草原綜合順序分類系統研究進展

梁天剛，馮琦勝，黃曉東，任繼周

（草地農業系統國家重點實驗室 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020）

草地類型是草地資源實體的高度抽象與概括，草地類型的理論是在草地發生與發展的規律指導下，根據草原的自然特征與經濟特性，加以抽象、類比，按其實質的區別與聯系，探討草地這一農業資源所包含的各類草地的發生學關系，確定其發生的系列，從而更深刻、更正確、更全面和動態地認識與反映草地農業生態系統整體的科學［1－4］。草地分類則是草地類型理論的具體實踐，是草業科學研究與實踐的基礎問題之一［5］。草原綜合順序分類系統（comprehensive sequential classification system，CSCS）自提出至今的50多年中在理論及實踐方面已取得不少研究成果［5－12］。因此，系統總結已有的研究進展及存在的問題，提出今后改進和完善的主要方向，對推動CSCS方法的深入研究及應用必將產生積極的作用，具有重要的意義。

1 CSCS的作用及意義

由于世界不同地區的經濟和生態條件以及對草地分類的認識和目的不同，國內外草地分類的原則和方案差別很大，因此產生了許多各具特色的草原分類系統。如歐洲國家草地資源面積小，集約經營，側重于農業經濟；美國和澳大利亞等國，天然草地集中分布在干旱地區，在牧業利用的同時強調生態保護。前蘇聯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］。根據世界上眾多草地分類的原則和方法，這些系統大致可以概括為農業經營分類法、植物群落學分類法、土地—植物學分類法、植物地形學分類法、氣候—植物學分類法、植被—生境分類法、氣候—土地—植物綜合順序分類法，7大類數十種。這些分類系統的相繼提出和不斷完善，極大地促進了草地類型學及相關學科的發展，為草地資源的動態監測、評價和管理提供了科學基礎［1，14－17］。

縱觀已有的草原分類系統［1－3，18－21］，顯然大多數分類系統只適合特定區域或國家，并且只是描述已知的草地類型，而沒有考慮分類系統的全球周延性。而任繼周等［5，8－11］創立的草原綜合順序分類系統是一種擁有自主知識產權的，面向世界不同生境的草原分類體系，其理論基礎是草原發生與發展的大氣、土地、生物、生產勞動四項因素群學說。在四因素群綜合作用下，按其在分類系統中的穩定程度順序安排其分類指標和級別［22］。

草原綜合順序分類法幾經改進，自提出到現在已有50多年的歷史。根據草原分類應遵循的分類要素（理論依據、體系結構、分類指標和命名原則）的完整性、分類體系的周延性、分類體系內涵的綜合性、分類指標的相對穩定性、同級指標的可比性和特征指標的確限性原則，首先以生物氣候特征為依據，將具有同一地帶性農業氣候特征的草地劃為類，它是這一分類系統的核心。若干類可以歸并為一個類組。類之下進一步根據土地特征（包括地形和土壤）劃分為亞類。亞類之下根據植被特征劃分為型［1，5］。其特點為：1）分類指標信息量大，對生產有較多指導意義；2）第一級用數量化指標，可用計算機分類、檢索，便于同計算機、“3S”等信息技術相結合；3）分類檢索圖可直觀地體現類的發生學關系和地帶性規律，預測尚未研究的類的自然特性和生產特征；4）具開放性，可以將全世界相互遠離的各個草地類別納入統一的分類系統中，打破了不同地區的草地類型只能獨立命名的歷史局限。

依據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，具有獨特的理論意義和應用價值。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圖，簡潔明了地表達出熱量（≥0℃年積溫，共分7個級別）和濕潤度（年降水量毫米，共8個級別）相互作用下可能形成的56個天然草地類型及其譜系關系。3）檢索圖直觀反映了地帶性分異規律。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向地帶性；兩者結合則反映其垂向地帶性。4）檢索圖揭示草原類之間的發生學關系，以及各個類別之間的相似或相異程度，從而確定類的演替方向；能夠預測類的自然特征和經濟特性。5）檢索圖是開放式的圖譜，實現了對草原的世界統一分類［22，23］。

由于現有草地分類系統只局限于特定區域或國家，迄今為止還沒有以全球統一的草地分類系統對整個北半球草地類型的空間特征進行研究。采用擁有自主知識產權的草原綜合順序分類系統的理論，利用目前草原生態學、地統計學和地理信息系統等技術和方法，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（如植被指數、植被蓋度和凈初級生產力等）的時空分布格局及其與全球氣候變化響應等研究，不僅對實現數字草業、生態、生產管理、信息共享等都具有重大的應用價值，而且對增強我國在草原類型學、數字草業、全球變化等領域研究的國際影響具有重要意義。

