全 文 ：第 16 卷 第 1 期
Vol. 16 No . 1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2008 年 1 月
Jan. 2008
特邀专稿
分类、聚类与草原类型
任继周
(兰州大学草地农业科技学院, 甘肃草原生态研究所,甘肃 兰州 730020)
摘要: 本文阐明分类与聚类在草原分类中同等重要。据此建立的草原综合顺序分类系统( IOCSG )应遵循 6 项原
则,即草原分类要素的完整性原则、草原分类体系内涵的综合性原则、草原分类指标的相对稳定性原则、草原分类
同级指标的可比性原则、草原分类特征指标的确限性原则和草原分类体系普适的周延性原则。该分类系统含有类
(以地带性水热特征为指标)、亚类(以土地特征为指标)和型(以植被特征为指标) 3 个基本级别; 7 个热量级和 6 个
湿润度级。依据本分类系统全球天然草原分为 42 类, 中国有 41 类。本分类系统在生物种适宜度计算、全球变化
对草原类型演替方向的预测、草坪引种等方面进行了论证。该文阐明了草原类型学对草业科学的基础理论意义和
实践意义。
关键词: 草原类型; 分类; 聚类
中图分类号: S812 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2008) 01-0004-07
Classf ication and Cluster Applicable for Grassland Type
REN J-i zhou
( Col leg e of Pastoral Agricultural Science and T ech nology, Lan zhou University, Gansu Grassland
Ecological Inst iture, Lanzhou Gansu Province 730020, Ch ina)
Abstract: The classifying and clustering are equally important in g rassland classif icat ion, based on this the
idea the Integr ated Orderly Classif icat ion System of Grassland ( IOCSG) has been set up and follow six
principles, namely, the Framew ork for a g rassland classificat ion system, Comprehensiveness of a g rass-
land classif icat ion system, Relat ive stability of parameter s used in g rassland classif icat ion, Compar ability
of par ameter stability at a given level of classificat ion, Def init ive pow er of parameters in grassland classif-i
cation and U niversality of a gr assland classif ication sy stem. T he IOCSG contains three main levels.
Class , categories w ith moisture and temperatur e as their index; sub-class , categ ories characterized by
their edaphic condit ions and types , classified according to their vegetat ion condit ions. T he IOCSG also
contains seven thermal r anks and six hum idity grades. According to the IOCSG 42 classes of natural g rass-
