气象数据包括1961-2000年全国2796个气象站点的全年降水量(r)和≥ 0 ℃年积温( ∑θ), 来源于CSCS检索数据库(1961-1990年)、中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)和美国国家气候数据中心(National Climatic Data Center, NCDC; http://www.ncdc.noaa.gov/)(1990-2000年); 中国1 km分辨率的DEM数据来源于美国地质调查局(United States Geological Survey, USGS; http://www.usgs.gov/); 中国草业与生态网络(http://www.ecograss.com.cn/)提供了《中国1:100万草地资源图》; 内蒙古和甘肃省1:100万行政区划图来源于地球科学数据共享平台(http://www.geodata.cn)。

为统一地图投影和坐标法, 对所用的图件均通过高斯克里格1940阿尔伯斯投影(Krasovsky_1940_Albers)进行投影转换处理。

1.2.1 类的对接 CSCS的草地类的气候分类指标比较明确, 而VHCS几经实践、调整和修改, 也补充了量化指标, 即草地类的划分也依据气候指标, 同时完善了分类体系, 增加了热带草地类^[5]。但VHCS的18个类中, 仅高寒类草地(IV、V、VI、IX和VII)有热量的描述, 而且对水分条件采用伊万诺夫湿润度分级, 数据不易获取故难以界定。本研究通过查阅相关文献资料等方法, 确定VHCS的18个类的水热信息, 量化VHCS的分类指标。

1.2.2 兼容性验证 在完善CSCS第一级分类体系42个地带性类的生物学特点描述的基础上, 通过VHCS和CSCS同一区域植被属性的对比, 结合水热信息和类的描述, 判断同名同类或同名异类, 或异名异类, 从相同、相似的分类结果中, 找出CSCS和VHCS分类要素之间的联系。即以水热条件为基础, 并结合植被属性, 寻找2个分类系统的兼容点。

草地制图技术的发展, 为更精准的草地分类带来了可能, 1996年, 在以VHCS为统一规程的1992 年完成的全国统一草地资源调查的最新成果的基础上, 苏大学^{[18, 19]}编制了《1:100 万中国草地资源图》和《1:400 万中国草地资源图》。后经中国科学院地理研究所、兰州大学草地农业科技学院^[20]和甘肃农业大学草业学院^[21] 3个阶段的努力, 完成了《1:100 万中国草地资源图》的数字化工作。

随着“ 3S” (RS、GIS、GPS)技术和计算机技术的发展, CSCS草地定量分类的优势也得到空前发挥, 通过地理信息系统(GIS)的空间插值计算模型, 能够获得气候指标空间数据集, 实现草地CSCS类的计算机自动分类和检索^[22]。甘肃农业大学通过气象数据GIS的空间插值模型优化, 完成了中国草地CSCS分类图^{[22, 23, 24, 25]}。本研究在ArcGIS 9.3平台上, 提取《1:100万中国草地资源图》内蒙古(图2a)和甘肃(图3a)区域, 将其与内蒙古^[25]和甘肃^[26]草地CSCS分类图(图2b、图3b)叠加, 采用归并整合后的对应关系进行分类验证, 以符合2个系统对应关系区域的面积为基础计算其兼容度, 并分析产生差异的原因。

图2

Fig.2

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	图2 内蒙古草地资源图(a)和草地CSCS分类图(b)Fig.2 Atlas of grassland resources of Inner Mongolia

图3

Fig.3

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	图3 甘肃省草地资源图(a)和草地CSCS分类图(b)Fig.3 Atlas of grassland resources of Gansu

