热带非洲山区海拔带的地形特征及地理形成机制

《Ecology and Evolution》：Patterns and Geographical Mechanism of Altitudinal Belts in Tropical African Mountains

垂直带谱结构与气候驱动机制研究——以热带非洲山脉为例。本研究整合了10座代表性山脉的23个垂直带谱数据，结合WorldClim V2.0气候数据与SRTM地形数据，通过逐步回归分析揭示气候因子对带宽的影响规律。结果表明，热带非洲山脉普遍发育5-8个垂直带，其组合模式与年降水（1050-1750mm）、温度年变化范围（9.5-21.3℃）等气候因子显著相关（R2=0.72-0.75），而带宽受年内降水波动和干湿季分布（R2=0.31-0.44）调控。研究证实云杉林带宽度与年降水呈正相关（R2=0.724），竹林带宽与最干季降水正相关（R2=0.406），揭示了水文条件对垂直带谱的主导作用。

　　在热带非洲的山脉中，不同海拔带的分布呈现出显著的差异性，这种差异性不仅体现在数量上，还表现在类型、组合模式以及垂直范围等方面。由于这些山脉具有独特的地理特征，如大量的火山锥、丰富的生物多样性以及完整的海拔带结构，因此它们成为研究海拔带形成机制的理想区域。本文通过对10座代表性的热带非洲山脉进行系统分析，探讨了气候因素如何影响特定海拔带的存在及其垂直范围，旨在揭示非洲山地生态系统复杂性和多样性，并为海拔带理论的发展提供更加坚实的科学基础。

### 研究背景与意义

非洲作为世界第二大洲，面积约为3000万平方公里，占全球陆地面积的20.2%。东非大裂谷系统（EARS）从北至南延伸超过3000公里，横贯埃塞俄比亚高原和东非高原，其中西侧为较年轻的地形，东侧则为古老且火山活动频繁的区域。该系统覆盖了从湿润的赤道地区到干旱的高地，成为全球生物多样性热点之一。在这些多样化的自然景观中，热带非洲山脉因其独特的火山地貌、丰富的植被类型以及完整的海拔带结构，展现出显著的生态特征。这些山脉通常具有五到八个不同的海拔带，构成从热带植被到冰雪带的完整海拔带谱。然而，关于特定海拔带形成的具体条件以及不同山脉之间相同类型带的垂直范围差异，目前的研究仍存在较大空白。

### 研究方法与数据来源

本研究选取了10座具有明显海拔植被分异的山脉，包括西非的喀麦隆山（4070米）、中非的鲁文佐里山（5127米）、卡里西米比山（4507米）、穆哈瓦拉山（4127米）以及埃塞俄比亚的锡米恩山脉（4620米）、巴尔山脉（4620米）、伊马通山脉（3200米）、肯尼亚山（5199米）、乞力马扎罗山（5895米）和梅鲁山（4567米）。这些山脉在空间分布上涵盖了热带非洲从北到南、从西到东的典型区域，并且它们跨越了主要的气候梯度，从年均降水量超过2500毫米的湿润赤道地区，到年均降水量不足800毫米的半干旱高地，以及干季持续3至7个月的区域。

研究团队从已发表的文献中提取了23个海拔带谱，并结合世界气候（WorldClim V2.0）和数字高程模型（SRTM 90米DEM）的数据，分析了这些山脉的海拔带垂直范围和组合结构。此外，通过逐步回归模型，研究团队探讨了气候因素如何影响不同海拔带的形成与分布。该方法不仅能够识别各海拔带的形成条件，还能够揭示其垂直范围变化的驱动因素。

### 研究结果

#### 1. 海拔带的分布与垂直范围

研究发现，热带非洲山脉通常具有五到八个海拔带，这些带从热带植被逐渐过渡到冰雪带，形成完整的海拔带谱。例如，热带山地季风雨林带（TMMRF）是这些山脉的基带，其宽度在300米至1300米之间，主要分布在海拔600至700米处。该带在喀麦隆山的东坡宽度达到最大，约为1200至2500米，其下部（1200至1500米）由耐旱的常绿树种如Lovoa swynnertonii、Chrysophyllum gorungosanum和Newtonia buchananii组成，而上部（1500至2500米）则由典型的樟树森林构成。在某些地区，如锡米恩山脉和巴尔山脉的南坡，TMMRF的宽度较窄，仅为300米左右。

同样，山地森林带（OTMF）的垂直范围通常在200至900米之间，其宽度受降水和温度的影响较大。在湿润条件下，OTMF在中央和西非的山脉以及东非山脉的迎风坡上广泛分布，其宽度可达700米。然而，在降水量较低的区域，如肯尼亚山的迎风坡，OTMF的宽度显著缩小，仅为200米。此外，OTMF还分为湿润型和干旱型，其中湿润型包含混合常绿阔叶林、针叶林和硬叶林，而干旱型则缺乏常绿阔叶林。

竹林带（OTBF）仅分布在中央和东非的山脉中，其宽度在100至700米之间。在中非的鲁文佐里山，OTBF的宽度较大，约为700米，而在东非的肯尼亚山，其宽度则较为狭窄，几乎缺失。竹林带的形成主要依赖于适中的降水和温度条件，其宽度与最干燥季度的降水量呈正相关。

云雾林带（OTCF）则在所有山脉中广泛存在，除了鲁文佐里山和锡米恩山脉。该带的宽度在100至900米之间，主要分布在海拔300至500米之间。在鲁文佐里山，由于降水季节性较低，云雾林带的宽度较小，仅为100至300米，甚至完全缺失。而在喀麦隆山，云雾林带在东西坡上宽度一致，约为600米。云雾林带的形成与持续的山地雾和降水季节性密切相关，因此它可能被归类为非典型海拔带。