lands may be ident if ied g lobally and 41 o f them pr esent in China. T he autho rs also invest ig ated the IOCSG
practical values in dealing w ith determining the habitat adapt ive o f species, predict ion of evo lut ion direct ion
of gr assland succession due to g lobal changes and turf species int roduction. The paper further enfo rces the
significant inf luences of the gr assland classif icat ion r esearch on the grassland sciences in their fundamentals
and pract ice.
Key words: Grassland type; Classficat ion; Cluster
草原类型学是草业科学基础理论的综合体现,
也是生产规划的依据。中国的草业科学家对此作了
大量理论探讨和实际工作[ 1~ 4]。其中所取得的成就
和存在的问题, 也已引起人们的关注。
草原类型当然离不开草原分类,因此我常常称
为草原分类学,正如植物分类作为一门学科一样,并
无不妥。但任何分类系统,都离不开分类与聚类的
协同发展。对聚类应予充分关注。
收稿日期: 2007-11-03; 修回日期: 2008-01-05
作者简介: 任继周( 1924-) ,男,山东平原人,中国工程院院士,主要从事草地农业研究,专著有草地农业生态学等, E-mail: renjz@ vip. s-i
na. com. cn
第 1期 任继周:分类、聚类与草原类型
举两个众所周知的事例。一是植根于林耐双名
法的生物分类系统, 在建立了分类系统的同时,也通
过聚类过程,形成了生物种的发生树。生物分类系
统使我们在确认任何一个生物的种的同时, 能够
把它归属于生物的某一属, 以及更高层次的生物
分类级别。在这个发生树上容纳了已知的生物种,
以及未知的无论多少新发现的生物种。
另一事例就是门捷列夫的化学元素周期表。化
学元素周期表实质上是对纷纭杂陈的众多化学元素
的分类系统。门捷列夫创建这个以化学元素周期表
来表达的化学元素分类系统, 使我们在定义某一化
学元素的同时, 揭示其分别归属的族谱。它将已知
的化学元素纳入归类系统, 直观表达了元素的相关
性质的同时,也表述了各个元素或元素类别间的内
在关联性和递变关系。当化学元素周期表诞生的时
候,只有 63种元素, 而现在发展到 100多种, 随着原
子对撞机能量的加大, 还会有新的元素不断出现。
而元素周期表仍然有接纳它们的余地而不致混乱。
上述两个事例说明成熟的分类系统,既可容纳
已知的类型,也可容纳未知的类型。这样的分类系
统是开放性的, 因而是逻辑周延的。我们认为,分类
与聚类的协同性应该是草原类型学方法论的核心。
任何分类方法所衍发的分类系统,都应该与聚类系
统协同发生。否则, 植根于直接或间接的认知、只能
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。
聚类可以使类别间差异最大化, 类别内差异最
小化, 而且保持了类别间的发生学关系。分类探讨
众多事物个体或单元的趋异性, 使我们认知分类系
统内的个体或单元的个性; 聚类探讨众多事物个体
或单元的趋同性,使我们认知分类系统以内的个体
或单元之间的内在关联性, 亦即它们之间的亲疏关
系。两者属于两个互相联系的不同的认知步骤。它
们互为表里,缺一不可。由分类走向聚类的分类系
统,各个类别之间因蕴含了各个分类单元的发生学
关系,将顺利完成聚类。科学的分类与聚类共
同保证了分类系统的周延性和开放性。
回顾现有的草原分类的传统, 意在分类,而对
聚类往往缺乏自觉关注, 因而缺乏发生学内在联
系。这样的分类系统, 多就目前所见加以描述和分
类, 属经验性分类。它只能命名局地的、已知的类
别。对新发现的,异地的类别将游离于分类系统之
外而无所归宿。封闭性多于周延性, 难以通过 聚
类的验证。
1 草原分类的原则[ 5]
要满足草原分类系统的分类与聚类相结合的要
