草原综合顺序分类系统研究进展

梁天刚，冯琦胜，黄晓东，任继周

（草地农业系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州730020）

草地类型是草地资源实体的高度抽象与概括，草地类型的理论是在草地发生与发展的规律指导下，根据草原的自然特征与经济特性，加以抽象、类比，按其实质的区别与联系，探讨草地这一农业资源所包含的各类草地的发生学关系，确定其发生的系列，从而更深刻、更正确、更全面和动态地认识与反映草地农业生态系统整体的科学［1－4］。草地分类则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［5］。草原综合顺序分类系统（comprehensive sequential classification system，CSCS）自提出至今的50多年中在理论及实践方面已取得不少研究成果［5－12］。因此，系统总结已有的研究进展及存在的问题，提出今后改进和完善的主要方向，对推动CSCS方法的深入研究及应用必将产生积极的作用，具有重要的意义。

1 CSCS的作用及意义

由于世界不同地区的经济和生态条件以及对草地分类的认识和目的不同，国内外草地分类的原则和方案差别很大，因此产生了许多各具特色的草原分类系统。如欧洲国家草地资源面积小，集约经营，侧重于农业经济；美国和澳大利亚等国，天然草地集中分布在干旱地区，在牧业利用的同时强调生态保护。前苏联由于天然草地资源丰富，面积辽阔，自然地带性明显，草地分类则着重于生境条件［13］。根据世界上众多草地分类的原则和方法，这些系统大致可以概括为农业经营分类法、植物群落学分类法、土地—植物学分类法、植物地形学分类法、气候—植物学分类法、植被—生境分类法、气候—土地—植物综合顺序分类法，7大类数十种。这些分类系统的相继提出和不断完善，极大地促进了草地类型学及相关学科的发展，为草地资源的动态监测、评价和管理提供了科学基础［1，14－17］。

纵观已有的草原分类系统［1－3，18－21］，显然大多数分类系统只适合特定区域或国家，并且只是描述已知的草地类型，而没有考虑分类系统的全球周延性。而任继周等［5，8－11］创立的草原综合顺序分类系统是一种拥有自主知识产权的，面向世界不同生境的草原分类体系，其理论基础是草原发生与发展的大气、土地、生物、生产劳动四项因素群学说。在四因素群综合作用下，按其在分类系统中的稳定程度顺序安排其分类指标和级别［22］。

草原综合顺序分类法几经改进，自提出到现在已有50多年的历史。根据草原分类应遵循的分类要素（理论依据、体系结构、分类指标和命名原则）的完整性、分类体系的周延性、分类体系内涵的综合性、分类指标的相对稳定性、同级指标的可比性和特征指标的确限性原则，首先以生物气候特征为依据，将具有同一地带性农业气候特征的草地划为类，它是这一分类系统的核心。若干类可以归并为一个类组。类之下进一步根据土地特征（包括地形和土壤）划分为亚类。亚类之下根据植被特征划分为型［1，5］。其特点为：1）分类指标信息量大，对生产有较多指导意义；2）第一级用数量化指标，可用计算机分类、检索，便于同计算机、“3S”等信息技术相结合；3）分类检索图可直观地体现类的发生学关系和地带性规律，预测尚未研究的类的自然特性和生产特征；4）具开放性，可以将全世界相互远离的各个草地类别纳入统一的分类系统中，打破了不同地区的草地类型只能独立命名的历史局限。

依据这一原理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。1）检索图直观反映出草地类型的热量、降水量及其湿润度，这三者可综合决定地球上气候类型、植被类型和土壤类型。2）检索图采用简单的二维坐标图，简洁明了地表达出热量（≥0℃年积温，共分7个级别）和湿润度（年降水量毫米，共8个级别）相互作用下可能形成的56个天然草地类型及其谱系关系。3）检索图直观反映了地带性分异规律。检索图从上到下，由冷变热，反映出由极地到赤道的纬向地带性；从左到右，由干变湿，反映出草地类型的经向地带性；两者结合则反映其垂向地带性。4）检索图揭示草原类之间的发生学关系，以及各个类别之间的相似或相异程度，从而确定类的演替方向；能够预测类的自然特征和经济特性。5）检索图是开放式的图谱，实现了对草原的世界统一分类［22，23］。

