基于GIS的甘南地區(qū)草原綜合順序分類研究

鄒德富，馮琦勝，王 鶯，夏文韜，梁天剛

(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

基于GIS的甘南地區(qū)草原綜合順序分類研究

鄒德富，馮琦勝，王 鶯，夏文韜，梁天剛

(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

草原是畜牧業(yè)生產(chǎn)的根本，科學合理的分類是草原開發(fā)利用、培育保護和經(jīng)營管理的基礎。本研究根據(jù)甘南及周邊地區(qū)55個氣象臺站30年的氣象資料，采用地統(tǒng)計學及回歸方法對甘南地區(qū)的積溫和濕潤度進行插值，建立了>0 ℃年積溫和濕潤度空間數(shù)據(jù)庫。依據(jù)草原綜合順序分類法的分類原則，繪制了甘南地區(qū)的潛在草地類型圖。結果表明，甘南草地共分為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類、寒溫潮濕寒溫性針葉林類、微溫潮濕針葉闊葉混交林類、微溫濕潤森林草原-落葉闊葉林類、暖溫潮濕落葉闊葉林類、暖溫濕潤落葉闊葉林類、暖溫微潤森林草原類、暖溫微干暖溫帶典型草原類、暖溫干旱暖溫帶半荒漠類9種草地類型；草地主要分布在海拔3 000～4 000 m，海拔和坡度的變化對草地類型的空間分布具有顯著的影響。

甘南地區(qū)；天然草地；綜合順序分類系統(tǒng)；GIS

草原類型是草原資源實體的高度抽象與概括[1]。草地類型的劃分是草地經(jīng)營管理學中的基礎性工作，是人們認識和研究草地資源的重要技術手段，也是人們科學開發(fā)、合理利用、有效保護和培育草地的理論基礎[2]。因此，對草地的正確分類，對于草地資源的可持續(xù)綜合利用具有重要的現(xiàn)實意義。

草地分類系統(tǒng)在各國間存在差異，多以植被和生境條件為基礎，其中也會考慮到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益和區(qū)域性氣候等因素[3-9]。但這些草原分類系統(tǒng)只是單純描述現(xiàn)存草地并予以分類，不具有可擴展性[10]。而采用任繼周等提出的氣候-土地-植被綜合順序分類法，以量化的氣候指標——熱量級和濕潤度級為依據(jù)，則可將具有同一地帶性農(nóng)業(yè)生物氣候特征的草地劃分為類。該方法將分類指標數(shù)量化，利于計算機檢索，可直觀體現(xiàn)類的地帶性和發(fā)生學關系，可以根據(jù)類在檢索圖中的位置，了解各個類的相似或相異程度，預測其自然特性和生產(chǎn)特性，并且其開放性可以將全世界互相遠離的各類草地納入一個分類系統(tǒng)之中[1]。

在這一分類系統(tǒng)提出至今的50多年中，國內(nèi)許多學者先后從理論研究和實際應用2個方面對該分類方法，特別是對我國不同地區(qū)及全國的草地分類的第一級——類的劃分與檢索進行了許多研究[11-20]，但對基于GIS的草原綜合順序分類法的研究，并沒有考慮海拔等因素對高原地區(qū)氣象數(shù)據(jù)插值的影響。該項研究以甘南藏族自治州為研究區(qū)域，借助GIS分析軟件進行空間插值及分析，以期繪制甘南地區(qū)草地類型地圖，為草地資源評價和維持變化后的生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘南藏族自治州地處33°06′～35°34′N，100°45′～104°45′ E，位于青藏高原與黃土高原過渡地帶的甘、青、川三省結合部，南與四川阿壩州相連，西南與青海黃南州、果洛州接壤，東部和北部與甘肅省隴南、定西、臨夏毗鄰，是全國10個藏族自治州之一，全州總面積4.5萬km2。高原大陸性季風氣候，高寒濕潤，其天然草原是世界上海拔最高的優(yōu)良草甸草原之一。全州擁有天然草地272.27萬hm2，面積廣闊的優(yōu)質天然草地既是省內(nèi)主要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，也是甘南州畜牧業(yè)發(fā)展的基礎[21-22]。甘南地區(qū)的草地資源不僅對國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有舉足輕重的作用，對黃河、長江上游甚至下游的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展也具有重要作用。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源 地面觀測數(shù)據(jù)來自甘南及周邊地區(qū)的55個氣象臺站(圖1)，包括日均溫和降水，時間范圍為1961-1990年，此外還包括甘南藏族自治州行政分區(qū)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)等相關數(shù)據(jù)庫。