求,建立像生物分类学和化学元素周期表那样完善
的草原分类系统, 必须探索草原类型学自己的方法
论所需要的分类原则。
1. 1 草原分类要素的完整性原则
作为一个完整的草原分类体系,应含有四项基
本内容:第一,要有草原分类的理论依据; 第二, 要有
草原分类的体系结构; 第三,要有草原分类的不同级
别的分类指标;第四,要有草原分类的命名原则。任
何草原分类体系, 如果少了其中的任何一项,就不能
形成或接近不能形成草原分类体系。如果其中某一
项或几项不够完善, 就为这一分类体系造成缺陷。
甚至失去了草原分类体系的意义。因此, 我们不妨
把它们称为草原分类四要素。
1. 2 草原分类体系内涵的综合性原则
草原作为占有陆地总面积 24%的巨大而复杂
的生态系统,是由气候、土地、生物和生产劳动等多
种因素的矛盾运动所构成并推动其发展的。不但要
研究各个要素的本身, 还要研究它们彼此间的相互
联系。因此,在进行草原分类时,需要综合地考虑到
草原发生学的各个因素, 才能全面地了解它的自然
特性和经济特性。那种企图用单一因素来认识草
原,并进行草原分类的设想,例如早期常用的以植被
类型学体系来确定草原类型,显然有失偏颇。
1. 3 草原分类指标的相对稳定性原则
作为草原分类所依据的特征, 尤其作为分类基
本单位的分类特征指标, 要具有基本稳定的性质。
否则分类系统将随着分类指标的游弋而减弱草原类
型的可认知性。当然, 任何特征指标的稳定性都只
有相对的意义。我们应该善于利用不同分类特征指
标的稳定性差别,构建分类系统。一般应该把最稳
定、最不易改变的,作用最广泛的特征, 作为草原基
本分类单位类的指标;而次稳定的特征,作为下一
级分类级别亚类的分类依据。以此类推,越到低
级分类单位,其稳定性也越差。笔者认为,涉及草原
分类的地境特征, 其稳定性依次为气候-土地-植被。
1. 4 草原分类同级指标的可比性原则
任何分类科学, 都是相比较而产生的。而比较
5
草 地 学 报 第 16卷
只有在同质的前提下, 才能得到可供衡量的值的客
观概念,从而明确其草业科学的草原分类的意义。
但是我们考察某些草原分类系统,有的把地带性与
非地带性特征作为同级分类指标,有的把植被特征
与土地特征作为同级分类指标。这样的分类指标既
不同质,当然也就无从得到客观可比的值。为草原
分类造成困难。
1. 5 草原分类特征指标的确限性原则
草原分类中作为依据的特征, 应以明确的指标
加以确限。指标的确限性包括两重含意:
1 5 1 各分类级别使用的指标项目要明确, 如气
候、植被、土壤、地形等这些特征指标,何者用于何级
要明确。如果像植物地形学分类法那样, 几个特征
指标同时作为同一级的分类指标,或同时作为几个
级的分类指标, 其确限性不足。
1 5 2 所使用的特征指标易于度量其确切的界限。
这种确限性,在草原类型学中不外通过形 (如地
形、景观、季相以及颜色、结构等等)和数(如温度、
雨量、湿度、化学成分、植被组成的量纲等)来表示。
当前数理分析日趋深入, 监测手段日趋完善, 尤
其重要的是计算机技术已经渗透到各个学科领域,
各种草原学特征的定量研究正在数字化, 草原分类
指标的确限性也将达到新水平。
1. 6 草原分类体系普适的周延性原则
草原分类体系应该是该项研究对象的类型总概
括。对于草原分类来说, 应该使全球任一草地,都能
在这一分类体系中找到它的位置,并从它在该分类
系统中所处的位置来判断不同类别草地的发生学关
系。这就要求其分类体系具有通过聚类的检验而不
自相矛盾的周延性。现存绝大多数草原分类体系,
都是根据某一具体范围, 例如一个地带,一个国家所
遇到的特定草原现象所制定的分类方案。根据这样
的分类方案,对于产生此一分类方案的本体草原具
有周延性,但如遇到彼此远离的、不在同一分类系统
之内的草原,则难以确定其草原质的趋同或趋异程
度,因此也无法找到它在这一分类系统中相应的位
置,这就表现为不周延性。当然,我们不必用同一尺
度的周延性要求每一分类体系。例如以局部地区为
本底,以服务于当地为目的的草原分类,尽管对全球
来说是不周延的, 但用于当地还是可行的。不过应
该认识到,在草原科学发展的初级阶段,科学工作者
处于彼此相对隔绝的状态下, 看不到,也不介意互相
隔离的草原的内在联系, 这是难以避免的历史局限
性。但当今全球一体化的大势已无所不在,学术交
流日益频繁,我们应该有必要,也有可能找到面向全
