面临着地质环境多变、生态环境脆弱、地质灾害频发、人地系统不协调等一系列问题，导致秦岭中央生态屏障功能严重受限.生态地质环境作为生态系统载体，是开展秦岭生态保护与可持续发展研究的基础.本文尝试梳理秦岭生态地质环境系统要素组成及本底特征，掌握秦岭生态地质环境系统要素互馈与协同演进关系，明确秦岭生态损害-土水灾害-地质灾害递进演化过程，进而构建秦岭生态地质环境系统研究体系；同时，初步梳理了该领域亟待攻克五大关键科学问题.研究表明：（1）秦岭生态地质环境本底特征要素包括山体、岩体、土体、水体与林体，“五体”整体表现为：山脉西高东低、北陡南缓；构造复杂，岩性多样；土壤西贫瘠，东肥沃；北属黄河水系，南属长江水系，水系西疏东密；植被覆盖率高，植被类型差异东西较南北更为显著.（2）秦岭人地互馈强烈、工程建设活动频繁，导致局地生态损害严重，水土灾害及地质灾害频发.（3）秦岭生态地质环境系统由地质环境子系统、生态环境子系统和灾害环境子系统所组成，三大子系统间相互耦合、相互作用，互馈关系显著.（4）秦岭地质环境-生态环境-灾害环境三大子系统内要素组成多元、要素互馈显著，围绕各子系统要素间的互馈、协同、递进关系研究，剖析人类活动及外界环境对系统干扰劣化影响，构成了秦岭生态地质环境系统研究体系主体内容.（5）秦岭生态地质环境应把握生态绿色发展理念，聚焦生态地质安全和灾害环境系统问题，围绕秦岭林体-土体-岩体-山体-水体协同演化与动态调控机制，通过跨学科、多角度、全方位融合突破相关科学问题.研究以期为秦岭生态地质环境圈层互馈效应、协同演化机制及生态调控技术发展研究提供借鉴.

关键词

秦岭 / 生态地质环境系统 / 本底特征 / 体系构想 / 关键科学问题 / 工程地质.

Key words

Qinling Mountain / ecogeological environment system / background characteristics / research system / key scientific issue / engineering geology

0 引言

建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计（黄守宏，2021）.党的十八大首次将生态文明建设纳入“五位一体”总体布局，提出建设“美丽中国”，并强调把生态文明建设放在突出地位（李国玺，2016）；党的十九大报告将“坚持人与自然和谐共生”纳入新时代中国特色社会主义的基本方略之一.习近平总书记在2022年世界经济论坛上指出：“中国坚持绿水青山就是金山银山的理念，推动山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，全力以赴推进生态文明建设、加强污染防治及改善人民生产生活环境”（杨志华等，2022）.2023年，习近平总书记在全国生态环境保护大会上强调：“建设美丽中国是全面建设社会主义现代化国家的重要目标”.近年，党和国家在推进长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展、乡村振兴等重大战略过程中，均将“生态文明”列为重要工作.因此，推进高水平生态文明建设，是美丽中国、健康中国、宜居中国的根本保障之一.

秦岭和合南北、泽被天下，是我国中央造山带、南北地理分界带、气候分区带和生态屏障带，承载着中华民族伟大复兴和永续发展的四大使命：中央水塔、中华绿芯、中华碳库及中华祖脉，在我国生态地质格局中占据重要地位（彭建兵等，2023）.具体体现在：（1）秦岭因多幕次的造山运动，形成了复合型中央造山带（Dong et al.， 2016），构成了一道巨大的中央生态安全屏障，长期保护着中南、西北生态安全，动态调节着长江流域生态变化，并深刻影响着黄河流域生态环境；（2）秦岭是我国南北方最重要的两大水系——长江、黄河水系的分水岭及水源涵养地，且深刻影响着我国南北方降水格局；秦岭水资源储量充沛，是“两江四水四库”及南水北调中线水源地；（3）秦岭是我国重要的中央物种基因库，是我国众多孑遗和珍稀动植物的理想栖息地，形成了南北植物种类交汇融合的奇特景观，素有“南北植物荟萃”“南北生物物种库”美誉.（4）秦岭山脉是我国森林碳汇的中央汇聚地和植物释氧的核心供给区，2015年秦岭区域森林碳汇总量约6.78 GtC，占全国总量的7.04%；氧气产生量10 630亿 t，占全国总量的8.66%.（5）一座秦岭山，半部中国史！秦岭文化底蕴深厚，被誉为“中华父亲山”，祖先诞生于此、民族形成于此、历史开端于此.整体而言，秦岭生态功能突出、生态资源丰富、生物多样集聚，具有调节气候、水源涵养、保持水土、固碳释氧、维护生物多样性等功能，是我国生态文明建设标志性区域与前沿阵地，在我国生态文明建设布局地位突出（李君轶等，2021；彭建兵等，2023）.

