青海省天然草地分類方法、面臨的問題及對策

蘇洪燁,馬 麗,張中華,秦瑞敏,常 濤,魏晶晶,胡 雪,李 珊,袁 訪,阿的哈則,史正晨,周華坤*

(1.中國科學院西北高原生物研究所,青海省寒區恢復生態學重點實驗室,青海 西寧 810008; 2. 中國科學院大學,北京 100049;3. 青海師范大學,青海 西寧 810008)

1 引言

在自然界,草地在地球的每一個大陸都有分布,受不同氣候、地貌和土壤等條件的影響而千變萬化,是人類最重要的農業自然資源之一[1]。我國是一個草地大國,擁有天然草地392.8×104km2,約占全國土地面積的41%[2]。青海省作為我國五大牧區之一,天然草地遼闊,畜牧業歷史悠久,草地資源豐富,擁有發展畜牧業雄厚的物質基礎[3-4],如何正確認識它,利用,改造它,以便充分發揮它的生產能力,是一個非常重要的問題。為此,必須對青海省天然草地進行普遍的、系統的調查研究,通過調查,摸清它的底細,了解它的發展歷史、現狀和發展遠景,弄清它的本質和發展規律,采用有效手段,用其利,革其弊,讓它朝著有利于生產的方向發展。草地分類是科學分析草地資源特征的重要研究方法,反映了人類對草地資源認識的廣度和深度,也是人類開發、利用、合理保護與發展草地的科學依據,是草地研究中最復雜的問題之一[5-6]。深化對草地分類的研究,認識草地演替變化規律性,有助于確定各類草地在發生學中所占的位置以及它們之間的相互聯系,使人們對草地植被與環境之間的關系有更加深刻和清晰的認識,從而揭示草地退化的機制和成因[7-10]。

定性的植被-生境分類法(Vegetation habitat classification system,VHCS)和定量的草地綜合順序分類法(Comprehensive and sequential classification system of grassland,CSCS)是我國草地常用的兩大分類系統。VHCS參考了蘇聯的植物地形學草地分類原則,將植被特性與生境條件進行綜合分析,制定出“類、組、型”三級分類系統。其中在第一級類劃分時,依據為氣候因素與植被特征;在劃分組時以植物經濟類群為指標;型則是以主要層片的相同優勢種,相似的生境狀況,一致的利用方式進行劃分。因此該方法依賴于草地資源調查資料,同時強調植被的主導作用,認為植被既能反映氣候條件又同時與土壤形成有關,從而可以更為直觀的劃分草地類型。“中國草地分類法”就是在這一分類方法的基礎上進行了修改和補充,并在1988 年確定為“中國草地類型的劃分標準和中國草地類型分類系統”[11]。CSCS全稱為氣候-土地-植物綜合順序分類法,是任繼周等[12]以發生學與發展規律理論為指導,將世界各地的草地分類方法進行吸收、歸納和總結,提出的一種適用于我國的草地分類方法。該方法將大氣、土地、生物和生產勞動四部分內容作為分類指標,并根據其穩定性劃分高、中、低級分類單位[13]。其中,地帶性氣候特征作為綜合順序分類法中類的劃分單位,濕潤度(k)為水分指標,>0℃年積溫(Σθ)為熱量指標,劃分為7個熱量級,8個濕潤度級,并根據水熱條件將天然草地從理論上劃分為56個類別。在實際應用中,因氣象臺站獲取的數據為點數據,所以常用空間插值方法將氣候變量數據轉換為面數據,插值方法的精度可直接影響CSCS的分類結果。可以看出,我國的兩大草地分類系統的側重點略有不同,VHCS主要為老一輩草地科學工作者幾十年的經驗總結,系統科學,但主觀因素影響較大;CSCS主要以生物氣候指標為依據,使草原分類向定量化的方向發展,但限制于定量化技術手段[11]。因此,二者應用于草地分類時各有利弊。本研究通過對青海省天然草地分類系統的梳理和整合,重點關注VHCS和CSCS在青海省天然草地發展史中的應用,并通過對2個分類系統的對比分析,闡明不同分類系統之間的相同和差異之處,使研究人員更易使用和參考2個分類系統取得的不同成果,同時針對目前青海省天然草地分類存在的問題提出對策建議,為指導草地分類管理提供基礎理論參考。

