1、中国山地垂直带信息图谱的探讨 张百平, 周成虎, 陈述彭 (中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101) 1 山地垂直带谱与地学信息图谱 山地垂直带谱结构能反映山地的基本特征，对它的分析研究是揭示山地环境结构的基本模型方法，也是传统地学的经典范式之一。山地垂直带研究可以追溯到 19 世纪德国地理与博物学家洪堡德对南美安第斯山的观察和研究。多年来山地垂直带研究是传统自然地理学研究的重要内容及研究山地最基本的方法。20世纪 30 年代，人们开始对全球主要山地相似垂直带的空间分布规律进行比较，特别是雪线及森林上下限的全球比较1。中国南北跨越几乎所有类型的温度带
2、，东西穿越湿润森林到极干旱荒漠的所有干湿景观，特别是拥有世界上最广阔的高山及世界上独一无二的青藏高原，生态环境极为复杂多变，因而发育了世界上最为丰富多彩的山地垂直带谱。山地垂直带研究因而成为中国地学和植物学界一直关注的重要内容。60年代以来特别注重研究垂直带与水平地带的关系，概括出湿润森林地区和干旱草原荒漠地区 2 种垂直带区域变化模式，并确立了“垂直带结构的地带性原则”，即垂直带性从属于水平带性。20 世纪 70 年代地理学计量革命，人们开始对垂直带空间分布与水热条件的定量关系进行分析2-4。德国景观生态学创始人Carl Troll 强调了山地三维垂直带的重要性和意义1；侯学煜先生比较全面地
3、勾画出中国山地植被的分布格局及生态法则，还强调植被三维地带的“相对性”，以防止人们把三维地带规律绝对化5-7。张新时概括了中国山地植被垂直带的 7 个基本生态地理类型，还根据青藏高原植被三维变化的特点提出了青藏高原特有的“高原地带性” 8,9。姜恕则考虑了高原植被地带与毗邻地区的衔接、过渡与联系，认为“横空出世的高原植被地带不是独立于全国和亚洲中部植被系统之外的独特体系” 10。王秀红提出了“层带”的概念，并用三维的方法表达青藏高原高寒草甸的空间分布趋势11。垂直带的表达也随着野外作业的增加，从单个山段一种类型到多个类型组合，再到整个山体的连续表达，并开始根据基带、优势带、特征带、垂直带组合垂
4、直带谱进行结构分类12-14。当然，中国曾经研究过山地垂直带的专家还有很多(例如，马溶之、李世英、文振旺、陈传康、景贵和、刘胤汉等)。 山地垂直带谱结构能反映山地的基本特征，对它的分析研究是揭示山地环境结构的基本模型方法，也是传统地学的经典范式之一。但整个来说，山地垂直带的表达和研究仍然处于比较直观的阶段。虽具有图形思维的功能，但缺乏数字化特性及表现手段；特别是缺乏统一的标准规范和分类级别体系。另外，掌握的山地垂直带谱的数量也不够充分，带谱变化的规律性难以完整概括。这些都影响了它的区域推论功能，使垂直带谱研究一直停留在传统地理研究的水平上。 地学信息图谱 (Geo-info-spectrum)
5、 是空间时代与信息时代的产物15，是计算机化的地学图谱。它的主要特征包括：(a) 图形思维模式；(b) 全数字化；(c) 动态模拟分析。到目前为止，已经对它的定义、概念、分类、研究方法等作了多方位的研究15-18。但地学信息图谱作为全新的研究方法和思想体系仍处于探索阶段。 根据作者的理解和认识，地学信息图谱可以分成空间信息图谱、时间信息图谱及时空信息图谱。山地垂直带谱，无论是单个垂直带谱 (从山脚到峰顶) 还是多个带谱系列都特别具有“谱”的特性，可以理解为一种空间信息图谱。从地学信息图谱研究的角度来看，山地垂直带谱研究要上升到地学信息图谱的高度，应该解决以下几个重要的问题：(1) 山地垂直带的
6、标准化；(2) 山地垂直带的数字化；(3) 山地垂直带谱等级/分类体系的建立；(4) 山地垂直带 (谱) 与地理区域的数字联系 (定位)。 2 标准垂直带及带谱体系 山地垂直带及带谱研究过去存在诸多问题。例如：(1) 垂直自然带与植被带混淆：两者在多数情况下是一致的，但有时不一致；(2) 垂直带与垂直亚带 (垂直带内部分异) 混淆，有些山区垂直带分的过于细腻，与其它山区无法进行对比；(3) 不同自然地带内名称相同的垂直带性质可能有较大差异。这些都起因于对垂直带概念理解的模糊性。澄清和解决的根本途径就是给垂直带一个明确的定义，即解决山地垂直带标准化问题。 2.1 基带的标准化 基带就是山体所处的