党中央、国务院始终高度重视秦岭生态保护工作，2020年4月，习近平总书记在秦岭考察时指出“保护好秦岭生态环境，对确保中华民族长盛不衰、实现‘两个一百年’奋斗目标、实现可持续发展具有十分重大而深远的意义”（宫宜希和张小青，2021）.但目前，秦岭生态保护及基础研究仍面临着诸多现实问题，如：（1）秦岭生态问题依旧突出，保护与修复手段亟待提升；经过近年秦岭生态保护专项工作的持续跟进，秦岭生态环境得到极大改善与提升，但现阶段仍存在地质环境脆弱、生态损害严重、水土灾害多发、地质灾害频繁、局地污染突出、人地互馈强烈等问题，导致生态屏障不坚、水塔功能不稳、治理体系不足、生态风险犹在等问题；（2）围绕秦岭生态基础研究薄弱，系统理论缺乏；秦岭生态特色鲜明，是我国山地生态保护基础性研究的重要基地.而现阶段围绕秦岭生态系统化、交叉性理论尚未成型，秦岭生态基础研究呈现“各自为战、各守其土”的特点，未形成突破学科壁垒的交叉融合型研究模式.

基于此，依托秦岭生态保护现实需求，厘清秦岭地质地貌过程与生态地质环境变化响应规律，掌握秦岭生态地质环境系统要素互馈与协同演进关系，明确秦岭生态损害-土水灾害-地质灾害递进演化过程，认知生态环境系统、地质环境系统与人类环境系统耦合作用机制，进而构建秦岭生态地质环境系统理论体系，成为“生态秦岭”研究工作的重要工作.前期学者围绕生态地质学与生态地质环境研究已取得一定进展，如：孙立广和杨仲康（2017）简要论述了生态地质学的研究方法及应用实例；聂洪峰等（2021）初步提出了生态地质学的研究内容、方法技术创新及学科体系构建思路，并展望了生态地质学研究方向和发展趋势.但现阶段围绕秦岭生态地质环境系统性研究及理论体系构建尚待加强.

据此，本文聚焦秦岭生态地质环境现状，基于笔者团队于2023年6月-7月开展的秦岭生态综合科考总结，梳理了秦岭生态地质环境要素构成及本底特征，并结合秦岭山地生态地质环境系统典型特点，构建秦岭生态地质环境系统研究体系，进而提出了秦岭生态地质环境领域亟待攻克的关键科学问题.

1 秦岭生态地质环境系统要素构成及本底特征

秦岭雄踞中国地理版图中央，广义秦岭西起甘肃省临潭县北部白石山，东到河南伏牛山，北为秦岭北麓坡脚线，南至汉江区域，东西约1 600 km、南北宽200~300 km（陈怡平，2019），面积约40万 km²；秦岭以嘉陵江上游西汉水为界，又可分为东秦岭、西秦岭.狭义秦岭指陕西境内秦岭段，东西延展为400~500 km，南北宽为100~150 km，海拔1 500~2 500 m，总面积约61 726.83 km²（Zhao et al.， 2022），如图1所示.

1.1　秦岭生态地质环境系统要素构成

秦岭因复杂且长期的地质地貌演化过程，造就了典型的山地生态地质环境系统，具有完备的生态地质环境系统构成要素.前期学者在该领域已开展了相关探索性工作，包括：基于耗散构造理论探索秦岭典型区域生态环境与地质构造的耦合关系（黄建军，2015）；秦岭深部地质作用-浅表构造地貌-气候环境变化-经济文化变迁之间的时空关系和内在作用机理（董云鹏等，2022）.笔者团队于2022年提出了山地生态地质环境系统的概念，尝试将山地生态地质环境系统认为是由林体、土体、岩体、山体、水体等有机组合构成的生态环境地质体（彭建兵和兰恒星，2022）.五体之间相互影响与协同演化，形成了生态地质环境系统要素的核心内生关系（彭建兵等，2023）.而掌握“五体”要素构成是认知秦岭生态地质环境系统的基础性工作之一（图2）.

秦岭峰峦雄伟耸立、水系河流密集、地层岩性复杂、土壤养分肥沃、生物资源丰富，林体、土体、岩体、山体、水体等有机组合.同时，生态地质环境要素关系复杂，互馈作用明显，受强烈的人地互馈作用影响，存在地质环境脆弱、生态损害严重、水土灾害多发、地质灾害频繁等问题.因此，认知秦岭生态地质环境系统要素构成，核心在于厘清秦岭林-土-岩-水-山体时空分布和异质性特征，明确五体协同演化过程的互馈内生关系，进而掌握因扰动发生改变而引起的连锁性生态与地质失衡反应.

1.2　秦岭生态地质环境系统要素本底特征

本节根据秦岭生态综合科考资料总结，分别围绕秦岭山体、岩体、土体、林体、水体等要素，并按照广义及狭义秦岭逐一剖析，以期初步掌握秦岭生态地质环境系统本底特征.

