秦巴山地植物南北变化与过渡模式研究

秦岭—大巴山是中国重要的南北地理分界线和生态过渡带,建立秦巴山地南北方向上植物种类组成及重要值的详细变化序列和过渡模式,对于深入认识中国南北过渡带的过渡性、复杂性及暖温带与亚热带分界线具有十分重要的科学意义。本文通过野外实地调查获取秦巴山地东、中、西部3条南北穿越样线163个采样点的植被序列数据,分析了物种丰富度、相对重要值及优势种多度的纬向变化,并将亚热带与温带物种相对重要值的差值（SND-RIV）用于表现南北方物种的优势程度,以分析和归纳植物的空间变化模式。结果表明：① 东部（三门峡—宜昌）、中部（西安—达州）、西部（天水—广元）亚热带物种丰富度及相对重要值自北向南递增,温带物种自北向南递减。东部温带物种丰富度及相对重要值在神农架和伏牛山由于海拔高度的影响出现两个峰值,中部亚热带物种在大巴山地区最高,西部亚热带物种在陇南以南超过温带物种;② 东部南北方物种的交错过渡带最宽,约180 km;中部大约在秦岭南坡至大巴山北坡之间,约100 km;西部交错过渡带偏南,约50~60 km。③ 东、中、西部山地植物纬向过渡模式和驱动因子有明显差异。东、西部自南向北亚热带物种的减少主要与年均降水量减少有关,年平均气温影响较小;中部年平均气温的作用比湿润指数稍大。本文揭示了秦巴山地东、中、西部植物的南北变化及过渡模式,提升了对中国南北过渡带复杂性和多样性的科学认识。     

中国南北过渡带研究的十大科学问题

秦岭-淮河一线在60 a前被科学地确定为中国南北分界线。此后中国地学科学家一直在探索分界线的具体位置和划分指标改进问题;随着数据的积累和认识的加深,还发现了一些新的科学问题。2017年启动的国家科技基础资源调查专项“中国南北过渡带综合科学考察”将秦岭-大巴山定义为中国南北过渡带的主体,拟全面系统地调查和研究其自然地理要素与资源问题,从而实现中国南北分界线研究的全面深化和突破。秦岭-大巴山具有多维地带性结构,表现出高度的过渡性、复杂性、多样性和敏感性。目前面临和需要研究的主要科学问题包括：① 南北分界线与南北过渡带的关系?② 暖温带与亚热带划分指标如何改进?③ 植被-土壤在南北方向上的渐变序列及其形成机理?④ 全球变化与地区关键生物气候指标空间变动的关系?⑤ 秦巴山地的多维地带性结构如何分解与综合?⑥ 秦巴山区生物多样性、特有性的格局与机理?⑦ 秦巴山地东西向廊道效应?⑧ 秦巴山地的区域环境效应及对国家生态安全的意义?⑨ 秦巴山地在中国历史发展中的特殊意义?⑩ 西秦岭的地理结构与华夏文明起源的关系?这些问题既是过去研究工作和认识的总结,也是未来一段时间内需要关注和研究的重点。希望这样的归纳和梳理对于中国南北过渡带和南北分界线的科学研究具有一定的启发和促进作用,为中国自然地理学理论发展、生物多样性和生态安全研究,甚至为华夏文明起源的研究提供新的视角和框架。     