2 國內外研究現狀

草地類型學及其分類研究是人類科學認識、評價和合理開發利用草原的理論基礎。隨著人類對草地生態系統的結構與功能認識的提高和研究方法的豐富及要求的提高，現代草地類型學所需資料的獲取和處理方法也日新月異。由最初的徒步現場調查發展到應用航空、航天遙感資料與地面調查相結合，運用計算機及網絡和“3S”等技術，建立信息系統，發展定量化、數字化和可視化分類的新方向。從理論到技術，在世界各地草地分類系統中，目前仍處于不斷探索發展的過程［2－4］。草原綜合順序分類法具有生物分類系統林耐雙名法和門捷列夫化學元素周期表類似的優點，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類型間的發生學聯系。其分類系統把草地形成和發生發展的主導因子——水、熱值基本因子，制訂嚴正量綱，提出第一級應用信息圖譜，與當代信息技術相結合，在更大空間尺度范圍內研究草地類型及其與全球變化相關的科學問題，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之一。

這一分類系統提出至今的50多年中，國內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，從而使該分類方法得到不斷改進、發展和完善［1，5，8－11，15－17，21，23，27－29］。戈棠和陳全功［30］采用模糊數學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的計算方法。杜鐵瑛［31］將青海天然草地分為11個大類，認為草地類的空間分布基本符合青海草地發生發展規律和分布持征。胡自治和高彩霞［17］對綜合順序分類法進行了一系列的新改進，熱量級由8級簡化為7級，將原濕潤度級的定量值由小數后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［1，14－17，32，33］。剛永和［34］根據草原綜合順序分類法，從類、亞類和型3級分類系統對青海省樂都縣天然草地的綜合順序分類進行了深入研究，將樂都縣草地劃分為4類、9個亞類和26個草地型。郭孝和張莉［35］對河南草地的分類也進行了研究，將河南草地分為9個類。馬紅彬和王寧［36］采用改進的綜合順序分類法，將寧夏草地分為8個大類。這些應用研究表明，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濟特性，對科學地指導草業發展具有重要意義。

進入21世紀以來，隨著計算機技術、網絡技術、“3S”技術和地統計學等方法的不斷發展，草原綜合順序分類系統的研究也進入了快速發展的階段。梁天剛等［27－29，37］利用ArcGIS地理信息系統（GIS）軟件的二次樣條函數等地統計學空間插值分析方法，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（k）在1km×1km格網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據庫及信息管理系統，研究結果應用于“中國草業開發專家系統Ver 2.0”單機軟件和基于網絡和 WebGIS等技術的“中國草業與生態”（http：／／www.ecograss.com.cn）網站［11，27－29，37］。馬紅彬等［38］對黃土高原草地分類進行了嘗試，將黃土高原草地劃分為l3類，認為各草地類分布情況符合黃土高原草地植被的分布規律。趙軍等［22，23］結合生態信息圖譜，采用地理信息系統技術和地統計學等方法，根據地形、地貌及植被分布等特點，將全國劃分為若干片區，利用分區控制法對各區的多年平均降水量、≥0℃的年積溫和濕潤度指數進行了空間插值研究，更加系統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域分布及其特點。任繼周［5］闡明了草原類型學對草業科學的基礎理論意義和實踐意義，系統總結了草原綜合順序分類系統研究進展及應遵循的6項原則，論證了該分類系統在生物種適宜度評價、全球變化對草原類型演替方向的預測、草坪引種等方面的應用。依據該分類系統全球天然草原分為42類，中國有41類［21－23］。

3 存在的問題及研究展望

3.1 分類指標的空間插值與尺度轉換

空間變量的插值方法，插值區域劃分、插值鄰域和格網單元大小、插值模型及精度評價等方面仍然需要不斷探索研究。空間尺度轉換與區域空間變量插值方法、插值鄰域和格網單元大小等緊密相關，在制作不同比例尺地圖時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是草原綜合順序分類的關鍵指標，研究這些指標的空間插值方法及其影響因素，提高空間插值精度，是準確劃分CSCS類和大類的關鍵。隨著GIS和地統計學的不斷發展，集成于GIS軟件中的插值方法主要有趨勢面（Trend）、反距離權重（IDW）、樣條函數（Spline）、普通克里金（Kriging）、通用克里金、協同克里金等算法［41，42］。同時，近年來也有PRISM （parameter－elevation regressions on independent slopes model）等新算法的研發及應用［43－46］。但是，在如此眾多的算法中，在不同地區并沒有一個公認的適合綜合順序分類法第一級分類指標的最優插值算法，這對草地類的準確劃分及制圖，具有極為重要的影響。

