青海省天然草地分类方法、面临的问题及对策

苏洪烨,马 丽,张中华,秦瑞敏,常 涛,魏晶晶,胡 雪,李 珊,袁 访,阿的哈则,史正晨,周华坤*

(1.中国科学院西北高原生物研究所,青海省寒区恢复生态学重点实验室,青海 西宁 810008; 2. 中国科学院大学,北京 100049;3. 青海师范大学,青海 西宁 810008)

1 引言

在自然界,草地在地球的每一个大陆都有分布,受不同气候、地貌和土壤等条件的影响而千变万化,是人类最重要的农业自然资源之一[1]。我国是一个草地大国,拥有天然草地392.8×104km2,约占全国土地面积的41%[2]。青海省作为我国五大牧区之一,天然草地辽阔,畜牧业历史悠久,草地资源丰富,拥有发展畜牧业雄厚的物质基础[3-4],如何正确认识它,利用,改造它,以便充分发挥它的生产能力,是一个非常重要的问题。为此,必须对青海省天然草地进行普遍的、系统的调查研究,通过调查,摸清它的底细,了解它的发展历史、现状和发展远景,弄清它的本质和发展规律,采用有效手段,用其利,革其弊,让它朝着有利于生产的方向发展。草地分类是科学分析草地资源特征的重要研究方法,反映了人类对草地资源认识的广度和深度,也是人类开发、利用、合理保护与发展草地的科学依据,是草地研究中最复杂的问题之一[5-6]。深化对草地分类的研究,认识草地演替变化规律性,有助于确定各类草地在发生学中所占的位置以及它们之间的相互联系,使人们对草地植被与环境之间的关系有更加深刻和清晰的认识,从而揭示草地退化的机制和成因[7-10]。

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)是我国草地常用的两大分类系统。VHCS参考了苏联的植物地形学草地分类原则,将植被特性与生境条件进行综合分析,制定出“类、组、型”三级分类系统。其中在第一级类划分时,依据为气候因素与植被特征;在划分组时以植物经济类群为指标;型则是以主要层片的相同优势种,相似的生境状况,一致的利用方式进行划分。因此该方法依赖于草地资源调查资料,同时强调植被的主导作用,认为植被既能反映气候条件又同时与土壤形成有关,从而可以更为直观的划分草地类型。“中国草地分类法”就是在这一分类方法的基础上进行了修改和补充,并在1988 年确定为“中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统”[11]。CSCS全称为气候-土地-植物综合顺序分类法,是任继周等[12]以发生学与发展规律理论为指导,将世界各地的草地分类方法进行吸收、归纳和总结,提出的一种适用于我国的草地分类方法。该方法将大气、土地、生物和生产劳动四部分内容作为分类指标,并根据其稳定性划分高、中、低级分类单位[13]。其中,地带性气候特征作为综合顺序分类法中类的划分单位,湿润度(k)为水分指标,>0℃年积温(Σθ)为热量指标,划分为7个热量级,8个湿润度级,并根据水热条件将天然草地从理论上划分为56个类别。在实际应用中,因气象台站获取的数据为点数据,所以常用空间插值方法将气候变量数据转换为面数据,插值方法的精度可直接影响CSCS的分类结果。可以看出,我国的两大草地分类系统的侧重点略有不同,VHCS主要为老一辈草地科学工作者几十年的经验总结,系统科学,但主观因素影响较大;CSCS主要以生物气候指标为依据,使草原分类向定量化的方向发展,但限制于定量化技术手段[11]。因此,二者应用于草地分类时各有利弊。本研究通过对青海省天然草地分类系统的梳理和整合,重点关注VHCS和CSCS在青海省天然草地发展史中的应用,并通过对2个分类系统的对比分析,阐明不同分类系统之间的相同和差异之处,使研究人员更易使用和参考2个分类系统取得的不同成果,同时针对目前青海省天然草地分类存在的问题提出对策建议,为指导草地分类管理提供基础理论参考。