球的周延而开放的草原分类系统。
为此,本文以中国的草原为例,着重论述具有分
类与聚类协调发展的草原综合顺序分类系统[ 6]。
2 草原类型的划分
依据草原综合顺序分类法, 可将草原分为 3个
基本级别,即类、亚类和型。类为草原分类的基本单
位,以生物气候要素中的水热组合为指标;第 2级为
亚类,以土地要素(含地形及土壤)为指标; 第 3级为
型,以植被特征为指标。限于篇幅,本文仅就类的划
分加以论述,因为它能够比较充分地体现草原类型学
的基本思想。对水热分布规律的研究很多,我们将草
原的热量级分为 7级(表 1) ,湿润度分为 6级(表 2)。
这一分级系统为有关专家[ 7]和产业单位所验证。
表 1 我国草原分类的热量级及其相当的自然带
T able 1 T he thermal g rades and t heir r elated natural zones
o f gr assland classfication
热量带
Thermal grades
> 相当的自然带
Relat ed natural zone
寒冷 Frigid < 1300 (高)寒带 ( A lpine) frigid zone
寒温 Cold t emperat e 1300- 2300 寒温带 Cold temperate zone
微温 Cool t emperat e 2300- 3700 中温带 Cool temperate zone
暖温 Warm temperat e 3700- 5300 暖温带 Warm temperate zone
暖热 Warm 5300- 6200 北亚热带 North subtropics
亚热 S ubt ropical 6200- 8000 南亚热带 S outh subt ropics
炎热 T ropical > 8000 热带 T ropics
表 2 我国草原分类的湿润度级及其相应的自然景观
Table 2 The humidit y g rades and their related natural
landscape of g rassland classficat ion
湿润度级
Humidity grades
K 值
K value
相当的自然景观
Relat ed natural l andscape
极干 Ext raarid < 0. 3 荒漠 Desert
干旱 Arid 0. 3- 0. 9 半荒漠 Semidesert
微干 Semiarid 0. 9- 1. 2 草原、干生阔叶林、稀树草原
Steppe, xerophytic forest, savanna
微润 Subhumid 1. 2- 1. 5 森林、森林草原、草原、稀树草原
Forest, forest st eppe, st eppe, savanna
湿润 H umid 1. 5- 2. 0 森林、草甸 Forest meadow
潮湿 Perhumid > 2. 0 森林、草甸、冻原 Forest , meadow , tundra
将热量级及湿润度耦合,生成草原分类检索图
(图 1)。依据此图,世界天然草原类型应有 42 类。
另有非地带性草地类别(图 1右部)本文从略。
各类的基本特征描述见表 3。
按照综合顺序分类法,可制成中国草原类型第
一级类地图(图 2)。
6
第 1期 任继周:分类、聚类与草原类型
图 1 草原分类检索图(任- 胡检索图) [ 8]
Fig. 1 The index chart o f gr assland classfication ( Ren-Hu Char t)
表 3 草原综合顺序分类法的属性转换矩阵
Table 3 T ransformed matr ix of attr ibut es in the comprehensive and sequential classfication of g rassland
> 0 年
积温
湿润度 K H umidity g rade K
0~ 0. 3 0. 3~ 0. 9 0. 9~ 1. 2 1. 2~ 1. 5 1. 5~ 2. 0 > 2. 0
0~ 1300
寒冷极干寒带荒
漠、高山荒漠类
寒冷干旱寒带半荒
漠、高山半荒漠类
寒冷微干干燥冻
原、高山草原类
寒冷微润少雨冻原、
高山草甸草原类
寒冷湿润冻原、高
山草甸类
寒冷潮湿多雨冻
原、高山草甸类