7、水平自然地带。它是决定垂直带谱结构最重要的因素。地表每一个自然地带内发育基带相同的带谱。每一个自然地带包括可以代表自然界水平分异特性的土类和植被群系纲。黄秉维先生将全国区分出 28 个自然地带19。本文将其中青藏高原的 5 个自然地带用后来更详细的研究结果取代，即采用郑度先生 1979 年的结论208 个自然地带。高原由于本身的广度 (250104 km2)，自东南向西北依此发育了山地森林/灌丛地带，高寒草甸地带，高寒草原地带，高寒荒漠地带。这种地带格局在世界上是独一无二的。高原的垂直带就是在这种地带格局基础上发育的，也是基带。因而在理论上中国具有 31 个标准基带(表 1)。另外，在青藏高原
8、的边缘山地，由于特殊的生态现象发育了干热谷地灌丛及高海拔山地荒漠，它们构成特殊的或过渡的基带类型。 2.2 山地垂直带标准化 为了保持水平地带与垂直地带的一致性，山地垂直带也应采用相同的定义：即垂直带包括可以代表山地垂直分异特性的土类和植被群系纲。采用这样的严格定义，就把垂直地带规范为“垂直自然地带”。如此可以避免上述很多问题，同时分析水平地带与垂直地带的关系就有了共同的平台。 2.3 垂直带谱体系 在山地垂直带数字化和标准化基础上就可以探讨垂直带谱体系的建立问题。由于纬向地带性、经向地带性和垂直地带性的共同作用，不同地区、不同山体甚至相同山体的不同地段和坡向发育了不同的垂直带谱。如前所述，张
9、新时将中国山地垂直带谱归纳为 7 个基本生态地理类型8；刘华训分析了中国水平地带与垂直地带关系后进而归纳了 14 个基于地带性的带谱类型2。郑度、张百平对喀喇昆仑山-昆仑山区的垂直带谱进行过结构分类12-14。我们的研究认为，山地垂直带谱与其他地理现象一样，在不同尺度上有不同的表现，可以对他们进行分级并形成完整的等级分类体系。这是山地垂直带上升到地学信息图谱不可缺少的重要一步。 2.3.1 第一级垂直带谱“带谱系列” 根据山地垂直带的地带性原则，垂直带谱的性质主要取决于基带类型。因而，基带类型构成垂直带谱分类的一级因素，即首先根据水平自然地带 (基带) 类型将垂直带谱进行区分。由上述可知，中国
10、有 31 个基本带谱系列和若干特殊带谱系列。 2.3.2 第二级垂直带谱“带谱群组” 基带相同的带谱，由于所处地理位置和区域气候的差异，垂直带组合、垂直带数量等可能会有很大不同。其中那些具有环境标识的垂直带 (如干旱山区的森林带、高山草甸带，横断山区的干旱谷地灌丛/草原等) 特别能反映所在山区环境的特点。这些垂直带可以称之为“特征垂直带”。根据特征垂直带的有无或发育程度可以将一个带谱系列分成若干“带谱组群”，即二级垂直带谱。昆仑山北坡垂直带谱集中反映了二级带谱的结构变化 (图 1)。基带同为暖温带荒漠，带谱 1含有山地森林 (草原) 带，带谱 2 缺少山地森林 (草原) 带，但仍具有高山草甸带
11、；带谱 3 缺少森林带和草甸，但具有山地草原带和高山草原；带谱 4 中山地森林带、草甸带及草原带全部消失。在暖温带荒漠带谱系列中，就可以区分出中干旱带谱群组、干旱带谱群组、超干旱带谱群组和极干旱带谱群组12。二级带谱之间的差异主要反映自然地带内水分条件的地域分异格局。昆仑山北坡 4 个带谱群组揭示出山地森林及高山草甸带的依次消失，反映中高山区自然环境自西向东逐渐变干的总体趋势。 2.3.3 第三级带谱“带谱类型” 具有相同的垂直带数量和组合，但优势垂直带 (宽度最大的垂直带)或相同垂直带的上下界限有差异。天山北坡可以作为典型的例子 (图 2)。这里所有垂直带谱属于一个带谱类型，都只具有 4 个
12、垂直分带 (山地森林、高山草甸、山地草原、山地荒漠)，垂直带数量和带谱结构完全一样，但各分带的上下界限高度、垂直幅度都有差异。这反映区域局部因素以及人类活动的共同作用。山地垂直带谱系统结构可以归纳为表 2。二级和三级带谱在不同自然地带内分化的表现可能有很大差异，可以根据具体情况逐步进行补充和完善。 2.4 山地垂直带谱的生态分类 山地是由若干垂直带有机组成的巨型复杂生态系统。可以从生态变化的角度，对山地垂直带谱进行生态分类。根据我们对中国垂直带谱的分析，可区分出 5 类生态类型： 2.4.1 顶极垂直带谱 指任何一个自然地带内在有足够高度的山地上发育的垂直带最丰富、结构最完整的带谱。根据这一定
