草原综合顺序分类系统研究进展

草地类型是草地资源实体的高度抽象与概括,草地分类是草地类型理论的具体实践,是草业科学研究与实践的基础问题之一。草原综合顺序分类系统(CSCS)以生物气候特征为依据,根据不同的热量级和湿润度将具有同一地带性农业气候特征的草地划为一类。据此所作的分类检索图是草原综合顺序分类法的图谱表达,具有独特的理论意义和应用价值。随着RS、GIS、GPS等技术及地统计学中气象要素空间插值方法的不断改进和完善,草原综合顺序分类系统在提出至今的50多年中在理论及实践方面已取得不少研究成果。系统总结了草原综合顺序分类方法在草地分类中的作用及意义、研究现状、存在的问题及研究展望,以期为该方法在更大范围的推广和应用提供科学依据。

基于草地综合顺序分类系统(IOCSG)的中国北方草地地上生物量高精度模拟

草地生态系统是陆地生态系统中分布最广泛的生态系统类型之一,草地生物量的精确估算一直是陆地生态学研究的重点问题。针对目前草地生物量估算方法的不确定性问题,提出了不依赖于遥感植被指数,而是通过分析草地生物量影响因素的方法去构建草地生物量估算模型。根据年积温(>0℃)和湿润度指标将研究区域划分为4种潜在植被类型,即微温干旱温带半荒漠类、微温微干温带典型草原类、微温微润草甸草原类和微温湿润森林草原类,然后对每一种潜在植被类型的草地生物量分析其内在影响因素,研究结果发现,微温干旱温带半荒漠类的草地生物量与年积温存在较好的线性关系,微温微干温带典型草原类的草地生物量可以用表层土壤粘粒含量的二次多项式来模拟,后两种潜在植被类型的草地生物量则随着潜在NPP的变化呈现先减小后增大的变化趋势。对4种潜在植被类型区域分别建立草地生物量与其影响因素之间的回归关系确定研究区域草地生物量的趋势面,结合HASM模型实现研究区域草地生物量的高精度模拟,结果显示上述4种潜在植被类型区的草地平均生物量分别为76.62、110.94、142.69、184.40 g/m2。

草原综合顺序分类系统第二级亚类的定量划分研究——以甘肃省为例

草原综合顺序分类理论自20世纪50年代提出以来,其完善的基本理论构架和定量化潜力已经使其成为草地生态系统研究科学性的代表。在草原综合顺序分类系统第1级——"类"的定量化研究方面取得了丰硕的成果,建立了检索图。但自该体系建立以来,由于数据获取困难,定量技术限制等原因,一直未开展第2级分类的定量化研究。论文以草原综合顺序分类系统的第2级——"亚类"为研究对象,在对亚类的分类指标——地形(地貌)和土壤的发生和分类进行综合分析的基础上,提出了在草地亚类划分中进行定量化分类的方法和原则,并以甘肃省为研究区域,进行了亚类的划分实践。首先,确定在山地使用地形(地貌)因子,在平原使用土壤亚类进行草地亚类划分,具体将甘肃省山地和平原按照坡度>3°,连续面积达到6 km2以上,划分为山地,其余划分为平原;在SRTMDEM数据基础上,提取了坡度、海拔、地势起伏度、山地和平原等因子,将甘肃省划分为20个基本地貌类型单元;利用SRTM-DEM提取的地形坡度、坡向、曲率等数据和MODIS数据中MODIS09GA、MODIS13A2影像提取和反演的土壤亮度、植被指数、水体指数、土壤温度、湿度指数、纹理特征等信息,通过监督分类,将甘肃省的土壤亚类定量划分为36个类型;在此基础上,在山地使用地貌分类指标,在平原使用土壤分类指标将甘肃省草地划分为568个草地亚类。研究结果可以为完善草原综合顺序分类系统,建立类与型之间的桥梁,并最终推进该系统三级分类体系的实用化提供研究思路和方法参考。