2.1.1 VHCS分类指标的量化 VHCS的18个类中, 除不以水分为限制因子的低地草甸(XV)和沼泽(XVIII)2个半地带性类以外, 其他各类的降水和热量都有其对应的具体范围(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 VHCS类的降水和热量 Table 2 Precipitation and thermal levels used for classifying grassland classes of VHCS 代码 Code 类 Class 年降水量r Precipitation (mm) > 0 ℃年积温 > 0 ℃ annual accumulative temperature (℃) 综合顺序 湿润度K Humidity of CSCS 相当的自然景观 Related natural landscape I 温性草甸草原类Temperate meadow steppe 350~550 2000~3500 1.78~2.20 森林、草甸Forest, meadow II 温性草原类Temperate steppe 250~450 2100~3600 1.20~1.25 森林、森林草原、草原、稀树草原Forest, forest steppe, steppe, savanna III 温性荒漠草原类Temperate desert steppe 150~300 2400~3800 0.60~0.66 草原、干生阔叶林、稀树草原Steppe, xerophytic forest, savanna IV 高寒草甸草原类Alpine meadow steppe 300~400 < 1000 > 3.00 森林、草甸、冻原Forest, meadow, tundra V 高寒草原类Alpine steppe < 200 < 1400 < 1.40 森林、森林草原、草原、稀树草原Forest, forest steppe, steppe, savanna VI 高寒荒漠草原类Alpine desert steppe 100~200 1000~1500 > 0.70 半荒漠 Semi desert VII 温性草原化荒漠类Temperate steppe desert 100~200 < 3800 0.20~0.50 半荒漠 Semi desert VIII 温性荒漠类Temperate desert 100 < 3900 < 0.30 荒漠 Desert IX 高寒荒漠类Alpine desert 30~55 1400 < 0.30 荒漠 Desert X 暖性草丛类Warm herbosa 540~800 3400~4500 1.60~1.70 森林、森林草原、草原、稀树草原Forest, forest steppe, steppe, savanna XI 暖性灌丛类Warm shrub herbosa 540~800 3400~4500 1.50~1.70 森林、草甸 Forest, meadow XII 热性草丛类Tropical herbosa > 800 > 4500 > 1.70 森林、草甸 Forest, meadow XIII 热性灌草丛类Tropical shrub herbosa > 800 > 4500 > 1.70 森林、草甸 Forest, meadow XIV 干热稀树灌草丛类Tropical savanna 600~800 > 8000 > 0.75 草原、干生阔叶林、稀树草原Steppe, xerophytic forest, savanna XVI 山地草甸类Montane meadow 500~600 430~1500 4.00~11.60 森林、草甸、冻原 Forest, meadow, tundra XVII 高寒草甸类Alpine meadow 350~550 < 1000 > 3.50 森林、草甸、冻原 Forest, meadow, tundra XV 低地草甸类Lowland meadow / / / / XVIII 沼泽类Marsh / / / / 注:低地草甸和沼泽类属于半地带性隐域植被, 不受水分条件的限制。 Note: Lowland meadow and marsh belong to semi-zonal intrazonal vegetation and their water condition is not restricted.

表2 VHCS类的降水和热量 Table 2 Precipitation and thermal levels used for classifying grassland classes of VHCS

以VHCS各类的降水和热量为基础, 计算的相应综合顺序湿润度K, 与各类对应的自然景观吻合。

2.1.2 分类指标的对接 CSCS和VHCS的 ∑θ对应关系见图4。

图4

Fig.4

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	图4 VHCS与CSCS的热量指标及对应的气候带Fig.4 Thermal index and related climate zones of VHCS and CSCS

CSCS量化的生物气候指标包括热量级 ∑θ(> 0 ℃的年积温)和湿润度K, 其 ∑θ共7级, 而VHCS的 ∑θ仅4级, 且VHCS和CSCS的热量级 ∑θ互有交叉。

VHCS 的寒带与亚寒带(< 1500 ℃)和CSCS的寒带(< 1300 ℃) ∑θ的热量大约一致。VHCS 的温带 ∑θ的范围极广, 从1500 ℃到3900 ℃, CSCS对应的这一热量级范围包括寒温带(1300~2300 ℃)和中温带(2300~3700 ℃)2个气候带, CSCS暖温带(3700~5300 ℃)的 ∑θ范围比VHCS(3900~4800 ℃)宽。CSCS将5300~8000 ℃的亚热带划分为暖热的北亚热带和亚热的南亚热带2个气候带, 而VHCS将4800 ℃以上8000 ℃以下的 ∑θ均归为“ 亚热带” 。2个系统“ 热带” 对应的温度范围一致, > 0 ℃年积温都在8000 ℃以上。总体来看, VHCS的热量级划分比较粗略。

