保护区内分布有旬河、石砭峪河、乾佑河等,是长江、黄河两大水系的分水岭,是汉江、渭河支流的重要源头,支撑着沿岸数十万人民的生产生活用水,也是西安市和陕南地区的重要水源涵养地。
牛背梁保护区野生动植物资源丰富,分布有国家一级保护植物1种,即红豆杉,国家二级保护植物连香树、杜鹃兰等22种;有秦岭羚牛、林麝、金雕、豺、大灵猫等9种国家一级保护动物,血雉、红腹角雉、黑熊、黄喉貂等39种国家二级保护动物。保护区共有种子植物1268种、兽类83种、鸟类172种、鱼类8种、两栖爬行类42种。
保护区属暖温带半湿润季风气候,具有垂直差异明显的山地气候特征,年均气温2-10℃,年降水850-950毫米,无霜期130天左右。夏季温凉湿润,冬季寒冷干燥。
牛背梁保护区地处秦岭腹地,层层山峦与莽莽森林把保护区与外界尘嚣远远隔开,生态景观优美,地理人文景观、生物景观、水景景观和壮观的气象景观等交相呼应。区内怪石嶙峋,云海汹涌,奇峰高耸,幽谷碧潭,林荫葱茏,一年四季各不相同。
保护区功能区划为核心区、缓冲区和实验区,其中核心区面积5725公顷,占保护区总面积的34.9%;缓冲区面积4119公顷,占保护区总面积的25.1%;实验区面积6574公顷,占保护区总面积的40.0%。
保护区内生物多样性丰富、植被垂直分布带谱明显,被誉为动植物种的“天然基因库”,是开展科学研究、自然研学实践教育、教学实习的天然课堂和实验室。
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