津巴布韦奇维罗湖野生动物园中灌木入侵模式的随机森林分类

《Sustainable Environment》：Random forest classification of bush encroachment patterns in Lake Chivero Game Park, Zimbabwe

湖彻维罗游戏公园（LCGP）1986-2022年土地利用变化及灌丛入侵研究，采用Landsat多时相数据结合随机森林算法进行分类和动态监测。结果显示，草地面积从989.37 ha减少至862.29 ha，林地增加34.7%，裸地变化不大，累计灌丛入侵面积达438.66 ha（占16.98%）。研究证实随机森林算法在植被分类（精度79.89%-95.55%，Kappa系数0.61-0.91）和入侵监测方面有效，揭示了气候变化（干旱频发）、火灾管理缺失及本土树种扩张（ Terminalia sericea、Parinari curatellifolia）是主要驱动因素，对野生动物栖息地及当地经济造成显著负面影响。

　　湖岸草原生态系统面临着由灌木侵占引发的威胁，这种现象通常表现为灌木植物在原本以草本植物为主的环境中迅速扩张，从而改变了生态系统的结构和功能。灌木侵占不仅影响了草本植物的生长，还对当地的动物栖息地和生物多样性造成了显著的负面影响。本研究聚焦于津巴布韦的湖奇韦罗野生动物保护区（Lake Chivero Game Park, LCGP），利用遥感数据和随机森林算法对灌木侵占进行监测和分析，旨在提供一种高效、经济的方法来评估灌木侵占的范围和速度，并为该地区的生态保护和可持续管理提供科学依据。

### 研究背景与意义

湖奇韦罗野生动物保护区是津巴布韦重要的生态系统之一，其面积约为2,305.98公顷，位于首都哈拉雷西南方向，靠近湖岸。该地区以草原为主，分布着多种重要的草本植物和树木，例如米翁博林地（miombo woodlands）中的Musasa（*Brachystegia spiciformis*）和Munondo（*Julbernadia globiflora*）。然而，随着灌木侵占的加剧，原本广阔的草原逐渐被灌木植被取代，影响了生态系统的功能，如生物多样性、碳储存和土壤保持能力。这种变化不仅威胁到野生动物的生存，还对当地经济产生了深远影响，特别是依赖旅游业的社区。

灌木侵占是一个全球性问题，尤其在半干旱和干旱地区更为显著。根据相关研究，全球约有40%的可放牧土地位于这些地区，而其中至少一半用于放牧。这些地区因气候条件的变化和人类活动的影响，灌木侵占现象尤为严重。研究发现，灌木侵占在过去的二十年间显著改变了生态系统的结构和功能，对约20%的世界人口产生了负面影响。因此，如何有效监测和管理灌木侵占成为生态学和环境保护领域的重要课题。

在非洲，灌木侵占对草原生态系统造成了严重破坏，不仅减少了可耕地面积，还限制了野生动物的栖息地和放牧空间。这种现象在南部非洲地区尤为突出，如津巴布韦、南非、博茨瓦纳、乌干达、埃塞俄比亚和纳米比亚等国家。灌木侵占降低了生态系统的生产力和放牧潜力，对全球生物多样性和经济造成了一定的损失。因此，研究灌木侵占的动态变化，有助于制定更有效的保护和管理策略。

### 研究方法与技术手段

为了更准确地监测灌木侵占现象，本研究采用了多种技术手段，其中最为关键的是遥感技术和随机森林分类算法。遥感技术能够提供大范围、低成本的监测手段，使得生态学家和公园管理者能够在短时间内获取详细的生态信息。通过使用Landsat卫星影像，研究团队能够追踪和分析LCGP地区从1986年到2022年的土地覆盖变化。

Landsat卫星影像提供了连续的数据支持，研究团队选择了1986年、2004年、2013年和2022年的数据，以确保时间跨度的合理性。这些影像数据主要来自Landsat 4和5的TM传感器以及Landsat 8和9的OLI/TIRS传感器，具有30米的空间分辨率，能够清晰地捕捉到土地覆盖的变化。研究团队还结合了地面调查数据，以验证遥感分类的准确性。通过使用GPS设备，研究人员在特定区域记录了坐标点，以便与遥感图像进行叠加分析，确认灌木侵占的实际分布。

此外，为了提高分类的准确性，研究团队还采用了多种预处理方法，包括几何校正和辐射校正。几何校正确保了不同年份的影像数据在空间上对齐，而辐射校正则标准化了像素值，提高了分类的可靠性。这些步骤为后续的随机森林分类算法奠定了基础，使得研究人员能够更准确地识别和区分不同土地覆盖类型。

随机森林分类算法是一种基于机器学习的高效方法，能够处理复杂的数据集并提高分类的准确性。与传统的最大似然分类（Maximum Likelihood Classification, MLC）和支持向量机（Support Vector Machine, SVM）等方法相比，随机森林算法在处理非正态分布的数据时更具优势，且对初始参数的选择不那么敏感。通过使用1000个训练样本和100棵决策树，研究人员能够构建一个强大的分类模型，用于识别灌木侵占的区域。

### 研究结果与分析

通过应用随机森林算法，本研究揭示了LCGP地区从1986年到2022年土地覆盖的变化趋势。数据显示，草本植物的面积从1986年的989.37公顷减少到2022年的862.29公顷，而灌木植被的面积则从1061.01公顷增加到1416.33公顷。这表明，灌木侵占在该地区呈现出明显的增长趋势，尤其是在2004年至2022年之间，灌木侵占的面积增加了19.02%。

