基于草原综合顺序分类法的中国山地草地亚类分类研究

张彩荷，李纯斌，吴静

（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）

草地是陆地生态系统的重要组成部分，它的发生和发展会对地球生态系统产生深远影响。草地分类是草地资源研究的基础，从最合适的角度认识和区分草原［1］，能更有效地管理草原生产活动。

草原综合顺序分类法（comprehensive and sequential classification system of grasslands，CSCS）最早由任继周提出，后经胡自治修改完善［2］，是面向世界不同生境的草原分类体系，能够在草地类的基础上，利用定量化指标对草地亚类进一步划分，并生成分类检索图［3］。依据草原类型学的观点，地势比较复杂的区域，草地亚类划分指标为地形特征，当地势较低或较平时，草地亚类划分指标为土壤条件。目前，国内诸多学者主要利用生物气候指标对草地类型进行分类研究［4-8］，且对草地亚类的研究主要集中在中小尺度范围内，仅体现了中小规模亚类分布特点［9-11］。迄今为止，仍十分缺乏在大尺度区域内对亚类的定量分类研究。因此，草原综合顺序分类法在亚类的实际应用中不够全面。

中国地势西高东低，山地多，平地少，草地资源丰硕［12］，且大多分布在山地。由于山地区域水热条件、植被分布、地形等因素的差异，草地类型空间分布及形成机理较复杂。因此，以中国山地草地亚类为研究对象，通过对草地亚类的定量划分，进一步补充完善CSCS 分类法，从而推进第三级型的应用。根据山地草地亚类的空间分布特征，可对中国草原资源进行合理规划和科学管理。

1 材料与方法

1.1 数据来源及预处理

90 m 分辨率的数字高程模型（digital elevation model，DEM）和中国1∶100 万行政区划图来自国家基础地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn/）。利用ArcGIS10.2 中重采样、提取分析和裁剪等工具，得到研究区100 m 分辨率的DEM、高程和地势起伏度。

1.2 研究方法

1.2.1 草地亚类的划分原则 草地类是CSCS 的基本单元，主要依据生物气候为指标进行类的划分，能够反映草原本质特征，使CSCS 具有足够的稳定性［1，13］。类可根据水热条件分为7 个热量级和6 个湿润度级，7 个热量级依次为寒冷、寒温、微温、暖温、暖热、亚热和炎热；6 个湿润度级分别为极干、干旱、微干、微润、湿润和潮湿。采用二维坐标法将热量级和湿润度级相耦合，生成CSCS 检索图。将全球草地共划分为42 类潜在植被，中国包括除炎热极干热带荒漠类（ⅦA7）以外的其他41 个草地类，每种类型以热量级和湿润级名称相连缀，并辅以地带性植物名称［1，14］。

在类的基础上，出现了各种草地生物群落，表现为各具特色的草地农业生态系统。依据土地特征将草地类可进一步划分为亚类，这对指导草原土地合理规划及经营管理有重要意义［15］。亚类主要基于土地特征分别对山地和平地进行划分，山地主要指地形比较复杂的区域，而平地是指低海拔区的平原、台地及高海拔区域广阔的平坦地面。地形较复杂的地区，采用地貌指标进行划分，地势较平坦区域选择土壤条件进行分类［16］。

地形是制约各种自然条件的重要因素，对水热条件起再分配作用，会导致水热状况发生变化，从而使草地在植被类型、组成成分、生态条件及利用方式等方面与平地截然不同。由地形导致草地呈多样性和垂直地带性分布的特点，广泛影响草地的自然特性和生产力变化［17］，进而决定地区畜牧业经营的基本特点和利用方式。因此，本研究对山地和平地区域进行界定后，再依据地貌指标对山地区域的草地亚类进行划分。

1.2.2 山地界限的划定 1）地势起伏度的计算。通过地势起伏度的变异程度对山地和平地区域进行划分。地势起伏度是指某一特定区域内高程最大值与最小值之差，计算表达式为：

式中：hij，max，hij，min分别表示邻域内像元的最大与最小高程；ΔH表示高程差。

2）中国山地范围界定方案。在山地范围已有研究基础上［18-19］，现对我国的山地范围重新界定如下：标准，海拔≥500 m，地势起伏度＞100 m 或坡度＞25°的区域；海拔＜500 m，地势起伏度＞100 m 的区域。表达式为：

式中：Marea为山地面积；M≥500m为海拔≥500 m 的山地面积；M＜500m为海拔＜500 m 的山地面积；MΔH＞100m为地势起伏度＞100 m 的山地面积；Mslope＞25°为坡度＞25°的山地面积。按照上述标准得到山地分布范围（图1）。

