中國典型山地植被垂直地帶性特征及其影響要素*

胡實(shí)，趙茹欣，賈仰文，牛存穩(wěn)，劉梁美子，占車生

①中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；②北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；③中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038；④中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100101

山地是集氣候調(diào)節(jié)、自然資源(水資源、礦產(chǎn)資源和旅游資源等)供給、生物多樣性保護(hù)等多種功能于一體的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，有著不同于低地平原的自然人文景觀。中國山地面積約占陸域國土面積的70%，類型多樣，地形復(fù)雜多變。山地的地形特征(海拔、坡向和坡度等)影響其氣候特性[1]，使山地植被呈現(xiàn)出隨海拔升高而交替變化的現(xiàn)象，即垂直地帶性分異[2]。不同條件下的山地氣候、植被呈現(xiàn)何種地帶性分異？植被的垂直分異性又受到哪些條件的限制？本文以太行山、橫斷山以及黔桂喀斯特山地為例，分析不同氣候和下墊面特征下，地形對(duì)植被垂直地帶性的影響。

1 典型山地介紹

太行山地、橫斷山地和黔桂喀斯特山地分別位于中國華北平原、青藏高原和西南喀斯特地區(qū)(圖1)，空間分布上從北至南，有著不同的氣候和下墊面特征。太行山山脈(35°N～41.5°N，111.5°E～116.5°E)，北起北京市西山，向南延伸至河南與山西交界的王屋山，東與華北平原接壤，西與山西高原相鄰，是中國地形第二階梯的東緣，也是中國東部濕潤(rùn)區(qū)半濕潤(rùn)區(qū)與西部干旱區(qū)半干旱區(qū)的分界。太行山地面積約12萬km2，海拔50～3 000 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降雨分布極為不均，土壤貧瘠，礫石含量高，水分短缺嚴(yán)重影響農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)的功能[3]。

橫斷山地(24.5°N～34°N，97°E～104.5°E)位于亞熱帶氣候區(qū)，跨四川西部、西藏東部以及云南西北部，地勢(shì)北高南低、西高東低，是中國最長(zhǎng)、最寬和最典型的南北走向山系群體[4]。橫斷山地面積約50.6萬km2，海拔400～7 500 m，嶺谷高差極大，水量豐富，干濕季明顯，降水、輻射、氣溫等垂直差異顯著。

黔桂喀斯特山區(qū)(22°05′N～28°15′N，104°15′E～110°25′E)，位于中國西南地區(qū)，包括貴州、廣西兩省共107個(gè)縣，總面積25.3萬km2。其東接湖南、西鄰云南、北連四川，地勢(shì)自西北向東南逐漸降低，最高海拔為2 800 m，山地眾多，平原較少。區(qū)域內(nèi)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，年平均氣溫高于15 ℃，年降水超過1 200 mm，受季風(fēng)影響多集中在4～10月份。區(qū)域內(nèi)巖溶地貌分布廣泛，主要包括峰叢洼地、峰林平原、巖溶槽谷和巖溶高原[5]，是世界上最著名的喀斯特地貌區(qū)之一。

圖1 3個(gè)典型山地的地理位置圖

2 氣象要素的垂直地帶性變化

不同于平原地帶，山地地形復(fù)雜多變，嶺谷差異、坡向及坡度差異使得其氣象要素(太陽輻射、氣溫、降水等)隨之發(fā)生變化[6]。坡向是影響山地太陽輻射最主要的因素，對(duì)于北半球而言，隨著坡向的南移，輻射值增大，如橫斷山的年太陽輻射量呈現(xiàn)從南到北逐漸增加的趨勢(shì)[7]。此外，海拔高度也會(huì)影響山地的太陽輻射量，由于高海拔地區(qū)空氣中的吸熱物質(zhì)(如二氧化碳、水汽、塵埃、海鹽顆粒、微生物、植物的孢子與花粉等固體顆粒)很少，空氣更潔凈明亮[6,8]，太陽輻射隨著海拔的升高逐漸增加。山地坡面上接收的太陽輻射不僅與坡度有關(guān)，還取決于太陽赤緯、地理緯度、太陽時(shí)角、坡向等因素[9]。例如：貴州喀斯特區(qū)域在北緯26°、坡向135°、海拔900 m處，太陽總輻射隨坡度的增加呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在20°～30°的坡度區(qū)間[10]。

