一种决策支持工具，采用开源方法识别美国俄克拉荷马州奇卡索族地区的木本植物入侵情况以及杜松属植物的脆弱性

针对俄克拉荷马州Chickasaw Nation条约领土（CNTT）中杜松树物种入侵问题，本研究开发了基于遥感数据的Juniper Evaluation Tool（JET）。该工具通过多源数据融合（LiDAR、NAIP航空影像、Sentinel-2卫星数据）构建了杜松树分布模型，并划分了5个入侵阶段。JET实现了从水土保持到农业经济的多维评估，支持地块级管理决策，并通过交互式地图提供可视化数据服务，为精准施策提供技术支撑。分隔符：

　　
近年来，美国大平原地区Juniper树种的过度扩张成为生态和农业领域的重大挑战。以俄克拉荷马州奇克索瓦部落（Chickasaw Nation）为例，Juniper的蔓延导致草原生产力下降、水土流失加剧、野生生物栖息地破碎化，并造成超过2.18亿美元的农业经济损失。为有效应对这一问题，该部落与自然资源保护局（NRCS）合作，开发了Juniper评估工具（JET），这是一个基于遥感数据的决策支持系统，旨在为土地所有者和管理者提供科学依据，以精准实施 prescribed burns（ prescribed fire）和植被管理措施。

### 一、研究背景与问题分析
大平原地区历史上存在广阔的草原生态系统，但自20世纪以来，农业扩张、火灾 suppression（火抑制政策）、过度放牧、联邦农业政策调整以及气候变化等因素导致Juniper等耐旱树种迅速蔓延。根据俄克拉荷马州农业部的数据，1994年至2013年间，Juniper覆盖面积增加了60%，直接威胁到部落的水资源、牧场经济和文化遗产。

#### 1. 生态影响
- **植被单一化**：Juniper的入侵使原本多样化的草原和林地退化为单一植被类型，导致本地草本植物和灌木减少70%以上。例如，红河地区（Red River）的Juniper覆盖率从2002年的6.3百万英亩激增至2013年的12.6百万英亩。
- **生物多样性丧失**：超过70%的草原鸟类因栖息地被破坏而数量锐减，如大草原鹰和草原鹪鹩。
- **水土流失加剧**：Juniper树冠覆盖率高，根系浅，导致土壤侵蚀速率增加3倍。

#### 2. 经济与社会影响
- **农业生产力下降**：Juniper的竞争使牧草产量降低50%-70%，直接导致牧场收入减少。例如，俄克拉荷马州农业委员会统计，2002年因Juniper入侵造成的经济损失达2.18亿美元。
- **防火成本上升**：Juniper的高燃点特性使火灾蔓延速度加快，防火成本增加30%-50%。
- **文化遗产威胁**：原住民依赖草原生态进行传统仪式和食物采集，Juniper的扩张破坏了这些文化景观。

### 二、JET工具开发方法
#### 1. 数据整合与预处理
研究团队整合了多源遥感数据，包括：
- **LiDAR地形数据**（1米分辨率）：用于识别乔木冠层，排除平坦的非林地区域。
- **NAIP航空影像**（2021年夏季数据）：通过NDVI（植被指数）和EVI（增强植被指数）筛选出潜在林地。
- **Sentinel-2卫星影像**（2020-2022年冬季数据）：利用冬季落叶特征区分Juniper与其他针叶树。

数据预处理步骤包括：
- **排除非目标区域**：通过水系、农田、道路和城市区域筛选，仅保留可管理林地（约80%的部落土地）。
- **拓扑校正与配准**：将不同来源的数据统一地理坐标系，并消除因地形起伏导致的变形。

#### 2. Juniper分布建模
采用“过滤法”逐步缩小范围：
1. **初步筛选**：利用Sentinel-2影像的NDVI阈值（>0.35）和EVI阈值（>1.8）标记高植被区域。
2. **地形过滤**：通过LiDAR数据提取冠层高度≥1英尺的区域，排除低矮灌木和裸地。
3. **土地利用匹配**：结合俄克拉荷马州生态系统地图（OKESM），排除受保护的湿地和城市区域。

#### 3. 植被脆弱性分级
参考Twidwell等人（2021）的植被入侵脆弱性模型，将土地划分为四个阶段：
- **完整草原（Intact）**：无显著Juniper入侵，植被覆盖≤30%。
- **扩散/招募阶段（Dispersal/Recruitment）**：零星Juniper分布，覆盖30%-70%。
- **入侵阶段（Encroachment）**：Juniper成片生长，覆盖70%-100%。
- **木质化过渡（Woodland Transition）**：完全被Juniper取代，覆盖≥100%。

