山地垂直帶研究進(jìn)展與展望

山地垂直帶研究進(jìn)展與展望

這座山具有狹窄的環(huán)境梯度、高度異質(zhì)化的棲息地以及相對較低的人類干預(yù)強(qiáng)度。景觀多樣性和生物多樣性的聚集，具有極其豐富的生態(tài)和地理信息。同時(shí)，山區(qū)也是貧困地區(qū)、脆弱地區(qū)和環(huán)境變化敏感區(qū)的名稱。它對維護(hù)區(qū)域和全球生態(tài)安全可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。山區(qū)景觀的垂直變化梯度較大，大約是水平變化梯度的1000倍。從印版到印版的各種植被類型都可以覆蓋數(shù)千米的通道。它被稱為水平地帶性規(guī)律的“縮微模型”。考慮到梯度、梯度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤材料組成的差異，山地環(huán)境的復(fù)雜性和異質(zhì)性給科學(xué)研究帶來了挑戰(zhàn)。應(yīng)對挑戰(zhàn)是山地科學(xué)的一項(xiàng)基本任務(wù)。山地景觀的垂直梯度變化對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了重要影響。相關(guān)研究包括：例如，山地景觀的垂直梯度、季節(jié)利用模式、氣候變化以及人類干預(yù)引起的垂直景觀動(dòng)態(tài)以及對人類的影響。因此，山地景觀垂直模型的研究對于促進(jìn)地質(zhì)勘探和生態(tài)理論以及指導(dǎo)山地生態(tài)建設(shè)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。分析山地景觀格局可從看似無序的景觀要素鑲嵌中發(fā)現(xiàn)潛在的、有意義的規(guī)律,并確定產(chǎn)生和控制空間格局的因子和機(jī)制.在局域山地尺度,景觀格局分析通常借助各種格局指數(shù)的設(shè)計(jì)和分析來實(shí)現(xiàn),該方面研究多集中于景觀格局幾何特征的分析和描述,較少考慮不同景觀類型空間分布的影響,忽略了對景觀格局意義或內(nèi)涵的理解,因此,這種僅依靠幾何特征及其數(shù)量關(guān)系計(jì)算出來的指數(shù)往往無法真正反映格局的生態(tài)效應(yīng),有時(shí)甚至存在誤用和濫用的問題.除此之外,景觀格局分析與尺度轉(zhuǎn)換的信息完備性沒有得到重視,而水平方向和垂直方向上景觀信息的完整性表達(dá)對于格局分析和尺度轉(zhuǎn)換尤為重要.水平空間格局是地表景觀信息表達(dá)的一個(gè)方面,三維地表在地面投影形成的地圖是最重要的載體.這種傳統(tǒng)的二維地圖表達(dá)模式能夠較好地表達(dá)水平空間上的格局和規(guī)律,而對于山區(qū)或其他地形起伏較大的區(qū)域,直接使用地圖或來自地圖的景觀格局指數(shù),將導(dǎo)致地表景觀信息表達(dá)的殘缺和不完整.山地景觀區(qū)別于二維平面景觀的最大特征是其第三維(即垂直梯度)屬性.垂直地帶性分異是導(dǎo)致山區(qū)景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)力.在傳統(tǒng)的自然地理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究中,山地垂直帶的認(rèn)識(shí)和歸納不僅是重要的研究內(nèi)容,也是重要的思路和方法,為人們認(rèn)識(shí)山地復(fù)雜的環(huán)境提供了經(jīng)典的手段和框架,是理解山地景觀垂直分異的重要途徑.山地垂直帶研究有著悠久的歷史,本文重點(diǎn)綜述了以植被為代表的山地垂直帶規(guī)律、山地景觀格局的研究現(xiàn)狀和存在的問題,以及最新的研究進(jìn)展和可能的發(fā)展方向,旨在為山地垂直帶規(guī)律與局域尺度山地景觀格局分析的結(jié)合提供參考.1個(gè)連續(xù)體:從格架內(nèi)土內(nèi)由于山地的重要性,人類關(guān)于山地生態(tài)和地理的研究源遠(yuǎn)流長.