秦巴山区马尾松林和油松林的空间分布及亚热带与暖温带界线划分

秦岭不仅是中国南北的地理分界线,也是中国亚热带和暖温带的气候分界线,在中国地理生态格局中占有重要的地位和作用。由于过渡带的复杂性、过渡性和异质性以及划分指标、研究目的的不同,学术界关于这一南北地理—生态分界线的具体位置一直有争论。为了进一步揭示秦巴山区过渡带的特征,明确中国南北地理—生态分界线的位置,本文选择马尾松（Pinus massoniana）林和油松（Pinus tabulaeformis）林这两类分别代表中国南方亚热带针叶林和北方温带针叶林的植被,结合研究区SRTM地形数据、气温和降水数据等,以年降水、最冷月（1月）气温、最热月（7月）气温和年均温为气候指标,详细分析了这两类植被在秦巴山区的空间分布及二者分界线处的气候条件。结果表明：① 马尾松林和油松林的分界线及相应位置的气候指标可以作为亚热带与暖温带界线划分的植被—气候指标之一。秦巴山区亚热带针叶林（马尾松林）与温带针叶林（油松林）的分界线位于伏牛山南坡至汉中盆地北缘一线（秦岭南坡）海拔1000~1200 m处;分界线处气候指标稳定：年降水750~1000 mm,年均温12~14 ℃,最冷月气温0~4 ℃,最热月气温22~26 ℃。② 通过综合的植被—气候指标来划分秦巴山区亚热带和暖温带的界线,能更科学地确定气候带分界线的位置及过渡带的特征,更全面地反映地表植被—气候格局的变化。此外,秦巴山区亚热带与暖温带的界线应该是由亚热带与暖温带针叶林分界线、阔叶林分界线、灌丛分界线等组成的一个过渡带。本文的研究结果为亚热带与暖温带划分指标的选取提供了一定的科学依据。     

中国南北过渡带土壤碳氮空间特征及暖温带与亚热带界限

秦巴山区是中国南北过渡带的主体,过渡带分界划分在学界一直存在争议,确定和改进划分指标对构建中国生态地理格局有重要作用。土壤作为过渡带的核心部分,其关键指标的空间分布及变异机制对识别过渡效应和区域特征有指示作用。本文基于土壤二普资料,采用空间模拟和地统计方法分析土壤有机碳/全氮空间特征及与主要自然地理要素的关系。结果显示,秦巴山区有机碳/全氮含量空间分布趋势一致,存在3个高值区、1个次高值区和1个低值区。高值区分布在秦岭、大巴山高海拔区域和嘉陵江以西山地,含量分别为15.03~71.04 g/kg、1782.61~7710.00 mg/kg;低值区沿秦岭北坡的渭河谷地、南五台山和伏牛山分布,含量分别为0.64~6.50 g/kg、110.00~885.96 mg/kg;次高值区主要在汉江两侧、秦巴山地之间海拔< 1000 m及嘉陵江两侧略高于1000 m的山体,含量介于以上二者之间,自西向东呈南北向宽幅逐渐增大的“喇叭状”趋势。综合考虑地形—植被—气候作用,发现秦岭南坡—大巴山北坡有机碳/全氮次高值区分布范围与1000 m等高线、暖温带落叶阔叶林带（含常绿成分）和亚热带常绿落叶阔叶混交林带上限、1月0 ℃等温线、7月24 ℃等温线较一致,区内1月、7月、季节和全年气温变化较小,各季降雨变幅大,该区是亚热带向暖温带过渡的主体,北界大致沿都江堰—茂县—平武—文县和秦岭南坡1000 m等高线分布,南以都江堰—北川—青川和大巴山北坡1000 m等高线为界。有机碳/全氮空间变化为亚热带—暖温带的划界提供一定依据,进一步识别典型区土壤过程及生态效应,将全面揭示土壤多维过渡特征及其变异机理。     

