草原綜合順序分類系統(tǒng)研究進(jìn)展

梁天剛，馮琦勝，黃曉東，任繼周

（草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020）

草地類型是草地資源實(shí)體的高度抽象與概括，草地類型的理論是在草地發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)草原的自然特征與經(jīng)濟(jì)特性，加以抽象、類比，按其實(shí)質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系，探討草地這一農(nóng)業(yè)資源所包含的各類草地的發(fā)生學(xué)關(guān)系，確定其發(fā)生的系列，從而更深刻、更正確、更全面和動(dòng)態(tài)地認(rèn)識與反映草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)整體的科學(xué)［1－4］。草地分類則是草地類型理論的具體實(shí)踐，是草業(yè)科學(xué)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)問題之一［5］。草原綜合順序分類系統(tǒng)（comprehensive sequential classification system，CSCS）自提出至今的50多年中在理論及實(shí)踐方面已取得不少研究成果［5－12］。因此，系統(tǒng)總結(jié)已有的研究進(jìn)展及存在的問題，提出今后改進(jìn)和完善的主要方向，對推動(dòng)CSCS方法的深入研究及應(yīng)用必將產(chǎn)生積極的作用，具有重要的意義。

1 CSCS的作用及意義

由于世界不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)條件以及對草地分類的認(rèn)識和目的不同，國內(nèi)外草地分類的原則和方案差別很大，因此產(chǎn)生了許多各具特色的草原分類系統(tǒng)。如歐洲國家草地資源面積小，集約經(jīng)營，側(cè)重于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)；美國和澳大利亞等國，天然草地集中分布在干旱地區(qū)，在牧業(yè)利用的同時(shí)強(qiáng)調(diào)生態(tài)保護(hù)。前蘇聯(lián)由于天然草地資源豐富，面積遼闊，自然地帶性明顯，草地分類則著重于生境條件［13］。根據(jù)世界上眾多草地分類的原則和方法，這些系統(tǒng)大致可以概括為農(nóng)業(yè)經(jīng)營分類法、植物群落學(xué)分類法、土地—植物學(xué)分類法、植物地形學(xué)分類法、氣候—植物學(xué)分類法、植被—生境分類法、氣候—土地—植物綜合順序分類法，7大類數(shù)十種。這些分類系統(tǒng)的相繼提出和不斷完善，極大地促進(jìn)了草地類型學(xué)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為草地資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、評價(jià)和管理提供了科學(xué)基礎(chǔ)［1，14－17］。

縱觀已有的草原分類系統(tǒng)［1－3，18－21］，顯然大多數(shù)分類系統(tǒng)只適合特定區(qū)域或國家，并且只是描述已知的草地類型，而沒有考慮分類系統(tǒng)的全球周延性。而任繼周等［5，8－11］創(chuàng)立的草原綜合順序分類系統(tǒng)是一種擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的，面向世界不同生境的草原分類體系，其理論基礎(chǔ)是草原發(fā)生與發(fā)展的大氣、土地、生物、生產(chǎn)勞動(dòng)四項(xiàng)因素群學(xué)說。在四因素群綜合作用下，按其在分類系統(tǒng)中的穩(wěn)定程度順序安排其分類指標(biāo)和級別［22］。

草原綜合順序分類法幾經(jīng)改進(jìn)，自提出到現(xiàn)在已有50多年的歷史。根據(jù)草原分類應(yīng)遵循的分類要素（理論依據(jù)、體系結(jié)構(gòu)、分類指標(biāo)和命名原則）的完整性、分類體系的周延性、分類體系內(nèi)涵的綜合性、分類指標(biāo)的相對穩(wěn)定性、同級指標(biāo)的可比性和特征指標(biāo)的確限性原則，首先以生物氣候特征為依據(jù)，將具有同一地帶性農(nóng)業(yè)氣候特征的草地劃為類，它是這一分類系統(tǒng)的核心。若干類可以歸并為一個(gè)類組。類之下進(jìn)一步根據(jù)土地特征（包括地形和土壤）劃分為亞類。亞類之下根據(jù)植被特征劃分為型［1，5］。其特點(diǎn)為：1）分類指標(biāo)信息量大，對生產(chǎn)有較多指導(dǎo)意義；2）第一級用數(shù)量化指標(biāo)，可用計(jì)算機(jī)分類、檢索，便于同計(jì)算機(jī)、“3S”等信息技術(shù)相結(jié)合；3）分類檢索圖可直觀地體現(xiàn)類的發(fā)生學(xué)關(guān)系和地帶性規(guī)律，預(yù)測尚未研究的類的自然特性和生產(chǎn)特征；4）具開放性，可以將全世界相互遠(yuǎn)離的各個(gè)草地類別納入統(tǒng)一的分類系統(tǒng)中，打破了不同地區(qū)的草地類型只能獨(dú)立命名的歷史局限。