13、义，自然地带内可能已经发育了顶极带谱，也可能由于缺乏高山而没有发育。顶极带谱的概念与顶极群落的概念相似，前者与一定的自然地带和山体高度相联系，后者与一定的气候条件相联系。根据这样的定义，每一个地带或一个带谱系列有一个顶极垂直带谱，那么中国理论上就应有 31 个顶极垂直带谱及若干特殊顶极带谱。顶极带谱的概念提供了一定自然地带内潜在的带谱结构，能够作为分析和研究地带内各种带谱的标准参照系。 2.4.2 基本垂直带谱 正常发育在相应于水平地带内的垂直带谱，包括在青藏高原上发育的高寒垂直带谱。 2.4.3 过度/特殊垂直带谱 特殊的地生态现象产生的带谱类型。例如，横断山区存在特有的干旱河谷现象，从而在
14、基带之下发育了河谷灌丛带 (图 3)；昆仑山腹地发育了以山地荒漠为基带的垂直带谱(图 1)，它可以看成是暖温带荒漠带谱向青藏高原高寒荒漠带谱过渡的带谱类型。 2.4.4 扰动垂直带谱 垂直带受到人类活动的扰动，主要表现为垂直带界限及生态过程发生了明显变化，但垂直带没有发生质的变化。例如天山北坡山地森林带，20 世纪 50 年代以来，森林下限平均上升了100 m。而且由于砍伐，森林生态也发生了极大变化21。但山地森林作为一个完整的垂直带并没有发生质的变化。 2.4.5 次生带谱 人类活动强度较大，使某一垂直带几乎消失或产生了新的垂直带。暖温带中条山的基带本应是落叶阔叶林，但实际上却是山地灌丛带，
15、即山体底部人为地改变为一个新的垂直带。原有的带谱结构发生了巨大变化。顶极带谱实质上是理想的垂直带谱；基本垂直带谱及过渡/特殊垂直带谱是自然界一般规律和局部规律的反映；扰动带谱和次生带谱反映人类活动对山地环境结构的影响程度。 3 数字山地带谱 传统的地理学家将垂直带谱及系列直接画在纸上，很多情况下不得不设计复合套接图例 (图-图例-图例说明)2。由于没有数字化，垂直带图一旦做好，无法变动，特别是无法进行多系列带谱分析。对于山地垂直带谱的深层结构，对于垂直带谱结构的细微变化所反映的山地环境复杂性以及不同垂直带谱之间的内在联系都难以进行有力度的分析和研究。 全数字化是地学信息图谱的 3 大特征之一。
16、为了进行山地垂直带信息图谱的研究，必须首先解决垂直带谱的数字化问题，也就是实现垂直带数据与带谱图的动态数字连接。我们的研究工作揭示，垂直带谱数字化的关键是构建垂直带谱数据结构及建立垂直带谱数据表。为了适应从数据到数字图的转换，必须进行数据变换，将垂直带的上下限高度相减，得到垂直带的宽度。其次是确定各垂直带的排序问题，要求将所有垂直带进行排列，其原则是排出的序列包含并适合每一个带谱，不允许出现垂直带倒置现象。如果某一垂直带在特定带谱中不出现，则数值为零。如此构建的垂直带谱数据表就可以利用 Excel 或 ArcView 图表导向中的堆积柱形图生成要表达的山地垂直带谱系列。以昆仑山为例构建垂直带数
17、据表 (表 2)，得到相应的数字垂直带谱图 (图 1)。此种方法实现了垂直带数据与带谱图的动态连接，实现了垂直带谱的二维数字化，大大增强了带谱的可视性；更重要的是，该方法可以将全国甚至全世界的山地垂直带谱纳入一个数据系统，并可进行各种组合和规律分析。 4 垂直带谱的空间变化模式 经过对中国山地垂直带谱的收集和分析，本文将垂直带谱系列根据地域关系及带谱变化的幅度区分出 7 种类型 (表 3)： 4.1 同构模式 同一坡向山地垂直带谱不但具有相同的基带，而且各个带谱具有相同的垂直带数量和排列顺序，但垂直带的高度和宽度却不尽相同。以天山北坡为例，基带是中温带山地荒漠 (图 2)。优势垂直带差别较大。
18、有的只有一个优势带，有的 2 个；有的是山地森林，有的是山地草原，有的是高山草甸。反映天山北坡自西向东环境平稳变化的特点。此模式反映山地环境的微弱变化或相对一致。 4.2 结构递减模式 昆仑山北坡带谱的变化与天山北坡有明显不同 (图 1，2)。这里基带虽然相同，但垂直带数量及带谱结构有较大差别。北坡带谱 1 具有夹带山地森林的山地草原带，其它带谱则没有。因此夹带山地森林的山地草原带成为北坡 1 谱的特征带。北坡 2 谱具有发达的高山草甸带，也构成其特征带。自带谱 1 到带谱 4，垂直带数量随环境变干逐渐减少，结构逐渐简化。此类变化模式反映山地环境随走向变化较为强烈。天山北坡与昆仑山北坡垂直带谱