由于现有草地分类系统只局限于特定区域或国家，迄今为止还没有以全球统一的草地分类系统对整个北半球草地类型的空间特征进行研究。采用拥有自主知识产权的草原综合顺序分类系统的理论，利用目前草原生态学、地统计学和地理信息系统等技术和方法，研究北半球的草地类型空间分布及其特征，开展北半球各草地类型遥感特征指标（如植被指数、植被盖度和净初级生产力等）的时空分布格局及其与全球气候变化响应等研究，不仅对实现数字草业、生态、生产管理、信息共享等都具有重大的应用价值，而且对增强我国在草原类型学、数字草业、全球变化等领域研究的国际影响具有重要意义。

2 国内外研究现状

草地类型学及其分类研究是人类科学认识、评价和合理开发利用草原的理论基础。随着人类对草地生态系统的结构与功能认识的提高和研究方法的丰富及要求的提高，现代草地类型学所需资料的获取和处理方法也日新月异。由最初的徒步现场调查发展到应用航空、航天遥感资料与地面调查相结合，运用计算机及网络和“3S”等技术，建立信息系统，发展定量化、数字化和可视化分类的新方向。从理论到技术，在世界各地草地分类系统中，目前仍处于不断探索发展的过程［2－4］。草原综合顺序分类法具有生物分类系统林耐双名法和门捷列夫化学元素周期表类似的优点，既可容纳已知的类型，也可容纳未知的类型［21］。更为重要的是可以揭示各个类型间的发生学联系。其分类系统把草地形成和发生发展的主导因子——水、热值基本因子，制订严正量纲，提出第一级应用信息图谱，与当代信息技术相结合，在更大空间尺度范围内研究草地类型及其与全球变化相关的科学问题，在很大程度上减少了主观因素的影响，大幅度提高了精度和实用性［21，24－26］。这是有别于其他草地分类方法的最为突出的特点之一。

这一分类系统提出至今的50多年中，国内许多学者先后从理论研究和实际应用2个方面对该分类方法，特别是对我国不同地区及全国的草地分类的第一级——类的划分与检索进行了许多研究，从而使该分类方法得到不断改进、发展和完善［1，5，8－11，15－17，21，23，27－29］。戈棠和陈全功［30］采用模糊数学分析方法探讨了综合顺序分类法第一级类的表述及其典型指数的计算方法。杜铁瑛［31］将青海天然草地分为11个大类，认为草地类的空间分布基本符合青海草地发生发展规律和分布持征。胡自治和高彩霞［17］对综合顺序分类法进行了一系列的新改进，热量级由8级简化为7级，将原湿润度级的定量值由小数后2位简化为1位；将非地带性类的栽培草地和湿地类型纳入分类系统［1，14－17，32，33］。刚永和［34］根据草原综合顺序分类法，从类、亚类和型3级分类系统对青海省乐都县天然草地的综合顺序分类进行了深入研究，将乐都县草地划分为4类、9个亚类和26个草地型。郭孝和张莉［35］对河南草地的分类也进行了研究，将河南草地分为9个类。马红彬和王宁［36］采用改进的综合顺序分类法，将宁夏草地分为8个大类。这些应用研究表明，草原综合顺序法对类的划分有助于更深刻地揭示天然草地的自然特性及经济特性，对科学地指导草业发展具有重要意义。