3.2 分類精度的驗證

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，是假定當前氣候情景下在沒有人類各種活動干擾的狀況下某區域內應有的天然草地類型。因此，在精度驗證時，由于現實草地植被受人類活動的影響，就存在如何辨識并評價與之相對應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，結合已有的植被地圖及地面調查資料，從遙感解譯的土地覆蓋數據中排除受人類活動影響的區域（如耕地、居民地及建設用地等）、永久冰川及湖泊覆蓋的地區，可以動態監測現存植被的類型及其空間分布，對比分析潛在自然植被同現實植被的空間分布模式及其特征差異，并分析現實植被受人類活動影響的強度及特點。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果，但由于分類模型及類型定義等差異，在比較時只能進行大類的一致性評價。

3.3 亞類與型的劃分指標與量化算法

目前，地理信息系統（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統（GPS）及集成技術已廣泛應用于草原生態學領域。GIS是海量空間數據管理、處理、分析、模擬和可視化的重要技術，是“3S”技術核心。同計算機網絡等技術相結合，可研發草原綜合順序分類信息管理與應用服務系統；GPS是GIS、RS進行高精度定位和綜合模型分析的基礎。結合“3S”技術，研究CSCS亞類（地形指標和土壤指標）與型劃分指標及其定量化、數字化表達方法，實現不同層次類型圖譜生成的自動化和數字化，是該草地分類系統需要不斷探索研究的重要課題之一。

RS是及時獲取及更新生態信息的重要手段，是生態信息圖譜的重要信息源。特別是1999年12月發射升空的新一代對地觀測衛星Terra（EOS－AM1）和2002年5月升空的Aqua（EOS－PM1）衛星所攜帶的中分辨率成像光譜儀（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）傳感器有36個光譜通道，是地球觀測系統一系列衛星上唯一在全球范圍內可免費接收數據的對地觀測儀器，每日可獲取2次白天和2次夜間的全球觀測數據，可以同時提供反映陸地、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，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的特征指標和參數定量化反演等方面具有獨特的特性［47－53］。目前已研發出經過輻射校正且包含地理定位坐標的MODIS L1B級數據（MOD02）、經過大氣校正的地表反射率（MOD09）、地表溫度和發射率（MOD11）、土地覆蓋（MOD12）、植被指數（MOD13）、葉面積指數和有效光合輻射（MOD15）、土壤水分蒸散量（MOD16）和植被凈初級生產力（MOD17）等44種覆蓋全球的合成產品，并且不斷地完善數據合成的算法，動態更新和發布相應的產品，對開展草地生態環境監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［54－62］。

RS技術的飛速發展，為研究CSCS各類草地遙感監測特征指標的時空分布格局及特征，以及亞類與型劃分指標的定量化奠定了良好的基礎。利用GIS和RS等技術，研發的CSCS類的電子地圖可直接導入GPS，實現外業調查的空間定位，為亞類與型的準確劃分提供基礎底圖。

3.4 不同尺度CSCS地圖及其應用

將綜合順序分類法推向國境以外，是完善本分類系統的關鍵之一。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。之所以自創立至今局限于國境，其主要原因是受氣象觀測數據難以共享、區域空間變量插值方法及精度等因素的影響。但是，隨著空間插值技術和氣象數據共享機制的發展［63－69］，在全球或區域空間尺度上研究該分類系統已成為可能。第二，綜合順序分類法確定的類為潛在植被類，要獲得當前現實草地植被分類圖，就必須結合現代遙感技術監測的土地覆蓋數據，扣除受人類活動影響的耕地及城鎮建設用地和永久冰雪覆蓋區。第三，制作不同時空尺度的CSCS系列地圖，并與GPS等技術的一體化集成，是草原綜合順序分類法在不同時空尺度上實際應用的基礎。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技術的不斷發展，CSCS電子地圖同GPS、移動GIS等系統的一體化集成已無障礙。通過研發基于網絡和“3S”等技術的草原綜合順序分類管理與服務系統，對促進基于CSCS的草原類型及相關學科的數據共享與交流，以及在全球變化及數字草業等領域的應用必將具有巨大的推動作用。

綜上所述，自20世紀50年代以來，國內針對草原綜合順序分類系統，已開展了大量的科研工作，取得了許多研究成果。結合當代計算機、網絡、“3S”等信息技術和地統計學等方法，加強宏觀尺度草原綜合順序分類法草地類劃分指標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實草地類型空間分布格局及遙感定量化時空動態特征，進一步探索簡單實用的亞類及型級的數字化劃分指標體系，在較大空間尺度范圍內系統研究分布范圍廣泛的草地類型及其遙感動態特征，開展與全球變化等相關領域的綜合性及應用性的研究（如預測全球氣候變化狀況下草地類型的潛在演變趨勢及規律等），應是今后一段時期內草原綜合順序分類系統研究的重點內容。目前已經具備了針對全球開展草地類及大類的研究，填補國際草原類型統一分類空白的能力，提高我國在這一領域的國際影響。

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