2 青海省天然草地分類系統

2.1 植被-生境分類法

青海省對天然草地的勘察調查工作起始于上世紀 50年代,截至1976 年底基本完成了全省牧區草地資源野外勘察任務,并于1977 年編撰完成了《青海草場資源》資料[4]。該資料采用了植被-地形學分類法,依據自然因素、地形、植被等特征,將全省天然草地首次劃分為三級分類單位,分別為草場型、草場組和草場。第一級根據氣候所反映的植被型,將全省草地分為草原、草甸、灌叢草甸、森林、荒漠和沼澤 6個草場型;第二級根據中地形和植被優勢種,將全省草地分為 47 個草場組;第三級根據相同的植物群叢復合體劃分,但未進行具體劃分和命名[14],最終初步得出青海省天然草地分類系統(表1)。

表1 青海省草場資源分類Table 1 Classification of grassland resources in Qinghai Province

1979年,根據《1978-1985年全國科學發展規劃綱要》和《全國基礎科學發展規劃》的要求,國家科委和國家農委下達了全國草地資源普查和編制1∶100萬中國草地資源圖的任務。1980年,青海省結合“全國重點牧區一青海環湖片草地資源調查”,第一次開展全省天然草地資源普查工作。由于青海省在全國草地資源調查中完成時間較早,在調查時以“型”作為縣級草地分類基本單元,分類級別低于全國草地分類系統,因此劃分出的9個草地類、9個草地組和173個草地型與全國草地分類系統存在差異,草地類型的劃分和命名并沒有完全和全國草地分類系統進行統一[15]。2007年,青海省開展了第二次以縣級為單元的天然草地資源調查工作,按照《中國草地類型分類的劃分標準和中國草地類型分類系統》標準,在20世紀80年代草地資源調查資料的基礎上對青海省天然草地的類、組和型進行歸并和重組,將青海省天然草地規劃分為9個草地類、10個草地亞類、9個草地組和93個草地型,符合青海省天然草地的實際情況[16]。青海省天然草地分類標準于2016年提出,該標準與國家草地分類標準要求一致,均取消了亞類和草地組,形成二級分類系統,歸并了草地類和草地型,大大簡化了應用,將青海天然草地類型分為類(亞類)、型二級[17]。最終,將青海省天然草地類型確定為9類,87個草地型(表2)。

表2 基于植被-生境分類法的青海省草地類的劃分Table 2 Classification of grassland in Qinghai Province based on vegetation habitat classification system

2.2 綜合順序分類法

杜鐵瑛在1992年首次利用綜合順序分類法對青海省草地進行分類探討,依據青海省56個氣象站的>0℃年積溫(Σθ)、年降水量(r)和濕潤度(k),將青海省草地劃分為11大類[18],結果表明青海省由于受到青藏高原強烈隆升的影響,草地分布規律呈現明顯的垂直地帶性,基本上反映了青海天然草地發生發展規律和分布特征,因此,綜合順序分類法適用于對青海省天然草地進行劃分。1995年胡自治等對綜合順序分類法進行了全面改進,將8個熱量級簡化為7個,濕潤度級判定值的小數點位數縮減為1位,并將非地帶性草甸與沼澤提高到類中,完善了綜合順序分類法[19]。李紅梅和馬玉壽利用改進的綜合順序分類法將青海省草地劃分為11類[20],在此方法中,>0℃年積溫和年降水量是決定一個地區草地類型的關鍵因素,該因素精確度的高低直接影響著所劃分出的草地類型的準確性。但青海省幅員遼闊,境內海拔高度差異較大,氣候類型復雜多樣,各地氣候條件差異較大,西部地區氣候惡劣,氣象臺站分布稀疏,所獲得的氣象資料較少,因此在利用綜合順序分類法以行政區域為單位劃分草地類型時,存在一定的不準確性[21]。同年,李紅梅和馬玉壽利用GIS技術,對>0℃年積溫和降水量進行空間插值,并將海拔高度和緯度與>0℃年積溫和年降水量進行擬合后建立估算模型,計算出每個格點的>0℃年積溫和年降水量值,結合綜合順序分類法將全省草地類型分為18類,克服了以行政區域為單位進行劃分的缺點,提高了草地類型劃分的精確性,展現出不同氣候條件下青海省草地類型分布的特點[22](表3)。

表3 基于綜合順序分類法的青海省草地類的劃分Table 3 Classification of grassland in Qinghai Province based on comprehensive and sequential classification system