天祝县草地综合顺序分类及生态系统服务价值评价

按照草地综合顺序分类方法,利用天祝县及周边地区117个气象台站的资料和DEM分区修正,将天祝县草地分为寒温微干山地草原、寒温微润山地草甸草原、寒温湿润山地草甸、微温微干温带典型草原、微温微润草甸草原和微温湿润森林草原6类。同时考虑土地利用方式和草地退化程度,结合天祝县实际的草地资源分布图和草地的不同等级,利用地理信息系统软件(ArcGIS)工具,对天祝县草地生态系统服务价值进行估算,结果表明:天祝县草地的生态系统服务总价值为5.685亿元/年,其中微温微润草甸草原贡献率最高,达31.52%,寒温微干山地草原草地生态系统服务价值最低,贡献率为8.45%。

基于气象要素空间分布模拟优化的中国草地综合顺序分类

依据草地综合顺序分类系统(CSCS)原理,利用中国区域1961—2004年的气象信息数据,以及1km分辨率的DEM(高程)数据,借助ArcGIS平台,采用优化的气象要素模拟方法——多元回归+残差分析(AMMRR),以及3种传统插值方法,模拟了中国多年平均的>0℃年积温(Σθ)和年均降水量(r)的空间分布,并利用AMMRR法对中国草地进行分类。研究结果表明:1)AMMRR模拟得到的Σθ和r与实测样本的相关系数分别为0.976和0.974,极显著相关(p<0.01);相对平均误差(RME)、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)都小于3种传统插值方法。2)AMMRR通过经纬度、海拔高度与气象要素间的多元回归以及残差分析修正,不仅弥补了原始站点不足且分布不均匀的缺点,而且也充分体现了海拔落差较大区域气象要素的垂直变化。气象站点分布密集的区域,4种方法模拟的效果较一致,其空间格局与真实地理环境相似;但站点稀疏而且分布不均匀的区域,只有AMMRR的模拟结果才能反映出小尺度空间分布中地形的空间分异作用,结果比较理想。3)依据CSCS,中国草地包括除炎热极干热带荒漠类(ⅦA7)的其他41个地带性草地类。从南到北,Σθ减小,依次分布着炎热潮湿雨林类(ⅦF42)-亚热潮湿常绿阔叶林类(ⅥF41)-暖热潮湿落叶、常绿阔叶林类(ⅤF40)-暖温潮湿落叶阔叶林类(ⅣF39);从东向西,r降低,依次分布着微温潮湿针叶阔叶混交林类(ⅢF38)-微温湿润森林草原、落叶阔叶林类(ⅢE31)-微温微润草甸草原类(ⅢD24)-微温微干温带典型草原类(ⅢC17),地带性规律明显。

基于GIS的甘南地区草原综合顺序分类研究

草原是畜牧业生产的根本，科学合理的分类是草原开发利用、培育保护和经营管理的基础。本研究根据甘南及周边地区55个气象台站30年的气象资料，采用地统计学及回归方法对甘南地区的积温和湿润度进行插值，建立了〉0℃年积温和湿润度空间数据库。依据草原综合顺序分类法的分类原则，绘制了甘南地区的潜在草地类型图。结果表明，甘南草地共分为寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类、寒温潮湿寒温性针叶林类、微温潮湿针叶阔叶混交林类、微温湿润森林草原-落叶阔叶林类、暖温潮湿落叶阔叶林类、暖温湿润落叶阔叶林类、暖温微润森林草原类、暖温微干暖温带典型草原类、暖温干旱暖温带半荒漠类9种草地类型；草地主要分布在海拔3000～4000m，海拔和坡度的变化对草地类型的空间分布具有显著的影响。