近代山地生態(tài)研究與近代生態(tài)學(xué)和自然地理學(xué)的誕生幾乎同步,1799—1803年,Humbolt在南美Andes山脈對植被垂直分布的考察、不同海拔高度溫度的測定以及溫度與植被分布關(guān)系的研究中,開辟了近代山地生態(tài)學(xué)研究的先河,并對后來的宏觀生態(tài)學(xué)和自然地理學(xué)的形成產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響.中世紀(jì)以前,山地垂直帶譜的研究伴隨著人類認(rèn)識(shí)世界開始萌芽,15—17世紀(jì)的地理大發(fā)現(xiàn)極大激發(fā)了人們對山地及垂直帶現(xiàn)象的研究興趣,到19、20世紀(jì)才真正出現(xiàn)了理性的科學(xué)定義及系統(tǒng)的研究方法.系統(tǒng)開展山地生態(tài)學(xué)研究大致始于20世紀(jì)60年代,標(biāo)志之一是國際地理學(xué)聯(lián)合會(huì)于1968年成立了山地生態(tài)學(xué)委員會(huì).1981年,國際山地學(xué)會(huì)(InternationalMountainSociety,IMS)正式成立,并創(chuàng)辦了山地研究的學(xué)術(shù)刊物《MountainResearchandDevelopment》.1992年,在巴西里約熱內(nèi)盧召開的環(huán)境與發(fā)展世界首腦峰會(huì)上通過了《21世紀(jì)議程》,其中的專門一章討論了山區(qū)的可持續(xù)發(fā)展問題.之后,聯(lián)合國將2002年定為國際山地年,進(jìn)一步引起了國際社會(huì)對山地問題的關(guān)注.山地景觀隨著海拔高度變化是所有學(xué)者的共識(shí),但這種變化是遞變還是突變,一度是爭議的焦點(diǎn).有些研究者認(rèn)為植被隨著海拔高度遞變,它們是一個(gè)連續(xù)體,不論是在溫帶山地,還是水熱豐富的熱帶山地;而另一些學(xué)者則認(rèn)為存在許多臨界高度,植被在此出現(xiàn)分帶現(xiàn)象,并且對不同的垂直帶進(jìn)行研究,偶爾也對整個(gè)植被區(qū)系進(jìn)行垂直帶劃分.垂直帶地學(xué)/生態(tài)學(xué)研究的不斷發(fā)展為這些問題的驗(yàn)證提供了有效手段,普遍認(rèn)為,山地景觀最明顯的特征是:隨海拔增高,山地氣候、植被、土壤及整個(gè)自然地理綜合體都發(fā)生明顯的垂直分異,自下而上形成多種有相互聯(lián)系的氣候帶、植被帶、土壤帶,特別是具有一定排列順序和結(jié)構(gòu)的、以植被為主要標(biāo)志的垂直自然帶.山地垂直分帶的研究既體現(xiàn)在對山地景觀垂直分異規(guī)律的描述,也包括對其界線的控制因子和形成機(jī)理的探討方面[22,23,30,31,32,33,34,35].近年來,山地垂直分異規(guī)律在生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、植被恢復(fù)和重建等方面也有較多的探討和應(yīng)用.20世紀(jì)以來,隨著全球變化研究的不斷深入,人們認(rèn)識(shí)到山地垂直帶界限對氣候變化特別敏感,能夠比周圍低地較早地反映氣候變化,是氣候變化早期預(yù)警系統(tǒng),甚至是氣候變化的信號(hào)“放大器”.之后,許多學(xué)者逐漸開始在全球尺度上對主要山地的垂直空間格局進(jìn)行對比,特別是對雪線及森林上下限的全球比較.在高山生態(tài)系統(tǒng)中,氣候變化影響植物群落的物種組成和多樣性,從而可能改變?nèi)郝涞慕Y(jié)構(gòu)和功能特征.這在不同植被類型間的過渡帶或交錯(cuò)帶表現(xiàn)的比較敏感,如在阿爾卑斯山脈和北美山區(qū)的垂直帶界線上移、極地林線植物生長發(fā)生變化、高山林線發(fā)生上升以及我國長白山地區(qū)的落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)沼澤生態(tài)交錯(cuò)帶和大興安嶺的興安落葉松與蒙古櫟(Quercusmongolica)等交替演進(jìn)趨勢、五臺(tái)山植被帶界線的上升等,都反映了山地植被帶對氣候變化的敏感響應(yīng).