1.2.1　山体本底特征

秦岭造山带是经历长期、多次不同造山作用而形成的复合型大陆造山带（Dong et al.，2021）.现今，广义秦岭山脉是在主造山期板块构造所基本构造格架基础上，由中新生代强烈陆内造山所形成（张国伟等，1995a）.秦岭雄踞甘东南、陕南、豫西及鄂西北等地区，呈东西走向“一”字形.山势西高东低，西起甘肃临夏-甘南州，海拔为2 200~4 636 m，由一系列山峰和沟谷组成；东至河南西部小秦岭，由北到南为崤山-邙山-周山、熊耳山、伏牛山3个分支山脉，又称“小秦岭”，呈NW-SE走向，绵延约400 km，海拔为1 000~2 216 m.

狭义上的秦岭主要指秦岭陕西段，位于渭河以南、汉江以北，东到灞河与丹江，西至嘉陵江上源，东西长400~500 km，平均海拔在2 000 m，最高峰为太白峰拔仙台（3 771.2 m）.具体而言，秦岭陕西段山体高大陡峭，多为褶皱断块山，山地层状结构明显，西部窄、东部宽，地势由西向东逐渐降低.从南北方向看，北麓山体陡峭，多断崖，沟峪集中；南麓山体低缓，波状山地，沟谷宽.秦岭陕西段分布有华山、骊山、终南山、太白山、天台山、云雾山及天竺山等代表性山脉（图3）.

1.2.2　岩体本底特征

秦岭造山带由3套构造岩石地层单元构成，包括：（1）前寒武纪基底岩系，主要为变质结晶岩系及火山-沉积浅变质岩系；（2）晚元古代-中三叠世主造山期板块构造和垂向增生构造控制的构造岩石地层单元，主要为陆块板内底侵蛇绿岩、花岗岩系；（3）中新生代后造山期的陆内断陷和陆盆地沉积及花岗岩浆活动形成的构造岩石地层单元（张国伟等，1995b）.秦岭造山带受华北板块和扬子板块碰撞、抬升运动而产生，形成了“三块夹两缝”的构造区划特征，以勉略板块缝合带、商丹板块主缝合带为断裂构造分界线，切割形成北秦岭构造带、南秦岭构造带和扬子北缘（张国伟等，2003）.其中，南、北秦岭构造带是秦岭山脉的岩组重要构成，北秦岭构造带位于洛南-栾川-方城断裂以南、商丹断裂以北，是秦岭造山带变质变形最强烈区（曾威等，2023）.自南向北依次为丹凤岩群、松树沟蛇绿岩、秦岭岩群、二郎坪群、宽坪岩群和陶湾群，而秦岭岩群是北秦岭造山带主体岩组，主要为前寒武纪基底变质杂岩，包括片麻岩、角闪岩、钙硅酸盐岩、麻粒岩和大理岩等（陶帅等，2022）.南秦岭构造带主要为勉略构造带及其以南区域，包括碧口群、西乡群、三花石群、耀岭河群及郧西群，由南秦岭增生杂岩带、南秦岭岛弧杂岩带及南秦岭弧前盆地系组成，岩性复杂，主要基性、超基性火山岩及火山杂岩（王宗起等，2009）.断层走向由东西向逐渐向北西-南东展布，西部断裂带走向长度略短，为较稀疏的断裂带，而东部断裂带走向延伸长且更密集（图4）.

1.2.3　土体本底特征

秦岭在漫长的地质演化、构造运动、地震活动及水流侵蚀剥蚀作用下，在山间盆地、山麓宽缓地带、沟谷水系阶地等广泛发育冲洪积扇区，为第四纪冲洪积及残坡积物堆积提供了场所（侯建军等，1995）.此外，局部高陡山脉（如太白山）在较大的日温差及年温差驱使下产生冻胀剥蚀分裂现象，形成山顶面冰缘地貌堆积区（张威等，2016）.具体而言，秦岭西部主要为第四纪残坡积土，包括栗钙土、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、褐土等，整体较贫瘠、有机质和氮素含量低；而东部则是第四纪冲洪积及残坡积土，包括棕壤、暗棕壤、褐土、灰褐土等，厚度因构造地貌不同存在显著差异，有机质含量相对低、氮/磷比整体不协调.

据中国科学院资源环境科学与数据中心2016年统计数据显示，秦岭陕西段土壤类型存在6个土纲、18个土类和42个亚类.且因受秦岭南北坡地貌、植被、气候等成土因素差异的影响，南北麓土壤特性存在差异且呈显著的土壤垂直分带特征，北坡自下而上主要分布着褐土、棕壤、暗棕壤和山地草甸土；南坡分布着黄褐土、黄棕壤、棕壤、暗棕壤和山地草甸土（常庆瑞等，2002）.就土壤养分而言，北麓褐土带多为壤土或粘壤土，上虚下实，保水保肥，适宜多种作物生长，为陕西重要的耕种土壤；南麓黄褐土带透水性差，有机质及养分含量低，不利于耕作.