2.3 VHCS與CSCS對比

在青海省利用VHCS和CSCS兩類方法對草地類型進行劃分發現,二者均可以利用濕潤度、降雨量和>0℃的年積溫作為量化指標。其中,VHCS的熱量級僅有2級,CSCS的熱量級有3級,VHCS的寒帶和亞寒帶與CSCS的寒帶在>0℃的年積溫的分布上基本一致,CSCS的寒溫帶對應VHCS的亞寒帶與溫帶,CSCS的中溫帶范圍分布在VHCS的溫帶內,說明VHCS的溫帶>0℃的年積溫的分布跨度較大,從側面反映出VHCS在熱量級的劃分上略微粗略(圖1,表4)。濕潤度是由全年降水量和>0℃的年積溫之比計算得出,可綜合反映出不同草地類型對應的氣候情況。CSCS中的荒漠、荒漠草原和草甸草原濕潤度指標范圍明顯高于VHCS,雖然2個系統中濕潤度劃分趨勢基本一致,但對應的景觀類型存在明顯差異,說明以濕潤度指標來判定景觀類型會有一定偏差(圖2,表4)。將2個系統不同草地類的分布區域和優勢植物進行對比發現,二者的優勢植物對應基本一致,擁有大致相同的分布地域。CSCS由于選用的為某地區的氣象臺站數據,因此分布區域側重以行政區域為單位,將行政縣作為草地類劃分的基本標準,VHCS則是在長期野外調查數據的基礎上進行匯總,將分布區域按照地形來劃分(表5)。

圖1 青海省VHCS與CSCS的熱量指標及對應的氣候帶Fig.1 Thermal indices of VHCS and CSCS and corresponding climatic zones in Qinghai Province

圖2 青海省VHCS與CSCS的濕潤度及對應的景觀類型Fig.2 Humidity of VHCS and CSCS and corresponding landscape types in Qinghai Province

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

表5 青海省VHCS和CSCS的分布區域以及優勢植物Table 5 Distribution areas and dominant plants of VHCS and CSCS in Qinghai Province

3 青海省草地分類面臨的問題及對策

3.1 “草原”和“草地”概念混淆

草地和草原的概念如何界定和區分是我國長期存在的問題,二者的混淆往往會使工作人員在草地調查工作中產生分歧,VHCS和CSCS作為我國最常用的草地分類系統,由于二者概念的混淆,導致草地分類系統在應用時常常面臨同名異物的問題[23]。董世魁[24]提出草地和草原概念既有狹義又有廣義,廣義的概念主要體現在農學和法學中,以能否用于家畜放牧為標準,強調草原和草地的生產功能;狹義的定義主要來源于植被學和土地類型學,如草原在植被學領域中主要應用于植被分類,將半濕潤半干旱區的地帶性植被,由旱生多年生草本植物為主(有時為旱生的小半灌木)組成的植物群落定義為草原;而在土地類型學中草地被認為是一種土地利用類型,主要以草本植物群落為主的土地,包括天然草地、改良草地和人工草地。從草地分類的角度來看,狹義的概念將草地中草本植物以外的如灌叢、荒漠、稀疏森林等以木本植被為主的植被類型忽略,這樣會大量減少草地分布面積。另外,CSCS分類系統里包含了森林、闊葉林等植被以及用于家畜放牧的土地,與植被學傳統的狹義概念不同,實際應用時會給基層使用者帶來困擾。董世魁通過系統總結草原和草地術語在不同時期,不同國家、地區和領域的變化,提出不同語境中正確使用草原與草地名詞術語的規范,建議在狹義的植被學和土地資源范疇,分別用“草原植被”和“草地地類”來命名,最大程度減少二者術語的歧義問題。

