美国西部高海拔森林白松疱锈病风险评估工具RustMapper的开发与应用

本研究针对北美最具破坏性的白松疱锈病(WPBR)疫情，通过整合1995-2024年间80余项独立研究数据，开发了自适应管理工具RustMapper，首次系统评估了1980-2023年美国西部高海拔五针松(High-5)的WPBR风险。研究发现流密度、地形、耐寒区及温湿度等环境因子是风险预测关键指标，北部地区平均风险(~0.6)显著高于南部(~0.15)，为已入侵区疾病防控和未入侵区主动管理提供了科学依据。

　　

北美森林正面临一场持续百年的生态危机——由外来病原真菌Cronartium ribicola引起的白松疱锈病(WPBR)已导致高海拔五针松(High-5)种群急剧衰退。自1910年通过受感染苗木从法国传入太平洋西北地区以来，这种需要松树与茶藨子(Ribes)双宿主完成生命周期的病原体，已在美国西部形成复杂的传播网络。尽管早期防控尝试失败，但气候变暖背景下，WPBR在干旱与湿润生境中表现出的矛盾扩张模式，使得精准风险评估成为生态管理的迫切需求。

耶鲁大学环境学院联合美国林务局等机构的研究团队，在《Scientific Data》发表了突破性研究。通过整合80余项独立研究的6678个采样点数据，团队开发了自适应管理工具RustMapper，首次实现1980-2023年High-5分布区WPBR风险的时空量化。研究采用随机森林算法(RF)分析流密度、地形指数等静态因子与温湿度等动态气候变量的关联，创新性地将数据集分为"入侵区"(低接种量)和"稳定区"(高接种量)分别建模，最终构建出4km分辨率的年度风险预测模型。

关键方法包括：1) 整合美国林务局等机构29年的专业监测数据；2) 使用VSURF算法筛选关键变量；3) 基于5/10/20年气候摘要构建集成模型；4) 通过网格气象数据(gridMET)实现空间预测。

【研究结果】

1. 数据分布特征
   采样点覆盖美国西部High-5全分布区，其中稳定区样本70%存在WPBR，而入侵区仅17%。气候分析显示稳定区春季降水更多而秋季蒸汽压亏缺(VPD)更低。

2. 模型性能验证
   入侵区模型准确率达94%(AUC=0.96)，显著优于稳定区模型(82%)。变量重要性分析揭示流密度(STREAM_DEN)与夏季降水(PRCP)最具预测力。

3. 风险驱动机制
   WPBR概率随湿度升高而增加，但随温度上升下降。典型风险峰值出现在VPD≈700Pa时，而硬寒区(H_ZONE)指数显示寒冷区域风险更高。

4. 空间格局解析
   北部High-5分布区平均风险(0.63)是南部(0.39)的1.6倍。模型标准差<0.2表明不同气候摘要的预测结果高度一致。

【结论与意义】
该研究首次量化了WPBR在美国西部高海拔森林的时空风险格局，揭示气候变暖可能通过延长生长季加剧湿润生境的病害传播，同时干旱化会抑制新疫区形成。RustMapper工具为跨行政边界的协同管理提供了决策支持：在北部疫区应重点开展抗性育种和林分改造，而南部未入侵区需加强早期监测。研究建立的动态风险评估框架，为全球气候变化下的森林病害防控提供了范式转移，相关方法已通过环境数据倡议(EDI)平台开源共享。