图1 中国山地范围界定Fig.1 Definition of montane range in China

1.2.3 山地亚类的划分 1）利用均值变点法划分山地起伏程度。高山和低山在草地利用和水热条件变异方面均有不同的表现特征，划分草地山地亚类的一个要点是根据山地起伏程度来划分不同类型的亚类。

均值变点法是一种对非线性数据进行处理的数理统计方法，通过拟合曲线确定唯一的变点。计算过程如下：设样本序列为H0：令i=2，3，4，…，N，对每个i将样本分为两段：X1，X2，…，Xi-1和Xi，Xi+1，…，XN。计算每段样本的和以及统计量：

计算总样本的统计量：

基于DEM，分别选取青藏高原、黄土高原、喀斯特地貌区、东南丘陵、东北山地5 个典型研究样区，并提取相应的地势起伏度。基于ArcGIS 的空间分析模块，利用邻域分析窗口，选择矩形分析窗口。首先确定起始窗口为3×3 像元（0.09 km2）、移动步距为2、终止窗口为61×61 像元（37.21 km2）。其次利用栅格计算器，求取最大高程与最小高程差值，并统计窗口内平均地势起伏度。最后利用均值变点分析法得到S与Si差值拟合变化曲线，确定5 个样区内在第10 个点S 与Si差值达到最大，即该点为所求唯一变化“拐点”，对应最佳分析单元为21×21（4.4 km2）。

2）山地亚类划分体系。利用山地起伏程度和海拔两个指标，按照表1 分类标准［20-22］，得到20 种山地亚类（图2）。

表1 草地山地亚类划分体系Table 1 Grassland and mountain subclasses

2 结果与分析

2.1 中国草地山地亚类的划分

从山地整体地貌特征来看（图2），山地亚类主要以小起伏山地为主，广泛分布于整个山地区域，面积为2.54×106km2，占总面积的46.5%；丘陵和中起伏山地面积分别为1.37×106和1.35×106km2，分别占总面积的25.1%和24.8%；大起伏和极大起伏山地类型总共占3.6%，分布面积较少。其中，丘陵主要分布于东北地区、青藏高原及东南丘陵地带；中起伏山地主要分布于藏南谷地、川藏高山峡谷区；天山山脉-昆仑山脉-阿尔金山脉-祁连山地呈带状分布，四川盆地周边山地也有分布；大起伏和极大起伏山地主要分布于青藏高原东南部及各大高山山系周边。

图2 中国山地亚类空间分布Fig.2 Spatial distribution of montane subclasses in China

2.2 中国山地草地亚类的划分

草地亚类命名原则采取“类名+山地亚类名”，将山地命名为“M”，平地为“F”，山地地貌亚类划分结果为“31，…，74，75”，则山地草地亚类的命名方式如“ⅡD23-M-31，寒温微润山地草甸草原类低海拔丘陵亚类”。将山地亚类与草地类［23］进行空间叠置分析，得到中国山地草地亚类的划分结果（图3）。

图3 中国山地草地亚类空间分布Fig.3 Spatial distribution of montane grassland subclasses in China

ⅠA1：寒冷极干寒带荒漠、高山荒漠类的山地亚类，主要分布在藏北高原、藏南谷地和天山、阿尔泰山和祁连山脉一带。以小起伏高山亚类为主，占38.4%；中起伏高山亚类次之，占31.4%。ⅠB8：寒冷干旱寒带半荒漠、高山半荒漠类的山地亚类，以小起伏高山亚类为主，占39.1%，主要沿那曲县西北、噶尔县东部、日喀则市西部呈带状分布，柴达木盆地北、西、南3 侧边缘呈“C”字状分布。ⅠC15：寒冷微干干燥冻原、高山草原类的山地亚类，以小起伏高山亚类为主，占43.6%，此类与ⅠB8 草地亚类分布区域相似。ⅠD22：寒冷微润少雨冻原、高山草甸草原类的山地亚类，以小起伏高山亚类为主，占39.0%，主要分布于新疆喀什市西南部、柴达木盆地北侧及南侧边缘山地及阿尔金山脉一带。ⅠE29：寒冷湿润冻原、高山草甸类的山地亚类，以小起伏高山亚类为主，占37.3%；高海拔丘陵亚类次之，占27.7%，主要分布于藏北高原东南部、柴达木盆地边缘山地、昆仑山脉、阿尔金以及祁连山脉一带。ⅠF36：寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类的山地亚类，此类面积最大，以小起伏高山亚类为主，占36.5%；中起伏高山亚类次之，占26.2%，主要分布在新疆阿尔泰、天山和喀喇昆仑山脉东侧，以及昆仑山脉一带，青海省除柴达木盆地之外的绝大部分地区、川藏高山峡谷区以及西藏自治区除阿里地区、那曲北部和林芝北部的大部分地区。