同時(shí),氣候變化常伴隨著強(qiáng)烈的人類活動(dòng)干擾及非氣候因子的影響,如二氧化碳的增肥效應(yīng)、大氣氮沉降等,這些變化在某種程度上可能會(huì)掩蓋氣候變化的影響,多因子作用下植物的響應(yīng)方式和變化方向?qū)⒏訌?fù)雜.這是今后需要繼續(xù)關(guān)注和深入研究的領(lǐng)域.中國是一個(gè)多山的國家,山地面積約占國土面積的66.4%,山地垂直帶現(xiàn)象豐富而多樣,為地理學(xué)研究提供了廣闊的舞臺(tái),近代中國學(xué)者對地域分異及垂直帶規(guī)律的研究做出了獨(dú)創(chuàng)性的貢獻(xiàn).20世紀(jì)60年代以來,我國學(xué)者開始注重研究垂直帶與水平帶的關(guān)系,概括出中國濕潤森林地區(qū)和干旱草原荒漠地區(qū)2種垂直帶區(qū)域變化模式,并對垂直帶空間分布規(guī)律、模式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討,與相鄰學(xué)科的綜合也不斷加強(qiáng),甚至出現(xiàn)了“山地氣候垂直帶譜”的研究.山地垂直帶模式的研究始于垂直帶譜的區(qū)域列舉,包括分區(qū)列舉和全國系統(tǒng)列舉,由于不同階段所掌握資料的詳細(xì)程度不同,出現(xiàn)了不同的歸納體系,包括對重要垂直帶界線(雪線、林線等)的經(jīng)向、緯向變化進(jìn)行歸納.鄭度進(jìn)行了垂直帶空間規(guī)律的圖形組合與歸納,對區(qū)域垂直帶的分布及空間關(guān)系有了更直觀的認(rèn)識(shí).山地垂直帶譜的結(jié)構(gòu)分類是基于區(qū)域列舉的進(jìn)一步工作,主要嘗試從帶譜的功能、結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行劃分和歸納,包括歐亞大陸溫帶山地垂直帶譜的結(jié)構(gòu)分類、青藏高原垂直帶譜的2個(gè)體系、9個(gè)結(jié)構(gòu)類型組及圖形模式、青藏高原垂直帶譜的2個(gè)系統(tǒng)、12個(gè)結(jié)構(gòu)類型組、19個(gè)結(jié)構(gòu)類型以及中國山地垂直帶譜的2個(gè)體系、7個(gè)結(jié)構(gòu)類型組、18個(gè)結(jié)構(gòu)類型.上述分類的共同特點(diǎn)是先分為大陸性和季風(fēng)性2個(gè)體系,再根據(jù)濕潤程度分出結(jié)構(gòu)類型組,最后以基帶劃分結(jié)構(gòu)類型.隨著野外作業(yè)的增加,山地垂直帶的空間表達(dá)逐漸從一種類型(單個(gè)山體)到多個(gè)類型組合,再到整個(gè)山體的連續(xù)表達(dá),并開始根據(jù)基帶、優(yōu)勢帶、特征帶、垂直帶組合垂直帶譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類.從南迦巴瓦地區(qū)9個(gè)垂直帶組成的極端復(fù)雜的帶譜結(jié)構(gòu)到青藏高原極干旱地區(qū)以高寒荒漠為基帶直接銜接亞冰雪帶的極端簡單的帶譜類型,從基本帶譜到人類活動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)帶譜和次生帶譜,為研究山地垂直帶提供了極為廣闊的空間和豐富的內(nèi)容.張百平等綜合前人的研究,將整個(gè)中國大陸范圍確定為31個(gè)水平自然帶(基帶)、32個(gè)山地垂直帶,建立了統(tǒng)一的垂直帶譜體系,歸納出垂直帶譜的3個(gè)層次、5種生態(tài)類型,將垂直帶譜系列根據(jù)地域關(guān)系及帶譜變化的幅度區(qū)分出7種類型,并開發(fā)了中國山地垂直帶信息系統(tǒng).20世紀(jì)80年代以來,受全球氣候變化研究的影響,我國學(xué)者在重要山地垂直帶界線(包括林線、雪線等)的機(jī)理方面進(jìn)行了探討,并構(gòu)建了不同形式的垂直帶界線的數(shù)學(xué)模型.