依據(jù)這一原理所作的分類檢索圖是草原綜合順序分類法的圖譜表達(dá)，具有獨(dú)特的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。1）檢索圖直觀反映出草地類型的熱量、降水量及其濕潤度，這三者可綜合決定地球上氣候類型、植被類型和土壤類型。2）檢索圖采用簡單的二維坐標(biāo)圖，簡潔明了地表達(dá)出熱量（≥0℃年積溫，共分7個(gè)級別）和濕潤度（年降水量毫米，共8個(gè)級別）相互作用下可能形成的56個(gè)天然草地類型及其譜系關(guān)系。3）檢索圖直觀反映了地帶性分異規(guī)律。檢索圖從上到下，由冷變熱，反映出由極地到赤道的緯向地帶性；從左到右，由干變濕，反映出草地類型的經(jīng)向地帶性；兩者結(jié)合則反映其垂向地帶性。4）檢索圖揭示草原類之間的發(fā)生學(xué)關(guān)系，以及各個(gè)類別之間的相似或相異程度，從而確定類的演替方向；能夠預(yù)測類的自然特征和經(jīng)濟(jì)特性。5）檢索圖是開放式的圖譜，實(shí)現(xiàn)了對草原的世界統(tǒng)一分類［22，23］。

由于現(xiàn)有草地分類系統(tǒng)只局限于特定區(qū)域或國家，迄今為止還沒有以全球統(tǒng)一的草地分類系統(tǒng)對整個(gè)北半球草地類型的空間特征進(jìn)行研究。采用擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的草原綜合順序分類系統(tǒng)的理論，利用目前草原生態(tài)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)和方法，研究北半球的草地類型空間分布及其特征，開展北半球各草地類型遙感特征指標(biāo)（如植被指數(shù)、植被蓋度和凈初級生產(chǎn)力等）的時(shí)空分布格局及其與全球氣候變化響應(yīng)等研究，不僅對實(shí)現(xiàn)數(shù)字草業(yè)、生態(tài)、生產(chǎn)管理、信息共享等都具有重大的應(yīng)用價(jià)值，而且對增強(qiáng)我國在草原類型學(xué)、數(shù)字草業(yè)、全球變化等領(lǐng)域研究的國際影響具有重要意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

草地類型學(xué)及其分類研究是人類科學(xué)認(rèn)識、評價(jià)和合理開發(fā)利用草原的理論基礎(chǔ)。隨著人類對草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識的提高和研究方法的豐富及要求的提高，現(xiàn)代草地類型學(xué)所需資料的獲取和處理方法也日新月異。由最初的徒步現(xiàn)場調(diào)查發(fā)展到應(yīng)用航空、航天遙感資料與地面調(diào)查相結(jié)合，運(yùn)用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)和“3S”等技術(shù)，建立信息系統(tǒng)，發(fā)展定量化、數(shù)字化和可視化分類的新方向。從理論到技術(shù)，在世界各地草地分類系統(tǒng)中，目前仍處于不斷探索發(fā)展的過程［2－4］。草原綜合順序分類法具有生物分類系統(tǒng)林耐雙名法和門捷列夫化學(xué)元素周期表類似的優(yōu)點(diǎn)，既可容納已知的類型，也可容納未知的類型［21］。更為重要的是可以揭示各個(gè)類型間的發(fā)生學(xué)聯(lián)系。其分類系統(tǒng)把草地形成和發(fā)生發(fā)展的主導(dǎo)因子——水、熱值基本因子，制訂嚴(yán)正量綱，提出第一級應(yīng)用信息圖譜，與當(dāng)代信息技術(shù)相結(jié)合，在更大空間尺度范圍內(nèi)研究草地類型及其與全球變化相關(guān)的科學(xué)問題，在很大程度上減少了主觀因素的影響，大幅度提高了精度和實(shí)用性［21，24－26］。這是有別于其他草地分類方法的最為突出的特點(diǎn)之一。

