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桂林市位于南岭山系西南部，地处湘桂走廊南端，广西东北部，地理坐标为东经 109°36'50''～111°29'30''，北纬 24°15'23''～ 26°23'30''，境域南北长 236 千米，东西宽 189 千米，土地总面积约 278 万公顷，占广西总面积的 11.74%。桂林市北部、东北部与湖南省的 8 个县（市）交界，东南部与贺州市毗邻，南部与来宾市、梧州市相接，西部、西南部与柳州市接壤，区位条件优越。
桂林市地形为西部、北部及东南部高，中部较低。以中山或低中山地形为主，山峰海拔多在 1 000 米左右，越城岭主峰猫儿山海拔 2 141.5 米，为华南第一峰；越城岭主峰真宝顶海拔 2 132.4 米，为广西第二高峰。平乐县海拔低至 97 米。山峰与盆地间的相对高差为 600 ～ 1 600 米，坡度 20°～ 45°。市区东西两侧为低山丘陵地形，海拔 300 ～ 600 米，相对高差 200 ～ 300 米；南北两端为低缓的丘陵。岗垄丘地形，海拔 160 ～ 200 米，相对高差 10 ～ 20 米，中部为典型的岩溶地貌，峰奇水美，呈现为岩溶峰林及地势开阔平坦的孤峰平原和河谷阶地，地面海拔 150 ～ 160 米，峰顶海拔 200 ～ 300 米。越城岭、海洋山和都庞岭构成了珠江和长江水系的分水岭。在分水岭南北两侧，沿湘江和漓江河谷，形成西南—东北走向的兴安—全州河谷平原和西北—东南走向的岩溶山地—河谷平原区，因此从全州县、兴安县到灵川县，桂林市区一线有“湘桂走廊”之称，是广西的东北门户。整个桂林市范围内，丘陵山地面积占总面积比例达 79%，其中，中山占总面积的 51%，低山占 12%，丘陵占 16%，而平原占 19.5%，水面仅为1.5%。
桂林市地质结构复杂，既有喀斯特地貌，又有丹霞地貌。桂林地质发展的历程经历 8 亿多年，包括上元古界、下古生界、上古生界、中生界、新生界的 13 个系 50 个地层单位，其中以泥盆系、石炭系分布最为广泛，典型发育，层序清晰，化石丰富，沉积类型多样，表面为碳酸盐岩台地相，最终形成世界闻名的桂林山水岩溶地貌。组成桂林地层的岩石有岩浆岩和变质岩两大类。其中，岩浆岩较广泛，主要分布于龙胜各族自治县、资源县、全州县、灌阳县、兴安县、平乐县等地，火山岩和基性侵入岩仅分布于龙胜各族自治县部分乡镇，花岗岩分布面积最广，在龙胜各族自治县、资源县、兴安县、全州县、灌阳县等多个地区均有分布，脉岩主要分布于越城岭、海洋山、都庞岭等区域。桂林境内有变质岩，主要为区域变质岩，分布于永福县、兴安县、全州县以北一线。
桂林市处于低纬度地区，属于亚热带季风气候。全年气候温和，雨量充沛，光照充足，空气湿润。桂林四季分明，季节性强，春季（3—5 月）温度升至 12℃以上，降水增多，空气湿度大，光照偏少；夏季（6—8 月）阳光明媚，雨水较多，平均气温在 27.5℃；秋季（9—11 月）降水偏少，经常出现干旱现象，平均气温在 20.9℃；冬季（12 月至翌年 2 月）雨雪稀少，平均气温为 9.7℃，偶见低于 0℃的气温，时有霜冻现象发生。
气温：桂林市多年平均气温约为 19℃，气温由北向南呈递增趋势，最北部资源县年平均气温约为16.8℃，中部兴安县等地年平均气温约为 18.2℃，南部地区年平均气温约为 20℃。7 月、8 月最热，平均气温约 28.5℃；1 月、2 月最冷，平均气温约 8.3℃，偶尔降到 0 ℃以下。
光照：桂林市多年平均日照时数约为 1 487 小时，1—4 月多阴雨，光照少，月日照时数不足 80 小时；7—10 月多晴天，光照充足，月日照时数在 150 小时以上。
降水：桂林市降水丰富，年平均降水量在 1 900 毫米以上。降水量的年际变化与季风活动强弱密切相关，如 2002 年受环流影响，桂林市降水量达到 2 807.9 毫米，而 2011 年全年降水量仅为1 254.3 毫米。降水的月际分布和空间分布差异较大。从月际变化来看，3—8 月为雨季，月降水量在 100毫米以上；4—7 月，月降水量在 200 毫米以上；而 5—6 月为降水高峰期，月降水量在 300 毫米以上，降水集中，暴雨多发，局部地区容易引发洪涝等灾害。在 8 月中下旬至翌年 3 月上旬，降水量显著降低，干旱现象时有发生。从降水空间分布来看，东部地区的降水量高于西部，山区的降水量高于河谷和平原。