2.1.3 分布区及植被属性 对照VHCS的18个类的说明^[5]及补充完善的CSCS的42个地带性类的生物学描述^[21], 即从草地类的属性特征方面, 对比2个分类系统中各类的分布范围和植物属性。由表3可知, 兼容VHCS的CSCS的类, 两者具有比较一致的植被属性, 即与气候带相对应的地带性植被和优势植物, 以及基本相同的分布地域。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 2个分类系统类的分布区和植被属性对比 Table 3 The comparison of class distributions and vegetation features between the two classification systems

表3 2个分类系统类的分布区和植被属性对比 Table 3 The comparison of class distributions and vegetation features between the two classification systems

2.1.4 类的兼容性 以水热指标为基础, 结合植被属性, 找出CSCS和VHCS分类要素之间的联系, 建立2个分类系统类的对应关系(表4)。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 CSCS和VHCS类的兼容性 Table 4 The compatibility of grassland classes between CSCS and VHCS

表4 CSCS和VHCS类的兼容性 Table 4 The compatibility of grassland classes between CSCS and VHCS

CSCS对草地的划分非常详细, 可将全世界互相远离的各类草地纳入一个分类系统之中^{[3, 7, 8]}, 是更完善的分类系统。而VHCS主要是针对中国, 尤其是温带草原所建立的分类体系, 后经补充, 增加了对部分热带草原的描述, 但只涵盖了暖性草丛和暖性灌草丛类, 以及干热稀树灌草丛类, 不包括森林和热带荒漠。CSCS的半地带性类草甸和沼泽, 包含高寒、温带及热带, 水量丰富区域分布的湿地, 而VHCS的半地带性类草甸和沼泽仅指温带河谷等水域附近分布的湿地, 不包括其他热量带的类型。

2.2.1 空间分布 按照表4的对应关系, 将内蒙古1:100万VHCS草地分类图与CSCS分类图空间叠置, 符合对应关系的按吻合(同一类)处理, 不符合的标识为不同类(不吻合), 非地带性类和森林类单独标识, 叠加结果见图5。

2个系统吻合类的面积如表5所示。内蒙古区域, 相吻合的面积为3.67× 10⁵ km², 占草原总面积的46.27%; 甘肃相吻合的面积为1.08× 10⁵ km², 占草原总面积的57.04%。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 草地资源图和CSCS分类图叠置后面积统计 Table 5 Overlayed grassland area of VHCS and CSCS 对比 Comparison 面积Area (km2) 比例Proportion (%) 内蒙古Inner Mongolia 甘肃Gansu 内蒙古Inner Mongolia 甘肃Gansu 非地带性类 Zonal class 78377.21 6875.03 9.87 3.63 森林类 Forest class 117579.71 19293.85 14.82 10.20 同一类 Same class 367290.89 107892.10 46.27 57.04 不同类Different class 230491.93 55077.37 29.04 29.12 合计Total 793739.74 189138.32 100.00 100.00

表5 草地资源图和CSCS分类图叠置后面积统计 Table 5 Overlayed grassland area of VHCS and CSCS

非地带性类(低地草甸和沼泽)因基础数据的限制, 在CSCS分类中暂时无法表达, 若不予考虑, 按照2个分类系统类归并后的对应关系, 内蒙古相同类占总面积的56.14%, 甘肃省为60.68%。吻合度较高。

2.2.2 差异分析 1)内蒙古:2个分类系统不吻合(以划分结果比较详细的CSCS类为统一标准)区域分布见图5, 面积统计结果见表6、7。由图5a和表6可知, 内蒙古区域, 有1.12× 10⁵ km²(14.82%)的原始森林被破坏。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 内蒙古(a)和甘肃省(b)草地不同分类系统的分类结果对比Fig.5 Comparison of classification results of grassland in Inner Mongolia and Gansu from the two systems