基于MODIS的秦巴山地气温估算与山体效应分析

秦巴山地作为横亘在中国南北过渡带的巨大山脉,其山体效应对中国中部植被和气候的非地带性分布产生了重要的影响,山体内外同海拔的温差是表征山体效应大小较为理想的指标。本研究结合MODIS地表温度（LST）数据、STRM-1 DEM数据和秦巴山地的118个气象站点的观测数据,分别采用普通线性回归（OLS）和地理加权回归（GWR）两种分析方法对秦巴山地的气温进行估算,在此基础上将秦巴山地各月气温转换为同海拔（1500 m,秦巴山地平均海拔）气温,对比分析秦巴山地的山体效应。结果表明：① 相比OLS分析,GWR分析方法的精度更高,各月回归模型的R ²均在0.89以上,均方根误差（RMSE）在0.68~0.98 ℃之间。② 利用GWR估算得到的同海拔气温,从东向西随海拔升高呈现了明显的升高的趋势,秦岭西部山地比东段升高约6 ℃和4.5 ℃;大巴山西部山地年均和7月份同海拔的气温较东段升高约8 ℃和5 ℃。③ 从南向北,以汉江为分界,秦岭与大巴山的同海拔的气温均呈现出由山体边缘向内部升高的趋势。④ 秦巴山地西部大起伏高山,秦岭大起伏高中山和大巴山大起伏中山,相比豫西汉中中山谷地,各月均同海拔气温分别升高了约3.85~9.28 ℃、1.49~3.34 ℃和0.43~3.05 ℃,平均温差约为3.50 ℃,说明秦巴山地大起伏中高山的山体效应十分明显。     

秦岭—大巴山高分辨率气温和降水格点数据集的建立及其对区域气候的指示

本文建立了秦岭—大巴山高分辨率（~29 m×29 m）的气候格点数据集,包括逐月气温和降水、年均温和年降水、春夏秋冬气温和降水。空间插值方法采用国际上较为先进的ANUSPLIN软件内置的薄盘光滑样条函数,以经度、纬度和海拔为独立变量。空间插值结果与流行的WorldClim 2.0气候格点数据集具有一致性,但是比后者更精确、分辨率更高、细节更突出。本文揭示和证实：秦岭南麓是最冷月气温的0 ℃分界线。秦岭—大巴山气温具有明显的垂直地带性。6月气温直减率最大,为0.61 ℃/100 m;12月气温直减率最小,为0.38 ℃/100 m;年均气温直减率为0.51 ℃/100 m。夏季和秋季降水从西南向东北递减,强降水中心出现在大巴山西南坡。冬季降水从东南向西北递减。大巴山是年降水1000 mm分界线,夏季降水500 mm分界线;秦岭是年降水800 mm分界线,夏季降水400 mm分界线。与大尺度大气环流对比揭示：秦岭—大巴山气温和降水空间分布主要受到东亚季风和地形因子的控制。本文进一步明确了秦岭和大巴山的气候意义：大巴山主要阻挡夏季风北上,影响降水空间分布;秦岭主要阻挡冬季风南下,影响冬季气温空间分布。本文建立的高分辨率气候格点数据集,加深了对区域气候的认识,并将有多方面的用途。     

浙江丽水太山山地常绿阔叶林的群落特征

通过样方调查,应用物种丰富度,物种多样性指数和群落均匀度等指标对分布在浙江丽水太山山地的常绿阔叶林群落类型进行了分析。结果表明,太山山地常绿阔叶林主要有3种类型(群系),即甜槠木荷林、褐叶青冈林、青冈石栎林。并对各群落类型的结构和物种组成进行了分析。在群落的垂直结构上,灌木层、乔木层、草本层的物种多样性依次降低,群落类型处于华东和华南区系的过渡带。群落生活型以中、小高位芽植物为主,群落叶的性质以单叶,革质和全缘的小叶为主。     