圖1 甘南及周邊地區(qū)氣象站點分布

2.2研究方法

2.2.1草原類的劃分方法 依據(jù)草原綜合順序分類法，以量化的生物氣候指標——>0 ℃年積溫(∑θ)和濕潤度(K)為依據(jù)，將具有同一熱量級和濕潤度相結合的草地劃分為類。>0 ℃年積溫(∑θ)指一年內(nèi)大于0 ℃的逐日氣溫的累積值，該分類系統(tǒng)將草原的熱量級分為7級。濕潤度指標，即K=r(全年降水量)/0.1∑θ，既可以表示水分平衡，又可間接表示熱量因素和由此衍生的多項生境因子，該分類系統(tǒng)中濕潤度共分6級。將熱量級及濕潤度耦合，建立草原分類檢索圖，天然草原類型應有42 類，另有19類為非地帶性草地類別[23]。各類的基本特征描述見表1。

2.2.2氣象資料插值 利用SPSS統(tǒng)計軟件建立>0 ℃年積溫和濕潤度與經(jīng)度(X)、緯度(Y)和海拔(H)的回歸關系模型，采用ArcGIS軟件對50個氣象臺站30年(1961-1990年)觀測數(shù)據(jù)進行空間分析，并輔助以普通克里金法進行殘差插值，建立>0 ℃年積溫和濕潤度空間數(shù)據(jù)庫。在本項研究中，利用5個氣象臺站數(shù)據(jù)驗證插值的效果。首先，從>0 ℃年積溫和濕潤度空間數(shù)據(jù)庫中提取這5個臺站的模擬值，然后計算其實際觀測值與模擬值之間的誤差。采用平均誤差(mean error，ME)、均方根誤差(root mean squared error，RMSE)以及誤差率作為評估此插值方法效果的標準。誤差率的計算方法為ME和RMSE數(shù)值的絕對值與5站點觀測值均值的比率。

2.2.3草地類型統(tǒng)計 根據(jù)草地綜合順序分類法的分類原則，對甘南地區(qū)草地進行分類，形成研究時段內(nèi)的潛在草地類型分布圖，并對不同海拔、坡度梯度的草地類型及面積進行統(tǒng)計分析，研究其空間分布特點。

3 結果與討論

3.1氣象數(shù)據(jù)的插值與分析 通過實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，>0 ℃年積溫T(℃)和濕潤度(K)與經(jīng)度X(°)、緯度Y(°)和海拔H(m)之間具有顯著的相關關系，線性回歸方程為：

T=36 809.71-201.012X-273.89Y-1.638 58H

(1)

K=-20.279 1+0.301 182X-0.362 84Y+0.001 743H

(2)

式中,T的復相關系數(shù)(R2)達到0.973，K的復相關系數(shù)達到0.824。對插值的結果進行了驗證，其中>0 ℃年積溫和濕潤度的平均誤差率分別為1.72%和2.53%，均方根誤差率分別為3.40%和4.98%，插值效果較好。

表1 草原綜合順序分類法的屬性轉換矩陣[23]

利用以上公式及DEM數(shù)據(jù)，計算>0 ℃年積溫和濕潤度的空間分布，并對殘差進行插值，結果如圖2所示。>0 ℃年積溫的分布呈一定的垂直地帶性，從高海拔地區(qū)到低海拔地區(qū)，年積溫逐漸增加。從行政分區(qū)來說，瑪曲、碌曲縣年積溫值最低，夏河、合作、臨潭、卓尼等縣年積溫值較高，迭部、舟曲縣年積溫值最高(圖2a)。濕潤度的分布由>0 ℃年積溫和年降水量(圖2b)決定。瑪曲地區(qū)海拔高，>0 ℃年積溫較低，但降水量大，濕潤度指數(shù)高，隨著海拔的下降，>0 ℃年積溫急劇上升，對濕潤度的影響起到主導作用。降水量變化不大的區(qū)域，則濕潤度有所下降，所以甘南中部的濕潤度比瑪曲縣要低。海拔最低的迭部、舟曲縣的降水量較其他縣低，>0 ℃的年積溫達到最高值，因此濕潤度達到最低值。