进入21世纪以来，随着计算机技术、网络技术、“3S”技术和地统计学等方法的不断发展，草原综合顺序分类系统的研究也进入了快速发展的阶段。梁天刚等［27－29，37］利用ArcGIS地理信息系统（GIS）软件的二次样条函数等地统计学空间插值分析方法，首次探索研究了甘肃省及全国30年（1961－1990）的年平均降水量、≥0℃的年积温和湿润度指数（k）在1km×1km格网空间尺度的分布特征，建立了基于GIS的草原综合顺序分类空间数据库及信息管理系统，研究结果应用于“中国草业开发专家系统Ver 2.0”单机软件和基于网络和 WebGIS等技术的“中国草业与生态”（http：／／www.ecograss.com.cn）网站［11，27－29，37］。马红彬等［38］对黄土高原草地分类进行了尝试，将黄土高原草地划分为l3类，认为各草地类分布情况符合黄土高原草地植被的分布规律。赵军等［22，23］结合生态信息图谱，采用地理信息系统技术和地统计学等方法，根据地形、地貌及植被分布等特点，将全国划分为若干片区，利用分区控制法对各区的多年平均降水量、≥0℃的年积温和湿润度指数进行了空间插值研究，更加系统地研究和绘制了全国草原综合顺序第一级——类的空间分布地图，全面论述了各草地类的区域分布及其特点。任继周［5］阐明了草原类型学对草业科学的基础理论意义和实践意义，系统总结了草原综合顺序分类系统研究进展及应遵循的6项原则，论证了该分类系统在生物种适宜度评价、全球变化对草原类型演替方向的预测、草坪引种等方面的应用。依据该分类系统全球天然草原分为42类，中国有41类［21－23］。

3 存在的问题及研究展望

3.1 分类指标的空间插值与尺度转换

空间变量的插值方法，插值区域划分、插值邻域和格网单元大小、插值模型及精度评价等方面仍然需要不断探索研究。空间尺度转换与区域空间变量插值方法、插值邻域和格网单元大小等紧密相关，在制作不同比例尺地图时需要充分考虑和研究空间尺度变换的影响［39，40］。降水量、≥0℃年积温和湿润度指数是草原综合顺序分类的关键指标，研究这些指标的空间插值方法及其影响因素，提高空间插值精度，是准确划分CSCS类和大类的关键。随着GIS和地统计学的不断发展，集成于GIS软件中的插值方法主要有趋势面（Trend）、反距离权重（IDW）、样条函数（Spline）、普通克里金（Kriging）、通用克里金、协同克里金等算法［41，42］。同时，近年来也有PRISM （parameter－elevation regressions on independent slopes model）等新算法的研发及应用［43－46］。但是，在如此众多的算法中，在不同地区并没有一个公认的适合综合顺序分类法第一级分类指标的最优插值算法，这对草地类的准确划分及制图，具有极为重要的影响。

3.2 分类精度的验证

草原综合顺序分类法确定的草地类，属于潜在自然植被（potential natural vegetation，PNV）类型的范畴，是假定当前气候情景下在没有人类各种活动干扰的状况下某区域内应有的天然草地类型。因此，在精度验证时，由于现实草地植被受人类活动的影响，就存在如何辨识并评价与之相对应的潜在草地类型及其地理分布范围的精确性这一难题。

近年来，结合已有的植被地图及地面调查资料，从遥感解译的土地覆盖数据中排除受人类活动影响的区域（如耕地、居民地及建设用地等）、永久冰川及湖泊覆盖的地区，可以动态监测现存植被的类型及其空间分布，对比分析潜在自然植被同现实植被的空间分布模式及其特征差异，并分析现实植被受人类活动影响的强度及特点。然而，目前潜在植被精度分析的方法是比较不同模拟模型的分类结果，但由于分类模型及类型定义等差异，在比较时只能进行大类的一致性评价。

3.3 亚类与型的划分指标与量化算法

目前，地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）及集成技术已广泛应用于草原生态学领域。GIS是海量空间数据管理、处理、分析、模拟和可视化的重要技术，是“3S”技术核心。同计算机网络等技术相结合，可研发草原综合顺序分类信息管理与应用服务系统；GPS是GIS、RS进行高精度定位和综合模型分析的基础。结合“3S”技术，研究CSCS亚类（地形指标和土壤指标）与型划分指标及其定量化、数字化表达方法，实现不同层次类型图谱生成的自动化和数字化，是该草地分类系统需要不断探索研究的重要课题之一。