1960-2013年秦岭—淮河南北极端降水时空变化特征及其影响因素

基于秦岭—淮河南北气象站点逐日降水数据和全国0.5°×0.5°逐月降水格网数据,选取16个极端降水指数,辅以趋势分析、Mann-Kendall检验和相关分析等气候诊断方法,分析了1960-2013年秦岭—淮河南北极端降水时空变化特征,探讨了极端降水变化与ENSO事件的关系。结果表明:11960-2013年秦岭—淮河南北除长江下游降水呈增加趋势外,其他区域降水均呈下降趋势;2极端降水变化主要表现为:降水日数减少,降水强度上升,突发性强降水事件增多,连续性干旱事件增多;在空间上,秦巴山地、长江下游和黄河下游以极端降水强度上升为主,关中平原、巫山山区和四川盆地以极端干旱强度上升为主;3在影响因素方面,秦岭—淮河南北极端降水与ENSO事件关系密切。在厄尔尼诺年,秦岭—淮河南北春季极端降水偏多,夏季和全年偏少;在拉尼娜年,春季极端降水偏少,秋季和全年偏多。就各个区域而言,在厄尔尼诺年,黄河下游、关中平原、秦巴山地和四川盆地极端降水呈下降趋势,淮河平原极端降水呈上升趋势,长江下游和巫山山区响应并不明显。     

1970-2015年秦岭南北气温时空变化及其气候分界意义

基于秦岭南北70个气象站点观测资料,辅以极点对称模态分解方法（ESMD）,对秦岭南北近期气温时空变化特征进行分析,进而以日平均温≥ 10 ℃积温天数为主要指标,以1月0 ℃等温线变化为辅助指标,探讨秦岭山脉的气候分界意义。结果表明：① 1970-2015年秦岭南北气温变化具有同步性,呈现出“非平稳、非线性、阶梯状”的增暖过程,变化阶段可分为：1970-1993年为低位波动期、1994-2002年为快速上升期、2003-2015年为增温停滞期;② ESMD信息分解结果表明,秦岭南北气温变化以年际波动为主导,并未呈现出明显的线性增暖趋势;③ 在空间上,秦岭南北气温趋势呈现“同步增温,南北分异”的响应特征,即秦岭以北地区空间增温具有一致性,秦岭以南地区则呈现“西乡—安康盆地交界”、“商丹盆地”两个低值中心;④ 在气候变暖背景下,秦岭作为气候分界线的作用依然明显,但是南北响应方式存在差异。其中,秦岭以南,北亚热带北界沿山地“垂直上升”,汉江谷地热量资源逐年增加;秦岭以北,尽管以城市带为中心的增温区不断延展,但是冷月气温偏低的格局并未改变。     

秦巴山地垂直带谱结构的空间分异与暖温带—亚热带界线问题

秦巴山地垂直带谱结构的空间分异对于揭示秦巴山地地域结构复杂性和过渡性、探索中国复杂的生态地理格局具有重要的意义。本文从文献中搜集了秦巴山地33个山地垂直带谱,建立了秦巴山地数字垂直带谱体系,从纬向、经向和坡向3个维度分析了山地垂直带谱的结构、特征、数量、高度以及分布模式。结果表明：① 纬向上从南向北基带由亚热带常绿阔叶林带逐渐转变为暖温带落叶阔叶林带;垂直带结构由复杂逐渐变得简单;优势带由山地针阔混交林和山地常绿落叶阔叶混交林转变为山地落叶阔叶林带;② 经向上山地垂直带结构呈现复杂—简单—复杂的特征;常绿落叶阔叶混交林带和山地落叶阔叶林带的海拔呈现了二次曲线分布模式;山地针阔混交林带的海拔则呈现显著的线性降低趋势;③ 坡向方面,秦岭北坡和南坡基带均为暖温带落叶阔叶林带,但南坡含有常绿成分;大巴山北坡为亚热带常绿落叶阔叶混交林带,大巴山南坡为亚热带常绿阔叶林带;秦岭和大巴山北坡优势带类似,均为山地针阔混交林带或山地落叶阔叶林带,但大巴山南坡具有独特的山地常绿落叶阔叶混交林优势带,这表明了大巴山比秦岭更适合作为暖温带和北亚热带的分界线,但是未来还需使用土壤和气候指标进行系统的分析。     