AMMRR插值法的改进及其在内蒙古草地综合顺序分类中的应用

宏观尺度上,气象数据空间插值模拟在气象科学和草地科学研究中一直占据重要的位置。为进一步提高其精度和增强草地类型划分空间分异效果,本研究在多元回归+残差分析(Analytic Method Based on Mul-tiple Regression and Residues,AMMRR)插值法中增加微地形因子(坡度和坡向),用普通克里金(OK)函数替换反距离加权(IDW)函数进行残差分析以建立改进型的多元回归+残差分析(I-AMMRR)插值法,并将其应用于内蒙古自治区>0℃年积温(Σθ)、年降水量(r)和湿润度(K)的空间插值模拟。依据草地综合顺序分类系统(Comprehensive and Sequential Classification System of Rangeland,CSCS)原理和I-AMMRR插值技术,对内蒙古自治区草地进行分类,并研制了相应的草地综合顺序分类图。研究结果表明:(1)I-AMMRR插值法模拟Σθ和r的绝对平均误差(MAE)、相对平均误差(RME)和均方根误差(RMSE)均小于AMMRR法,其精度更高。(2)I-AMMRR插值法模拟的内蒙古自治区Σθ、r和K的空间分布格局呈现水平和垂直地带性分布规律,Σθ自东南向西北递增,r和K与Σθ相反。(3)内蒙古自治区草地被划分为从ⅢF38(微温潮湿针叶阔叶混交林类)到ⅢA3(温暖极干温带荒漠类)共计17个草地综合顺序类。其中ⅢB10(微温干旱温带半荒漠类)分布面积最大,ⅣE32(暖温湿润落叶阔叶林类)最小。草地植被空间分布的水平和垂直地带性明显,与内蒙古自治区植被调查结果基本吻合。

基于AMMRR插值法的草地综合顺序分类研究——以甘肃省为例

在草地综合顺序分类系统(IOCSG)的指导下,以甘肃省113个气象站点多年>0℃年积温(Σθ)和年降水量(r)以及DEM数据为主要数据源,采用"多元回归+残差分析法(AMMRR)"进行气象数据空间化,通过空间叠置分析完成甘肃省草地类的划分。研究结果表明,甘肃省共有28个IOCSG草地类,面积最广的有4个,分别是微温极干温带荒漠类(ⅢA3)、微温干旱温带半荒漠类(ⅢB10)、微温湿润落叶阔叶林类(ⅢE31)和寒冷潮湿高山草甸类(ⅠF36),分别主要分布在北山山地、河西走廊、黄土高原和甘南高原;亚热带的几个类(ⅤB12、ⅤC19、ⅤD26和ⅤE33)分布面积较小,比例不足1%。研究结果符合甘肃省各区域的气候特点。AMMRR法充分考虑了地形因子(经度、纬度和海拔高度)对气象要素的影响,使Σθ和r插值结果更接近实际,得到的草地分类图也充分体现出了植被的地带性规律,模拟效果较好。

基于GIS的中国2大草地分类系统类的兼容性分析

以植被-生境学分类(vegetation-habitat classification system of grassland,VHCS)方法为基础的定性的中国草地分类系统,以及定量的气候-土地-植被综合顺序分类系统(comprehensive and sequential classification system of grassland,CSCS)是我国常用的2大草地分类系统。在实际应用中,因"草原"和"草地"概念的重叠、混淆和交叉,以及定性分类和定量分类的差异,造成了操作上的困扰,研究结果亦不便相互交流。本研究通过2大系统一级单位-"类"的分类指标、名称和属性的对比,分析了2个系统"类"的兼容性,建立了两者间的对应关系,并利用基本同期的CSCS分类图和数字化的中国草地资源图(VHCS),以内蒙古自治区和甘肃省为例,在ArcGIS平台上进行了验证分析。研究结果表明:1)以广义草原或草地概念为基础的CSCS是一个大系统,兼容了以中国为例的VHCS分类系统;2)兼容VHCS的CSCS的类,两者在分类指标、名称和属性方面均能达到统一;3)空间叠置分析表明,若不考虑森林和非地带性类,内蒙古和甘肃区域2个分类系统分类结果的兼容性分别达到61.4%和61.1%;有差异的区域,基本上表现出草地实际调查结果(VHCS)是比原生潜在草地(CSCS)在更恶劣气候条件下的低分类级别的草地类,说明人为干扰已超过了原生草地生态系统的生存阈限,导致草地逆行演替;4)对CSCS与VHCS分类结果的对比分析研究,可科学地揭示人为干扰下草地的演替状态,并明确草地恢复和重建的目标。