1300~ 2300
寒温极干山地荒
漠类
寒温干旱山地半
荒漠类
寒温微干山地草
原类
寒温微润山地草甸
草原类
寒温湿润山地草
甸类
寒温潮湿寒温性
针叶林类
2300~ 3700
微温极干温带荒
漠类
微温干旱温带半
荒漠
微温微干温带典
型草原类
微温微润草甸草原
类
微温湿润森林草
原、落叶阔叶林类
微温潮湿针叶阔
叶混交林类
3700~ 5300
暖温极干暖温带
荒漠类
暖温干旱暖温带
半荒漠类
暖温微干暖温带
典型草原类
暖温微润森林草原
类
暖温湿润落叶阔
叶林类
暖温潮湿落叶阔
叶林类
5300~ 6200
暖热极干亚热带
荒漠类
暖热干旱亚热带
半荒漠类
暖热微干亚热带
禾草-灌木草原类
暖热微润落叶阔叶
林类
暖热湿润常绿、落
叶阔叶林类
暖热潮湿落叶、
常绿阔叶林类
6200~ 8000
亚热极干亚热带
荒漠类
亚热干旱亚热带
荒漠灌丛类
亚热微干亚热带
禾草-灌木草原类
亚热微润硬叶林和
灌丛类
亚热湿润常绿阔
叶林类
亚热潮湿常绿阔
叶林类
> 8000
炎热极干热带荒
漠类
炎热干旱热带荒
漠灌丛类
炎热微干稀树草
原类
炎热微润干旱森林
类
炎热湿润季雨林
类 炎热潮湿雨林类
7
草 地 学 报 第 16卷
图 2 中国草原分类第一级地图(赵军, 任继周,胡自治)
Fig . 2 The fir st gr ade chart o f the com prehensive and sequential classficat ion of g rassland
为了便于记忆和运用,将 6个类别分为 10个类
组(图 3) [ 9, 10] 。即高山冻原草地类组、冷荒漠草地
类组、热荒漠草地类组、半荒漠草地类组、斯太普草
地类组、萨王纳草地类组、温带湿润草地类组、温带
森林草地类组、亚热带森林草地类组、热带森林草地
类组。非地带性草地(沼泽、草甸、栽培草地)还有 6
个草地类组,本文从略。
图 3 综合顺序分类法的草地类组及各类组包含的草地类[9, 10]
Fig . 3 Grade and class and t ype in the com prehensive and sequential classf ication of g rassland [9, 10]
8
第 1期 任继周:分类、聚类与草原类型
对中国草原类型分布图的统计计算表明: 中国
区域内依草原综合顺序分类法的草原类有 41个。
寒冷潮湿多雨冻原、高山草甸类( F)、暖温极干暖
温带荒漠类( A)、微温干旱温带半荒漠类( B)、
暖热潮湿落叶、常绿阔叶林类( F)和亚热潮湿常
绿阔叶林类( F)是中国分布面积最广的 5个草原
类型;面积超过 20万 km2 的草原类型有 16个, 合
计 832. 8065 万 km2 , 占国土总面积的 86. 75% ; 分
布面积最小的 5个草原类型为: 炎热微干稀树草原
类( C)、炎热干旱热带荒漠灌丛类( B)、亚热极
干亚热带荒漠类( A)、炎热微润干旱森林类( D)
和亚热微干亚热带禾草-灌木草原类( C) ; 面积不
足 10万 km2 的草原类型有 19 个, 合计 47. 8638万
km
2
,仅占国土总面积的 4. 99%。
3 综合顺序分类法的运用
3. 1 草原类型发生学类型指数的度量
草原的类与类之间的亲缘关系可以类型指数
来度量,作为草原类型之间亲缘关系的量纲。设 a
类草原类型的K值为K a, b草原类 K 值为 K b,则
草原类型指数为:与之比 表达草原类型亲疏。
=
如果 K a K b , K b
K a
如果 K a K b , K a
K b
= 。是从 0到 1,为类型相似程度的矢
量量纲。
当 = 1则表明 a 类与 b 类草原类型相同。
3. 2 生物种的适宜度的计算和应用
任何草类都有其生存地境的阈限和适宜度。适
宜度是草类对环境的适应程度, 是一个量变过程。
生存阈限是草类可以生存的环境极限, 超越这一界
限将失去存活的能力;任何草类的引种,都离不开对
这两者的判定。首先,看某一种草能否成活, 其次,
看它适应的程度。草类都有其中心生境, 可在草原
分类检索图上确定其位点,这就是该草的最适生境。
从最适生境向外延伸, 其适宜度渐减, 直到生存阈
限,亦即适宜度从 1到 0的过程。
依据草原类型学原理, 拟定了以草原类型指数
来分异草类生境适宜度指标(表 3)。在 0与 1 之