3.2 量化指標較少,分類主觀性強

VHCS在本質上屬于定性分類,依賴野外實地調查數據,在生態經濟類群劃分較粗,實際應用時存在重復多、不清晰等問題。CSCS是定量與定性結合的分類體系,但由于數據獲取困難、定量技術限制等原因,其亞類與類之下型的定量研究至今沒有突破性的進展[25]。二者面臨的共同問題為指標特征大多為描述性,定量化指標較少,在使用過程中過多依賴調查人員的主觀意識和經驗[13],正如任繼周先生所說“植根于直接或間接的認知,只是分類而不能聚類的分類系統,只能是經驗性表述,其分類的科學意義將嚴重缺失”[26],因此,我們亟需得到能量化草地型的具體指標。目前,對草地分類的研究習慣性和植被分類區別開來,而VHCS和CSCS主要根據植物群落的優勢種來劃分型,與植被分類密不可分,若想在該層面上進行突破,必須依靠植物群落分析相關內容,使草地分類的植被特征指標統一。魏紹成等[27]提出草原分類中的“型”應該與植被分類中的“群叢組”所對應,“群叢組”要求層片結構相似,優勢層片、亞優勢層片的優勢種、共優種相同,這樣可以避免草地型過于多,草地組命名混亂的問題,同時將草地分類與植被分類相結合,可以吸收各自方法的優點,使分類體系更加完善。因此,我們可以將廣泛應用于植被研究的聚類分析方法引入到草地分類中,提供更加客觀的歸類和劃分方法。孫術恒等[28]利用遼寧省第二次國家重點野生植物分布數據進行聚類來判定植物保護的優先區域;孫海松[29]應用最短距離法將青海天然草地中分布較廣、面積較大的21個草地型聚合為9個型;任珺等[30]用組平均聚類法將準葛爾盆地的梭梭植物群落劃分為11個群叢[30];袁秀等[31-32]利用最小方差聚類方法分別對黃河三角洲和祁連縣白楊溝草地植物群落進行分類。定量的聚類分析方法克服了普通分類法的主觀性,將各草地類型的親疏程度量化,使分類結果更加合理,有利于人們進一步了解和掌握草地屬性。

3.3 空間插值精確度低

傳統的空間插值方法如趨勢面法(Trend surface analysis,TSA)、樣條函數法(Spline)、反距離權重法(Inverse distance weighted,IDW)、協同克里金法(Co-kriging,CK)和普通克里金法(Ordinary Kriging,OK)等以近地面氣溫和降水為基礎,也就是以近地面層的大氣水熱條件來劃分類別,并沒有考慮地形的垂直變化對氣候指標的影響,從而使高海拔地區的插值精度降低。青海省地處青藏高原,省內海拔高度差異較大,氣候類型復雜多樣,氣象臺站分布較為分散,所能獲取的氣象資料較少[21],因此對溫度和降水的獲取較為困難,用普通的空間插值法所得到的草地類型精確度不高[33]。目前傳統的空間插值法與數字高程模型進行結合,用坡度、坡向、坡位等因子進行修正,從而減小氣象站點分布不均勻、海拔變化及地形復雜對空間插值的影響[34]。李飛等[35]基于DEM修正的IDW插值法和Kriging插值法,將我國潛在植被類型劃分為41類,提高了以綜合順序分類法為基礎的植被類型劃分的精確度。鄒德富等[36]利用DEM數據建立與年積溫和濕潤度的回歸模型,并采用OK法進行插值,結果很好地反映了草地類型的垂直分布特點,證明了使用DEM數據與空間插值方法的結合在甘南地區所劃分出的結果更為合理。除此之外,多元回歸和殘差分析插值法(Analytic method based on multiple regression and residues,AMMRR)將氣象數據與氣象站點的經度、緯度和海拔進行多元回歸分析,并將插值數據與原始數據進行比較,計算相應的殘差值,實現草地類的劃分。郭婧等利用AMMRR插值法和IDW法對甘肅省草地類型的劃分發現,該方法在氣象臺站稀疏及地形復雜的地區劃分出的草地類型水平或垂直的梯度規律變化明顯[37]。魏靖瓊等[38]對AMMRR插值方法進行了優化,在進行多元回歸時增加了坡度、坡向兩個變量,結果所反映的甘肅地區的降水量空間分布特征與實際更為相符。Liu等[39]繼續提出的利用OK法代替IDW法進行殘差分析的AMMRR插值優化方法,對于甘肅省類似地區(具有復雜的地形特征)的氣候面插值,擬合效果較好。目前,對于復雜地形的氣象插值方法還大多采用專業氣象插值軟件ANUSPLIN(Australian national university splin),該軟件以薄盤光滑樣條理論為基礎,引入各類地理因子作為自變量或者協變量,確定最優空間插值模型[40-42]。因此,對傳統空間插值方法的改進以及專業氣象插值軟件的應用對于提高草地類型劃分的精確度有著至關重要的作用,后續需要我們在青海及更大空間范圍內進行驗證。