ⅡA2：寒温极干山地荒漠类的山地亚类，以小起伏高中山亚类为主，占43.7%，主要分布在西藏自治区噶尔县除东部的绝大部分及柴达木盆地西侧边沿带状山地区域。ⅡB9：寒温干旱山地半荒漠类的山地亚类，以小起伏高中山亚类为主，占33.6%，主要分布于昆仑山脉、阿尔金和祁连山脉，以及柴达木盆地周边山地和西藏自治区噶尔县东南部。ⅡC16：寒温微干山地草原类的山地亚类，以中起伏高中山亚类为主，占27.5%；小起伏高中山亚类次之，占26.5%，在昆仑山脉、祁连山脉、天山山脉及柴达木盆地东北、东南边缘呈带状分布。ⅡD23：寒温微润山地草甸草原类的山地亚类，以中起伏高中山亚类为主，占28.2%；小起伏高中山亚类次之，占23.5%，主要分布于阿尔泰山脉、天山山脉、昆仑山脉、祁连山脉以及准格尔盆地西北部和柴达木盆地东部边缘地带。ⅡE30：寒温湿润山地草甸类的山地亚类，以低海拔丘陵亚类为主，占18.8%；小起伏高中山亚类次之，占16.4%，主要分布于阿尔泰山脉和昆仑山脉的西北部、天山山脉、祁连山脉以及大兴安岭和阴山山脉的东侧。 ⅡF37：寒温潮湿寒温性针叶林类的山地亚类，面积居第二位。以中起伏高山亚类为主，占17.5%；低海拔丘陵亚类次之，占15.1%，主要分布于天山山脉、祁连山地、川藏高山峡谷区、大兴安岭、小兴安岭一带。

ⅢA3：微温极干温带荒漠类的山地亚类，以小起伏高山亚类为主，占33.2%；中起伏高山亚类次之，占21.6%，主要分布于内蒙古自治区阿拉善左旗西部、甘肃酒泉北部、西藏自治区噶尔县西部和阿尔金山脉。ⅢB10：微温干旱温带半荒漠类的山地亚类，以中海拔丘陵亚类为主，占28.0%；小起伏中山亚类次之，占20.7%，主要分布于阿尔泰山脉、天山山脉、昆仑山脉边缘、祁连山、阴山山脉和贺兰山一带。ⅢC17：微温微干温带典型草原类的山地亚类，中海拔丘陵亚类占45.1%，主要分布于新疆阿尔泰山及天山山脉；甘肃兰州马衔山、兴隆山及皋兰山，白银的寿鹿山；内蒙古自治区东胜市东部；陕西榆林市北部及大兴安岭南部一带。ⅢD24：微温微润草甸草原类的山地亚类，以中海拔丘陵亚类为主，占29.1%；小起伏中山亚类次之，占28.9%，在大兴安岭-阴山-贺兰山南侧呈带状分布，陕西以东分布相对集中，在山西以西分布比较分散。ⅢE31：微温湿润森林草原、落叶阔叶林类的山地亚类，以小起伏中山亚类为主，占32.5%；中海拔丘陵亚类次之，占19.9%，该类主要分布于黄土高原绝大部分区域、太行山脉东侧、大兴安岭、长白山脉东北端及吉林省西南部的哈达岭。ⅢF38：微温潮湿针叶阔叶混交林类的山地亚类，亚类种类较多，以小起伏低山亚类为主，占28.2%；低海拔丘陵亚类次之，占19.4%，主要沿长白山山脉-辽东半岛-燕山-太行山-秦岭-岷山-邛崃山-大雪山-横断山脉一线分布，在该线两端分布相对集中，在我国台湾山脉分布也较为集中。