3.2草地類型及其空間分布特征 以草原綜合順序分類法作為分類標準，通過分析甘南地區(qū)1961-1990年>0 ℃年積溫和濕潤度指數(shù)空間數(shù)據(jù)庫，繪制出甘南地區(qū)的草地類型分布圖(圖3)。甘南地區(qū)共有9種草地類型，分別為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類、寒溫潮濕寒溫性針葉林類、微溫潮濕針葉闊葉混交林類、微溫濕潤森林草原-落葉闊葉林類、暖溫潮濕落葉闊葉林類、暖溫濕潤落葉闊葉林類、暖溫微潤森林草原類、暖溫微干暖溫帶典型草原類、暖溫干旱暖溫帶半荒漠類。其中，寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類為主要草地類型，占甘南全州國土面積的56.1%；其次為寒溫潮濕寒溫性針葉林類，占甘南全州國土面積的35.4%；其他草地類型所占面積較小。草地類型的空間分布基本符合植被的垂直地帶性、緯向地帶性和經(jīng)向地帶性這三向地帶性分布特征。具體來說，境內(nèi)高海拔地區(qū)氣溫低，年降水量大，主要分布的草地類型為寒冷潮濕類；隨著海拔的降低，氣溫逐漸增加，寒溫潮濕類出現(xiàn)；在海拔較低的地方，由于微地形及降水等因素的差異，主要分布的草地類型有微溫、暖溫類草地類。

3.3草地類型與海拔的關系 因為甘南地區(qū)海拔高度較高，相對高差大，為了更好地研究草地類型的空間分布特征，將甘南地區(qū)按海拔高度分為4個區(qū)：<2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、>4 000 m。通過統(tǒng)計分析可知，海拔低于2 000 m的地區(qū)屬于中溫帶和暖溫帶，主要分布在舟曲縣境內(nèi)，年積溫較高，濕潤度分布范圍大，有7種草地類型，呈狹長帶狀分布，約占甘南全州總面積的1.5%；海拔處于2 000～3 000 m的區(qū)域，具有從暖溫帶、中溫帶向寒溫帶過渡的趨勢，暖溫類草地面積減少，寒溫潮濕寒溫性針葉林類和微溫潮濕針葉闊葉混交林類草地面積增加明顯，約占總面積的18.1%，主要分布在甘南東部的臨潭、卓尼、迭部和舟曲縣的大部分地區(qū)；海拔處于3 000～4 000 m的區(qū)域，氣溫下降，降水量增加，草地類型為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類和寒溫潮濕寒溫性針葉林類，分布面積廣，約占甘南總面積的71.5%；海拔高于4 000 m的區(qū)域，草地類型為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類草地，主要分布在瑪曲縣西北部地區(qū)。

圖2 研究區(qū)>0 ℃年積溫分布圖和濕潤度分布圖

圖3 甘南地區(qū)草地類型圖

3.4草地類型與坡度的關系 為了分析坡度對草地類型的影響，將甘南地區(qū)分為<10°、10°～20°、20°～30°、>30°這4個區(qū)域。本研究表明，甘南大部分地區(qū)的坡度都小于10°，主要分布在瑪曲、碌曲、夏河、合作、臨潭和卓尼縣，主要草地類型為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類和寒溫潮濕寒溫性針葉林類，占甘南總面積的82.8%；坡度介于10°～20°的區(qū)域，草地面積次之，主要分布于舟曲、迭部和卓尼縣，主要草地類型為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類和微溫潮濕針葉闊葉混交林類，占甘南總面積的15.4%；坡度介于20°～30°的區(qū)域，主要分布在舟曲和迭部縣的大部分地區(qū)，草地面積較小，但類型較多，出現(xiàn)了甘南地區(qū)所有的草地類型；在坡度>30°的區(qū)域，草地面積最少，有9種草地類型鑲嵌出現(xiàn)，分布在舟曲和迭部縣的東部地區(qū)。由此可見，甘南地區(qū)坡度的變化對草地類型的空間分布也有一定的影響。

4 結論與展望

1)通過實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，>0 ℃年積溫(T)和濕潤度(K)與經(jīng)度(X)、緯度(Y)和海拔(H)之間具有顯著的相關關系，其線性回歸方程為：

