加拿大Cypress高地灌木入侵的人为与固定影响因素识别研究

《Heliyon》：Identifying anthropogenic and fixed influencing factors of shrub encroachment in Cypress Upland, Canada

语 本文针对全球性草地灌丛化问题，以加拿大Cypress Hills省际公园为研究区，结合遥感与广义最小二乘模型，揭示了道路邻近性、刈割间隔等人为因素与土壤湿度、地形等固定因子共同驱动灌木扩张。研究为草地生态系统可持续管理提供了关键靶点，对生物多样性保护及牧场资源优化具有实践意义。

　　

在全球范围内，灌丛化正悄然改变着草原的面貌。当灌木覆盖度超过临界阈值，会引发一系列生态危机：草地物种栖息地丧失、高强度火灾风险加剧、放牧饲料锐减。这一现象已影响超过500万平方公里的土地，仅美国大平原过去30年因灌丛化造成的经济损失就高达41-56亿美元。与明显的耕地扩张不同，灌丛化进程隐蔽且难以逆转，成为草地生态系统保护的潜在威胁。

加拿大萨斯喀彻温省的Cypress高地省际公园正面临这样的挑战。这片海拔1300米的高地拥有独特的冰川遗迹地貌和丰富的动植物多样性，但近年研究发现其灌木覆盖度已达27%，远超健康草地15%的标准。更令人担忧的是，当地鸟类多样性下降可能与灌木物种（如金露梅）的扩张直接相关。尽管前期研究明确了地形土壤等固定因子的作用，但可调控的人为因素如何影响灌丛化进程仍是谜题。

为此，研究团队开展了一项多维度研究，旨在揭示人为活动与环境因子的交互作用。他们首先利用2018年30厘米分辨率航空影像生成的灌木覆盖图，结合野外实地调查的动物粪便数据、道路网络图层及刈割历史记录，分析了道路距离、放牧强度和刈割频率与灌木覆盖的关系。随后通过构建多个广义最小二乘模型，综合评估了12类环境与人为变量对灌丛化的贡献。

关键技术方法

研究整合遥感解译与空间统计分析技术：基于对象分类方法生成高精度灌木覆盖图；采用欧几里得距离算法量化道路/水体邻近度；通过广义最小二乘模型处理空间自相关性；利用莫兰指数校正模型残差的空间依赖性。样本数据来源于公园管理局提供的土壤、地形图层及2018-2020年野外调查数据。

研究结果

1. 1.
   人为因素的单变量分析
   • •
     道路效应：灌木覆盖度与道路距离呈三段式关系，距道路500米内覆盖度达30%，500-1800米趋于稳定，超过1800米后显著下降。52.7%的灌木分布在道路500米范围内，证实道路作为种子传播通道和微环境改造者的重要作用。
   • •
     刈割干预：刈割区灌木覆盖度（14.8%）显著低于非刈割区（27.7%），且最后一次刈割年限与灌木覆盖度呈正相关（p<0.01）。多次刈割区域灌木抑制效果更持久。
   • •
     放牧影响：基于管理者访谈的放牧强度分级显示，中高强度放牧区灌木覆盖度较高（37.8%-45.5%），但野外粪便计数未呈现显著统计关系。
2. 2.
   多因子驱动模型识别
   最优模型（3b2）包含10项环境因子与2项人为因子，解释力最强（AIC=最低）。关键驱动因子包括：
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     正向驱动：邻近水体（系数-0.085）、邻近道路（-0.040）、高海拔（0.036）、湿润土壤机制（如湿润机制比干燥机制高0.228）
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     负向驱动：刈割管理（-0.116）、远离湿地（0.069）
     
     图示灌木覆盖度随道路距离增加而下降的趋势，500米内为高影响区
3. 3.
   生态机制解析
   道路边缘通过改变水文、阻碍火势蔓延、车辆传播种子促进灌木定居；刈割直接清除灌木冠层并为草本植物创造竞争优势；高地湿润土壤组合（如壤土平坦区）为金露梅等灌木提供理想生境，而过度湿润的湿地反而不利木本植物生长。

结论与展望

研究首次在Cypress高地量化了人为管理措施（刈割、道路规划）与自然因子对灌丛化的协同作用。结果表明，可通过调整刈割周期（建议2-5年）、优化道路缓冲区管理（500米内重点干预）实现生态调控。这些发现已被纳入公园灌丛化管理计划，为实施“抵抗-接受-引导”框架提供科学依据。未来需结合历史影像分析灌丛化动态，并区分金露梅、西方雪莓等主要灌木的扩张模式，以制定物种针对性管理策略。该研究范式可为全球类似生态区的灌丛化治理提供模板。

灌丛周边形成差异化放牧模式，凸显其生态调控价值