1.2.4　林体本底特征

秦岭是我国温带植物区系最丰富的地区之一，同时也是我国温带山地植被最典型的地区之一（傅志军等，1996）.据统计，秦岭共种子植物3 539种，隶属于154科950属，其中特有种为194种（Li et al.， 2022）.而植物类型及性状与其生境状况密切相关（Qiu et al.， 2022），其中，北坡属于暖温带半湿润半干旱气候，林体以暖温带针阔混交林与落叶阔叶林为主，而南坡为北亚热带湿润气候，以常绿落叶阔叶混交林为基带（张善红等，2022）.同时，根据本次综合科考发现，秦岭植被在东西方向也存在较大空间异质性；2000—2016年，秦岭北麓植被覆盖率约占75%，南麓则超过86%（图5）.此外，秦岭山地植被会受到气候变化和人类活动交织影响产生明显的空间差异性；如秦岭北麓西安段植被覆盖度存在显著下降趋势，主要原因为大量土地转化为建设用地所致（汲玉河等，2021）.

陕西省地方志办公室（2020）显示，秦岭陕西段植被覆盖度约为84%，森林面积约247.5万公顷，且占陕西省域森林总面积的29%.整体而言，秦岭植被垂直带谱南北坡差异明显，北坡依次为落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林、高山灌丛草甸和落叶针叶林；南坡依次为常绿、落叶阔叶混交林、针阔混交林-针叶林-高山灌丛草甸（邓晨晖等，2021）.

1.2.5　水体本底特征

秦岭是黄河与长江重要的水源地.黄河三大支流——洮河、渭河和洛河发源于秦岭北麓，而长江其中的两大支流——嘉陵江与汉江发源于秦岭南麓（李炳武，2020）（图6）.秦岭西部河网稀疏，干、支流较长；东部河网密集、河流干、支流较短，河流径流量大且水流平缓.秦岭地区水系发育充分，长度大于40 km河流约86条，流域面积大于100 km²河流约195条（何自立等，2019）.

秦岭陕西段存有近192.5亿 m³地表水资源，约占陕西境内地表水资源的50%（陕西省地方志办公室，2019）.北陡南缓的地貌特征为河流发育创造了地质条件.秦岭北麓峪口众多，河水清澈，水流较快，水系多呈羽毛状，近似正交状态汇入渭河；南麓水系则呈现为格子状分布，降雨补给量大，发育密集.

1.3　秦岭生态损害、水土灾害与地质灾害本底特征

秦岭生态损害包含非人为生态损害和人为生态损害，笔者将因环境污染、人为扰动等破坏大气、地表水、地下水、土壤、动植物、微生物等而引起的生态系统功能退化损害称为生态损害；而将表层土体破坏和水分流失为主的灾害称之为水土灾害；而地质灾害则由岩土体破坏为主的崩-滑-流灾害、山体变形破坏为主的中深层山地灾害.生态损害、水土灾害和地质灾害分属3种不同的破坏层次，但各自孕灾过程并非完全孤立，往往存在一定程度的关联性，呈现逐级递进、层次演化特征.

现阶段，秦岭地质环境多变、生态环境脆弱、人类活动频繁，往往导致生态损害呈现“多方位、多类型”特点，包括：工程建设、乱排乱放、耕植砍伐、采砂取石、矿山采掘、贩杀动物、病虫危害、物种入侵等（Yuan et al.，2015；崔国屹等，2023；宋兴江等，2023）.具体而言，西成高铁（西汉段）、西十高铁（西商段）、西渝高铁（西康段）、引汉济渭等重大工程扰动作用将极大诱发区域化生态损害；秦岭-大别山成矿带露天开采导致植被破坏，恢复困难，严重破坏了附近的生态系统；且病虫危害、物种入侵也是导致秦岭生态损害的重要因素，如北麓古观音禅寺、百塔寺古银杏等古树名木遭受严重病虫害而产生生态退化现象；而日本落叶松等外来物种入侵大熊猫栖息地，严重影响大熊猫栖息安全等.可见，秦岭生态损害问题迫切与严峻.

秦岭山地降水时间短、强度大，尤其在秦岭北麓最明显，易发生山洪灾害.而土壤抗蚀性差，暴雨频繁、河水暴涨暴落，径流变化波动大，年水土流水量达0.84亿 t，土壤侵蚀模数超过2 500 t/km²·a（李君轶等，2021），呈现“分布面积广、侵蚀强度大、水源补充足”的特点.如：“8·3”秦岭小峪河山洪、宁陕县寨沟小流域水土流失.