T=36 809.71-201.012X-273.89Y-1.638 58H

K=-20.279 1+0.301 182X-0.362 84Y+0.001 743H

2)甘南地區(qū)共有9種草地類型，分別為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類、寒溫潮濕寒溫性針葉林類、微溫潮濕針葉闊葉混交林類、微溫濕潤森林草原-落葉闊葉林類、暖溫潮濕落葉闊葉林類、暖溫濕潤落葉闊葉林類、暖溫微潤森林草原類、暖溫微干暖溫帶典型草原類、暖溫干旱暖溫帶半荒漠類。其中，寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類和寒溫潮濕寒溫性針葉林類為主要草地類型。

3)海拔及坡度對草地類型的空間發(fā)布具有顯著影響。甘南地區(qū)71.5%的草原分布于海拔3 000～4 000 m的區(qū)域，主要分布在瑪曲、碌曲、夏河、合作和卓尼縣；82.8%的草原分布于坡度小于10°的區(qū)域，主要分布在瑪曲、碌曲、夏河、合作、臨潭和卓尼縣，主要草地類型為寒冷潮濕多雨凍原-高山草甸類和寒溫潮濕寒溫性針葉林類。

4)采用本項研究提出的插值算法，在進行插值時考慮了海拔高度的影響，能夠更好地區(qū)分出不同海拔高度下的草地類型，使草地類型的垂直地帶性分布更明顯，所以利用此方法所劃分的草地類型更為合理、實用性更廣，此算法對于高程較高且變化較大地區(qū)效果較好，但插值結果容易受到局地環(huán)境條件的影響。由于本研究沒有充分考慮局部的環(huán)境條件(如地形、坡向等)，因此會存在一定的誤差。另一方面，由于研究區(qū)的氣象臺站在高海拔地區(qū)分布稀少，在海拔變化很大的高山地區(qū)，插值結果會出現(xiàn)異常值。在今后的研究中，可探索通過增加虛擬站點、引入天然植被空間分布的遙感判讀信息作為輔助分類因子等方法，進一步提高草地的分類精度。

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AGIS-basedintegratedorderlyclassificationsystemofgrasslandinGannanregion

ZOU De-fu, FENG Qi-sheng, WANG Ying, XIA Wen-tao, LIANG Tian-gang

(College of Pastoral Agricultural Science and Technology, Lanzhou University; Key Laboratory of Grassland Agroecosystem, Ministry of Agriculture, Gansu Lanzhou 730020, China)

Grassland is the basis of the livestock industry. Scientific and reasonable method of grassland classification is essential for the development, protection and management of grassland. Based on meteorological information in 30 years from 55 meteorological stations located within Gannan Region and in surrounding areas, the spatial databases of >0 ℃ annual accumulated temperature and humidity grade were constructed with the methods of geo-statistics and mathematical regression. A potential grassland type map in Gannan Prefecture was made according to the method of Integrated Orderly Classification System of Grassland (IOCSG). The result of this study showed that 9 classes of grassland types were identified in the study area, including frigid perhumid rain tundra, alpine meadow class, cold temperate perhumid taiga forest class, cool temperate perhumid mixed coniferous broad leaved forest class, cool temperate humid forest steppe, deciduous broad leaved forest class, warm temperate perhumid deciduous broad leaved forest class, warm temperate humid deciduous broad leaved forest class, warm temperate subhumid forest steppe class, warm temperate semiarid warm temperate typical steppe class, warm temperate arid warm temperate zonal semidesert class. This study suggested that grassland mainly distributed regions within the elevation between 3 000 and 4 000 m, and the elevation and slope significantly influenced spatial pattern of grassland.

Gannan region; grassland; integrated orderly classification system; GIS

S812.3；S127

A

1001-0629(2011)01-0027-06

2010-01-25 接受日期：2010-05-11

國家自然科學基金項目(30972135)；國家高技術研究發(fā)展專項(2007AA10Z232)；教育部科技創(chuàng)新工程重大項目培育資金項目(708089)；國家科技支撐計劃項目(2009BAC53B01)

鄒德富(1988-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，在讀碩士生，研究方向為草地農(nóng)業(yè)遙感與地理信息系統(tǒng)。

E-mail:zoudf05@lzu.cn

梁天剛 E-mail:tgliang@lzu.edu.cn