這一分類系統(tǒng)提出至今的50多年中，國內(nèi)許多學(xué)者先后從理論研究和實(shí)際應(yīng)用2個(gè)方面對該分類方法，特別是對我國不同地區(qū)及全國的草地分類的第一級——類的劃分與檢索進(jìn)行了許多研究，從而使該分類方法得到不斷改進(jìn)、發(fā)展和完善［1，5，8－11，15－17，21，23，27－29］。戈棠和陳全功［30］采用模糊數(shù)學(xué)分析方法探討了綜合順序分類法第一級類的表述及其典型指數(shù)的計(jì)算方法。杜鐵瑛［31］將青海天然草地分為11個(gè)大類，認(rèn)為草地類的空間分布基本符合青海草地發(fā)生發(fā)展規(guī)律和分布持征。胡自治和高彩霞［17］對綜合順序分類法進(jìn)行了一系列的新改進(jìn)，熱量級由8級簡化為7級，將原濕潤度級的定量值由小數(shù)后2位簡化為1位；將非地帶性類的栽培草地和濕地類型納入分類系統(tǒng)［1，14－17，32，33］。剛永和［34］根據(jù)草原綜合順序分類法，從類、亞類和型3級分類系統(tǒng)對青海省樂都縣天然草地的綜合順序分類進(jìn)行了深入研究，將樂都縣草地劃分為4類、9個(gè)亞類和26個(gè)草地型。郭孝和張莉［35］對河南草地的分類也進(jìn)行了研究，將河南草地分為9個(gè)類。馬紅彬和王寧［36］采用改進(jìn)的綜合順序分類法，將寧夏草地分為8個(gè)大類。這些應(yīng)用研究表明，草原綜合順序法對類的劃分有助于更深刻地揭示天然草地的自然特性及經(jīng)濟(jì)特性，對科學(xué)地指導(dǎo)草業(yè)發(fā)展具有重要意義。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法的不斷發(fā)展，草原綜合順序分類系統(tǒng)的研究也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。梁天剛等［27－29，37］利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件的二次樣條函數(shù)等地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值分析方法，首次探索研究了甘肅省及全國30年（1961－1990）的年平均降水量、≥0℃的年積溫和濕潤度指數(shù)（k）在1km×1km格網(wǎng)空間尺度的分布特征，建立了基于GIS的草原綜合順序分類空間數(shù)據(jù)庫及信息管理系統(tǒng)，研究結(jié)果應(yīng)用于“中國草業(yè)開發(fā)專家系統(tǒng)Ver 2.0”單機(jī)軟件和基于網(wǎng)絡(luò)和 WebGIS等技術(shù)的“中國草業(yè)與生態(tài)”（http：／／www.ecograss.com.cn）網(wǎng)站［11，27－29，37］。馬紅彬等［38］對黃土高原草地分類進(jìn)行了嘗試，將黃土高原草地劃分為l3類，認(rèn)為各草地類分布情況符合黃土高原草地植被的分布規(guī)律。趙軍等［22，23］結(jié)合生態(tài)信息圖譜，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，根據(jù)地形、地貌及植被分布等特點(diǎn)，將全國劃分為若干片區(qū)，利用分區(qū)控制法對各區(qū)的多年平均降水量、≥0℃的年積溫和濕潤度指數(shù)進(jìn)行了空間插值研究，更加系統(tǒng)地研究和繪制了全國草原綜合順序第一級——類的空間分布地圖，全面論述了各草地類的區(qū)域分布及其特點(diǎn)。任繼周［5］闡明了草原類型學(xué)對草業(yè)科學(xué)的基礎(chǔ)理論意義和實(shí)踐意義，系統(tǒng)總結(jié)了草原綜合順序分類系統(tǒng)研究進(jìn)展及應(yīng)遵循的6項(xiàng)原則，論證了該分類系統(tǒng)在生物種適宜度評價(jià)、全球變化對草原類型演替方向的預(yù)測、草坪引種等方面的應(yīng)用。依據(jù)該分類系統(tǒng)全球天然草原分為42類，中國有41類［21－23］。