中國山地垂直分異規(guī)律研究具有自己的特色,尤其是對全國和區(qū)域尺度的規(guī)律總結(jié)和模式歸納方面,提出了不同的數(shù)學(xué)模式和統(tǒng)計(jì)模型,而國外則多側(cè)重于山體尺度的垂直帶界線影響因素和形成機(jī)理方面的研究.2山地垂直帶研究的特點(diǎn)和問題2.1帶譜研究的特點(diǎn)影響了其官傳統(tǒng)垂直帶資料以單個(gè)點(diǎn)來表示整個(gè)山體(系),離散性的特點(diǎn)影響了其機(jī)理研究的深入.帶譜界限的精度多在百米級(jí)別,模糊性的特點(diǎn)直接影響對帶譜進(jìn)行定量研究.帶譜資料多來源于野外考察或其他資料判讀,缺乏時(shí)效性.2.2直帶界線林線、雪線的研究研究工作一般只涉及某一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)垂直帶界線(林線、雪線)的分布規(guī)律及地學(xué)/生態(tài)學(xué)解釋,缺乏對整個(gè)帶譜的全面分析.“帶、線”研究多,“譜”研究少.2.3尺度比較單一地學(xué)規(guī)律具有尺度性,而且控制因素也各異.但由于資料殘缺,山地垂直帶研究多局限在大陸尺度上,研究尺度比較單一,很多巨大山系僅用一個(gè)垂直帶譜來代表,區(qū)域和局域尺度上的規(guī)律基本上未能涉及,從而掩蓋了中小尺度上垂直帶的變化規(guī)律.而這些局地規(guī)律往往是當(dāng)?shù)厣降乩媚Ｊ降目刂埔蛩?對山地可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)極為重要.2.4缺乏對山地環(huán)境的控制研究垂直帶界線及帶譜的解釋基本上仍限于氣候指標(biāo)及其選擇,即“水熱控制”方法.在區(qū)域和局域尺度上,目前還沒有考慮山體走向、地形、風(fēng)甚至樹種的生態(tài)適應(yīng)性等山地環(huán)境因子的影響.3不同時(shí)期山地景觀的垂直和垂直研究3.1關(guān)于靜態(tài)格局分析方法的研究景觀格局分析的目的不是簡單的描述規(guī)律,而是理解和解釋其中存在的生態(tài)過程和現(xiàn)象,同時(shí)還應(yīng)考慮到生態(tài)過程的尺度效應(yīng).因此,如何建立具有生態(tài)學(xué)意義的景觀格局指數(shù),或挖掘現(xiàn)有景觀格局指數(shù)的含義,已成為目前景觀生態(tài)學(xué)工作者面臨的突出問題之一.這方面已經(jīng)有了一些理論思考和方法探討,如“從靜態(tài)格局分析到動(dòng)態(tài)格局刻畫”、“多種景觀格局指數(shù)的聯(lián)合使用”、“發(fā)展基于過程的景觀格局指數(shù)”、“多維景觀格局分析”和“多尺度景觀格局分析”等,目前這些方法還處在探索階段,進(jìn)一步實(shí)踐和推廣還需要很多的工作.相對比較成功的是“源-匯”景觀理論的提出和應(yīng)用.它考慮了不同景觀類型對生態(tài)過程的影響(權(quán)重),建立的景觀格局評價(jià)指數(shù)具有一定的生態(tài)學(xué)意義,如陳利頂?shù)冉⒌摹熬坝^空間負(fù)荷對比指數(shù)”在非點(diǎn)源污染與土壤侵蝕等方面已經(jīng)表現(xiàn)出了相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值.因此,發(fā)展具有生態(tài)學(xué)意義的景觀格局分析方法是解決現(xiàn)有靜態(tài)格局指數(shù)問題的重要途徑之一.3.2建立山地景觀信息圖譜現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使遙感影像和高分辨率地形圖的獲取越來越方便,據(jù)此進(jìn)行景觀信息的識(shí)別和格局分析逐漸得到重視,如基于模式識(shí)別的景觀格局與尺度研究等.但是,遙感影像圖和專題地圖都僅反映了平面二維的信息,在地形復(fù)雜的山區(qū),大量的垂直變化、隨坡向變化的信息無法得到充分展示,特別是不能得到連續(xù)的顯示和分析;而GIS技術(shù)由于被限定在點(diǎn)、線、面的框架內(nèi),對山區(qū)的復(fù)雜變化也顯得力不從心.