秦岭崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，呈现“多圈层、多动力、多营力、多过程”特点（彭建兵等，2023）.据2020年地灾统计数据，秦岭陕西段地质灾害点高达7 861个（滑坡6 888个，崩塌539个，泥石流434个）（Guo et al.，2021）.近年来，受到气候变暖和集中性降水影响，秦岭山区地质灾害频发，如2023年8月发生的鸡窝子山洪泥石流灾害，共造成24人遇难，3人失踪；2021年8月发生的九间房山洪泥石流灾害，造成何家川村多间房屋倒塌、道路损毁；此外，代表性地质灾害还包括：南秦河小流域崩滑灾害、G210和G108国道沿线崩滑灾害、山阳县中村镇特大型滑坡、天竺山泥石流、小秦岭金矿区矿渣型泥石流等.

1.4　秦岭人类活动环境本底特征

秦岭自古以来是人地互馈最为突出、最为典型、最为复杂区域之一.域内分布有20多处中华民族祖先遗址遗迹，周边孕育众多历史名城和人类聚集地（徐德龙等，2016）.司马迁《史记》中记有“秦岭，天下之大阻”，围绕秦岭人类活动改造延绵至今.刘邦“明修栈道，暗度陈仓”，终击败项羽，定都长安；诸葛亮“六出祁山”均难以跨越秦岭这一天然屏障；民国期间，围绕秦岭先后建设有川陕公路、“关中八惠”渠等代表性工程；建国之后，围绕秦岭重大交通工程建设包括：宝成铁路、西康高速、西康铁路、西汉高速、西成高铁、西十高铁等，并建成了长达18.46 km的秦岭隧道、长达18.02 km的终南山公路隧道等；此外，南水北调中线工程、引汉济渭工程、黑河引水工程等穿越秦岭腹地，成为我国重大水利调配的重要枢纽地.

自古以来，人类活动在改造、利用秦岭同时也对秦岭生态环境造成了破坏.《阿房宫赋》云：“蜀山兀，阿房出”（注：“蜀山”指秦岭），秦始皇大兴土木修建阿房宫，导致秦岭大量森林被砍伐；汉唐期间，随着关中都城规模不断扩大，宫殿、民居持续化建设与取暖巨量薪炭需求；明清时期，秦岭垦山、种植、砍伐、营造众多，原始森林已遭受毁灭性破坏，进而导致严重水土流失.现今，人类活动对秦岭生态环境影响问题依然存在，如习近平总书记先后6次就“秦岭北麓违建别墅破坏环境”事件作出指示批示，引起社会各界广泛关注；再如：2014年10月4日，秦岭腹地商洛华迪矿业采石场尾矿坝溃坝引发泥石流，造成5人死亡、经济损失惨重.

现阶段，秦岭人类活动环境趋于强烈，成为影响秦岭生态安全格局及生境环境的重要因素.随着国家生态文明建设及“绿水青山就是金山银山”理念深入，围绕秦岭生态地质环境保护工作得以大幅增强，包括：秦岭生态环境保护规划政策制订、秦岭水源保护区制度落地、秦岭生物多样性保护专项规划设计、秦岭北麓主体山水林田湖草沙一体化保护和修复工程项目启动等，对有效提升秦岭水源涵养、水土保持和生物多样性维护功能具有重要促进.同时，不合理的人类活动导致秦岭近30年46%的阔叶林退化成灌丛和非林地、过去50多年来秦岭南北坡典型流域人类活动对径流减少贡献率为46%（李君轶等，2021）.2022年2月，中央生态环境保护督察组督察报告显示：秦岭区域历史遗留矿山众多，生态恢复治理推进缓慢，秦岭区域有64座应闭库的尾矿库未按要求闭库；秦岭陕西段现有447个中小水电站，多位于秦岭核心保护区和重点保护区，不同程度切割生境、隔断河流廊道空间连通性，对河流廊道自然动态造成严重干扰.反映出秦岭生态地质环境损害问题仍需持续跟进.

总体而言，人地互馈造就了秦岭生态地质环境与人类社会相互影响的复杂过程.人类活动仍持续干扰与影响着秦岭生态屏障功能的高效发挥.

2 秦岭生态地质环境系统研究体系构建设想

2.1　秦岭生态地质环境系统组成及内生互馈关系

基于秦岭生态地质环境系统本底特征剖析，生态地质环境系统由山体、岩体、土体、林体、水体等要素构成，并受到了人类活动及灾害影响而产生局部化受损变化.据此，有必要深入探究秦岭生态地质环境子系统组成及互馈关系.笔者团队提出了生态地质环境系统（彭建兵和兰恒星，2022），认为该系统由地质环境子系统、生态环境子系统和灾害环境子系统构成；其中，地质环境子系统主要关注地形、地貌、岩性、构造、水文等地质特征，为多圈层相互作用下的山、岩、土、水问题；生态环境子系统则关注系统内生态属性、组成、结构、功能等基础条件，研究维持生态平衡的水、土、气、生问题；而灾害环境子系统因外界干扰而产生系统结构受损失衡的外在表现，包括：生态损害、水土灾害及地质灾害，且呈现递进式演化特征.

