山地垂直帶研究進展與展望

山地垂直帶研究進展與展望

這座山具有狹窄的環(huán)境梯度、高度異質化的棲息地以及相對較低的人類干預強度。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，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千米的通道。它被稱為水平地帶性規(guī)律的“縮微模型”?？紤]到梯度、梯度、地質結構和土壤材料組成的差異，山地環(huán)境的復雜性和異質性給科學研究帶來了挑戰(zhàn)。應對挑戰(zhàn)是山地科學的一項基本任務。山地景觀的垂直梯度變化對人類的生產和生活產生了重要影響。相關研究包括：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引起的垂直景觀動態(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地質勘探和生態(tài)理論以及指導山地生態(tài)建設具有很強的現實意義。分析山地景觀格局可從看似無序的景觀要素鑲嵌中發(fā)現潛在的、有意義的規(guī)律,并確定產生和控制空間格局的因子和機制.在局域山地尺度,景觀格局分析通常借助各種格局指數的設計和分析來實現,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涵的理解,因此,這種僅依靠幾何特征及其數量關系計算出來的指數往往無法真正反映格局的生態(tài)效應,有時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對于格局分析和尺度轉換尤為重要.水平空間格局是地表景觀信息表達的一個方面,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)的二維地圖表達模式能夠較好地表達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,將導致地表景觀信息表達的殘缺和不完整.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致山區(qū)景觀格局變化的驅動力.在傳統(tǒng)的自然地理學和生態(tài)學研究中,山地垂直帶的認識和歸納不僅是重要的研究內容,也是重要的思路和方法,為人們認識山地復雜的環(huán)境提供了經典的手段和框架,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狀和存在的問題,以及最新的研究進展和可能的發(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合提供參考.1個連續(xù)體:從格架內土內由于山地的重要性,人類關于山地生態(tài)和地理的研究源遠流長.近代山地生態(tài)研究與近代生態(tài)學和自然地理學的誕生幾乎同步,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系的研究中,開辟了近代山地生態(tài)學研究的先河,并對后來的宏觀生態(tài)學和自然地理學的形成產生了深遠影響.中世紀以前,山地垂直帶譜的研究伴隨著人類認識世界開始萌芽,15—17世紀的地理大發(fā)現極大激發(fā)了人們對山地及垂直帶現象的研究興趣,到19、20世紀才真正出現了理性的科學定義及系統(tǒng)的研究方法.系統(tǒng)開展山地生態(tài)學研究大致始于20世紀60年代,標志之一是國際地理學聯合會于1968年成立了山地生態(tài)學委員會.1981年,國際山地學會(InternationalMountainSociety,IMS)正式成立,并創(chuàng)辦了山地研究的學術刊物《MountainResearchandDevelopment》.1992年,在巴西里約熱內盧召開的環(huán)境與發(fā)展世界首腦峰會上通過了《21世紀議程》,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,聯合國將2002年定為國際山地年,進一步引起了國際社會對山地問題的關注.山地景觀隨著海拔高度變化是所有學者的共識,但這種變化是遞變還是突變,一度是爭議的焦點.有些研究者認為植被隨著海拔高度遞變,它們是一個連續(xù)體,不論是在溫帶山地,還是水熱豐富的熱帶山地;而另一些學者則認為存在許多臨界高度,植被在此出現分帶現象,并且對不同的垂直帶進行研究,偶爾也對整個植被區(qū)系進行垂直帶劃分.垂直帶地學/生態(tài)學研究的不斷發(fā)展為這些問題的驗證提供了有效手段,普遍認為,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系的氣候帶、植被帶、土壤帶,特別是具有一定排列順序和結構的、以植被為主要標志的垂直自然帶.山地垂直分帶的研究既體現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、植被恢復和重建等方面也有較多的探討和應用.20世紀以來,隨著全球變化研究的不斷深入,人們認識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,是氣候變化早期預警系統(tǒng),甚至是氣候變化的信號“放大器”.之后,許多學者逐漸開始在全球尺度上對主要山地的垂直空間格局進行對比,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,從而可能改變群落的結構和功能特征.這在不同植被類型間的過渡帶或交錯帶表現的比較敏感,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)交錯帶和大興安嶺的興安落葉松與蒙古櫟(Quercusmongolica)等交替演進趨勢、五臺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.同時,氣候變化常伴隨著強烈的人類活動干擾及非氣候因子的影響,如二氧化碳的增肥效應、大氣氮沉降等,這些變化在某種程度上可能會掩蓋氣候變化的影響,多因子作用下植物的響應方式和變化方向將更加復雜.這是今后需要繼續(xù)關注和深入研究的領域.中國是一個多山的國家,山地面積約占國土面積的66.4%,山地垂直帶現象豐富而多樣,為地理學研究提供了廣闊的舞臺,近代中國學者對地域分異及垂直帶規(guī)律的研究做出了獨創(chuàng)性的貢獻.20世紀60年代以來,我國學者開始注重研究垂直帶與水平帶的關系,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、模式和結構進行了探討,與相鄰學科的綜合也不斷加強,甚至出現了“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程度不同,出現了不同的歸納體系,包括對重要垂直帶界線(雪線、林線等)的經向、緯向變化進行歸納.鄭度進行了垂直帶空間規(guī)律的圖形組合與歸納,對區(qū)域垂直帶的分布及空間關系有了更直觀的認識.山地垂直帶譜的結構分類是基于區(qū)域列舉的進一步工作,主要嘗試從帶譜的功能、結構方面進行劃分和歸納,包括歐亞大陸溫帶山地垂直帶譜的結構分類、青藏高原垂直帶譜的2個體系、9個結構類型組及圖形模式、青藏高原垂直帶譜的2個系統(tǒng)、12個結構類型組、19個結構類型以及中國山地垂直帶譜的2個體系、7個結構類型組、18個結構類型.