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 内蒙古草地CSCS分类和VHCS不同类比较 Table 6 The areas with different grassland classes as classified by the CSCS and VHCS systems in Inner Mongolia CSCS VHCS 变化(以CSCS分类结果为准) Variation (Based on CSCS) 演替变化 Succession 面积 Area (km2) 比例 Percentage (%) 占总草地面积比例 Proportion (%) IIID24 II IIID24→ IIIC17、IVC18 - 72429.80 31.42 9.13 IIIB10 VIII IIIB10→ IIIA3、IVA4 - 46957.20 20.37 5.92 IIIB10 II IIIB10→ IIIC17、IVC18 + 30250.50 13.12 3.81 IVB11 VIII IVB11→ IIIA3、IVA4 - 26185.50 11.36 3.30 IIE30 I IIE30→ IIID24 - 20101.50 8.72 2.53 IIIC17 III IIIC17→ IIIB10、IVB11 - 14945.80 6.48 1.88 IID23 II IID23→ IIIC17、IVC18 - 6820.64 2.96 0.86 IIE30 II IIE30→ IIIC17、IVC18 - 5810.37 2.52 0.73 IIIC17 I IIIC17→ IIID24 + 2475.40 1.07 0.31 Note: “ +” means progressive succession; “ -” means retrogressive succession. 注:“ +” 表示进展演替; “ -” 表示逆行演替。

表6 内蒙古草地CSCS分类和VHCS不同类比较 Table 6 The areas with different grassland classes as classified by the CSCS and VHCS systems in Inner Mongolia

表7

Table 7

表7(Table 7)

表7 甘肃省草地CSCS分类和VHCS不同类比较 Table 7 The areas with different grassland classes as classified by the CSCS and VHCS systems in Gansu CSCS VHCS 面积 Area (km2) 比例 Percentage (%) 占总草地面积比例 Proportion (%) 森林Forest 温性草原类Temperate steppe 37623.48 41.10 19.89 温带半荒漠类Temperate desert 温性荒漠类Temperate desert 37424.30 40.88 19.79 高山草甸类Alpine meadow 温性半荒漠、荒漠类Temperate desert and semidesert 7020.60 7.67 3.71 温带典型草原类Temperate typical steppe 温性半荒漠、荒漠类Temperate desert and semidesert 5068.81 5.54 2.68

表7 甘肃省草地CSCS分类和VHCS不同类比较 Table 7 The areas with different grassland classes as classified by the CSCS and VHCS systems in Gansu

不同类面积最大的区域在额尔古纳河以南, 沿大兴安岭山地西麓, 一直到阴山以南、鄂尔多斯高原以东地区, 西辽河平原等的部分地区, 面积为7.24× 10⁴ km², 占不同类面积的31.42%。该区域实地调查结果(VHCS)为温性草原类, 而按照气候特征的原生顶级植被为微温微润草甸草原类(CSCS类)。

其次为阿拉善右旗东部至贺兰山桌子山之间的部分地区, 温带半荒漠类气候植被(CSCS)退化为温性荒漠类(VHCS), 所占面积较大(20.37%)。

贺兰山-桌子山以西的部分地区, 温带半荒漠类(IVB11)退化为温性荒漠类, 占11.36%。

大兴安岭西麓部分地区, 寒温湿润山地草甸类退化为温性草甸草原类(8.72%)。

贺兰山-桌子山以西、乌兰察布高原南部、鄂尔多斯高原南部和东北部部分地域, 温带典型草原类演替为温性荒漠类、温性荒漠草原类, 面积为1.49× 10⁴ km², 占6.48%。

大兴安岭以西部分, 分布由山地草甸草原退化形成的温性草原类, 面积6.82× 10³ km², 占2.96%。

大兴安岭以西、土默川平原部分的山地草甸草原类退化为温性草原类(2.52%)。

除上述的退化演替外, 部分区域也出现了进展演替, 如浑善达克沙漠西南部和北部、锡林郭勒高原西部、鄂尔多斯高原南部, 按照气候特征的原生顶级植被为微温干旱温带半荒漠类, 而实地调查结果表明该区域分布着温性草原类, 占不同类面积的13.12%。西辽河平原北部至大兴安岭之间部分地域(1.07%)分布着的温性草甸草原类, 是由温带典型草原类演化形成。