空气湿度：桂林市空气湿润，年平均空气湿度约为 75%，4—7 月受雨季影响，空气湿度大于 80%，秋、冬季最为干燥，空气湿度低于 70%；在春季南风天、雨天及大雾天气时，空气湿度可达 100%。
桂林市优越的气候条件，为各种药用植物生长提供了适宜的环境条件。
桂林市地处南岭山系的西南部，属红壤土带，以红壤土为主，面积 108.99 万公顷，其中耕型红壤土4.01 万公顷，土壤pH 4.5 ～ 6.5。依其成土的母质可分为红壤土、石灰土、紫色土、冲击土、水稻土等 5种土类，14 个亚类，36 个土属，89 个品种。河流冲积而成的母质沙壤土和水稻土，土层深厚，耕种性良好，是水稻和蔬菜高产区。中色石灰土和黑色石灰土，宜旱地作物和林业生产。
桂林市主要耕作土壤为水稻土，水稻土是经过人类长期灌溉、施肥、水耕、水耙、种植水稻发育而形成的特殊土壤。桂林市水稻土面积约 22 万公顷，占耕地面积的 77.9%。水稻土分为 31 个土属，其中生产力较高的为潴育水稻土，土壤熟化程度高，土层较厚，主要分布在平原、河谷、缓丘的垌田，排灌方便。潴育水稻土面积约 12.3 万公顷。另有石灰性水稻土、淹育性水稻土、潜育性水稻土等多种水稻土亚类，包括多个土种。
桂林市处于西江支流的桂江流域，集水面积约 193 万公顷。桂江上游的漓江和湘江有运河（灵渠）沟通。桂林市河流水系发达，在流域上跨长江与珠江两大流域，分属于长江流域资水、湘江水系和珠江流域西江水系。
长江流域资水、湘江水系包括资江、湘江两大河流，流域总面积约占全市总面积的 30%，其中，湘江境内河流长 190 千米，流域面积 70.49 万公顷；资江境内河流长 83 千米，流域面积 13 万公顷。珠江流域西江水系包括桂江、洛清江、浔江三大河流，约占全市总面积的 70%。其中，桂江平乐县城以上段又称漓江，境内河流长约 288 千米（漓江长 214 千米），流域总面积 136.69 万公顷；洛清江境内河段长 103千米，流域面积 28 万公顷；浔江境内河段长 139 千米，流域面积 38.68 万公顷。古人在兴安县修建著名的灵渠，将两大水系沟通。
桂林市境内五大河流按年平均径流量从高至低排名，分别为：浔江年平均径流量为 1 860 亿米 3 ，桂江年平均径流量为 175 亿米 3 ，洛清江年平均径流量为 79.8 亿米 3 ，湘江年平均径流量为 61.3 亿米 3 ，资江年平均径流量为 20.34 亿米 3 。
受气候和降水影响，桂林市内河流汛期集中在 3—8 月，汛期径流量占全年总径流量的 80%以上。
桂林市植被类型属常绿阔叶林范畴，森林资源丰富，森林覆盖率达 70%，各县森林覆盖率55.3%～ 78.8%。植物资源种类众多，有维管束植物 249 科，1 103 属，区域内已知高等植物 2 000 多种，其中国家Ⅰ级重点保护野生植物有银杉、红豆杉、南方红豆杉、资源冷杉、银杏、钟萼木、香果树 7 种。
桂林市地带性植被为常绿阔叶林，由于人类活动等原因，原始常绿阔叶林面积不断减少，逐渐被天然次生林和人工林演替。植被分布随海拔高低呈现明显垂直地带性差异，总体分布情况表现为：海拔1 200 米以上的中山地带以常绿与落叶、阔叶混交林为主；海拔 400 ～ 1 200 米的中山和低山地带以常绿阔叶林、次生常绿阔叶林为主和次生落叶阔叶林为主，另外包括人工种植的针叶林和果木林；在海拔 400米以下的丘陵地带，大多被开垦为耕地，以农作物和人工林植被为主。
常绿阔叶林乔木植物以栲树、细枝栲、红润楠、华东润楠、长叶木姜子等为主；小乔木和灌木植物以乌药、山胡椒、木姜子、冬青等为主；藤本植物以华南猕猴桃、南五味子、毛金银花等为主；草本植物以山姜、苔草、华里白等为主。
常绿与落叶、阔叶混交林树种丰富，包括铁椎栲、光叶石栎、多脉青冈、青冈栎、青栲、长柄水青冈、亮叶水青冈、黄连木等，同时有红豆杉、南方红豆杉、银杉等名贵树种生长。
次生常绿阔叶林中会留有部分不成材的老龄常绿阔叶乔木散生，同时混生一些落叶阔叶树种，以青榨槭、光皮桦、石灰花楸、缺萼枫香树等为主。
次生落叶阔叶林以光皮桦林、枫香林、拟赤杨林为优势种群，同时伴生青榨槭、白叶安息香、鹅耳枥等树种。林中小乔木与灌木层以贵州杜鹃、广西杜鹃、厚皮香、长柄楠为主。
人工林植被以人工林和耕地为主，人工林主要树种为杉木、马尾松、毛竹等，同时混有枫香、白栎、麻栎、乌桕等，灌木植物以桃金娘占优势，草本植物以铁芒萁为多。