秦岭生态地质环境系统同样由地质环境子系统、生态环境子系统和灾害环境子系统三者构成（彭建兵等，2023）.其中，地质环境子系统包括构造地质环境、地貌地质环境、岩石地质环境、土体地质环境及水文地质环境5个单元；而生态环境子系统包括土壤环境、生物环境、大气环境及水分环境4个单元；而灾害环境子系统因自然条件劣化（包括：气候变暖、极端降雨或连续干旱等）、人类活动加剧（包括工程修建、居民点扩张及矿产开发等）原因，导致系统失衡而产生灾害.

地质环境子系统、生态环境子系统与灾害环境子系统具有典型的内生互馈关系，表现为：（1）地质环境子系统为生态环境子系统提供了生源物质及生境空间，为生态环境子系统内的水-土-气-生物质循环与韧性平衡提供了保障，为生态环境子系统的生物多样性、碳汇释氧及水源涵养等功能高质量发挥提供了空间；而生态环境子系统则为地质环境子系统发挥了调控及稳固作用，通过生态环境结构协同演化与韧性增强，保障了山、岩、土、水的动态稳定与协调，降低了地质环境子系统某一基体的潜在失衡风险.（2）生态地质环境子系统若因过度扰动超出生态韧性边界，将会引发一系列灾害问题；同时，灾害环境子系统延续将大幅降低生态环境子系统的结构多元性，影响生态服务功能高效发挥.（3）地质环境子系统往往因某一基体发生重大改变而引起一系列连锁性灾害反应，如：林体过度砍伐或破坏将会导致地表岩、土体裸露而引起水土流失风险；水体泛滥或枯涸将影响林体生长水平，并可导致岩、土体系列地质灾害问题；而山体的地质活动将极大改变附着体的生态机能，造成系统结构紊乱与功能失调.同时，灾害环境子系统的发生则会降低地质环境承载能力，压缩地质环境承载边界水平.据此，笔者构建形成的秦岭生态地质环境系统组成及内生关系示意图（如图7所示）.

2.2　秦岭生态地质环境系统理论体系构建设想

该部分围绕秦岭生态地质环境系统理论研究体系开展探索，具体包括：地质环境系统内部各子系统组成要素及互馈特征、生态环境系统景观格局及生态过程两部分，为认知灾害环境系统灾变递进提供指标基础.而后，从机制认识和调控认识角度，查明生态损害、水土灾害及地质灾害演进过程影响因素及时空变异分布特征，建立生态损害-水土灾害-地质灾害协同驱动模型，形成“生态损害→水土灾害→地质灾害”灾变转化节点及判别模式；最终构建秦岭生态地质环境系统理论体系.以期形成以人地协调为思想的生态地质安全动态平衡调控对策.为阐明秦岭生态地质环境系统理论体系，笔者团队按照秦岭生态环境-地质环境-灾害环境三大子系统内要素关联及互馈/递进关系进行剖析（图8）.

从要素关联研究体系出发，应在地质环境子系统中，构造地质环境与地貌地质环境作为生态容器，承载着上部岩体-土体-水体地质环境，而表部生态环境系统（包括大气环境、生物环境、土壤环境及水分环境等生态景观）作为岩-土-水地质环境的外在表现，彼此相互耦合、相互制约，致使生态过程长时间维系在一个相对稳定阶段，若受到外界干扰超过其自身修复能力时，导致生态失衡破坏，进而触发各类灾害，如：（1）土壤侵蚀、土壤污染、土壤退化、生物多样性减少等生态损害现象；（2）水土流失、水土侵蚀、山洪等地表水土灾害；（3）崩、滑、流、塌岸等灾害.

从要素互馈及递进关系研究体系出发，应关注：（1）对于地质环境子系统而言，地貌、构造、岩、土及水5大要素互馈作用显著，其中：构造是地貌发育的基础，二者协同稳固，承载了地球内部圈层的岩体和表部土体，反之，岩-土体不同接触、组合关系，构成了各类地质构造和地貌景观.水体充斥在各大要素中，滋养或破坏构造、地貌、岩-土体，同时，构造-地貌-岩-土对水体具有存储、连通和调蓄作用.（2）生态环境系统的生态过程特点.随着经济快速发展，秦岭“资源本底”的开发利用愈发突出，导致土地利用格局改变.当原始相对平衡的生态地质环境被打破，土壤养分及涵水能力首先受到影响（如地下水位下降、土壤养分失衡、土壤板结等），进而引起水源涵养功能下降及水质变差（如植被退化、水污染等），最终导致生物固碳能力减弱及多样性减少（如植被破坏、物种灭绝等）.反之，生物多样性发挥着能动作用提升着水源涵养能力、水质净化能力和土壤养分含量.（3）对灾害环境子系统而言，灾害递进演化、互馈作用显著.因气候变暖、极端降雨、连续干旱等气候条件，以及人类活动日益加剧的人类工程条件，造成秦岭地区地表生态损害，当地表遭受持续破坏，将诱发表层水土灾害，在水土灾害发生后，部分裸露岩体若再受到自然营力或人为扰动后会孕育出新的浅部崩滑等地质灾害.反之，地质灾害的发生促进水土侵蚀，进而破坏生态环境，改变并影响着自然条件与人类活动.

