基于GIS的甘南地区草原综合顺序分类研究

邹德富，冯琦胜，王 莺，夏文韬，梁天刚

(兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点实验室，甘肃 兰州 730020)

基于GIS的甘南地区草原综合顺序分类研究

邹德富，冯琦胜，王 莺，夏文韬，梁天刚

(兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点实验室，甘肃 兰州 730020)

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3 000～4 000 m，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。

甘南地区；天然草地；综合顺序分类系统；GIS

草原类型是草原资源实体的高度抽象与概括[1]。草地类型的划分是草地经营管理学中的基础性工作，是人们认识和研究草地资源的重要技术手段，也是人们科学开发、合理利用、有效保护和培育草地的理论基础[2]。因此，对草地的正确分类，对于草地资源的可持续综合利用具有重要的现实意义。

草地分类系统在各国间存在差异，多以植被和生境条件为基础，其中也会考虑到农业经济效益和区域性气候等因素[3-9]。但这些草原分类系统只是单纯描述现存草地并予以分类，不具有可扩展性[10]。而采用任继周等提出的气候-土地-植被综合顺序分类法，以量化的气候指标——热量级和湿润度级为依据，则可将具有同一地带性农业生物气候特征的草地划分为类。该方法将分类指标数量化，利于计算机检索，可直观体现类的地带性和发生学关系，可以根据类在检索图中的位置，了解各个类的相似或相异程度，预测其自然特性和生产特性，并且其开放性可以将全世界互相远离的各类草地纳入一个分类系统之中[1]。

在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[11-20]，但对基于GIS的草原综合顺序分类法的研究，并没有考虑海拔等因素对高原地区气象数据插值的影响。该项研究以甘南藏族自治州为研究区域，借助GIS分析软件进行空间插值及分析，以期绘制甘南地区草地类型地图，为草地资源评价和维持变化后的生态系统的平衡与稳定提供科学依据。

1 研究区概况

甘南藏族自治州地处33°06′～35°34′N，100°45′～104°45′ E，位于青藏高原与黄土高原过渡地带的甘、青、川三省结合部，南与四川阿坝州相连，西南与青海黄南州、果洛州接壤，东部和北部与甘肃省陇南、定西、临夏毗邻，是全国10个藏族自治州之一，全州总面积4.5万km2。高原大陆性季风气候，高寒湿润，其天然草原是世界上海拔最高的优良草甸草原之一。全州拥有天然草地272.27万hm2，面积广阔的优质天然草地既是省内主要的畜牧业生产基地，也是甘南州畜牧业发展的基础[21-22]。甘南地区的草地资源不仅对国民经济可持续发展有举足轻重的作用，对黄河、长江上游甚至下游的生态环境与经济社会的可持续发展也具有重要作用。

2 数据与方法

2.1数据来源 地面观测数据来自甘南及周边地区的55个气象台站(图1)，包括日均温和降水，时间范围为1961-1990年，此外还包括甘南藏族自治州行政分区、数字高程模型(digital elevation model，DEM)等相关数据库。

图1 甘南及周边地区气象站点分布

2.2研究方法

2.2.1草原类的划分方法 依据草原综合顺序分类法，以量化的生物气候指标——>0 ℃年积温(∑θ)和湿润度(K)为依据，将具有同一热量级和湿润度相结合的草地划分为类。>0 ℃年积温(∑θ)指一年内大于0 ℃的逐日气温的累积值，该分类系统将草原的热量级分为7级。湿润度指标，即K=r(全年降水量)/0.1∑θ，既可以表示水分平衡，又可间接表示热量因素和由此衍生的多项生境因子，该分类系统中湿润度共分6级。将热量级及湿润度耦合，建立草原分类检索图，天然草原类型应有42 类，另有19类为非地带性草地类别[23]。各类的基本特征描述见表1。

2.2.2气象资料插值 利用SPSS统计软件建立>0 ℃年积温和湿润度与经度(X)、纬度(Y)和海拔(H)的回归关系模型，采用ArcGIS软件对50个气象台站30年(1961-1990年)观测数据进行空间分析，并辅助以普通克里金法进行残差插值，建立>0 ℃年积温和湿润度空间数据库。在本项研究中，利用5个气象台站数据验证插值的效果。首先，从>0 ℃年积温和湿润度空间数据库中提取这5个台站的模拟值，然后计算其实际观测值与模拟值之间的误差。采用平均误差(mean error，ME)、均方根误差(root mean squared error，RMSE)以及误差率作为评估此插值方法效果的标准。误差率的计算方法为ME和RMSE数值的绝对值与5站点观测值均值的比率。

2.2.3草地类型统计 根据草地综合顺序分类法的分类原则，对甘南地区草地进行分类，形成研究时段内的潜在草地类型分布图，并对不同海拔、坡度梯度的草地类型及面积进行统计分析，研究其空间分布特点。

3 结果与讨论

3.1气象数据的插值与分析 通过实测数据的统计分析，>0 ℃年积温T(℃)和湿润度(K)与经度X(°)、纬度Y(°)和海拔H(m)之间具有显著的相关关系，线性回归方程为：

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的复相关系数(R2)达到0.973，K的复相关系数达到0.824。对插值的结果进行了验证，其中>0 ℃年积温和湿润度的平均误差率分别为1.72%和2.53%，均方根误差率分别为3.40%和4.98%，插值效果较好。

表1 草原综合顺序分类法的属性转换矩阵[23]