North-south vegetation transition in the eastern Qinling-Daba Mountains

The Qinling-Daba Mountains are the main body of China's North-South Transitional Zone.Analysis of the north-south gradual variation of vegetation components is significant for understanding the structural diversity and complexity of this transitional zone.In this study,based on survey data of plant communities,the eastern Qinling-Daba Mountains is divided into four geographic units:the north flank of eastern Qinling Mts.,south flank of eastern Qinling Mts.,north flank of eastern Daba Mts.and south flank of eastern Daba Mts.We also explore division of regional climate according to areal differentiation of plant-species,com-munity structure and species-richness,respectively.The results show that,(1)at plant-species level,there are mainly northern plants in north flank of eastern Qinling Mts.with evergreen species and fewer northern plants in south flank of eastern Qinling Mts.;there are mainly southern plants in eastern Daba Mts.(2)At community structure level,there are 4 formations(3 northern formations and 1 widespread formation)in north flank of eastern Qinling,6 formations(3 northern formations,1 southern formation,and 2 widespread forma-tions)in south flank of eastern Qinling,4 formations(2 southern formations and 2 widespread formations)in north flank of eastern Daba Mts.,and 3 formations(3 southern formations)in south flank of eastern Daba Mts.In terms of the numbers and properties of formations,there is a mixture of northern and southern formations only in the south flank of eastern Qinling Mts.(3)At species-richness level,the diversity of families,genera and species decreased with increasing latitude,but the mixing of northern plants and the southern plants began to occur in south flank of eastern Qinling Mts.This means that the south flank of the eastern Qinling Mts.serves more suitably as the dividing line between China's warm temperate and sub-tropical zones.     

Spatial variation of altitudinal belts as dividing index between warm temperate and subtropical zones in the Qinling-Daba Mountains

To determine the dividing index between warm temperate and subtropical zones based on the spectra of altitudinal belts,this paper collected 33 spectra of altitudinal belts in the Qinling-Daba Mountains from published literatures and then analyzed the structures and the spatial patterns from south to north,from west to east and based on exposure directions.The results show that:1)From south to north,the basal belt gradually changes from subtropical evergreen broadleaf forest to warm temperate deciduous broadleaf forest;the spectra of altitudinal belts change from complex to simple;the dominant belt changes from montane broadleaf-conifer mixed forest and evergreen-deciduous broadleaf mixed forest to deciduous broadleaf forest.2)From west to east,the structures of the altitudinal belt spectra show complexity in the east and west but simplicity in the middle section;the upper limits of both the evergreen-deciduous broadleaf mixed forest belt and montane deciduous broadleaf forest belt present a quadratic curve distribution pattern in the longitudinal direction.However,the upper limit of the montane broadleaf-conifer mixed forest belt exhibits a nearly linear decrease in the west-east direction.3)Both the north and south slopes in the Qinling Mountains have the similar basal belt,whereas it varies greatly between the north and south slopes in the Daba Mountains.Comparably,dominant belts are very similar in the Qinling Mountains and the north slope of the Daba Mountains,but the south slope of the Daba Mountains has its own unique dominant belt:evergreen-deciduous broadleaf mixed forest.This implies that the Daba Mountains are more appropriate than the Qinling Mountains to act as the boundary between subtropical and warm-temperate zones in central China.     

全球气候变化下秦岭南北气温变化特征

选取秦岭南麓1 000 m划分方案,运用气候倾向率、线性拟合方程、Mann-Kendall非参数检验、小波分析等气候数理统计方法,分析秦岭南北气温变化特征。结果表明:近50 a秦岭南北气候变化具有同步性,增温趋势明显;在气温突变方面,关中地区气温突变(1995年)早于陕南(1998年)。通过近10 a秦岭南北气温时空格局演变分析,认为秦岭地区气温变化符合全球变化规律,其变化是自然因素和人类活动共同作用的结果,在小尺度上人类活动干扰尤为明显(特别体现在快速城市化影响气温上升)。