ⅣA4：暖温极干暖温带荒漠类的山地亚类，以中海拔丘陵亚类为主，占44.4%；低海拔丘陵亚类次之，占30.4%，主要在天山山脉、喀喇昆仑山、昆仑山脉及阿尔金山脉沿线几乎呈闭合状态分布，库尔勒市西部分布区域较大且相对集中，内蒙古自治区阿拉善高原西部。ⅣB11：暖温干旱暖温带半荒漠类的山地亚类，以中海拔丘陵亚类为主，占30.5%，主要在阿拉善高原西南部分布相对集中，天山山脉及六盘山一带分布相对分散。ⅣC18：暖温微干暖温带典型草原类的山地亚类，主要分布于太行山脉、吕梁山一带。以低海拔丘陵亚类为主，占37.1%；小起伏低山亚类次之，占34.1%。ⅣD25：暖温微润森林草原类的山地亚类，以低海拔丘陵亚类为主，占36.3%；小起伏低山亚类次之，占35.3%，主要分布于秦岭、吕梁山、太行山脉及燕山一带。ⅣE32：暖温湿润落叶阔叶林类的山地亚类，主要分布于辽东半岛、辽河平原、山东半岛，黄土高原南部、大巴山脉及云贵高原区域。小起伏低山亚类占28.3%；低海拔丘陵亚类占17.2%。ⅣF39：暖温潮湿落叶阔叶林类的山地亚类，以中起伏中山亚类为主，占20.7%；小起伏中山亚类次之，占19.9%，主要分布于云贵高原，四川盆地外围的山地区域呈闭合状分布，长江中下游流域以南至广西、广东以北广大丘陵地区有较大面积的分布，辽东半岛和台湾山脉分布也相对集中。

ⅤA5：暖热极干亚热带荒漠类的山地亚类，低海拔丘陵亚类占75.8%，主要分布在天山山脉西端。ⅤB12：暖热干旱亚热带半荒漠类的山地亚类，大起伏高中山亚类占26.3%，分布于甘肃陇南文县。ⅤC19：暖热微干亚热带禾草-灌木草原类的山地亚类，低海拔丘陵亚类占32.4%，分布于甘肃文县最南端、湖北郧西县东部、郧县中部以及河南孟津县。ⅤD26：暖热微润落叶阔叶林类的山地亚类，小起伏低山亚类占24.9%，主要分布于陕西、湖北和河南的交界地带以及云南北部一带。ⅤE33：暖热湿润常绿-落叶阔叶林类的山地亚类，以小起伏低山亚类为主，占32.3%，分布于大巴山脉、四川盆地东南部的山地、武陵山的西南端，湖北西北部与陕西交界地带；小起伏中山亚类次之，占20.1%，分布在横断山脉及云贵高原区域。ⅤF40：暖热潮湿落叶-常绿阔叶林类的山地亚类，面积居第三，小起伏低山亚类占49.8%，分布于云贵高原区域和东南丘陵地带。

ⅥA6：亚热极干亚热带荒漠类的山地亚类，分布面积最小，以中起伏高山亚类为主，分布于西藏昌都县。ⅥB13：亚热干旱亚热带荒漠灌丛类的山地亚类，该类分布面积极小，以中海拔丘陵亚类为主，占48.0%，主要分布在云贵高原区域。ⅥC20：亚热微干亚热带禾草-灌木草原类的山地亚类，以小起伏中山亚类为主，占38.8%，主要分布于云南水善和绥江沿线一带以及永仁和元谋县的北部。ⅥD27：亚热微润硬叶林和灌丛类的山地亚类，以小起伏中山亚类为主，占27.4%，主要分布在云南玉溪南端和红河西南境内以及四川盆地东部山地区域。ⅥE34：亚热湿润常绿阔叶林类的山地亚类，小起伏低山亚类占45.5%；低海拔丘陵亚类占24.8%，主要分布于广西西南山地、广东和福建东南丘陵以及四川盆地东南山地区域。ⅥF41：亚热潮湿常绿阔叶林类的山地亚类，小起伏低山亚类占55.3%，主要集中分布在东南丘陵地区云南西南部以及台湾山脉边缘地带。

ⅦB14：炎热干旱热带荒漠灌丛类山地亚类，该类面积极小，中起伏低山亚类占57.5%，主要分布于云南红河西部。ⅦC21：炎热微干稀树草原类的山地亚类，以小起伏低山亚类为主，占43.1%；中起伏低山亚类次之，占42.8%，分布于云南红河西北区域。ⅦD28：炎热微润干旱森林类的山地亚类，以低海拔丘陵亚类为主，占51.9%；小起伏低山亚类次之，占34.6%，主要分布在云南怒江西部、西双版纳南端、玉溪东南部和红河西北部。ⅦE35：炎热湿润季雨林类的山地亚类，低海拔丘陵亚类占61.6%，主要分布于广西南部、广东西部以及海南省边缘地带。ⅦF42：炎热潮湿雨林类的山地亚类，以低海拔丘陵亚类为主，小起伏低山亚类次之，占比分别为49.9%、46.1%，主要分布于我国广东东南部、海南省以及台湾地区边缘地带。