海拔是影響山地氣溫最主要的因素。高海拔地區(qū)大氣的熱量主要來源于地面，隨著海拔的升高，氣壓降低，空氣分子數(shù)量減少，運(yùn)動(dòng)減弱，氣溫逐漸降低。據(jù)氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，太行山區(qū)和喀斯特山區(qū)的氣溫垂直遞減率分別為0.52 K/100 m[11]和0.5 K/100 m[12]，橫斷山區(qū)的氣溫遞減率略高，為0.7～0.8 K/100 m[13]。

山區(qū)降雨受大氣環(huán)流、高程、坡度、坡向和遮蔽度等多種地形因素的綜合影響[14-15]，其動(dòng)力、熱力和微物理機(jī)制非常復(fù)雜。一方面迎風(fēng)坡濕潤(rùn)氣流在絕熱上升過程中，水汽凝結(jié)增強(qiáng)，降水增加，在背風(fēng)坡受到下沉作用的影響，降水減弱；另一方面，迎風(fēng)坡抬升作用產(chǎn)生垂直向上的含水氣流，向云層輸送水汽，使得降雨增加。此外，地形起伏和不均勻熱力作用引起的局部環(huán)流促進(jìn)上升作用，提高了氣流的不穩(wěn)定程度，從而增強(qiáng)降水[16-18]?？傮w而言，太行山降水等值線與山體走向基本平行。東南方向氣流在向太行山東部行進(jìn)過程中受到迎風(fēng)坡的阻擋而被迫抬升，出現(xiàn)“上升—下沉—上升”的二次爬坡運(yùn)動(dòng)[19]，使得恒山、五臺(tái)山在迎風(fēng)坡山腰和山頂附近出現(xiàn)了兩個(gè)最大降水高度，而小五臺(tái)山、南太行山區(qū)則只存在一個(gè)最大降水高度[20]。橫斷山的西南暖濕氣流在行進(jìn)至迎風(fēng)坡后，未及致雨便已翻過山頂?shù)竭_(dá)背風(fēng)坡，使得橫斷山的最大降水高度出現(xiàn)在海拔3 700～3 800 m的背風(fēng)坡上[13]。黔桂喀斯特山區(qū)地勢(shì)西北高、東南低，海洋暖濕氣流由東南向西北推進(jìn)過程中，水汽逐漸被消耗，盡管在迎風(fēng)坡出現(xiàn)最大降水高度，但降水隨海拔高度的增加呈輕微降低趨勢(shì)[12,21]。

3 植被分布的垂直地帶性特征

山地地形氣候的地帶性差異使得山地植被存在明顯的垂直地帶性分異。太行山區(qū)低洼地帶受人類活動(dòng)影響較大，自然植被多被耕地所取代；隨著海拔的升高，人類活動(dòng)減弱，降水逐漸增加，出現(xiàn)落葉闊葉林、針葉林等混交地帶；當(dāng)海拔繼續(xù)升高，降水減少，溫度降低，土壤越來越貧瘠，植被生長(zhǎng)力降低，最后在高海拔地區(qū)多被亞高山草甸占領(lǐng)(圖2(a))[22]。由于植被覆蓋類型及水熱條件的變化，太行山植被覆蓋度最大的區(qū)域出現(xiàn)在1 800～2 400 m處(圖3(a))。

橫斷山海拔高差懸殊，水熱條件的垂直分布十分顯著。沿海拔梯度的升高分布有熱帶、亞熱帶、溫帶和高山寒帶等氣候類型[23-25]，植被也呈現(xiàn)相應(yīng)的垂直帶狀分布：4 000 m以下植被覆蓋度無顯著差異(圖3b)，其中2 000 m以下多為耕地及干旱小葉灌叢，2 000～3 500 m主要為半干旱灌叢和半濕潤(rùn)針葉林，3 500～4 000 m多為暗針葉林；4 000～4 500 m為高寒灌叢、草甸、草原帶，4 500～5 000 m為亞冰雪帶，5 000 m以上多被冰雪覆蓋(圖2(b))。所以橫斷山在垂直方向上也有著“一山有四季”的說法。