2 青海省天然草地分类系统

2.1 植被-生境分类法

青海省对天然草地的勘察调查工作起始于上世纪 50年代,截至1976 年底基本完成了全省牧区草地资源野外勘察任务,并于1977 年编撰完成了《青海草场资源》资料[4]。该资料采用了植被-地形学分类法,依据自然因素、地形、植被等特征,将全省天然草地首次划分为三级分类单位,分别为草场型、草场组和草场。第一级根据气候所反映的植被型,将全省草地分为草原、草甸、灌丛草甸、森林、荒漠和沼泽 6个草场型;第二级根据中地形和植被优势种,将全省草地分为 47 个草场组;第三级根据相同的植物群丛复合体划分,但未进行具体划分和命名[14],最终初步得出青海省天然草地分类系统(表1)。

表1 青海省草场资源分类Table 1 Classification of grassland resources in Qinghai Province

1979年,根据《1978-1985年全国科学发展规划纲要》和《全国基础科学发展规划》的要求,国家科委和国家农委下达了全国草地资源普查和编制1∶100万中国草地资源图的任务。1980年,青海省结合“全国重点牧区一青海环湖片草地资源调查”,第一次开展全省天然草地资源普查工作。由于青海省在全国草地资源调查中完成时间较早,在调查时以“型”作为县级草地分类基本单元,分类级别低于全国草地分类系统,因此划分出的9个草地类、9个草地组和173个草地型与全国草地分类系统存在差异,草地类型的划分和命名并没有完全和全国草地分类系统进行统一[15]。2007年,青海省开展了第二次以县级为单元的天然草地资源调查工作,按照《中国草地类型分类的划分标准和中国草地类型分类系统》标准,在20世纪80年代草地资源调查资料的基础上对青海省天然草地的类、组和型进行归并和重组,将青海省天然草地规划分为9个草地类、10个草地亚类、9个草地组和93个草地型,符合青海省天然草地的实际情况[16]。青海省天然草地分类标准于2016年提出,该标准与国家草地分类标准要求一致,均取消了亚类和草地组,形成二级分类系统,归并了草地类和草地型,大大简化了应用,将青海天然草地类型分为类(亚类)、型二级[17]。最终,将青海省天然草地类型确定为9类,87个草地型(表2)。

表2 基于植被-生境分类法的青海省草地类的划分Table 2 Classification of grassland in Qinghai Province based on vegetation habitat classification system

2.2 综合顺序分类法

杜铁瑛在1992年首次利用综合顺序分类法对青海省草地进行分类探讨,依据青海省56个气象站的>0℃年积温(Σθ)、年降水量(r)和湿润度(k),将青海省草地划分为11大类[18],结果表明青海省由于受到青藏高原强烈隆升的影响,草地分布规律呈现明显的垂直地带性,基本上反映了青海天然草地发生发展规律和分布特征,因此,综合顺序分类法适用于对青海省天然草地进行划分。1995年胡自治等对综合顺序分类法进行了全面改进,将8个热量级简化为7个,湿润度级判定值的小数点位数缩减为1位,并将非地带性草甸与沼泽提高到类中,完善了综合顺序分类法[19]。李红梅和马玉寿利用改进的综合顺序分类法将青海省草地划分为11类[20],在此方法中,>0℃年积温和年降水量是决定一个地区草地类型的关键因素,该因素精确度的高低直接影响着所划分出的草地类型的准确性。但青海省幅员辽阔,境内海拔高度差异较大,气候类型复杂多样,各地气候条件差异较大,西部地区气候恶劣,气象台站分布稀疏,所获得的气象资料较少,因此在利用综合顺序分类法以行政区域为单位划分草地类型时,存在一定的不准确性[21]。同年,李红梅和马玉寿利用GIS技术,对>0℃年积温和降水量进行空间插值,并将海拔高度和纬度与>0℃年积温和年降水量进行拟合后建立估算模型,计算出每个格点的>0℃年积温和年降水量值,结合综合顺序分类法将全省草地类型分为18类,克服了以行政区域为单位进行划分的缺点,提高了草地类型划分的精确性,展现出不同气候条件下青海省草地类型分布的特点[22](表3)。

表3 基于综合顺序分类法的青海省草地类的划分Table 3 Classification of grassland in Qinghai Province based on comprehensive and sequential classification system