基于CSCS的黑河上游潜在植被NPP及其水热关系研究

潜在植被NPP空间分布格局是植被长期适应自然的结果,是NPP与外界环境关系的反映,通过这种关系有助于理解地表碳循环发生的环境背景。本研究利用综合顺序分类法(CSCS)对黑河上游潜在植被进行模拟,通过植被反演计算潜在植被NPP总量以及累积量,探讨了潜在植被NPP与水热因子之间的相关性。结果表明,黑河上游潜在植被类型共有8个类,且具有明显的垂直地带性分布特征。潜在植被NPP积累量分布特征为河流流经的地区高于其他地区,在山区中,随着海拔的上升,NPP积累量呈先上升后下降的趋势,潜在植被的NPP积累量由黑河上游水热分布条件决定的。NPP积累量与≥0℃年积温在寒冷和寒温级内呈正相关,在微温级内呈负相关;与湿润度在干旱、微干、微润和湿润4个等级内呈正相关,在潮湿级内呈负相关。这种分布格局反映了潜在植被对生境和气候变化的多元适应性结构。

基于CSCS方法的甘南自然植被NDVI时空分布特征研究

基于综合顺序分类系统(CSCS)模型,利用地理信息系统技术手段,模拟出甘南潜在自然植被类型图,并且结合国际地圈生物圈计划(IGBP)土地覆盖数据集,制作出甘南残存潜在自然植被分布图和残存潜在自然植被典型区分布图。在此基础上,利用2001-2010年MODIS数据分别研究了残存潜在自然植被分布区及其典型区的NDVI年度和月度变化特征。研究结果表明,1)甘南残存潜在自然植被分布区面积达33 940km2,占甘南总土地面积的92.53%;2)残存潜在自然植被典型区主要分布在玛曲县、碌曲县及迭部县部分地区和夏河县北部,在舟曲、卓尼和临潭县分布较少;3)甘南地区NDVI在2001-2010年期间都呈现出上升趋势,7种植被类型的月最大值出现在7-9月。

未来不同气候情景下全球草地生态系统及净初级生产力时空动态分析

为揭示未来气候变化对草地生态系统的影响及其响应,本研究基于4种未来气候情景(包括SSP126,SSP245,SSP370和SSP585)数据,利用改进的综合顺序分类法和分段模型评估了2020—2100年全球草地生态系统及其净初级生产力(Net primary productivity,NPP)的时空格局及动态演变趋势。结果表明,在4个气候情景中,全球年均温和年降水量均将呈现整体上升的趋势。在SSP126和SSP245情景中,全球草地面积将下降,预计到2090 s将分别下降194.10和178.43万km^(2),主要原因在于冻原与高山草地面积的减少。相比之下,在SSP370和SSP585情景中,全球草地面积将呈现上升的趋势,预计到2090 s将分别上升67.59和136.72万km^(2),热带萨王纳面积增加最多。全球草地NPP在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中均将呈现上升趋势,预计到2090将分别上升0.25,1.96,5.78和7.52 Pg DW,其中,热带萨王纳NPP的贡献最大。在全球暖湿化背景下,冻原与高山草地和热带萨王纳更易受气候变化的影响。

青海省天然草地分类方法、面临的问题及对策

本文通过系统梳理定性的植被-生境分类法(Vegetation habitat classification system,VHCS)和定量的草地综合顺序分类法(Comprehensive and sequential classification system of grassland,CSCS)在青海省草地资源调查过程中的发展史,阐述了二者在不同历史时期的表现形式。通过对分类系统指标的对比发现,VHCS和CSCS在应用于草地分类时既有相通之处,又有所差异。结果表明:通过对比VHCS与CSCS的温度、湿润度及划分出的草地类型优势植物种类和分布区域发现,VHCS在热量级的划分上精确度较小,VHCS和CSCS湿润度划分指标的标准和范围基本一致,但对应的景观类型存在明显差异;二者的优势植物对应基本一致;CSCS的分布区域侧重以行政区域为单位,而VHCS则将分布区域按照地形来划分。文章基于以上结果,分析了目前青海省草地分类时面临的问题,并提出针对性的解决措施,为指导青海省草地分类和管理提供基础理论依据。