圖2 典型山地植被沿海拔梯度的分布格局

喀斯特山地植被覆蓋狀況隨海拔升高呈單峰曲線變化。低海拔地區(qū)，熱量、水分和光照條件較為充足[26-28]，多分布闊葉林、針葉林、灌木以及水田，植被覆蓋度最大的區(qū)域出現(xiàn)在400～600 m的低海拔地區(qū)(圖3(c))?？λ固厣絽^(qū)雨量較為充沛，溫度對(duì)植被的生長(zhǎng)狀態(tài)影響較大，隨海拔逐步升高，常綠針葉林、灌木林、草地混交地逐漸增加，隨著溫度進(jìn)一步降低，植被生長(zhǎng)狀態(tài)受到限制；在海拔最高處多為灌木林(圖2(c))。

圖3 典型山地植被NDVI與海拔的關(guān)系

4 氣候要素變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響

不同的海拔高度上，氣象要素對(duì)植被生長(zhǎng)的影響呈現(xiàn)較大的差異。20世紀(jì)以來，全球溫度升高，CO2排放加劇，對(duì)山地植被生長(zhǎng)產(chǎn)生了巨大的影響?？傮w而言，3個(gè)典型山地的植被生長(zhǎng)都有所改善，其中太行山植被改善顯著(90 %以上區(qū)域NDVI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，區(qū)域NDVI的平均增長(zhǎng)率約為0.004 a-1)[22]。作為典型的水分限制性山地，水分是限制太行山植被生長(zhǎng)的主要因素，然而隨著海拔的增加，溫度顯著下降，逐漸取代水分成為植被生長(zhǎng)的主要限制因素。針對(duì)太行山的分析表明：600 m以下灌木和草地生長(zhǎng)主要受降水限制，而600 m以上溫度是主要的限制因素；落葉闊葉林和常綠針葉林根系較深，水分和溫度限制的分界點(diǎn)位于1 000 m左右。

橫斷山植被改善狀況略遜于太行山和喀斯特，60 %的區(qū)域NDVI呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中南部的增長(zhǎng)趨勢(shì)略高于北部，區(qū)域NDVI的增長(zhǎng)率為0.000 44 a-1。鑒于其處于亞熱帶氣候區(qū)，雨量充沛，氣溫變化對(duì)NDVI的影響高于降水[29]，整個(gè)山區(qū)范圍內(nèi)的NDVI與溫度均呈正相關(guān)；而對(duì)于降水而言，僅北部少數(shù)區(qū)域的NDVI與其成正相關(guān)，南部地區(qū)的NDVI則與其成負(fù)相關(guān)[30]。

2000年以來，喀斯特山區(qū)有濕熱化趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)狀況向著良性化的方向發(fā)展(73%以上的區(qū)域NDVI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，區(qū)域NDVI的平均增長(zhǎng)率約為0.001 76 a-1)[31]。與太行山區(qū)不同，喀斯特山區(qū)雨量較為充沛，NDVI與降雨量存在負(fù)相關(guān)，與溫度存在正相關(guān)，溫度升高對(duì)植被生長(zhǎng)促進(jìn)作用較大，且溫度升高的正效應(yīng)在海拔1 200 m以下表現(xiàn)得尤為顯著，使得常綠闊葉林、常綠針葉林、灌木林、耕地的NDVI顯著增加。

5 結(jié)論

山地地形復(fù)雜，氣候多變，植被類型多種多樣。本文基于對(duì)太行山、橫斷山和喀斯特這3個(gè)典型山地的氣候要素及植被變化的系統(tǒng)分析，得出主要結(jié)論：

(1)3個(gè)典型山地的溫度和輻射均隨海拔的升高而降低，降雨的垂直地帶性差異較大。北太行山迎風(fēng)坡存在兩個(gè)最大降雨高度，而南太行只存在一個(gè)；橫斷山最大降雨高度位于3 700～3 800 m的背風(fēng)坡上，而喀斯特山區(qū)降雨隨海拔高度的升高呈微弱的降低趨勢(shì)。

(2)3個(gè)典型山地植被分布在垂直方向上表現(xiàn)出較大共性。低海拔地區(qū)主要被耕地和灌叢占領(lǐng)；隨著海拔的不斷升高，針葉林和闊葉林的比例逐漸增加，植被覆蓋度達(dá)到峰值；高海拔地區(qū)則主要被高山草甸或冰雪帶所占據(jù)。

(3)溫度和降水變化對(duì)山地植被生長(zhǎng)限制呈現(xiàn)顯著差異。水分是限制太行山低海拔地區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因素，而高海拔地區(qū)則主要受溫度限制；橫斷山和喀斯特地區(qū)降雨充沛，植被生長(zhǎng)主要受溫度影響。

(2017年12月25日收稿)

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