RS是及时获取及更新生态信息的重要手段，是生态信息图谱的重要信息源。特别是1999年12月发射升空的新一代对地观测卫星Terra（EOS－AM1）和2002年5月升空的Aqua（EOS－PM1）卫星所携带的中分辨率成像光谱仪（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）传感器有36个光谱通道，是地球观测系统一系列卫星上唯一在全球范围内可免费接收数据的对地观测仪器，每日可获取2次白天和2次夜间的全球观测数据，可以同时提供反映陆地、植被、云层和大气特征等地球综合信息，其较高的光谱和空间分辨率特点，以及近年来在植被、土壤、土地覆盖、地表温度及草地类型研究密切相关的特征指标和参数定量化反演等方面具有独特的特性［47－53］。目前已研发出经过辐射校正且包含地理定位坐标的MODIS L1B级数据（MOD02）、经过大气校正的地表反射率（MOD09）、地表温度和发射率（MOD11）、土地覆盖（MOD12）、植被指数（MOD13）、叶面积指数和有效光合辐射（MOD15）、土壤水分蒸散量（MOD16）和植被净初级生产力（MOD17）等44种覆盖全球的合成产品，并且不断地完善数据合成的算法，动态更新和发布相应的产品，对开展草地生态环境监测和全球气候变化等方面的综合性研究具有极其重要的意义，为草地类型空间格局及遥感特征的研究提供了前所未有的重要基础［54－62］。

RS技术的飞速发展，为研究CSCS各类草地遥感监测特征指标的时空分布格局及特征，以及亚类与型划分指标的定量化奠定了良好的基础。利用GIS和RS等技术，研发的CSCS类的电子地图可直接导入GPS，实现外业调查的空间定位，为亚类与型的准确划分提供基础底图。

3.4 不同尺度CSCS地图及其应用

将综合顺序分类法推向国境以外，是完善本分类系统的关键之一。第一，草原综合顺序分类法是一种面向世界的草地分类方法。之所以自创立至今局限于国境，其主要原因是受气象观测数据难以共享、区域空间变量插值方法及精度等因素的影响。但是，随着空间插值技术和气象数据共享机制的发展［63－69］，在全球或区域空间尺度上研究该分类系统已成为可能。第二，综合顺序分类法确定的类为潜在植被类，要获得当前现实草地植被分类图，就必须结合现代遥感技术监测的土地覆盖数据，扣除受人类活动影响的耕地及城镇建设用地和永久冰雪覆盖区。第三，制作不同时空尺度的CSCS系列地图，并与GPS等技术的一体化集成，是草原综合顺序分类法在不同时空尺度上实际应用的基础。迄今为止，由于受多方面因素的制约，全国仅有空间分辨率为1km的CSCS地图，世界分类地图尚处在研究阶段。近年来，随着GPS技术的不断发展，CSCS电子地图同GPS、移动GIS等系统的一体化集成已无障碍。通过研发基于网络和“3S”等技术的草原综合顺序分类管理与服务系统，对促进基于CSCS的草原类型及相关学科的数据共享与交流，以及在全球变化及数字草业等领域的应用必将具有巨大的推动作用。

综上所述，自20世纪50年代以来，国内针对草原综合顺序分类系统，已开展了大量的科研工作，取得了许多研究成果。结合当代计算机、网络、“3S”等信息技术和地统计学等方法，加强宏观尺度草原综合顺序分类法草地类划分指标的空间插值算法与制图研究，探索研究基于MODIS等遥感资料的潜在和现实草地类型空间分布格局及遥感定量化时空动态特征，进一步探索简单实用的亚类及型级的数字化划分指标体系，在较大空间尺度范围内系统研究分布范围广泛的草地类型及其遥感动态特征，开展与全球变化等相关领域的综合性及应用性的研究（如预测全球气候变化状况下草地类型的潜在演变趋势及规律等），应是今后一段时期内草原综合顺序分类系统研究的重点内容。目前已经具备了针对全球开展草地类及大类的研究，填补国际草原类型统一分类空白的能力，提高我国在这一领域的国际影响。

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