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山体效应(Masserhebungseffect,Mass elevation effect)是1904年德国科学家Quervain A.D.提出的一种地理/生态现象,指阿尔卑斯山雪线和树线的分布在内部比外缘山地高。它后来逐渐被理解为由于山体的隆起产生的增温效应及其对山地植被带的抬升。山体效应对垂直带分布的影响广泛存在。在某些区域,如青藏高原,山体效应对垂直带分布的影响甚至超过了地理地带性的作用,使地带性规律发生巨大的改变。因此可以说,山体效应是地理地带性之外,在大尺度上影响垂直带分布的主要因素,它对于破解欧亚大陆乃至世界山地生态格局或垂直带分布结构和机理具有重要意义。山体效应虽如此重要,但由于地理、生态学的很多研究工作仅仅涉及中小尺度,大部分学者未能充分认识它的意义和作用,因而对它的研究一直未受到足够的重视。人们对它的认识至今还仅仅停留在感性认识的一般描述阶段,离定量的分析还相距甚远。这严重影响了人们对垂直带分布规律和机理的科学认识。
本博士论文是国家自然科学基金重点项目——基于垂直带的山体效应定量化研究(No.41030528)的重要组成部分。主要工作和结论如下:
1、山体效应的理论分析
总结了山体效应的概念、机理、影响因素等,梳理出了山体效应研究的历史脉络。自1904年Quervain A.D.提出山体效应的概念至今,世界上先后有很多学者关注过山体效应现象,并试图从气象学或植物生理学的角度解释山体效应现象的产生。从山体效应对山地垂直带的控制机制之一的角度来考虑,本博士论文将山体效应理解为热量要素的聚集和重分配,主要产生增温效应,它对山地植被(垂直带)的分布具有明显的抬升作用。影响山体效应大小的因素有:山体基面高度、山体面积、距大地形边缘的距离、山体周围的地形状况等。
2、数据收集与处理
本研究以欧亚大陆为研究区域,所用到的数据主要包括3类:林线分布高度数据、高山草甸分布高度数据和雪线分布高度数据。这些数据主要来自期刊、垂直带专著以及各种考察报告。获取相关文献后,根据制定的数据预处理原则,采取人工录入的方式,将数据导入“欧亚大陆山地垂直带信息系统”。研究区域范围内的林线、高山草甸、雪线以及数据点所在的经纬度、山体基面高度数据可直接从系统中提取。本文共涉及的林线数据320个、高山草甸下线数据166个、高山草甸上线数据126个、雪线数据142个,数据的具体信息和文献来源见附录。
3、山体效应对主要垂直带界线的影响分析
根据基面高度从山体外部向内部增高的变化趋势完全与山体效应本身相一致的特点,本研究提出以山体基面高度为山体效应的代用因子,与纬度、经度一起建立三元一次回归模型,比较3者的贡献率,得到山体效应对主要垂直带界线(林线、高山草甸和雪线)分布高度的影响程度。主要结论如下:
(1)山体效应是影响欧亚大陆林线高度分布的主要因素
整个欧亚大陆,山体效应(基面高度)对于林线分布高度的贡献率高达52.09％,超过了纬度和经度对林线分布高度的作用之和。欧亚大陆东部纬度、经度和基面高度的贡献率分别为20.49％,25.75％,53.76％。而欧亚大陆西部纬度、经度和基面高度对于林线分布高度的的贡献率分别为77.23％,4.91％,17.86％。包括青藏高原在内的欧亚大陆东南部纬度、经度和基面高度对于林线分布高度的的贡献率分别为29.86％,25.56％,44.58％。
(2)纬度是影响欧亚大陆高山草甸分布的主要因素