2.3 VHCS与CSCS对比

在青海省利用VHCS和CSCS两类方法对草地类型进行划分发现,二者均可以利用湿润度、降雨量和>0℃的年积温作为量化指标。其中,VHCS的热量级仅有2级,CSCS的热量级有3级,VHCS的寒带和亚寒带与CSCS的寒带在>0℃的年积温的分布上基本一致,CSCS的寒温带对应VHCS的亚寒带与温带,CSCS的中温带范围分布在VHCS的温带内,说明VHCS的温带>0℃的年积温的分布跨度较大,从侧面反映出VHCS在热量级的划分上略微粗略(图1,表4)。湿润度是由全年降水量和>0℃的年积温之比计算得出,可综合反映出不同草地类型对应的气候情况。CSCS中的荒漠、荒漠草原和草甸草原湿润度指标范围明显高于VHCS,虽然2个系统中湿润度划分趋势基本一致,但对应的景观类型存在明显差异,说明以湿润度指标来判定景观类型会有一定偏差(图2,表4)。将2个系统不同草地类的分布区域和优势植物进行对比发现,二者的优势植物对应基本一致,拥有大致相同的分布地域。CSCS由于选用的为某地区的气象台站数据,因此分布区域侧重以行政区域为单位,将行政县作为草地类划分的基本标准,VHCS则是在长期野外调查数据的基础上进行汇总,将分布区域按照地形来划分(表5)。

图1 青海省VHCS与CSCS的热量指标及对应的气候带Fig.1 Thermal indices of VHCS and CSCS and corresponding climatic zones in Qinghai Province

图2 青海省VHCS与CSCS的湿润度及对应的景观类型Fig.2 Humidity of VHCS and CSCS and corresponding landscape types in Qinghai Province

表4 青海省VHCS和CSCS的指标Table 4 Indices of VHCS and CSCS in Qinghai Province

表5 青海省VHCS和CSCS的分布区域以及优势植物Table 5 Distribution areas and dominant plants of VHCS and CSCS in Qinghai Province

3 青海省草地分类面临的问题及对策

3.1 “草原”和“草地”概念混淆

草地和草原的概念如何界定和区分是我国长期存在的问题,二者的混淆往往会使工作人员在草地调查工作中产生分歧,VHCS和CSCS作为我国最常用的草地分类系统,由于二者概念的混淆,导致草地分类系统在应用时常常面临同名异物的问题[23]。董世魁[24]提出草地和草原概念既有狭义又有广义,广义的概念主要体现在农学和法学中,以能否用于家畜放牧为标准,强调草原和草地的生产功能;狭义的定义主要来源于植被学和土地类型学,如草原在植被学领域中主要应用于植被分类,将半湿润半干旱区的地带性植被,由旱生多年生草本植物为主(有时为旱生的小半灌木)组成的植物群落定义为草原;而在土地类型学中草地被认为是一种土地利用类型,主要以草本植物群落为主的土地,包括天然草地、改良草地和人工草地。从草地分类的角度来看,狭义的概念将草地中草本植物以外的如灌丛、荒漠、稀疏森林等以木本植被为主的植被类型忽略,这样会大量减少草地分布面积。另外,CSCS分类系统里包含了森林、阔叶林等植被以及用于家畜放牧的土地,与植被学传统的狭义概念不同,实际应用时会给基层使用者带来困扰。董世魁通过系统总结草原和草地术语在不同时期,不同国家、地区和领域的变化,提出不同语境中正确使用草原与草地名词术语的规范,建议在狭义的植被学和土地资源范畴,分别用“草原植被”和“草地地类”来命名,最大程度减少二者术语的歧义问题。