综上所述，原则上每种草地类型可划分为20 种草地亚类，但并不是每个类存在全部的亚类，主要原因是水热条件的限制，在特定环境下某些亚类并不适合生存，如寒冷极干寒带荒漠、高山荒漠类在低海拔丘陵以下不存在亚类。其中，寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类（ⅠF36）的山地亚类面积分布最广泛；寒温潮湿寒温性针叶林类（ⅡF37）的山地亚类面积占第二位；暖热潮湿落叶-常绿阔叶林类（ⅤF40）的山地亚类面积居第三；亚热极干亚热带荒漠类（ⅥA6）的山地亚类面积分布最小。

3 讨论

从气候条件来讲，CSCS 是依据生物气候条件对草地类型进行划分，其依据是生物（牧草和家畜）立地条件本质的表现形式，且在一定历史时期相对稳定［1，24］。山地草地亚类是在草地类的基础上进行划分的，地形是制约各项自然条件的主要因素，对水热条件再分配起重要作用。由地形引起的水热条件变化是山地草地亚类植被形成和变异的决定因素，在影响草地亚类的诸因素中具有足够的稳定性［8，13-14］。它不仅反映草地亚类的本质特征，而且决定着草地的利用方式和发展方向。

目前，针对草地亚类的研究较少。但从空间分布特征来看，中国山地草地亚类划分结果与当前已有相关研究在整体上具有一致性。如沈海花等［12］研究发现，中国天然草地资源面积最大的为高寒植被，依次为温性草原和亚热带/热带草丛，面积最小的是荒漠草原，此结论已在山地草地亚类空间分布的研究中得到了证实。另外，通过分析比较已更新的1∶100 万中国植被类型数据，本研究发现山地草地亚类整体分布特征与Su 等［25］的研究结果较为一致，即中国东北地区以针叶林和草原为主；西北地区以荒漠为主；青藏高原地区以草原、草甸、草丛和高山植被为主；南方地区植被类型复杂多样，以阔叶林和灌木草丛为主。综上，通过本研究以及其他学者的结论均可证明，利用CSCS 对中国山地草地亚类的划分结果具有一定的可靠性，但还存在一定的局限性，如冯琦胜［26］利用CSCS模型表明，中国草地和灌丛植被由于受人类活动的影响与实际植被分布存在一定差异。梁天刚等［27］指出实际植被分布需借助卫星遥感数据并排除人类活动干扰方可获得。因此，后期随着3S 技术的不断发展还需进一步完善对草地亚类的划分。

从草地规划利用来看，由于要满足草地生产力和季节性放牧的需求，开展合理畜牧业生产对改善生态环境和实现畜牧业可持续发展至关重要。如青藏高原地势高亢、气候寒冷，从东南到西北降水减少，干旱递增，以高寒植被为主［28］，不宜农、林，适宜放牧；温带草原、荒漠区域，从东向西降水递减，干旱递增，只适宜放牧；南方地区自北向南热量和降水都呈现递增趋势，出现热（暖）性草丛和灌草丛类，但由于多砾质、土壤含盐量重，不宜耕作、植树，适宜放牧［29-30］。政策制定者和管理者应当根据区域草地类型、气候、地形等自然因素对草地资源进行合理分区规划，加强草地的合理利用和培育保护，实现草地畜牧业的可持续发展，推进草地生态系统向良性循环方向发展［31］。

综上所述，不同类型草地资源与家畜的合理配置，放牧生态与草地的合理利用、构建高效、均衡、可持续发展的草地生态系统等问题，不仅需要科学的态度，更需强有力的措施来推动草地生态科学技术的发展。为了便于应用，在草地学、植物生态学等有关学科的研究基础上，未来可考虑将地势起伏度分级进行进一步简化。另外，结合遥感新技术对草地第三级型的分类研究将是今后进一步努力的目标和方向。

4 结论

本研究基于CSCS 提出山地草地亚类的划分原则。利用DEM 数据，按照地貌划分标准，将山地亚类共分为20 种类型。其中，小起伏山地亚类面积分布最广泛；丘陵和中起伏山地亚类面积分布相当；大起伏和极大起伏山地亚类面积分布较少。将草地类与山地亚类进行空间叠置分析，得到中国山地草地亚类。原则上每种草地类型可划分为20 种草地亚类，由于山地水热条件的差异，在特定环境下某些亚类并不存在。其中，寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类（ⅠF36）的山地亚类面积分布最广泛；寒温潮湿寒温性针叶林类（ⅡF37）的山地亚类面积占第二位；暖热潮湿落叶-常绿阔叶林类（ⅤF40）的山地亚类面积居第三；亚热极干亚热带荒漠类（ⅥA6）的山地亚类面积分布最小。