上述分類的共同特點是先分為大陸性和季風性2個體系,再根據濕潤程度分出結構類型組,最后以基帶劃分結構類型.隨著野外作業(yè)的增加,山地垂直帶的空間表達逐漸從一種類型(單個山體)到多個類型組合,再到整個山體的連續(xù)表達,并開始根據基帶、優(yōu)勢帶、特征帶、垂直帶組合垂直帶譜進行結構分類.從南迦巴瓦地區(qū)9個垂直帶組成的極端復雜的帶譜結構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產生的擾動帶譜和次生帶譜,為研究山地垂直帶提供了極為廣闊的空間和豐富的內容.張百平等綜合前人的研究,將整個中國大陸范圍確定為31個水平自然帶(基帶)、32個山地垂直帶,建立了統(tǒng)一的垂直帶譜體系,歸納出垂直帶譜的3個層次、5種生態(tài)類型,將垂直帶譜系列根據地域關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80年代以來,受全球氣候變化研究的影響,我國學者在重要山地垂直帶界線(包括林線、雪線等)的機理方面進行了探討,并構建了不同形式的垂直帶界線的數學模型.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)律總結和模式歸納方面,提出了不同的數學模式和統(tǒng)計模型,而國外則多側重于山體尺度的垂直帶界線影響因素和形成機理方面的研究.2山地垂直帶研究的特點和問題2.1帶譜研究的特點影響了其官傳統(tǒng)垂直帶資料以單個點來表示整個山體(系),離散性的特點影響了其機理研究的深入.帶譜界限的精度多在百米級別,模糊性的特點直接影響對帶譜進行定量研究.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或少數幾個垂直帶界線(林線、雪線)的分布規(guī)律及地學/生態(tài)學解釋,缺乏對整個帶譜的全面分析.“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)律往往是當地山地利用模式的控制因素,對山地可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)建設極為重要.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、風甚至樹種的生態(tài)適應性等山地環(huán)境因子的影響.3不同時期山地景觀的垂直和垂直研究3.1關于靜態(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)過程和現象,同時還應考慮到生態(tài)過程的尺度效應.因此,如何建立具有生態(tài)學意義的景觀格局指數,或挖掘現有景觀格局指數的含義,已成為目前景觀生態(tài)學工作者面臨的突出問題之一.這方面已經有了一些理論思考和方法探討,如“從靜態(tài)格局分析到動態(tài)格局刻畫”、“多種景觀格局指數的聯合使用”、“發(fā)展基于過程的景觀格局指數”、“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,進一步實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用.它考慮了不同景觀類型對生態(tài)過程的影響(權重),建立的景觀格局評價指數具有一定的生態(tài)學意義,如陳利頂等建立的“景觀空間負荷對比指數”在非點源污染與土壤侵蝕等方面已經表現出了相當大的應用價值.因此,發(fā)展具有生態(tài)學意義的景觀格局分析方法是解決現有靜態(tài)格局指數問題的重要途徑之一.3.2建立山地景觀信息圖譜現代信息技術的發(fā)展使遙感影像和高分辨率地形圖的獲取越來越方便,據此進行景觀信息的識別和格局分析逐漸得到重視,如基于模式識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技術由于被限定在點、線、面的框架內,對山區(qū)的復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、全數字化和動態(tài)模擬分析的特點,其基本框架是利用遙感數據/專題地圖和DEM,用特殊二維形式來表達三維地表信息.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,更關注的是其總體模式,需要識別其單側的景觀格局;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),既不能從單側對其進行識別,也無法有效地歸納其360°全方位的變換,可按照地面坡向進行識別,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建可用數學方法識別不同尺度下的景觀格局模式,實現景觀信息的定位、定量和可視化,并提供對景觀格局的動態(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模式和數字識別方法研究、基于編程技術的原型系統(tǒng)構建等,但該領域研究仍處于探討階段,還存在以下方面的問題:1)景觀格局界線的識別問題.現有的山地垂直帶譜數字識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個垂直帶界線的交叉區(qū)域當作過渡帶.但實際上,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,如何對其進行合理識別需要結合有關專業(yè)知識設定合理的識別規(guī)則對過渡帶區(qū)域進一步劃分,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解釋提供幫助.2)山地垂直帶譜的驗證問題.山地垂直帶是一個表征地表規(guī)律性的概念模型,能反映植被頂級群落的格局狀態(tài).由于長期受人類活動的影響,現有山地景觀變得破碎和不連續(xù),無法對其進行合理驗證.因此,除了結合野外調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)或許有助于對已識別的山地垂直帶譜進行精度驗證和分析.3)山地景觀信息圖譜的屬性維問題.景觀格局分析應考慮空間維度(水平和垂直維度)、時間維度.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.這種多源地學屬性的多維集成圖譜,需進一步設計合理的識別規(guī)則和算法,最終體現山地景觀信息圖譜的信息完備性以及圖形思維、全數字化和動態(tài)模擬的特點.4)山地景觀信息圖譜的尺度效應和尺度轉換方法.在空間尺度上,第一個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,因此需要設計不同的圖譜模式;第二個尺度是圖譜的測量尺度,不同分辨率(粒度)數據識別得到的圖譜可能會有不同的模式,因此,必須通過多尺度分析,分析源數據的分辨率如何影響圖譜模式,并選擇和構建適合于不同研究對象的最佳圖譜尺度.在時間尺度上,應建立生態(tài)過程關鍵影響因子的動態(tài)變