3.2 量化指标较少,分类主观性强

VHCS在本质上属于定性分类,依赖野外实地调查数据,在生态经济类群划分较粗,实际应用时存在重复多、不清晰等问题。CSCS是定量与定性结合的分类体系,但由于数据获取困难、定量技术限制等原因,其亚类与类之下型的定量研究至今没有突破性的进展[25]。二者面临的共同问题为指标特征大多为描述性,定量化指标较少,在使用过程中过多依赖调查人员的主观意识和经验[13],正如任继周先生所说“植根于直接或间接的认知,只是分类而不能聚类的分类系统,只能是经验性表述,其分类的科学意义将严重缺失”[26],因此,我们亟需得到能量化草地型的具体指标。目前,对草地分类的研究习惯性和植被分类区别开来,而VHCS和CSCS主要根据植物群落的优势种来划分型,与植被分类密不可分,若想在该层面上进行突破,必须依靠植物群落分析相关内容,使草地分类的植被特征指标统一。魏绍成等[27]提出草原分类中的“型”应该与植被分类中的“群丛组”所对应,“群丛组”要求层片结构相似,优势层片、亚优势层片的优势种、共优种相同,这样可以避免草地型过于多,草地组命名混乱的问题,同时将草地分类与植被分类相结合,可以吸收各自方法的优点,使分类体系更加完善。因此,我们可以将广泛应用于植被研究的聚类分析方法引入到草地分类中,提供更加客观的归类和划分方法。孙术恒等[28]利用辽宁省第二次国家重点野生植物分布数据进行聚类来判定植物保护的优先区域;孙海松[29]应用最短距离法将青海天然草地中分布较广、面积较大的21个草地型聚合为9个型;任珺等[30]用组平均聚类法将准葛尔盆地的梭梭植物群落划分为11个群丛[30];袁秀等[31-32]利用最小方差聚类方法分别对黄河三角洲和祁连县白杨沟草地植物群落进行分类。定量的聚类分析方法克服了普通分类法的主观性,将各草地类型的亲疏程度量化,使分类结果更加合理,有利于人们进一步了解和掌握草地属性。

3.3 空间插值精确度低

传统的空间插值方法如趋势面法(Trend surface analysis,TSA)、样条函数法(Spline)、反距离权重法(Inverse distance weighted,IDW)、协同克里金法(Co-kriging,CK)和普通克里金法(Ordinary Kriging,OK)等以近地面气温和降水为基础,也就是以近地面层的大气水热条件来划分类别,并没有考虑地形的垂直变化对气候指标的影响,从而使高海拔地区的插值精度降低。青海省地处青藏高原,省内海拔高度差异较大,气候类型复杂多样,气象台站分布较为分散,所能获取的气象资料较少[21],因此对温度和降水的获取较为困难,用普通的空间插值法所得到的草地类型精确度不高[33]。目前传统的空间插值法与数字高程模型进行结合,用坡度、坡向、坡位等因子进行修正,从而减小气象站点分布不均匀、海拔变化及地形复杂对空间插值的影响[34]。李飞等[35]基于DEM修正的IDW插值法和Kriging插值法,将我国潜在植被类型划分为41类,提高了以综合顺序分类法为基础的植被类型划分的精确度。邹德富等[36]利用DEM数据建立与年积温和湿润度的回归模型,并采用OK法进行插值,结果很好地反映了草地类型的垂直分布特点,证明了使用DEM数据与空间插值方法的结合在甘南地区所划分出的结果更为合理。除此之外,多元回归和残差分析插值法(Analytic method based on multiple regression and residues,AMMRR)将气象数据与气象站点的经度、纬度和海拔进行多元回归分析,并将插值数据与原始数据进行比较,计算相应的残差值,实现草地类的划分。郭婧等利用AMMRR插值法和IDW法对甘肃省草地类型的划分发现,该方法在气象台站稀疏及地形复杂的地区划分出的草地类型水平或垂直的梯度规律变化明显[37]。魏靖琼等[38]对AMMRR插值方法进行了优化,在进行多元回归时增加了坡度、坡向两个变量,结果所反映的甘肃地区的降水量空间分布特征与实际更为相符。Liu等[39]继续提出的利用OK法代替IDW法进行残差分析的AMMRR插值优化方法,对于甘肃省类似地区(具有复杂的地形特征)的气候面插值,拟合效果较好。目前,对于复杂地形的气象插值方法还大多采用专业气象插值软件ANUSPLIN(Australian national university splin),该软件以薄盘光滑样条理论为基础,引入各类地理因子作为自变量或者协变量,确定最优空间插值模型[40-42]。因此,对传统空间插值方法的改进以及专业气象插值软件的应用对于提高草地类型划分的精确度有着至关重要的作用,后续需要我们在青海及更大空间范围内进行验证。