研究还发现，灌木侵占的速率在不同时间段有所变化。例如，从1986年到2004年，灌木侵占的面积增加了12.74%；而从2004年到2013年，这一比例上升至15.86%；最终在2013年至2022年间，灌木侵占的面积达到19.02%。这些数据表明，灌木侵占的速度在加快，尤其是在最近的十年中，其影响更加显著。

为了进一步验证这些变化，研究团队还进行了叠加分析，将灌木侵占的坐标点与土地覆盖变化地图进行比对。结果显示，灌木侵占主要发生在曾经是草本植物覆盖的区域，这表明灌木植物的扩张对原有的生态系统结构产生了重大影响。在这些被侵占的区域，研究团队发现了两种主要的灌木物种：*Terminalia sericea*（树冠木）和*Parinari curatellifolia*（普拉纳里树）。这两种植物在生态系统中的扩张，可能是灌木侵占加剧的重要原因之一。

### 灌木侵占的驱动因素

研究指出，灌木侵占的加剧可能受到多种因素的影响。首先，气候变化是灌木侵占的重要驱动因素之一。津巴布韦近年来经历了多次干旱，这削弱了草本植物的竞争能力，使得灌木植物更容易在这些环境中生存和扩张。此外，降雨模式的变化，如降雨量的减少或季节分布的改变，也影响了草本植物和灌木植物之间的竞争关系。当草本植物因干旱而减少时，灌木植物则可能占据优势，从而进一步扩张。

其次，火的频率和强度的变化对灌木侵占也有重要影响。在自然生态系统中，火通常抑制灌木植物的生长，使其无法形成大规模的覆盖。然而，由于人类活动和土地管理实践的变化，LCGP地区的火频次可能有所减少，使得灌木植物能够逃逸“火陷阱”（fire trap），即火无法有效抑制其生长。这导致灌木植被在某些区域迅速扩张，甚至取代了原本的草原生态系统。

此外，大气中二氧化碳（CO?）浓度的上升也可能促进了灌木植物的生长。由于灌木植物主要依赖C?光合作用途径，而草本植物则主要依赖C?途径，因此在水分受限的环境中，CO?浓度的增加可能使灌木植物更具竞争优势。这一现象在一些研究中已有报道，表明全球气候变化可能加剧灌木侵占的趋势。

### 生态与社会经济影响

灌木侵占不仅对生态系统造成了破坏，还对当地的社会经济产生了深远影响。首先，它导致了栖息地的碎片化和丧失，对依赖草原生存的野生动物种群构成威胁。例如，研究发现，灌木侵占对斑马（*Equus burchelli*）和黑犀牛（*Connochaetes taurinus*）等物种的生存产生了负面影响。随着草原面积的减少，这些物种的觅食空间也随之缩小，可能导致种群数量的下降。

其次，灌木侵占还影响了当地社区的经济利益。由于草原是重要的旅游资源，灌木的扩张会减少野生动物的可见度，从而影响游客体验，降低旅游业的收入。此外，草原的退化可能导致草料资源的减少，增加对人工饲料的需求，从而增加饲养成本。这种变化对依赖自然草料的牧民和野生动物管理者构成了挑战。

最后，灌木侵占还可能加剧人与野生动物之间的冲突。随着草原的减少，野生动物可能会向人类居住区扩散，以寻找食物和栖息地，这可能导致更多的冲突事件，影响社区的安全和生活质量。因此，解决灌木侵占问题不仅是生态学上的需求，也是社会经济层面的重要任务。

### 管理建议与未来研究方向

基于本研究的结果，研究团队提出了多项管理建议，以应对灌木侵占带来的挑战。首先，应实施有计划的燃烧管理，以减少灌木植被的生物量，恢复草原生态系统的平衡。其次，需要调整放牧管理策略，确保草本植物的生长空间不被灌木侵占所压缩。此外，还可以通过有针对性的清除和重新播种，恢复被侵占的区域。

研究还建议未来的研究应进一步探讨灌木侵占的具体驱动因素，以便制定更加精准的管理措施。例如，可以利用物种分布模型（Species Distribution Models, SDMs）来预测灌木侵占的未来趋势，并识别最易受影响的区域。这将有助于提前采取措施，防止灌木侵占的进一步扩散。

此外，研究强调了遥感技术在生态保护中的重要性。通过持续的遥感监测，可以更及时地发现灌木侵占的迹象，并评估管理措施的效果。这为生态学家和公园管理者提供了一个数据驱动的决策支持系统，使他们能够根据实时数据调整管理策略，提高保护工作的效率。

最后，研究团队建议加强与当地社区的合作，推动可持续的土地利用实践。通过教育和培训，提高社区对灌木侵占问题的认识，鼓励他们参与生态保护工作。这不仅能增强社区的参与度，还能促进生态系统的长期恢复和稳定。

### 结论

本研究利用随机森林分类算法和遥感技术，成功地监测了津巴布韦湖奇韦罗野生动物保护区的灌木侵占现象。研究结果表明，灌木侵占的面积在过去的36年间显著增加，对当地的生态系统和经济造成了深远的影响。通过提供一种高效、经济的监测方法，本研究为该地区的生态保护和可持续管理提供了重要的科学依据。未来的研究应进一步探讨灌木侵占的具体驱动因素，并利用更先进的技术手段，如物种分布模型和遥感数据，来预测和应对这一生态问题。此外，加强社区参与和可持续土地利用实践，将是解决灌木侵占问题的关键。