近百年全球草地生态系统净初级生产力时空动态对气候变化的响应

气候变化是影响生态系统空间地理分布、结构和功能的主要因素。为了从长时间序列大空间尺度上了解气候变化对草地生态系统的影响及其反馈机制,本研究利用综合顺序分类法及分段模型分别模拟了1911-2010年间全球草地生态系统及净初级生产力(NPP)的时空动态,并通过相关性分析揭示草地NPP对不同气候因子的响应。结果表明,在过去的百年间,全球草地面积从1920s的5175.73万km^2下降到1990s的5102.16万km^2,其中冻原与高山草地类组的面积下降最多,为192.35万km^2,荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的面积分别下降了14.31、34.15和70.81万km^2,而热带萨王纳类组的面积增加了238.06万km^2。在气候变化的影响下,大多数草地类组的重心均向北方移动,在北半球尤为明显。全球草地NPP从1920s的25.93Pg DW/年增加到1990s的26.67Pg DW/年。就各草地类组而言,冻原与高山草地类组、荒漠草地类组、典型草地类组、温带湿润草地类组的NPP均呈现下降趋势,分别下降了709.57、24.98、115.74和291.56Tg DW/年,而热带萨王纳类组的NPP则增加了1887.37Tg DW/年。从全球尺度来看,降水是影响草地NPP的主要气候因子。总的来说,近百年气候变化对全球草地生态系统产生了深刻的影响,尽管草地NPP呈现增加的趋势,但暖湿化的气候变化对草地生态系统的结构和空间分布产生了不利的影响。

三江源草原生态系统生态服务价值的能值评价

三江源地区处于青藏高原腹地,考虑三江源地区草地生态系统的特殊性、复杂性、敏感性,及其所蕴含的巨大的生态服务价值,全面的评价该地区的生态服务价值对于维护该地区生态环境健康和未来该地区经济社会的可持续发展具有重要意义。本研究以草地综合顺序分类法为理论基础,以能值分析法为主要计算方法,选择合适的6项评估指标,对2001-2010年三江源区草原生态系统生态服务价值进行逐项评估。研究结果表明,在过去的10年中,三江源区草原生态系统生态服务价值总量从1375亿元/年上升到1780亿元/年,年际变化较大;从趋势上,以2006年为分界点,2006年后的年份,其生态服务价值总量基本保持上升趋势,且普遍高于2006年前的年份。对不同草原类型进行生态服务价值评价可以看出,多雨冻原高山草甸类生态服务价值占全部草原类型生态服务价值的比例最大,10年中皆超过99.5%,这主要与该草地类型所占的面积比例有关;各类型草地生态服务价值占总价值的比例年际变化不大;在6项指标中,释放O_2与固定CO_2的价值所占总价值比例最大,两者之和约占全部价值量的90%,而直接的草产量价值仅占全部价值量的1%左右,远远低于其他生态服务项目的价值。

草原放牧系统的类型与生产力

根据草原综合顺序分类法(Comprehensive and Sequential Classification System,CSCS)划分了高寒、荒漠、半荒漠、亚热带森林灌丛、典型草原、草甸草原、温带森林灌丛、热带森林灌丛8个类型的放牧系统。放牧系统经历了原始游牧、粗放游牧、过度放牧和现代化放牧4个演替阶段,根据3个类型放牧系统生产力长期动态,我国主体仍为过度放牧系统,但开始向现代化放牧系统转变。我国放牧系统生产力平均18.04APU·hm^(-2),总计63.50亿APU,每年可产肉295.9万t。我国放牧系统存在结构性超载,即整体超载,但是部分区域、部分季节存在放牧利用不足。目前,我国草原增产潜力为0.5~2倍,关键途径是实现草原放牧系统的现代化转型。

三江源区生态系统和土壤保持服务对未来气候变化的响应特征

气候变化条件下的生态系统响应特征对生态系统服务的提升和生态环境保护具有重要意义。现有气候变化评估多以全球或区域大尺度研究为主,不适合局地小尺度。以2015年为基准,根据局地特征改进了综合顺序分类系统(CSCS),模拟了未来不同温室气体排放模式下三江源地区自然植被分布,同时分析了植被覆盖度及土壤保持功能的时空变化。研究结果表明:(1)在2080年的不同排放情境下,三江源地区的降水和气温增长主要发生在生长季(5-9月)和半湿润地区,其中,高排放情境的增幅最大(42.21 mm和4.93℃);(2)三江源地区潜在自然植被主要由草地转化为森林,植被覆盖度和土壤保持服务在不同排放情境下均呈现由西北向东南增加的趋势,与水热规律一致,其中高排放情境的增幅最大,低排放最小;(3)利用三江源地区原生裸地演替特点和多年NPP改进的CSCS模型,模拟精度提高了24%。研究成果为局地小尺度生态系统气候响应特征提供了必要的手段和规律认识。