### 三、关键发现与结果
#### 1. 覆盖率估算
- **部落范围**：奇克索瓦部落约490万英亩，其中29%为林地，18.4%为Juniper。
- **重点区域**：Arbuckle山脉、Arbuckle uplift和东部Cross Timbers生态区Juniper覆盖率最高（>35%）。
- **典型县份**： Murray县（Juniper覆盖率39.0%）、Johnston县（40.96%）和Marshall县（35.63%）。

#### 2. 脆弱性空间分布
- **扩散阶段**：多集中在西部草原过渡带，受干旱影响显著。
- **入侵阶段**：沿河岸和山地分布，与土壤类型（pH值>7）正相关。
- **完整区域**：多位于东部湿润地区，海拔500-1000英尺的坡地。

#### 3. 决策支持应用
- **精准干预**：JET显示某554英亩牧场中，东南部300英亩为高优先级干预区（入侵阶段），西北部适合防火。
- **成本效益分析**：模型测算的机械清除成本为$50/英亩，而周边完整草原的维护成本仅为$5/英亩。
- **动态监测**：通过2022年与2018年LiDAR数据对比，Arbuckle山脉地区Juniper扩张速度达5.2%年。

### 四、技术优势与创新点
#### 1. 多源数据融合
- **遥感数据协同**：结合Sentinel-2（光谱特征）和LiDAR（地形结构），解决单一数据源分辨率不足的问题。
- **低成本高效率**：采用开源平台Google Earth Engine（GEE），处理成本降低80%，处理时间缩短至72小时（原需人工3个月）。

#### 2. 面向管理的输出设计
- **分层可视化**：通过颜色编码（红-入侵阶段，黄-扩散阶段，绿-完整区域）直观展示空间分布。
- **属性数据库**：每个地块生成12项指标，包括植被类型占比、历史干预记录、土壤侵蚀风险值等。
- **交互式查询**：用户可输入 parcel ID或HUC-10流域代码，即时获取管理建议。

#### 3. 模型验证与改进
- **实地验证**：在Murray县设置427个地面控制点，模型总体精度达91.42%（Kappa系数0.9124）。
- **误差来源**：10米分辨率影像导致小规模Juniper（<6株）漏判，但完整区域识别准确率>95%。

### 五、应用成效与挑战
#### 1. 实施案例
- **Arbuckle流域**：通过JET定位的17%高风险区域（威胁下游湿地），2023-2025年实施清除后，水土流失量下降42%。
- **经济收益**：某牧场采用JET建议的机械清除（300英亩）+ prescribed fire（200英亩），年度牧草收益提升$85,000。

#### 2. 挑战与改进方向
- **数据时效性**：当前数据截至2022年，需每年更新以反映植被动态。
- **精度提升**：计划引入无人机（UAV）航拍（2米分辨率）补充小尺度漏判。
- **扩展性**：已开始测试蒙大拿州和得克萨斯州，需调整缓冲距离（西部干旱区需扩大50米）。

### 六、管理策略优化建议
1. **分阶段干预**：
- **扩散阶段**（30%-70%覆盖）：实施低强度 prescribed fire（每3-5年一次），配合 rotational grazing。
- **入侵阶段**（>70%覆盖）：采用机械清除（费用$200/英亩）+ 梯田式防火隔离带。

2. **政策协同**：
- 将JET数据整合至 NRCS的Conservation Stewardship Program（CSP），对完成清除目标的地块给予$150/英亩补贴。
- 推动“流域健康保险”机制，对高风险区域提供保费折扣。

3. **社区参与**：
- 开发手机端应用“JET Lite”，支持土地所有者实时上传巡查照片，AI自动识别植被变化。
- 设立部落奖学金，资助学生参与生态修复项目。

### 七、结论与展望
JET工具成功实现了从数据采集到管理决策的闭环，其核心价值在于：
- **科学性**：融合12类权威数据源，误差率<5%。
- **实用性**：操作界面符合农民使用习惯，平均培训时间<1小时。
- **可持续性**：开源代码已开放给其他部落（如切罗基族）使用，2025年计划扩展至500万英亩。

未来升级方向包括：
- **生态指标集成**：加入碳汇潜力（单位面积年固碳量）、生物多样性指数等。
- **机器学习优化**：利用随机森林算法（当前模型未采用）提升小规模Juniper识别精度。
- **3D可视化**：结合无人机点云数据，生成植被覆盖热力图。

该研究为全球草原生态恢复提供了标准化解决方案，特别适用于美国中部和南部干旱区。通过JET工具，部落管理人员可将80%的干预资源集中在20%的高风险区域，预计到2030年可实现Juniper扩张速度降低50%的目标。