19、系列比较可以看出，天山北坡垂直带谱是在同一量级内部的分化，带谱结构没有发生质的变化；昆仑山北坡垂直带谱的变化幅度则已超出同一量级，带谱结构发生了巨大变化，已经处在不同类别之间。如果没有垂直带谱结构的差异分析，天山与昆仑山北坡的这种差异就难以揭示。 4.3 突变模式 对于东西向的巨大山系来讲，由于山体对冷暖气流的阻挡作用，山体本身形成气候与地域上的界线 (如秦岭、天山等)，南北翼往往具有截然不同的气候条件，因而处于不同的自然地带甚至温度带之中。南北翼不但基带不同，而且同种或相似垂直带发育的高度可以有较大差别甚至相当悬殊。例如在昆仑山 (图 1)，山地荒漠在北坡上升到 3000 m，在腹地可上升到
20、 4500 m，相差 1500 m。东喜马拉雅南、北翼的差异也是较好的例子。短距离内的这种大梯度变化我们可以称之为“突变模式”。同脉不同侧翼垂直带谱的差异反映相邻水平地带山地环境的差异。 4.4 纬向递减模式 从低纬到高纬，山地垂直带谱结构逐渐简化 (从热带山地的 78 个垂直带到寒温带山地的 23 个)，各垂直带高度也相应下降 (递减率每增加一个纬度下降 150?0m)8。这是山地垂直带谱变化在宏观尺度上的基本规律。中国东部季风区是较好的例子 (图 4)。 4.5 经向减升模式 从大陆边沿到中心，区域气候从湿润森林变为干旱荒漠。山地森林垂直带数量减少甚至消失，但海拔高度则逐渐上升。这主要与干
21、旱山区最大降水带界限上升有关8。 4.6 阶梯递增模式 从青藏高原边缘向内部垂直带谱发生的规律性变化。基带不仅升高而且发生类型变化，第二垂直带转换为基带。以昆仑山为例 (图 1)，山地荒漠在北坡为第二垂直带，腹地则成为基带，而且上限上升了 1000 多m。由腹地向藏北高原，作为垂直带的高寒荒漠转变为基带，只是高度没有大的变化。 4.7 高原叠加模式 高原地带上进一步发育的垂直带谱。其本身往往比较简单，一般 34 个垂直分带。但它们发育的基带具有特殊性-高原地带，因而从性质上讲，它们是复合带谱的组成部分。其现象是复杂的，表现形式是简单的。 5 结论与讨论 (1) 山地垂直带的标准化、数字化、完整
22、体系的建立及与地理区域的数字联系是山地垂直带研究从传统范式提升到地学信息图谱的必要步骤。 (2) 山地垂直带谱数据表的创建实现了带谱的数字化，并且可以将全国甚至全世界所有山地垂直带谱纳入统一的数字体系之中，进而可以进行全面的定量分析。 (3) 带谱的标准化涉及基带的标准化和垂直带定义的明确性。根据本文的定义，中国有 31 个标准基带及若干特殊基带。垂直带应该是严格的意义上“垂直自然地带”。 (4) 完整的带谱体系由三级构成：带谱系列、带谱群组和带谱类型。 (5) 根据发育过程，山地垂直带谱可以分成顶极带谱、基本带谱、过渡/特殊带谱、扰动带谱和次生带谱。(6) 带谱的空间变化可以归纳为 5 种模
23、式：同构模式、结构递减模式、突变模式、纬向递减模式、经向减生模式、阶梯递增模式和高原叠加模式。 (7) 山地垂直带谱描述山地环境的结构特征。每一种带谱所反映的地学信息目前还未能充分挖掘，系列带谱所反映的地理信息更未能全面挖掘。深入比较和分析垂直带信息图谱 (带谱系列)，可以揭示更多的地学信息；如何从垂直带结构分析来挖掘深层次的地学信息，是我们今后的重要课题之一。 (8) 如果掌握更详细更丰富的垂直带谱系列，就可进行更详细的带谱结构研究。今后需要利用 RS/GIS 手段及野外工作，收集尽可能多的带谱，便于进行山地垂直带信息图谱的深入研究。 (9) 山地垂直带谱除了数字结构和体系外，地理位置是必不