整个欧亚大陆,纬度、经度和山体效应(基面高度)对于高山草甸下线分布高度的贡献率分别为62.51％,3.91％,33.58％；欧亚大陆东部纬度、经度和基面高度的贡献率分别为54.04％,21.74％,24.22％;欧亚大陆西部纬度、经度和基面高度对于高山草甸下线分布高度的的贡献率分别为57.33％,6.49％,36.18％。整个欧亚大陆,纬度、经度和山体效应对于高山草甸上线分布高度的贡献率分别为67.01％,6.51％,26.48％。包括青藏高原在内的欧亚大陆东南部纬度、经度和基面高度对于高山草甸下线分布高度的的贡献率分别为56.20％,15.20％,28.60％;对于高山草甸上线分布高度的的贡献率分别为60.57％,8.98％,30.45％。
(3)纬度是影响青藏高原及其周边地区雪线分布的主要因素
青藏高原及其周边地区,纬度、经度和山体效应(基面高度)对于雪线分布高度的贡献率分别为51.49％,16.31％,32.20％。
(4)山体基面高度是影响山体效应大小的第一要素
比较分析不同基面高度山地上林线与基面高度的关系发现,基面高度在200m、500m、800m以下的山地上,基面高度较低,山体效应的贡献率一般在10％以下。随着山地的基面高度升高,其贡献率也逐渐增大。分析山体效应与高山草甸和雪线的分布的关系时也发现了类似的规律。该结果定量地证实了基面高度是山体效应的第一影响因子,大尺度上的研究可以作为山体效应的代用因子。
(5)山体效应对于不同垂直带分布的影响具有差异性
在欧亚大陆尺度上,对于高山草甸下线和上线来说,纬度是影响其分布的决定性因素,贡献都在60％以上。影响欧亚大陆林线分布高度的决定性因素则是山体效应,基面高度的贡献率高达52％以上。青藏高原及其周边地区,纬度对于雪线分布高度的贡献率也显著高于山体效应的贡献率。该结果说明山体效应对于不同垂直带分布影响具有差异性。
3、不足之处与今后研究建议
(1)对山体效应机理的认识有待加强
山体效应概念的产生后的100多年中,有不少学者从气象学和植物生理学的角度试图破解山体效应现象的产生。虽然这些观点解释山体效应现象都有一定的局限性,但一定程度上会加深我们对山体效应的认识。山体效应产生的机理,在不同的区域和尺度上应该是多元的,研究过程中不应该笼统草率地将它等同于山脉自身的增温效应。今后的研究需要注意发掘更多关于山体效应机理研究的文献,融会贯通,力求对山体效应机理的认识更加全面深化。
(2)山体效应对不同垂直带界线的影响程度不同,其机理需要进一步解释
第4章、第5章和第6章研究表明,山体效应对相同尺度和区域的林线、高山草甸和雪线分布的影响是有显著差别的:对处于垂直带谱中上部的林线作用最大,对高山草甸和雪线的作用相对较小。基于现阶段的研究,本文未能对这种结果的产生给出较满意的解释,具体原因还需要进一步的分析和验证。
(3)山体效应间接定量化模型有待改进
模型中以经度作为水平方向上水分分异的指标在欧亚大陆的东部和西部的中纬度地区比较合适,但对于整个欧亚大陆,气候是大陆两岸向中央逐渐变干的,特别是在南、北边缘带,经度的增减与气候的干湿度分异并非线性的关系甚至没有关系。因此,以经度表示气候干湿度的分异对数据分析的结果会产生一定的影响。用大陆度或其他能够表示水分条件的指标来代替经度应该更加适合。今后的研究应该考虑比较简洁合理的大陆度计算公式或有关干燥度指标,将它(们)引入模型,可以取得更科学的计算结果。
(4)应充分利用遥感数据研究山体增温效应
遥感数据,特别是MODIS数据,提供了大尺度地面温度的信息,在一定程度上解决了大面积山地温度的问题。但需要与气温联系起来分析,特别是与垂直带界限的变化联系起来分析,才能更深刻认识山体效应的作用、揭示山地垂直带谱的形成机理。