3.4 分类体系内容不全面

VHCS和CSCS二者的分类体系均以气候、地形、土壤、植被特征等自然环境因素构成,重点在于对气候特点和植被群落的分析。2002年,陈佐忠等[43]参照草地类型分类系统的划分标准初步拟定了中国草地生态系统分类的原则和依据等内容,他们的尝试为草地分类内容的改进带来了新的见解。其中,草地生态系统划分的原则之一为生物群落特征,生物群落被定义为“某一空间各种生物的集合体”。生物群落的结构特征及各组分之间是相互关联的,植物可以反映动物的情况,动物也可以说明植物的问题,将生物群落与青海省海北州草地型相结合发现,不同草地型中的优势动物存在差别,并以小型啮齿类动物为典型代表。如金露梅灌丛中,甘肃鼠兔、根田鼠为优势物种,矮嵩草草地型中,高原鼠兔、高原鼢鼠为优势物种[44]。啮齿类动物作为草地生态系统的初级消费者和调节者,与其他部分相互联系、相互制约,通过影响植物群落生产力和土壤理化性质,进而改变生态系统结构和功能[45-47]。在青海,啮齿类动物种群丰富,李海龙等结合青海省气候、植被、地形等因素调查啮齿类动物的分布情况,将啮齿类动物群落划分到柴达木盆地、青海祁连山地、青海湖北山地、黄南山地、湟水河谷、果洛玉树高原和青海羌塘高原7个不同的地理单元中,同时在不同生境如草甸草原、高寒草甸、高山草原等中也表现出差异性[48]。很多研究表明啮齿类动物群落的种群数量和分布规律随着气候、生境的变化而发生改变,进而影响植物群落的发展,引发植物多样性的改变[49-50]。小型啮齿类动物对草地生态系统的干扰可增加植物物种多样性,如高原鼠兔的干扰提高了高寒草甸植物群落中禾本科植物的比例[51],高原鼢鼠的干扰也显著提高了甘肃碌曲县和夏河县实验区域内的垂穗披碱草盖度,降低了杂类草生物量[52],并且啮齿类动物在活动过程中会携带并贮藏种子,可能间接影响植物种子的传播和萌发[53-54]。因此,啮齿类动物种群与植物多样性有着密切的关系,是草地生态系统中不可忽视的一部分。而目前的研究多集中在某一片区域和地点,并没有延伸到大尺度范围,如何将该部分与草地类型结合需要我们进行更深入研究。

4 展望

通过系统梳理青海省草地分类体系现状,在了解已有草地分类体系和相关研究成果的基础上,我们初步提出青海省草地分类体系改进方向,以期推广应用到实际工作中,为草地资源保护和管理提供有力支持。以综合顺序分类法的核心发生学分类为原则[55],将青海草地分类体系划分为类、型二级分类指标。以第一级“类”指标为划分依据[56],对青海省天然草地进行类的划分。由于草地分类是以发生学和演替规律为指导,不同分类等级要既有联系,能成为一个有机整体,又要层次分明,具有独特性[26],因此将生物群落概念引入综合顺序分类法,作为第二级“型”的划分指标,既符合草地类型的特点,又简单明确,直观性强。

类:一级指标“类”仍延续CSCS分类法对类的划分标准,以Σθ、r和k为划分依据,选择最优空间插值法实现青海省一级指标定量化和精确化。利用多种空间插值算法,优化综合顺序分类法精度,克服青海省气候类型复杂多样,气象台站分布稀疏,所获得的气象资料较少的问题。同时利用遥感技术提高草地分类精度[57-58],推进草地综合顺序分类法的实际应用进程。随着3S 技术的快速发展,引入高分辨率数字高程模型对坡度、坡向及海拔等因素进行修正,提高气候指标和草地分类的准确度,借助遥感数据反演水热指标来分析未来情景下的植被变化特征[59],是CSCS方法亟待探索的重要内容。

型:利用物种重要值指标判定植物群落主要层片的优势种,若不同植物的优势地位相近,则定义为共优种。再应用聚类方法对青海省不同类型的天然草地进行划分,选用草层平均高度、草地植被盖度、产草量、土壤理化性质、海拔和经纬度等指标将相同的群系进行归并,更具系统性[28-30,60]。同时,以生物群落为划分原则,探索啮齿类动物同植物群落和生态系统结构和功能的关系,将其作为辅助指标,来判定草地类型差异及草地健康质量情况[61]。另外,如何借助3S技术手段和野外调查数据,量化型指标,建立与类一样可供检索的聚类体系,也是下一步的探索方向[62]。随着自然环境条件的变化和应用技术的改进,新的草地形成规律和分类系统将会逐步发展,为监测、保护、恢复和利用青海省草地资源提供有力保障。