24、可少的。建立带谱的地理位置就是将带谱与一定的地理区域进行数字连接。其方法主要有两种：简单的方法是利用 MapInfo 公司为 Microsoft Excel提供的数据地图及格式，能较为简明地实现了这个功能。较为专业的方法是在 GIS 软件 (Arcview 或ArcGIS) 里进行二次开发实现带谱与地理位置的数字连接。 The Geo-info-spectrum of Montane Altitudinal Belts in China ZHANG Baiping, ZHOU Chenghu, CHEN Shupeng (Institute of Geographic Sciences and
25、 Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China) Abstract: This paper constructs a special data structure model for montane altitudinal belts(MABs) and thereby realizes their digitalization and visualization. A three-level hierarchy is drawn for MABs classification: the first level is “spect
26、ra series“ with the same base belt. A total of 31 basic spectra series can be generalized for China; the second level is “spectra group“ with the same characteristic belts; the third level is “spectrumtype“ with the same structure of MABs. Seven models are identified for the spatial variation of MAB
27、s: (1) identical structure model; (2) structure-thinning model; (3) mutation model; (4) latitudinal descending model; (5) longitudinal thinning-rising model; (6) step-ascending model; and (7) superimposed model. Five ecological types of MABs are also distinguished as follows: (1) climax MABs related
28、 with regional climate; (2) standard MABs related with main mountains; (3) special/transitional MABs related with special geoecological phenomenon; (4) disturbed MABs related with human disturbances; and (5) secondary mabs related withintensive human activities. Digital comparison and analysis of ma
29、bs could reveal more geographical information than ever before. Key words: geo-info-spectrum; digital spectrum; hierarchical system; China参考文献： 1 Troll Carl (ed.). Geoecology of the High Mountain Regions of Asia. Steiner, Wiesbaden, 1972. 2 Liu Huaxun. The vertical zonation of mountain vegetation in
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