3 亟待攻克的关键科学问题

基于上述理论体系构建可知，开展秦岭生态地质环境系统研究，需重点关注秦岭生态地质环境系统要素组成及互馈关系，突破本底特征不明、五体关联不清、调控体系待建及模拟手段不足等现实难题.阐明地质环境系统制约生态环境系统， 揭示林体-土体-岩体-山体-水体互馈作用并引起生态地质环境系统变化的机制， 进而提出生态地质环境管理策略.之后基于本底特征，诠释生态损害-水土灾害-地质灾害的成因及递进演化机制， 揭示地质环境-生态环境-灾害环境互馈影响规律与动态平衡机制，进而提出灾害风险管控对策.具体亟待攻克的关键问题包括：（1）秦岭地质地貌过程与生态地质环境变化响应机制；（2）秦岭生态地质环境系统要素互馈与协同演进机制；（3）秦岭生态损害-水土灾害-地质灾害递进演化机制与韧性防控方法；（4）秦岭地质环境与生态环境动态平衡机制及调控技术；（5）秦岭生态地质环境系统演化模拟与感知预测平台研发（图9）.

3.1　秦岭地质地貌过程与生态地质环境变化响应

借助生态-地质-环境科学交叉融合方法，综合多技术手段，重建秦岭区域地质-地表演变过程，分析长时序、多尺度地质-地貌-生态演变过程关系，揭示地质地表过程及联动影响生态变化效应；开展生态地质环境条件与地质-地貌过程耦合研究，查明影响和控制生态结构、生态格局的地质与地貌条件；研究地质-水文-生态互馈关系，阐明生态、土壤、水、岩石、地质构造之间的相互影响，揭示生态过程、水文过程、地质过程互馈机制；提出地质-地貌过程与生态地质环境耦合机制，揭示生态环境变化对地质-地貌过程响应机制.

3.2　秦岭生态地质环境系统要素互馈与协同演进

查明秦岭生态结构、功能、过程和格局形成的地质背景，明确生态格局与演化对地质构造、地形地貌、水文地质及工程地质影响，梳理地质-环境-生态的本底关联因素互馈关系；分析气候变化和人类活动影响下地质、水文环境变异特征，查明秦岭生态损害全过程，揭示秦岭区域生态损害成因机制；开展秦岭区林-土-岩-山-水体的地球化学过程、时空动态演化与地质环境研究，揭示过程作用下林-土-岩-山-水资源赋存状况和形成规律；查明秦岭林-土-岩-山-水互馈作用下生态系统结构和功能破坏特征，探明环境退化过程中林-土-岩-山-水响应性变化幅度；厘清生态过程-水文过程-地质过程互馈机制，进而揭示多圈层、多营力、多过程的秦岭林-土-岩-山-水协同演化机制（图10）.

3.3　秦岭生态损害-土水灾害-地质灾害递进演化

构建关键生态指标与水土流失程度、地质灾害风险的内在关系，探索生态损害对灾害的影响机制；调查水土灾害和地质灾害相互作用过程的环境影响因素，建立水土灾害和地质灾害时空变异关系模型，揭示水土灾害对地质灾害的孕育和触发机理；基于多时序的生态环境指标构建空间变异模型，探明不同灾害影响下的生态恢复模式和重建规律，建立生态损害-土水灾害-地质灾害协同驱动预警模型，形成“生态损害→水土灾害→地质灾害”转化节点判别模式；建立区域地质-生态环境的联合调控保护机制，面向灾害对象类型和环境特征建立韧性防控技术体系（图11）.

3.4　秦岭地质环境与生态环境动态平衡及韧性调控

阐明生态损害区域特征和地质灾害动力学过程及控制因素，揭示地质灾害与生态损害全过程及互馈机制；探讨不同类型灾后的生态环境效应，明晰不同类型灾后生态恢复模式和重建规律，建立多级韧性防控技术体系；查明生态结构、功能和服务及其对土水资源耦合调控，揭示秦岭各类陆地生态系统结构维持、功能形成、服务持续的生态地质学机制；理清不同地质历史时期内生态系统结构和功能阈值范围，明确秦岭生态地质环境系统最佳调控模式及自愈机制；明确具有正效应的易调控关键驱动因子，基于人-地协调思想，构建地质安全与生态安全综合防控理论体系（图12）.