最后，山地 Erica 林带（OTEF）是非洲山地森林带的上限，其宽度在100至1100米之间。该带在中非的卡里西米比山和东非的梅鲁山等地表现得尤为显著。OTEF的宽度主要受到降水季节性的影响，尤其是在湿润条件下，其宽度可达850至1100米。然而，在降水季节性较低的地区，如东非的乞力马扎罗山，OTEF的宽度显著缩小，仅为100至350米。

#### 2. 气候因素对海拔带的影响

研究还发现，气候因素在决定不同海拔带的形成和宽度方面起着关键作用。例如，TMMRF的宽度与年均降水量呈高度显著的正相关关系（R2=0.724，p<0.001），而OTMF的宽度则主要受最热月份的最高温度影响（R2=0.31，p<0.05）。OTBF的宽度则与最干燥季度的降水量密切相关，随着该季度降水量的增加，其宽度也会显著扩大（R2=0.406，p<0.05）。OTCF的宽度与降水季节性呈正相关，而OTEF的宽度则与降水季节性和最湿润季度的降水量共同作用（R2=0.753，p<0.001）。

值得注意的是，某些海拔带的宽度还受到局部地形的影响。例如，在东非的乞力马扎罗山，由于地形的差异，不同坡向的OTEF宽度存在显著差异。迎风坡的OTEF宽度较小，而背风坡的宽度则较大，甚至可达1100米。这表明，除了气候因素外，地形特征也对海拔带的形成和分布起着重要作用。

#### 3. 竹林-云雾林-Erica 组合模式

研究还揭示了非洲山地海拔带的组合模式，特别是在上山地区域。最常见的组合是竹林-云雾林-Erica（BCE）组合，即三带共存。这种组合在降水条件较为适中的地区最为常见，如中非的伊马通山脉和东非的卡里西米比山。其中，竹林带在某些区域占据主导地位，而云雾林带和Erica林带则在其他区域形成互补关系。

此外，一些山脉仅表现出单一或双重的海拔带组合。例如，在西非的喀麦隆山，由于降水充足，竹林带和Erica林带的形成受到限制，只有云雾林带在上山地区域占据主导地位。而在东非的锡米恩山脉，由于降水较少，Erica林带成为唯一的上山地植被类型。这种差异性反映了不同山脉在气候条件上的异质性，以及这些条件如何塑造其独特的海拔带组合模式。

#### 4. 坡向对海拔带的影响

坡向对海拔带的分布和宽度也产生了显著影响。在西非的喀麦隆山，由于降水充足，坡向对植被带的影响不明显，各坡向的植被带宽度相近。而在中非的伊马通山脉，由于降水季节性较高，迎风坡和背风坡的植被带宽度存在显著差异。例如，迎风坡的OTEF宽度较小，而背风坡的宽度则较大。东非的山脉，如肯尼亚山和乞力马扎罗山，由于受到季风的影响，迎风坡和背风坡的植被带分布差异更为明显。

研究还发现，不同坡向的年均降水量存在显著差异。例如，在东非的山脉中，迎风坡的降水量通常高于背风坡，且在中高海拔区域，迎风坡的降水可达背风坡的两倍以上。这种降水差异不仅影响植被带的宽度，还可能改变其组合模式。例如，在乞力马扎罗山的迎风坡，OTEF的宽度较大，而在背风坡，OTEF的宽度则显著缩小。

### 研究讨论

#### 1. 全球气候数据的可靠性与局限性

尽管本研究使用了全球插值的气候数据，如WorldClim V2.0和CHELSA V1.2，但这些数据在某些区域可能存在偏差。例如，在鲁文佐里山的西侧，CHELSA可能低估了降水，而实际观测数据显示该区域的降水较高。这种偏差可能源于局部地形对降水的调控作用，如地形对气流的阻挡效应，从而形成降水丰富的区域。因此，在使用这些数据时，应结合区域性的实地观测数据，以提高研究的准确性。

#### 2. 气候与非气候因素对海拔带的影响

除了气候因素，非气候因素如土壤特性、生物相互作用和干扰机制（如火灾和人类活动）也对海拔带的形成和分布产生影响。例如，在肯尼亚山，OTMF和OTBF之间存在相互竞争或压缩的现象，这可能与特定树种的生长特性有关。此外，某些地区由于人类活动频繁，导致Erica林带的形成受到火灾的影响，这表明人为因素在某些情况下可能成为海拔带变化的重要驱动力。

#### 3. 未来研究的方向

本研究的结果表明，气候因素在一定程度上可以解释海拔带的垂直范围，但并非唯一决定因素。未来的研究应进一步整合多种生态因素，包括生物特性、土壤特征和干扰机制，以更全面地理解海拔带的形成机制。此外，利用高分辨率遥感数据和多源观测数据，可以更精确地刻画植被带的分布模式及其与气候的相互作用。

### 研究结论

综上所述，热带非洲山脉通常具有五到八个不同的海拔带，其最显著的特征是竹林、云雾林和Erica林带的多样组合，这反映了山地环境的复杂性和植被带的多样性。特定海拔带的形成主要取决于年均温度和降水等基本气候条件，而其垂直范围则与降水和温度的季节性变化密切相关。此外，研究还强调了山地植被对气候变化的敏感性，以及在全球变暖背景下监测山地生态系统动态的重要性。

本研究的成果不仅有助于深化对非洲山地生态系统结构和功能的理解，也为全球海拔带理论的发展提供了新的视角和科学依据。通过揭示不同海拔带的形成机制和影响因素，本研究为未来山地生态系统的保护和管理提供了重要的理论支持和实践指导。