中国典型山地植被垂直地带性特征及其影响要素*

胡实，赵茹欣，贾仰文，牛存稳，刘梁美子，占车生

①中国科学院地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；②北京师范大学 水科学研究院，北京 100875；③中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；④中国科学院大学，北京 100101

山地是集气候调节、自然资源(水资源、矿产资源和旅游资源等)供给、生物多样性保护等多种功能于一体的复杂生态系统，有着不同于低地平原的自然人文景观。中国山地面积约占陆域国土面积的70%，类型多样，地形复杂多变。山地的地形特征(海拔、坡向和坡度等)影响其气候特性[1]，使山地植被呈现出随海拔升高而交替变化的现象，即垂直地带性分异[2]。不同条件下的山地气候、植被呈现何种地带性分异？植被的垂直分异性又受到哪些条件的限制？本文以太行山、横断山以及黔桂喀斯特山地为例，分析不同气候和下垫面特征下，地形对植被垂直地带性的影响。

1 典型山地介绍

太行山地、横断山地和黔桂喀斯特山地分别位于中国华北平原、青藏高原和西南喀斯特地区(图1)，空间分布上从北至南，有着不同的气候和下垫面特征。太行山山脉(35°N～41.5°N，111.5°E～116.5°E)，北起北京市西山，向南延伸至河南与山西交界的王屋山，东与华北平原接壤，西与山西高原相邻，是中国地形第二阶梯的东缘，也是中国东部湿润区半湿润区与西部干旱区半干旱区的分界。太行山地面积约12万km2，海拔50～3 000 m，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，降雨分布极为不均，土壤贫瘠，砾石含量高，水分短缺严重影响农林生态系统的功能[3]。

横断山地(24.5°N～34°N，97°E～104.5°E)位于亚热带气候区，跨四川西部、西藏东部以及云南西北部，地势北高南低、西高东低，是中国最长、最宽和最典型的南北走向山系群体[4]。横断山地面积约50.6万km2，海拔400～7 500 m，岭谷高差极大，水量丰富，干湿季明显，降水、辐射、气温等垂直差异显著。

黔桂喀斯特山区(22°05′N～28°15′N，104°15′E～110°25′E)，位于中国西南地区，包括贵州、广西两省共107个县，总面积25.3万km2。其东接湖南、西邻云南、北连四川，地势自西北向东南逐渐降低，最高海拔为2 800 m，山地众多，平原较少。区域内气候属于亚热带季风性气候，年平均气温高于15 ℃，年降水超过1 200 mm，受季风影响多集中在4～10月份。区域内岩溶地貌分布广泛，主要包括峰丛洼地、峰林平原、岩溶槽谷和岩溶高原[5]，是世界上最著名的喀斯特地貌区之一。

图1 3个典型山地的地理位置图

2 气象要素的垂直地带性变化

不同于平原地带，山地地形复杂多变，岭谷差异、坡向及坡度差异使得其气象要素(太阳辐射、气温、降水等)随之发生变化[6]。坡向是影响山地太阳辐射最主要的因素，对于北半球而言，随着坡向的南移，辐射值增大，如横断山的年太阳辐射量呈现从南到北逐渐增加的趋势[7]。此外，海拔高度也会影响山地的太阳辐射量，由于高海拔地区空气中的吸热物质(如二氧化碳、水汽、尘埃、海盐颗粒、微生物、植物的孢子与花粉等固体颗粒)很少，空气更洁净明亮[6,8]，太阳辐射随着海拔的升高逐渐增加。山地坡面上接收的太阳辐射不仅与坡度有关，还取决于太阳赤纬、地理纬度、太阳时角、坡向等因素[9]。例如：贵州喀斯特区域在北纬26°、坡向135°、海拔900 m处，太阳总辐射随坡度的增加呈现先增后减的现象，峰值出现在20°～30°的坡度区间[10]。

海拔是影响山地气温最主要的因素。高海拔地区大气的热量主要来源于地面，随着海拔的升高，气压降低，空气分子数量减少，运动减弱，气温逐渐降低。据气象台站的观测数据，太行山区和喀斯特山区的气温垂直递减率分别为0.52 K/100 m[11]和0.5 K/100 m[12]，横断山区的气温递减率略高，为0.7～0.8 K/100 m[13]。

山区降雨受大气环流、高程、坡度、坡向和遮蔽度等多种地形因素的综合影响[14-15]，其动力、热力和微物理机制非常复杂。一方面迎风坡湿润气流在绝热上升过程中，水汽凝结增强，降水增加，在背风坡受到下沉作用的影响，降水减弱；另一方面，迎风坡抬升作用产生垂直向上的含水气流，向云层输送水汽，使得降雨增加。此外，地形起伏和不均匀热力作用引起的局部环流促进上升作用，提高了气流的不稳定程度，从而增强降水[16-18]。总体而言，太行山降水等值线与山体走向基本平行。东南方向气流在向太行山东部行进过程中受到迎风坡的阻挡而被迫抬升，出现“上升—下沉—上升”的二次爬坡运动[19]，使得恒山、五台山在迎风坡山腰和山顶附近出现了两个最大降水高度，而小五台山、南太行山区则只存在一个最大降水高度[20]。横断山的西南暖湿气流在行进至迎风坡后，未及致雨便已翻过山顶到达背风坡，使得横断山的最大降水高度出现在海拔3 700～3 800 m的背风坡上[13]。黔桂喀斯特山区地势西北高、东南低，海洋暖湿气流由东南向西北推进过程中，水汽逐渐被消耗，尽管在迎风坡出现最大降水高度，但降水随海拔高度的增加呈轻微降低趋势[12,21]。