间的分布,如表 3所列。因此可以很容易作出某种
生物从原生地到引入地的后果预测。
表 3 草类生境适宜度分级表[ 11]
Table 3 Grass suitable habitat class
的分级值
value
适宜度分级
Suit able class
生长表现
Grow th performance
0. 9- 1. 0 .最适生境 生长繁殖正常
0. 7- 0. 9 .良好生境 生长有不适应表现,繁殖正常
0. 5- 0. 7 .不良生境 生长有不适应表现,繁殖不正常
0. 3- 0. 7 .边缘生境 生长不正常,不能繁殖
0. 3 .生存禁区 营养体严重不正常,不能繁殖,或不能建植
查得拟引入生物种 a 生存中心地境的 K 值,
和拟引入地区生境的求算得类型指数 值。
3. 3 全球变化预测
根据类型指数 , 可以估测草原类型演替规律
和趋向, 并可求算其演替的程度。例如从类 VI20
向暖湿方向演变, 必然到类 VD28。相反, 向寒旱
方向演变, 必然到类 VB12。其演替程度可以类
型指数度量。
3. 4 其它方面的应用
草坪引种决策[ 12] ; 研制了草业专家系统; 对青
海、甘肃、及南方草地区划[ 13] 。
4 结语
分类与聚类的协同发展是草原类型学方法论的
核心。在草原分类的同时,必须对聚类给以同等关
注,所建立的分类系统才能满足草原类型学的原则
要求。我国在上世纪 60 年代初对草原的分类问题
提出研究成果。国外在上世纪 70年代对草原聚类
的问题也有新进展 [ 14]。
草原分类应遵循的原则是: 草原分类要素的完
整性原则,草原分类体系内涵的综合性原则,草原分
类指标的相对稳定性原则,草原分类同级指标的可
比性原则,草原分类特征指标的确限性原则,草原分
类体系普适的周延性原则。依据这些原则要求, 笔
者等提出了草原类型的综合顺序分类系统。该分类
系统, 由 3个主要级别构成: 即类、亚类和型。类是
基本分类单位,其分类指标为气候;亚类是次级分类
单位,其分类指标为土地(土壤与地形) ;型是又次级
单位,其分类指标为植被。所谓综合,就是分类系统
中概括了气候、土地、植被等各种草原发生与发展的
要素;所谓顺序,就是依照各个要素对草原类型演替
9
草 地 学 报 第 16卷
过程中的稳定程度,依次为气候、土地和植被, 并将
其作为类、亚类和型的分类指标。
这一分类系统摆脱了过去经验分类法的模式,
具有概括全球的周延性和接纳任何新发生的草原类
型的开放性。
分类是某一学科的科学方法论的精髓所在, 也
是学科架构的缩微。老子的人法地, 地法天, 天法
道,道法自然的从近到远,从小到大的逻辑思维, 似
可给以草原学解释[ 15] :人们的草原学行为依附于土
地因素而体现, 土地因素依附大气因素而体现,大气
因素依附于自然因素而体现, 自然因素依附于生态
系统的基本规律而体现, 生态系统的基本规律则是
大自然的本来面目。说得更抽象简括一些, 似乎可
以这样表达:人们的草原学行为诠释了草原类型的
土地因素,草原类型的土地因素诠释了草原类型的
大气因素;草原类型的大气因素诠释了草原生态系
统的基本规律; 草原生态系统的基本规律诠释了自
然界的本来面目。依据这一逻辑,草原综合顺序分
类法把大气因素作为第一级分类指标, 它是草原类
型的最稳定的、最基本的、最高的分类级别, 称为
类。在大气因素之下, 把土地因素作为第二级指
标,称为亚类。至于亚类以下的分类级别, 可以根
据分类目标的不同, 规定各种指标, 给以各种称谓。
但类和亚类这两级分类关系,受人法地, 地法
天规律制约,是难以改变的。
我们高兴地看到,国内外草原类型学者原来的
某些观点分歧, 经过交流融合、理论探讨和实践验
证,正在从不同的原发点逐步趋于一致。笔者对草
原类型学的认知,从上世纪 50年代学习苏联, 到逐
步独立思考,经过 1959 年一次重大转折,提出了综
合顺序分类法。历时 50多年,经过几代人的艰苦探
索,多次改进,至今还在不断思考之中。笔者恳切希
望我业内人士给以批评指正,互相切磋砥砺,把我国
草原类型学推向新的高度。
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(责任编辑 才 杰 张英俊)
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