3.4 分類體系內容不全面

VHCS和CSCS二者的分類體系均以氣候、地形、土壤、植被特征等自然環境因素構成,重點在于對氣候特點和植被群落的分析。2002年,陳佐忠等[43]參照草地類型分類系統的劃分標準初步擬定了中國草地生態系統分類的原則和依據等內容,他們的嘗試為草地分類內容的改進帶來了新的見解。其中,草地生態系統劃分的原則之一為生物群落特征,生物群落被定義為“某一空間各種生物的集合體”。生物群落的結構特征及各組分之間是相互關聯的,植物可以反映動物的情況,動物也可以說明植物的問題,將生物群落與青海省海北州草地型相結合發現,不同草地型中的優勢動物存在差別,并以小型嚙齒類動物為典型代表。如金露梅灌叢中,甘肅鼠兔、根田鼠為優勢物種,矮嵩草草地型中,高原鼠兔、高原鼢鼠為優勢物種[44]。嚙齒類動物作為草地生態系統的初級消費者和調節者,與其他部分相互聯系、相互制約,通過影響植物群落生產力和土壤理化性質,進而改變生態系統結構和功能[45-47]。在青海,嚙齒類動物種群豐富,李海龍等結合青海省氣候、植被、地形等因素調查嚙齒類動物的分布情況,將嚙齒類動物群落劃分到柴達木盆地、青海祁連山地、青海湖北山地、黃南山地、湟水河谷、果洛玉樹高原和青海羌塘高原7個不同的地理單元中,同時在不同生境如草甸草原、高寒草甸、高山草原等中也表現出差異性[48]。很多研究表明嚙齒類動物群落的種群數量和分布規律隨著氣候、生境的變化而發生改變,進而影響植物群落的發展,引發植物多樣性的改變[49-50]。小型嚙齒類動物對草地生態系統的干擾可增加植物物種多樣性,如高原鼠兔的干擾提高了高寒草甸植物群落中禾本科植物的比例[51],高原鼢鼠的干擾也顯著提高了甘肅碌曲縣和夏河縣實驗區域內的垂穗披堿草蓋度,降低了雜類草生物量[52],并且嚙齒類動物在活動過程中會攜帶并貯藏種子,可能間接影響植物種子的傳播和萌發[53-54]。因此,嚙齒類動物種群與植物多樣性有著密切的關系,是草地生態系統中不可忽視的一部分。而目前的研究多集中在某一片區域和地點,并沒有延伸到大尺度范圍,如何將該部分與草地類型結合需要我們進行更深入研究。

4 展望

通過系統梳理青海省草地分類體系現狀,在了解已有草地分類體系和相關研究成果的基礎上,我們初步提出青海省草地分類體系改進方向,以期推廣應用到實際工作中,為草地資源保護和管理提供有力支持。以綜合順序分類法的核心發生學分類為原則[55],將青海草地分類體系劃分為類、型二級分類指標。以第一級“類”指標為劃分依據[56],對青海省天然草地進行類的劃分。由于草地分類是以發生學和演替規律為指導,不同分類等級要既有聯系,能成為一個有機整體,又要層次分明,具有獨特性[26],因此將生物群落概念引入綜合順序分類法,作為第二級“型”的劃分指標,既符合草地類型的特點,又簡單明確,直觀性強。

類:一級指標“類”仍延續CSCS分類法對類的劃分標準,以Σθ、r和k為劃分依據,選擇最優空間插值法實現青海省一級指標定量化和精確化。利用多種空間插值算法,優化綜合順序分類法精度,克服青海省氣候類型復雜多樣,氣象臺站分布稀疏,所獲得的氣象資料較少的問題。同時利用遙感技術提高草地分類精度[57-58],推進草地綜合順序分類法的實際應用進程。隨著3S 技術的快速發展,引入高分辨率數字高程模型對坡度、坡向及海拔等因素進行修正,提高氣候指標和草地分類的準確度,借助遙感數據反演水熱指標來分析未來情景下的植被變化特征[59],是CSCS方法亟待探索的重要內容。

型:利用物種重要值指標判定植物群落主要層片的優勢種,若不同植物的優勢地位相近,則定義為共優種。再應用聚類方法對青海省不同類型的天然草地進行劃分,選用草層平均高度、草地植被蓋度、產草量、土壤理化性質、海拔和經緯度等指標將相同的群系進行歸并,更具系統性[28-30,60]。同時,以生物群落為劃分原則,探索嚙齒類動物同植物群落和生態系統結構和功能的關系,將其作為輔助指標,來判定草地類型差異及草地健康質量情況[61]。另外,如何借助3S技術手段和野外調查數據,量化型指標,建立與類一樣可供檢索的聚類體系,也是下一步的探索方向[62]。隨著自然環境條件的變化和應用技術的改進,新的草地形成規律和分類系統將會逐步發展,為監測、保護、恢復和利用青海省草地資源提供有力保障。