3.5　秦岭生态地质环境系统演化模拟与感知预测

构建天-空-地-内协同的秦岭生态屏障感知系统，获取多尺度、多层次、多要素生态监测指标；研究数据与机制双驱动的秦岭生态场景再现算法，研发秦岭生态地质环境系统动态演化情景模拟，研发生态系统数字孪生与信息共享平台，实现秦岭生态地质环境系统动态演化精准过程预测.

构建人地复杂系统分析预测模型，为秦岭生态文明建设提供数据和模型支持.秦岭生态文明建设异常复杂，在理论探索和实践决策中都需要大量的数据和模型支撑，最终能够实现复杂人地系统模拟和预测.通过构建“空-天-地-内”一体的智能监测平台，实现数据的快速采集、分析和共享，积极开展区域的综合科学考察，加强对科学问题的梳理，通过科学考察和研究，发现和解决秦岭目前重要的科学和实践问题.

通过综合科学考察获取秦岭一手数据，并将目前分散于各机构与部门的数据资料加以整合，充分发挥数据整合价值，在保证科学数据安全的基础上，实现秦岭数据的开放共享及深度挖掘，保证对该区域科学研究以及政府决策的全面支持.在地理大数据、人工智能以及数据共享平台支持下，建立集监测-模拟-评价-预警-决策支持功能为一体的数据深度挖掘和利用模式，推动对秦岭数据挖掘和利用.

4 结论及展望

（1）秦岭生态地质环境系统要素五体分布本底特征为：①山体：位居中央腹地，整体呈西高东低、北陡南缓，北仰南倾，主山脊线（分水岭）偏靠北侧；②岩体：秦岭复杂的构造环境塑造了丰富地层岩性，主要由三套构造岩石地层单元构成；③土体：土壤以黄棕壤、褐土、棕壤为主，西部较东部土壤更薄且贫瘠，南麓土壤肥力略低于北麓；④林体：秦岭南坡森林覆盖率高于北坡，植被呈现常绿阔叶（南侧）、落叶阔叶（北侧）、落叶林-针阔叶林混交-针叶林-灌丛草甸等垂直分带性特征；⑤水体：北坡发育有渭河、洮河、洛河等黄河水系，南坡有嘉陵江、汉江、丹江等长江水系，且自西向东主、支流由长变短，由疏变密，径流量由少变多.

（2）秦岭人地互馈作用强烈，围绕秦岭山脉，古有先人遗址遗迹，今有重大交通、水利、民居工程建设及矿产开发项目，人类活动频繁且剧烈，改造秦岭的同时也对地质生态环境各个方面均有不同程度的损害.如：土壤侵蚀、土壤退化、土壤污染及生物多样性减少等生态损害现象，损害途径呈现“多方位、多类型”的特点.同时，秦岭灾害隐患点繁多，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，呈现“多圈层、多动力、多营力、多过程”的特点.

（3）秦岭生态地质环境系统由地质环境子系统、生态环境子系统和灾害环境子系统所组成，三大子系统间互馈关系显著.包括：①地质环境子系统为生态环境子系统提供生源物质与生境空间；②生态环境子系统过度扰动超过生态韧性边界时便会触发灾害环境子系统；③灾害环境子系统使生态环境子系统降低生态结构及服务功能；④生态环境子系统对于地质环境子系统起到调控及稳固地质承载力等作用；⑤灾害环境子系统会使地质环境子系统降低其承载力及边界；⑥地质环境子系统中地质基本要素劣化致灾形成灾害环境子系统.

（4）秦岭地质环境-生态环境-灾害环境三大子系统单元内要素组成丰富且要素互馈显著.构造地质环境与地貌地质环境作为容器，承载着“岩-土-水”地质环境单元，而“岩-土-水”地质环境单元则是通过“水-土-气-生”四大生态环境单元组成的景观格局所呈现，当“水-土-气-生”单元经过土地利用格局改变，土壤养分、涵水能力、水质、生物多样性及固碳能力复杂互馈作用，且超出生态环境承受韧性边界时，将会引起地表生态损害，进而引发浅层水土灾害和中深尺度地质灾害.

（5）秦岭生态地质环境系统研究核心在于关注：多圈层互馈及人类活动联合驱动下，地质环境-生态环境-灾害环境之间的相互作用与协调平衡机制.后续亟待突破本底特征不明、五体关联不清、调控体系待建、生态模拟方法缺失等难题，综合利用野外调查、现场监测、室内试验、数值模拟及理论分析等手段.同时，应充分融合国际前沿技术理论方法，实现跨地域、跨学科、多领域合作，打造秦岭生态地质环境的研究范式，为国家生态文明建设和秦岭生态保护提供重要支撑.

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基金资助

国家自然科学基金专项项目(42341101)

长安大学中央高校科研业务费专项资金(300102263401)