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。

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。

基于定量遥感的甘肃省草原综合顺序分类

为了推进草原综合顺序分类的实用化进程,在草地发生学原理指导下,在草原综合顺序分类中引入甘肃省2008年每日1km分辨率的MODIS地表温度产品(MYD11A1)和0.5km分辨率的MODIS地表反照率产品(MYD09GA),反演土壤水分和地表年积温,划分热量级和湿润度级,并对甘肃省草地进行分类,以野外调查数据为相对真值验证了结果,评价了分类精度。结果表明:甘肃省天然草地横跨寒冷-寒温-微温-暖温-暖热5个热量级,极干-干旱-微干-微润-湿润-潮湿6个湿润度级,共26个类,其中暖温干旱暖温带半荒漠类、微温干旱温带半荒漠类和寒温潮湿温性针叶林类是甘肃省最主要的几种草地类型,占全省面积的43.43%;草地类的分布呈现出明显的垂直地带性,类别划分结果符合研究区域的气候、地理位置和地貌特征。研究减少了以往综合顺序分类对气象站点分布和插值方法的依赖性,从数据源的角度解决了综合顺序分类法中站点数据向区域数据转换这一难题,改善了点数据外推的边界模糊问题,拓展了草原综合顺序分类的研究手段和方法,为推进草原综合顺序分类实用化进程提供了新的思路。

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。

草原综合顺序分类法的新改进Ⅰ类的划分指标及其分类检索图

根据全国２３５２个气象站３０年以上的气候资料以及其他资料，对草原的综合顺序分类法第一级分类的热量级、湿润度级指标进行了修正，设计了新的分类检索图，将地带性和非地带性（草甸和沼泽）的天然草地，以及人工草地的类，纳入到统一的检索图中，并可进行计算机检索。

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。

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%。

从生态信息图谱的角度看草原综合顺序分类法检索图

图谱是认识和研究事物规律的科学方法。草原综合顺序分类法检索图是一种成功的生态图谱研究成果,在草原分类工作中具有重要的理论和实践价值。在现代信息技术基础上,根据生态信息图谱的思想,对检索图作出了评价,并提出了进一步完善和充实的途径。

基于改进的CASA模型模拟草原综合顺序分类体系各类的最大光能利用率

植被最大光能利用率是净初级生产力(NPP)估算的一个重要参数,对它的大小一直存在争议。利用遥感数据、气象数据和中国区域NPP实测资料,依据基于草原综合顺序分类(CSCS)改进的CASA模型,采用改进的最小二乘法对中国41类草地的最大光能利用率(εmax)进行了模拟,并通过与他人估算的光能利用率(ε)进行比较来验证εmax的可靠性和准确性。结果表明:此次研究的ε值略高于其他的研究结果。其主要原因有:ε最大值和最小值之间的跨度较大,从而使得平均值较高;由于缺乏实测数据,个别草地类型的ε估算值较高,导致了本研究ε值偏高;各研究采用的分类体系不同,模型和数据来源不同,从而导致结果存在差异。本研究中的εmax根据实测数据模拟得到,今后需进一步收集实测数据,对参数εmax的合理取值进行调整。

基于草原综合顺序分类法的中国山地草地亚类分类研究

草地作为陆地生态系统的重要组成部分,精准界定草地类型对草地资源研究具有重要意义。本研究基于数字高程模型(DEM),采用草原综合顺序分类法(CSCS),对中国山地草地亚类进行定量划分,并分析了草地亚类在山地区域的空间分布特征。结果表明:1)山地亚类共划分为20种,以小起伏山地亚类为主,面积分布最广泛;丘陵、中起伏山地亚类面积分布相当;大起伏和极大起伏山地亚类面积分布较少;2)原则上每种草地类型可划分为20种草地亚类,由于山地水热条件的空间差异,在特定环境下某些草地亚类并不存在;3)寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类(ⅠF36)的山地亚类面积分布最大;寒温潮湿寒温性针叶林类(ⅡF37)的山地亚类面积占第二位;暖热潮湿落叶-常绿阔叶林类(ⅤF40)的山地亚类面积居第三;亚热极干亚热带荒漠类(ⅥA6)的山地亚类面积分布最小。该研究结果可为草原开发利用、培育保护和经营管理,以及畜牧业的发展提供一定科学依据。

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。

基于草地综合顺序分类法的CASA模型改进

将任继周等提出的草原综合顺序分类法的草原分类气候指标>0℃年积温(Σθ)和湿润度指标(K)引入CASA模型,对水分胁迫因子的计算进行改进,避免了复杂的土壤参数,仅用>0℃年积温和K值就可计算水分胁迫因子,极大地简化了模型。同时调整了CASA模型最大光能利用率的固定取值,使之成为适合中国草地净第一性生产力(NPP)估算的模型。改进的CASA模型实现了草地NPP模拟与草地综合顺序分类系统的耦合,能更好地反映草地类型与草地NPP的关系,为研究草地NPP的区域分布和全球分布提供了理论依据。

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。

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。

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。

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。

基于GIS的甘南高原草原分类与制图研究

在草原的综合顺序分类法理论指导下,利用GIS技术手段,通过对甘南高原及其周边区域气象台站>0℃年积温和年湿润度的空间插值、重分类、空间叠置,生成了甘南高原1km×1km精度的草原类型图。结果表明,甘南高原共有11个草原类,寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类分布范围最广,其次是寒温潮湿寒温性针叶林类,这2种类型面积占到总面积的96.0%。

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。

用综合顺序分类法对内蒙古草原分类的研究

运用综合顺序分类法将内蒙古草原划分为8个大类。各类草地的分布基本符合内蒙古草原植被的经向和纬向地带性分布规律,类与类之间具有密切的发生学关系。表明用综合顺序分类法划分内蒙古草原类型是可行的。