3 植被分布的垂直地带性特征

山地地形气候的地带性差异使得山地植被存在明显的垂直地带性分异。太行山区低洼地带受人类活动影响较大，自然植被多被耕地所取代；随着海拔的升高，人类活动减弱，降水逐渐增加，出现落叶阔叶林、针叶林等混交地带；当海拔继续升高，降水减少，温度降低，土壤越来越贫瘠，植被生长力降低，最后在高海拔地区多被亚高山草甸占领(图2(a))[22]。由于植被覆盖类型及水热条件的变化，太行山植被覆盖度最大的区域出现在1 800～2 400 m处(图3(a))。

横断山海拔高差悬殊，水热条件的垂直分布十分显著。沿海拔梯度的升高分布有热带、亚热带、温带和高山寒带等气候类型[23-25]，植被也呈现相应的垂直带状分布：4 000 m以下植被覆盖度无显著差异(图3b)，其中2 000 m以下多为耕地及干旱小叶灌丛，2 000～3 500 m主要为半干旱灌丛和半湿润针叶林，3 500～4 000 m多为暗针叶林；4 000～4 500 m为高寒灌丛、草甸、草原带，4 500～5 000 m为亚冰雪带，5 000 m以上多被冰雪覆盖(图2(b))。所以横断山在垂直方向上也有着“一山有四季”的说法。

图2 典型山地植被沿海拔梯度的分布格局

喀斯特山地植被覆盖状况随海拔升高呈单峰曲线变化。低海拔地区，热量、水分和光照条件较为充足[26-28]，多分布阔叶林、针叶林、灌木以及水田，植被覆盖度最大的区域出现在400～600 m的低海拔地区(图3(c))。喀斯特山区雨量较为充沛，温度对植被的生长状态影响较大，随海拔逐步升高，常绿针叶林、灌木林、草地混交地逐渐增加，随着温度进一步降低，植被生长状态受到限制；在海拔最高处多为灌木林(图2(c))。

图3 典型山地植被NDVI与海拔的关系

4 气候要素变化对植被生长的影响

不同的海拔高度上，气象要素对植被生长的影响呈现较大的差异。20世纪以来，全球温度升高，CO2排放加剧，对山地植被生长产生了巨大的影响。总体而言，3个典型山地的植被生长都有所改善，其中太行山植被改善显著(90 %以上区域NDVI呈现增加趋势，区域NDVI的平均增长率约为0.004 a-1)[22]。作为典型的水分限制性山地，水分是限制太行山植被生长的主要因素，然而随着海拔的增加，温度显著下降，逐渐取代水分成为植被生长的主要限制因素。针对太行山的分析表明：600 m以下灌木和草地生长主要受降水限制，而600 m以上温度是主要的限制因素；落叶阔叶林和常绿针叶林根系较深，水分和温度限制的分界点位于1 000 m左右。

横断山植被改善状况略逊于太行山和喀斯特，60 %的区域NDVI呈现增长趋势，其中南部的增长趋势略高于北部，区域NDVI的增长率为0.000 44 a-1。鉴于其处于亚热带气候区，雨量充沛，气温变化对NDVI的影响高于降水[29]，整个山区范围内的NDVI与温度均呈正相关；而对于降水而言，仅北部少数区域的NDVI与其成正相关，南部地区的NDVI则与其成负相关[30]。

2000年以来，喀斯特山区有湿热化趋势，植被生长状况向着良性化的方向发展(73%以上的区域NDVI呈现增加趋势，区域NDVI的平均增长率约为0.001 76 a-1)[31]。与太行山区不同，喀斯特山区雨量较为充沛，NDVI与降雨量存在负相关，与温度存在正相关，温度升高对植被生长促进作用较大，且温度升高的正效应在海拔1 200 m以下表现得尤为显著，使得常绿阔叶林、常绿针叶林、灌木林、耕地的NDVI显著增加。

5 结论

山地地形复杂，气候多变，植被类型多种多样。本文基于对太行山、横断山和喀斯特这3个典型山地的气候要素及植被变化的系统分析，得出主要结论：

(1)3个典型山地的温度和辐射均随海拔的升高而降低，降雨的垂直地带性差异较大。北太行山迎风坡存在两个最大降雨高度，而南太行只存在一个；横断山最大降雨高度位于3 700～3 800 m的背风坡上，而喀斯特山区降雨随海拔高度的升高呈微弱的降低趋势。

(2)3个典型山地植被分布在垂直方向上表现出较大共性。低海拔地区主要被耕地和灌丛占领；随着海拔的不断升高，针叶林和阔叶林的比例逐渐增加，植被覆盖度达到峰值；高海拔地区则主要被高山草甸或冰雪带所占据。

(3)温度和降水变化对山地植被生长限制呈现显著差异。水分是限制太行山低海拔地区植被生长的主要因素，而高海拔地区则主要受温度限制；横断山和喀斯特地区降雨充沛，植被生长主要受温度影响。

(2017年12月25日收稿)

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