3 存在的問題及研究展望

3.1 分類指標(biāo)的空間插值與尺度轉(zhuǎn)換

空間變量的插值方法，插值區(qū)域劃分、插值鄰域和格網(wǎng)單元大小、插值模型及精度評價(jià)等方面仍然需要不斷探索研究?？臻g尺度轉(zhuǎn)換與區(qū)域空間變量插值方法、插值鄰域和格網(wǎng)單元大小等緊密相關(guān)，在制作不同比例尺地圖時(shí)需要充分考慮和研究空間尺度變換的影響［39，40］。降水量、≥0℃年積溫和濕潤度指數(shù)是草原綜合順序分類的關(guān)鍵指標(biāo)，研究這些指標(biāo)的空間插值方法及其影響因素，提高空間插值精度，是準(zhǔn)確劃分CSCS類和大類的關(guān)鍵。隨著GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的不斷發(fā)展，集成于GIS軟件中的插值方法主要有趨勢面（Trend）、反距離權(quán)重（IDW）、樣條函數(shù)（Spline）、普通克里金（Kriging）、通用克里金、協(xié)同克里金等算法［41，42］。同時(shí)，近年來也有PRISM （parameter－elevation regressions on independent slopes model）等新算法的研發(fā)及應(yīng)用［43－46］。但是，在如此眾多的算法中，在不同地區(qū)并沒有一個(gè)公認(rèn)的適合綜合順序分類法第一級分類指標(biāo)的最優(yōu)插值算法，這對草地類的準(zhǔn)確劃分及制圖，具有極為重要的影響。

3.2 分類精度的驗(yàn)證

草原綜合順序分類法確定的草地類，屬于潛在自然植被（potential natural vegetation，PNV）類型的范疇，是假定當(dāng)前氣候情景下在沒有人類各種活動(dòng)干擾的狀況下某區(qū)域內(nèi)應(yīng)有的天然草地類型。因此，在精度驗(yàn)證時(shí)，由于現(xiàn)實(shí)草地植被受人類活動(dòng)的影響，就存在如何辨識并評價(jià)與之相對應(yīng)的潛在草地類型及其地理分布范圍的精確性這一難題。

近年來，結(jié)合已有的植被地圖及地面調(diào)查資料，從遙感解譯的土地覆蓋數(shù)據(jù)中排除受人類活動(dòng)影響的區(qū)域（如耕地、居民地及建設(shè)用地等）、永久冰川及湖泊覆蓋的地區(qū)，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測現(xiàn)存植被的類型及其空間分布，對比分析潛在自然植被同現(xiàn)實(shí)植被的空間分布模式及其特征差異，并分析現(xiàn)實(shí)植被受人類活動(dòng)影響的強(qiáng)度及特點(diǎn)。然而，目前潛在植被精度分析的方法是比較不同模擬模型的分類結(jié)果，但由于分類模型及類型定義等差異，在比較時(shí)只能進(jìn)行大類的一致性評價(jià)。

3.3 亞類與型的劃分指標(biāo)與量化算法

目前，地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）及集成技術(shù)已廣泛應(yīng)用于草原生態(tài)學(xué)領(lǐng)域。GIS是海量空間數(shù)據(jù)管理、處理、分析、模擬和可視化的重要技術(shù)，是“3S”技術(shù)核心。同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合，可研發(fā)草原綜合順序分類信息管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)；GPS是GIS、RS進(jìn)行高精度定位和綜合模型分析的基礎(chǔ)。結(jié)合“3S”技術(shù)，研究CSCS亞類（地形指標(biāo)和土壤指標(biāo)）與型劃分指標(biāo)及其定量化、數(shù)字化表達(dá)方法，實(shí)現(xiàn)不同層次類型圖譜生成的自動(dòng)化和數(shù)字化，是該草地分類系統(tǒng)需要不斷探索研究的重要課題之一。

RS是及時(shí)獲取及更新生態(tài)信息的重要手段，是生態(tài)信息圖譜的重要信息源。特別是1999年12月發(fā)射升空的新一代對地觀測衛(wèi)星Terra（EOS－AM1）和2002年5月升空的Aqua（EOS－PM1）衛(wèi)星所攜帶的中分辨率成像光譜儀（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）傳感器有36個(gè)光譜通道，是地球觀測系統(tǒng)一系列衛(wèi)星上唯一在全球范圍內(nèi)可免費(fèi)接收數(shù)據(jù)的對地觀測儀器，每日可獲取2次白天和2次夜間的全球觀測數(shù)據(jù)，可以同時(shí)提供反映陸地、植被、云層和大氣特征等地球綜合信息，其較高的光譜和空間分辨率特點(diǎn)，以及近年來在植被、土壤、土地覆蓋、地表溫度及草地類型研究密切相關(guān)的特征指標(biāo)和參數(shù)定量化反演等方面具有獨(dú)特的特性［47－53］。目前已研發(fā)出經(jīng)過輻射校正且包含地理定位坐標(biāo)的MODIS L1B級數(shù)據(jù)（MOD02）、經(jīng)過大氣校正的地表反射率（MOD09）、地表溫度和發(fā)射率（MOD11）、土地覆蓋（MOD12）、植被指數(shù)（MOD13）、葉面積指數(shù)和有效光合輻射（MOD15）、土壤水分蒸散量（MOD16）和植被凈初級生產(chǎn)力（MOD17）等44種覆蓋全球的合成產(chǎn)品，并且不斷地完善數(shù)據(jù)合成的算法，動(dòng)態(tài)更新和發(fā)布相應(yīng)的產(chǎn)品，對開展草地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和全球氣候變化等方面的綜合性研究具有極其重要的意義，為草地類型空間格局及遙感特征的研究提供了前所未有的重要基礎(chǔ)［54－62］。