人类活动对河龙区间潜在自然植被的干预强度

[目的]探究黄河中游河龙区间潜在自然植被(PNV)的时空变化规律,查明人类活动对该区域PNV的干预程度,可为区域生态系统恢复、重建和可持续发展提供理论参考。[方法]基于河龙区间1960—2017年气象数据和1990—2018年4期土地利用数据,利用GIS技术和综合顺序分类系统(CSCS)模拟并分析了河龙区间1960—2017年PNV的时空变化特征,并探讨1990年以来人类活动对PNV的干预强度。[结果]河龙区间稳定的PNV类型按面积由大到小排序为:暖温微干温带典型草原类、暖温微润森林草原类、微温微润草甸草原类、微温微干温带典型草原类。不同年代各PNV类型重心发生不同程度的迁移。土地利用类型以草地、耕地和林地为主。草地、林地、建设用地面积呈增长趋势,而耕地和其他地类呈减少趋势。各地类重心也在不断发生变化。受人类活动影响,草原类PNV的30.9%~36.2%和11.4%~18.5%面积分别转变为耕地和林地,森林草原类PNV的19.0%~32.6%面积转变为耕地,潜在草地区转变为林地的面积比例逐年增加。[结论]人类活动对PNV的干扰动态变化度在1990—2000年和2010—2018年较大,尤其是2010—2018年,且现有林地是否持续存活需要多关注。

宁夏天然草地的空间分布与类型特征

重新科学地认识宁夏草地类型及其特征对宁夏草地可持续利用与精细化管理至关重要,也对黄河中上游生态安全屏障的构建具有积极意义。本研究运用综合顺序分类系统(CSCS),在ArcGIS平台上制作了宁夏回族自治区CSCS草地类、草地类组分布图,研究其空间分布与类型特征,结果显示:1)宁夏共有12种CSCS草地类,其中,暖温干旱暖温带半荒漠类面积最大,为14786.73 km^(2),其次是微温干旱温带半荒漠类,面积为8187.36 km^(2),两种草地类分别占宁夏全区草地面积的48.44%和26.82%。2)宁夏共有4种CSCS草地类组,从北到南依次为半荒漠类组、典型草地类组、温带湿润草地类组和温带森林草地类组,面积逐步减小,分别占据宁夏草原总面积的75.27%、12.39%、8.45%和3.89%。3)根据宁夏草地不同的空间分布特征,将宁夏草地划分为3个片区,分别是宁北半荒漠草地生态保护区、宁中典型草地-温带湿润草地生态经济区和宁南温带森林草地山地景观生产区;并遵循因地制宜的原则,对3个片区分别实行以草定畜、发展草业生态经济和山地-草地景观旅游业等草地管理措施。

草地对全球气候变化的响应及其碳汇潜势研究

本研究用综合顺序分类法(CSCS)分析了1950-2000年和2001-2050年期间的草原类型演替及碳汇动态。证明中国草地的碳汇主体依次是冻原和高山草地、温带湿润草地、斯泰普草地和半荒漠草地大类,占中国潜在草地总面积的85.52%,年碳汇潜力占中国潜在草地年碳汇潜力的93.29%。全球草地的碳汇主体是萨王纳、冻原和高山草地大类,两者的面积和占全球潜在草地总面积的48.50%,年碳汇潜力占全球潜在草地年碳汇潜力的72.22%。在全球气候暖干化的强(A2a)、弱(B2a)情景下,与当前(1950-2000年)情景相比,中国将呈现草地面积减少,林地面积增加的态势;与中国的趋势相反,全球将呈现草地面积增加,林地面积减少的态势。在全球暖干化的A2a和B2a模式下,草地年碳汇潜力,中国将分别提升14.6%和18.5%,全球将分别提升17.3%和16.8%。但两者的增长方式不同,全球是以温带湿润草地大类年碳汇潜力大幅增加为特征,而中国是以负增长为特征。我国的暖干化趋势在草地年碳汇潜力上的反映较之全球更强烈。尽管造成全球气候暖干化的自然因素远非人力所能控制,但系统问题只能靠系统综合的办法治理。这是草地工作者当前的使命。