利用以上公式及DEM数据，计算>0 ℃年积温和湿润度的空间分布，并对残差进行插值，结果如图2所示。>0 ℃年积温的分布呈一定的垂直地带性，从高海拔地区到低海拔地区，年积温逐渐增加。从行政分区来说，玛曲、碌曲县年积温值最低，夏河、合作、临潭、卓尼等县年积温值较高，迭部、舟曲县年积温值最高(图2a)。湿润度的分布由>0 ℃年积温和年降水量(图2b)决定。玛曲地区海拔高，>0 ℃年积温较低，但降水量大，湿润度指数高，随着海拔的下降，>0 ℃年积温急剧上升，对湿润度的影响起到主导作用。降水量变化不大的区域，则湿润度有所下降，所以甘南中部的湿润度比玛曲县要低。海拔最低的迭部、舟曲县的降水量较其他县低，>0 ℃的年积温达到最高值，因此湿润度达到最低值。

3.2草地类型及其空间分布特征 以草原综合顺序分类法作为分类标准，通过分析甘南地区1961-1990年>0 ℃年积温和湿润度指数空间数据库，绘制出甘南地区的草地类型分布图(图3)。甘南地区共有9种草地类型，分别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。其中，寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类为主要草地类型，占甘南全州国土面积的56.1%；其次为寒温潮湿寒温性针叶林类，占甘南全州国土面积的35.4%；其他草地类型所占面积较小。草地类型的空间分布基本符合植被的垂直地带性、纬向地带性和经向地带性这三向地带性分布特征。具体来说，境内高海拔地区气温低，年降水量大，主要分布的草地类型为寒冷潮湿类；随着海拔的降低，气温逐渐增加，寒温潮湿类出现；在海拔较低的地方，由于微地形及降水等因素的差异，主要分布的草地类型有微温、暖温类草地类。

3.3草地类型与海拔的关系 因为甘南地区海拔高度较高，相对高差大，为了更好地研究草地类型的空间分布特征，将甘南地区按海拔高度分为4个区：<2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、>4 000 m。通过统计分析可知，海拔低于2 000 m的地区属于中温带和暖温带，主要分布在舟曲县境内，年积温较高，湿润度分布范围大，有7种草地类型，呈狭长带状分布，约占甘南全州总面积的1.5%；海拔处于2 000～3 000 m的区域，具有从暖温带、中温带向寒温带过渡的趋势，暖温类草地面积减少，寒温潮湿寒温性针叶林类和微温潮湿针叶阔叶混交林类草地面积增加明显，约占总面积的18.1%，主要分布在甘南东部的临潭、卓尼、迭部和舟曲县的大部分地区；海拔处于3 000～4 000 m的区域，气温下降，降水量增加，草地类型为寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类和寒温潮湿寒温性针叶林类，分布面积广，约占甘南总面积的71.5%；海拔高于4 000 m的区域，草地类型为寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类草地，主要分布在玛曲县西北部地区。

图2 研究区>0 ℃年积温分布图和湿润度分布图

图3 甘南地区草地类型图

3.4草地类型与坡度的关系 为了分析坡度对草地类型的影响，将甘南地区分为<10°、10°～20°、20°～30°、>30°这4个区域。本研究表明，甘南大部分地区的坡度都小于10°，主要分布在玛曲、碌曲、夏河、合作、临潭和卓尼县，主要草地类型为寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类和寒温潮湿寒温性针叶林类，占甘南总面积的82.8%；坡度介于10°～20°的区域，草地面积次之，主要分布于舟曲、迭部和卓尼县，主要草地类型为寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类和微温潮湿针叶阔叶混交林类，占甘南总面积的15.4%；坡度介于20°～30°的区域，主要分布在舟曲和迭部县的大部分地区，草地面积较小，但类型较多，出现了甘南地区所有的草地类型；在坡度>30°的区域，草地面积最少，有9种草地类型镶嵌出现，分布在舟曲和迭部县的东部地区。由此可见，甘南地区坡度的变化对草地类型的空间分布也有一定的影响。

4 结论与展望

1)通过实测数据的统计分析，>0 ℃年积温(T)和湿润度(K)与经度(X)、纬度(Y)和海拔(H)之间具有显著的相关关系，其线性回归方程为：

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)甘南地区共有9种草地类型，分别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。其中，寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类和寒温潮湿寒温性针叶林类为主要草地类型。

3)海拔及坡度对草地类型的空间发布具有显著影响。甘南地区71.5%的草原分布于海拔3 000～4 000 m的区域，主要分布在玛曲、碌曲、夏河、合作和卓尼县；82.8%的草原分布于坡度小于10°的区域，主要分布在玛曲、碌曲、夏河、合作、临潭和卓尼县，主要草地类型为寒冷潮湿多雨冻原-高山草甸类和寒温潮湿寒温性针叶林类。

4)采用本项研究提出的插值算法，在进行插值时考虑了海拔高度的影响，能够更好地区分出不同海拔高度下的草地类型，使草地类型的垂直地带性分布更明显，所以利用此方法所划分的草地类型更为合理、实用性更广，此算法对于高程较高且变化较大地区效果较好，但插值结果容易受到局地环境条件的影响。由于本研究没有充分考虑局部的环境条件(如地形、坡向等)，因此会存在一定的误差。另一方面，由于研究区的气象台站在高海拔地区分布稀少，在海拔变化很大的高山地区，插值结果会出现异常值。在今后的研究中，可探索通过增加虚拟站点、引入天然植被空间分布的遥感判读信息作为辅助分类因子等方法，进一步提高草地的分类精度。

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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

国家自然科学基金项目(30972135)；国家高技术研究发展专项(2007AA10Z232)；教育部科技创新工程重大项目培育资金项目(708089)；国家科技支撑计划项目(2009BAC53B01)

邹德富(1988-)，男，内蒙古赤峰人，在读硕士生，研究方向为草地农业遥感与地理信息系统。

E-mail:zoudf05@lzu.cn

梁天刚 E-mail:tgliang@lzu.edu.cn