RS技術(shù)的飛速發(fā)展，為研究CSCS各類草地遙感監(jiān)測特征指標(biāo)的時(shí)空分布格局及特征，以及亞類與型劃分指標(biāo)的定量化奠定了良好的基礎(chǔ)。利用GIS和RS等技術(shù)，研發(fā)的CSCS類的電子地圖可直接導(dǎo)入GPS，實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查的空間定位，為亞類與型的準(zhǔn)確劃分提供基礎(chǔ)底圖。

3.4 不同尺度CSCS地圖及其應(yīng)用

將綜合順序分類法推向國境以外，是完善本分類系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。第一，草原綜合順序分類法是一種面向世界的草地分類方法。之所以自創(chuàng)立至今局限于國境，其主要原因是受氣象觀測數(shù)據(jù)難以共享、區(qū)域空間變量插值方法及精度等因素的影響。但是，隨著空間插值技術(shù)和氣象數(shù)據(jù)共享機(jī)制的發(fā)展［63－69］，在全球或區(qū)域空間尺度上研究該分類系統(tǒng)已成為可能。第二，綜合順序分類法確定的類為潛在植被類，要獲得當(dāng)前現(xiàn)實(shí)草地植被分類圖，就必須結(jié)合現(xiàn)代遙感技術(shù)監(jiān)測的土地覆蓋數(shù)據(jù)，扣除受人類活動(dòng)影響的耕地及城鎮(zhèn)建設(shè)用地和永久冰雪覆蓋區(qū)。第三，制作不同時(shí)空尺度的CSCS系列地圖，并與GPS等技術(shù)的一體化集成，是草原綜合順序分類法在不同時(shí)空尺度上實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。迄今為止，由于受多方面因素的制約，全國僅有空間分辨率為1km的CSCS地圖，世界分類地圖尚處在研究階段。近年來，隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，CSCS電子地圖同GPS、移動(dòng)GIS等系統(tǒng)的一體化集成已無障礙。通過研發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)和“3S”等技術(shù)的草原綜合順序分類管理與服務(wù)系統(tǒng)，對促進(jìn)基于CSCS的草原類型及相關(guān)學(xué)科的數(shù)據(jù)共享與交流，以及在全球變化及數(shù)字草業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用必將具有巨大的推動(dòng)作用。

綜上所述，自20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)針對草原綜合順序分類系統(tǒng)，已開展了大量的科研工作，取得了許多研究成果。結(jié)合當(dāng)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、“3S”等信息技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，加強(qiáng)宏觀尺度草原綜合順序分類法草地類劃分指標(biāo)的空間插值算法與制圖研究，探索研究基于MODIS等遙感資料的潛在和現(xiàn)實(shí)草地類型空間分布格局及遙感定量化時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)一步探索簡單實(shí)用的亞類及型級的數(shù)字化劃分指標(biāo)體系，在較大空間尺度范圍內(nèi)系統(tǒng)研究分布范圍廣泛的草地類型及其遙感動(dòng)態(tài)特征，開展與全球變化等相關(guān)領(lǐng)域的綜合性及應(yīng)用性的研究（如預(yù)測全球氣候變化狀況下草地類型的潛在演變趨勢及規(guī)律等），應(yīng)是今后一段時(shí)期內(nèi)草原綜合順序分類系統(tǒng)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。目前已經(jīng)具備了針對全球開展草地類及大類的研究，填補(bǔ)國際草原類型統(tǒng)一分類空白的能力，提高我國在這一領(lǐng)域的國際影響。

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