因此,建立全方位的、連續(xù)的“山地景觀信息圖譜”成為一種可能的解決途徑.山地景觀信息圖譜具有圖形思維、全數(shù)字化和動(dòng)態(tài)模擬分析的特點(diǎn),其基本框架是利用遙感數(shù)據(jù)/專題地圖和DEM,用特殊二維形式來表達(dá)三維地表信息.建立山地景觀信息圖譜需考慮尺度問題,單一模式無法表達(dá)多尺度的景觀格局信息,如對于大范圍的高原或狹長的山系,更關(guān)注的是其總體模式,需要識(shí)別其單側(cè)的景觀格局;對于局域尺度,相對周邊地區(qū)比較孤立的山體,圍繞360°方位的景觀具有很大差異,需從山體360°方位識(shí)別該區(qū)域的景觀信息;在地形比較破碎的山區(qū),既不能從單側(cè)對其進(jìn)行識(shí)別,也無法有效地歸納其360°全方位的變換,可按照地面坡向進(jìn)行識(shí)別,綜合考慮山地區(qū)域各起伏山峰的景觀.山地景觀信息圖譜的構(gòu)建可用數(shù)學(xué)方法識(shí)別不同尺度下的景觀格局模式,實(shí)現(xiàn)景觀信息的定位、定量和可視化,并提供對景觀格局的動(dòng)態(tài)分析(圖1).3.3垂直帶劃分問題目前,山地景觀信息圖譜研究已有了初步嘗試,尤其是以植被為主的山地垂直帶譜方面,包括山地垂直帶譜的多尺度表達(dá)模式和數(shù)字識(shí)別方法研究、基于編程技術(shù)的原型系統(tǒng)構(gòu)建等,但該領(lǐng)域研究仍處于探討階段,還存在以下方面的問題:1)景觀格局界線的識(shí)別問題.現(xiàn)有的山地垂直帶譜數(shù)字識(shí)別研究是通過不同冪次的曲線擬合獲取了垂直帶的上下線,把2個(gè)垂直帶界線的交叉區(qū)域當(dāng)作過渡帶.但實(shí)際上,山地垂直帶可能由于局域山地環(huán)境的影響而變得犬牙交錯(cuò),如何對其進(jìn)行合理識(shí)別需要結(jié)合有關(guān)專業(yè)知識(shí)設(shè)定合理的識(shí)別規(guī)則對過渡帶區(qū)域進(jìn)一步劃分,使垂直帶上下線更加確定和統(tǒng)一,為垂直帶因子提取和地學(xué)解釋提供幫助.2)山地垂直帶譜的驗(yàn)證問題.山地垂直帶是一個(gè)表征地表規(guī)律性的概念模型,能反映植被頂級(jí)群落的格局狀態(tài).由于長期受人類活動(dòng)的影響,現(xiàn)有山地景觀變得破碎和不連續(xù),無法對其進(jìn)行合理驗(yàn)證.因此,除了結(jié)合野外調(diào)查和利用高分辨率遙感影像外,通過潛在植被分布的模擬(predictivevegetationmapping,PVM)或許有助于對已識(shí)別的山地垂直帶譜進(jìn)行精度驗(yàn)證和分析.3)山地景觀信息圖譜的屬性維問題.景觀格局分析應(yīng)考慮空間維度(水平和垂直維度)、時(shí)間維度.山地植被垂直帶譜反映了植被景觀隨海拔梯度的變化規(guī)律,而山地景觀信息圖譜除了要反映植被景觀隨海拔梯度的變異規(guī)律外,還應(yīng)該考慮植被隨其他環(huán)境梯度的變異規(guī)律,以及山地環(huán)境因子(如水熱、輻射等)的垂直變化規(guī)律等問題.這種多源地學(xué)屬性的多維集成圖譜,需進(jìn)一步設(shè)計(jì)合理的識(shí)別規(guī)則和算法,最終體現(xiàn)山地景觀信息圖譜的信息完備性以及圖形思維、全數(shù)字化和動(dòng)態(tài)模擬的特點(diǎn).4)山地景觀信息圖譜的尺度效應(yīng)和尺度轉(zhuǎn)換方法.在空間尺度上,第一個(gè)尺度是對象的本征尺度.由于不同空間范圍的山地區(qū)域復(fù)雜程度不同,山地景觀信息圖譜具有不同的概括程度,因此需要設(shè)計(jì)不同的圖譜模式;第二個(gè)尺度是圖譜的測量尺度,不同分辨率(粒度)數(shù)據(jù)識(shí)別得到的圖譜可能會(huì)有不同的模式,因此,必須通過多尺度分析,分析源數(shù)據(jù)的分辨率如何影響圖譜模式,并選擇和構(gòu)建適合于不同研究對象的最佳圖譜尺度.在時(shí)間尺度上,應(yīng)建立生態(tài)過程關(guān)鍵影響因子的動(dòng)態(tài)變