内蒙古不同类面积较大的区域, 主要分布在大兴安岭西麓至鄂尔多斯高原东部、西辽河平原、阿拉善高原、浑善达克沙漠、锡林郭勒高原东部、后套平原、土默川平原、呼伦贝尔高原东部等地, 草地均呈现逆行演替。草甸草原(IID23、IIID24和IIE30)退化为典型草原(IIC16、IIIC17、IVC18); 半荒漠类(IIIB10、IVB11)退化为荒漠类(IIIA3和IVA4); 典型草原(IIIC17)退化为半荒漠(IIB9、IIIB10、IVB11)。究其原因, 主要是该区域内人类活动较频繁, 人为干扰超过了原生草地生态系统的维持阈限, 导致该区域草地退化。杨青等^[27]也认为人类活动是影响生态环境发展、演化与逆转过程的一个关键因素, 并逐步被认为是生态环境演变的主要驱动力之一。研究表明, 作为内蒙古草原重要组成部分的温性荒漠草原生态系统十分脆弱, 稳定性较差, 易受外界干扰而退化为次一级的温性荒漠类^[28]。许多地区在草原河流上游拦坝修建水库导致绿洲退化沙化^[29], 而植被生产力较高的温性草甸草原和温性草原, 受人为活动强烈干扰而日趋恶化^[30]。即由人类的生产经营活动所形成的次生草地类(VHCS分类结果)是潜在草地(CSCS分类结果)在人类活动影响下逆行演替的结果。

同时, 植树造林、封禁轮牧、退耕还林还草以及退化草地的恢复与重建等人工措施, 使生态环境向良性循环的方向发展, 植被状况趋于恢复改善^[31]。内蒙古中西部的温性草原和温性荒漠草原大部分地区在国家实施大量的草原保护、治理措施后, 植被状况趋于恢复, 改善效果较明显^[30], 科尔沁沙地^[31]、浑善达克沙地和毛乌素沙地^[32]以及内蒙古锡林郭勒盟草地^[33]等地区生态出现良性好转的趋势。因此, 该区域(浑善达克沙漠西南部和北部、锡林郭勒高原西部、鄂尔多斯高原南部)的温性草原类, 是全球气候变暖大环境下, 因人类的保护改良利用由微温干旱温带半荒漠类正向演替形成。

2)甘肃省:甘肃省温带半荒漠类和温带荒漠类分布面积较大, 根据CSCS分类结果, 其中有5.07× 10³ km²的是由温带典型草原类, 7.02× 10³ km²由高山草甸类退化而成。而且有大面积的原始落叶阔叶林(3.76× 10⁴ km²)和温带半荒漠(3.74× 10⁴ km²)分别退化为温带草原和温带荒漠(图5b, 表7)。

在甘肃区域, CSCS模拟分类结果和实地调查结果不一致的39.32%中, 甘南高原有18043.8 km²(9.54%)的针叶林被次生的高山草甸所替代; 而黄土高原南部, 1248.313 km²(0.66%)的落叶阔叶林逆行演替为温带草原。陈昌毓^[34]研究结果也说明, 在历史时期, 甘肃黄土高原的南部和东南部, 是半湿润的森林草原和湿润的森林景观。人们长期的乱垦、滥伐行为, 导致其自然生态环境严重恶化, 原生的原始森林退化为草甸或草原。

甘肃省境内, 有47492.63 km²(25.11%)的草原也发生了逆行演替, 如陇中黄土高原丘陵区西部即陇西一带, 有4.39%的森林草原退化为温带草原, 历史时期陇中黄土高原丘陵区中部的自然景观应该是半湿润的森林草原, 而现在大部分地区是干草原景观^[34]。祁连山一带和河西走廊, 植被的逆行演替也很明显。北山山地及其以南, 东起乌鞘岭, 西迄甘、新边界的狭长地带, 地势平坦, 光热充足, 气候干旱, 大面积的原生的温带半荒漠类, 因长期的过牧, 退化为更干旱的温带荒漠(28105.95 km²)(14.86%); 祁连山地北坡与河西走廊西段(阿克塞到肃南)与温带荒漠接壤的狭长地带的山地半荒漠类也退化为荒漠(2.68%)。祁连山高山区海拔落差大, 草地类型多样, 植被垂直带谱明显。同样由于过牧等原因导致山地草甸、山地草原退化为次一级的山地草原(1.48%)、山地半荒漠(1.70%)。