内布拉斯加州流域湿润度动态制图与农业用地湿地保护优先区划：基于多源遥感与多准则空间决策支持系统的研究

本研究开发了一种基于Google Earth Engine（GEE）和Sentinel-2遥感数据的动态监测框架，通过分析内布拉斯加州农业用地周期性淹没模式（2018–2023），结合土壤特征与水文背景，构建多准则空间决策支持工具，识别出24,000个优先保护地块（0.4–20公顷），为湿地保护计划（如ACEP）提供科学依据与成本效益分析，推动 scalable 的湿地保护策略。

　　

1 引言

湿地作为关键生态系统，承担洪水调控、水质净化与生物多样性维护等重要功能。然而，在全球范围内，湿地仍面临严重的退化与丧失风险，农业活动是其主要驱动因素之一。内布拉斯加州作为美国农业主导区域，其湿地系统因排水改造、灌溉工程与沉积作用遭受显著破坏。例如，该州Rainwater Basin地区的普拉亚湿地（playa wetlands）原有面积82,555公顷，因农业转化已丧失超过80%，仅存约16,187公顷。因此，开发高效、可扩展的湿地监测与保护方法成为迫切需求。

近年来，遥感技术与云计算平台（如Google Earth Engine, GEE）的进步为湿地动态监测提供了全新解决方案。特别是Sentinel-2影像与Dynamic World土地覆盖数据集的应用，使得高分辨率（10米）、近实时的地表水淹没与植被分类成为可能。本研究旨在通过多时序遥感数据分析，结合多源地理空间数据，构建一套科学且可操作的湿地保护优先区划框架。

1.1 湿地测绘新技术

遥感与人工智能算法的结合显著提升了湿地分类与监测的精度与效率。Dynamic World数据集利用深度学习对Sentinel-2影像进行近乎实时的土地覆盖分类，包含水体和淹没植被等关键类别。此外，归一化水体指数（NDWI）和归一化植被指数（NDVI）被广泛应用于水文与植被动态分析。借助GEE平台，研究者能够高效处理大规模遥感数据，实现从区域到全球尺度的湿地模拟与评估。

1.2 研究问题

本研究聚焦三个核心问题：（1）内布拉斯加州哪些12位水文单元（HUC）流域在2018–2023年间农业用地周期性淹没频率最高？（2）哪些农业用地最适宜纳入湿地保护计划？（3）不同保护情景下的成本与政策含义如何？

1.3 研究区域

内布拉斯加州位于美国中部，东部为切割平原，中北部属大平原区，气候类型包括东部湿润大陆性气候与西部湿润亚热带气候。历史上该州拥有四大湿地类型：盐碱湿地、河岸湿地、普拉亚湿地和沙丘湿地。1867年湿地面积约占全州土地的6%，但到1990年，这一比例降至3.9%，主要归因于农业扩张。

1.4 方法论

研究采用GEE平台处理2018–2023年间的Sentinel-2影像，结合Dynamic World分类与NDWI指数（阈值0.1）识别淹没区域。通过时序滤波与云掩蔽技术，生成6年间无云复合影像。此外，整合国家湿地清单（NWI）、土壤调查地理数据库（SSURGO）以及土地利用/土地覆盖（LULC）数据，构建多维度评估框架。

1.5 数据分析

研究计算了两个核心指标：（1）周期性淹没频率：像素在6年间被淹没的观测次数比例，以百分比表示；（2）流域湿润指数：流域内淹没频率≥25%的农业用地面积占比。基于上述指标，研究进一步开展地块级适宜性评价与热点分析。

2 结果

2.1 淹没动态空间分布

2018–2023年间，内布拉斯加州农业用地淹没频率呈现显著空间异质性。高频淹没区（≥25%）主要集中在Sandhills生态区，特别是Upper Elkhorn与Lower Elkhorn自然资源区（NRDs）。这些区域因河流系统、溪流与洪泛区分布，农业用地更易发生周期性淹没。

2.2 地块级保护优先区识别

研究共识别出约24,000个优先保护地块，面积介于0.4–20公顷（1–50英亩）之间。其中，沙丘区域的地块淹没频率最高，部分流域（HUC）的农业用地淹没比例甚至达到67%–100%。不同用地类型中，耕作用地（cropland）淹没频率较高，18,493个地块淹没频率处于25%–33%之间。

2.3 情景成本分析

研究提出三种保护情景：

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  情景A：每年保护0.3%的农业用地（约4047公顷），成本2500万美元；

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  情景B：每年保护0.6%（8094公顷），成本5000万美元；

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  情景C：每年保护1.2%（16,187公顷），成本1亿美元。

3 讨论与政策建议

3.1 保护优先区

州级保护计划应重点关注四类湿地：（1）Sandhills生态区中湿润流域的沙丘湿地；（2）Rainwater Basin地区的高潜力普拉亚湿地；（3）密苏里河、埃尔克霍恩河与普拉特河沿岸的河岸湿地；（4）东部城乡过渡带的盐碱湿地。

3.2 恢复策略

湿地恢复需综合三大措施：（1）水文恢复：通过填充人工坑塘、减少沉积输入与改进控水结构，恢复自然干湿周期；（2）植被恢复：重建原生植被、清除入侵物种，并建设植被缓冲带拦截沉积物；（3）沉积控制：通过保护周边土地、植被管理与流域尺度土壤侵蚀治理，减轻沉积负荷。

3.3 技术贡献与推广价值

本研究提出的集成遥感与多准则分析框架，不仅适用于内布拉斯加州，也可推广至全球其他面临类似湿地保护挑战的地区。其核心优势在于利用开放数据与云计算资源，实现高效、可重复的湿地评估与保护规划。

4 结论

通过融合多源遥感数据与空间分析工具，本研究成功识别出内布拉斯加州农业用地中的高频淹没区，并量化了其保护优先级与成本效益。该研究为湿地保护计划（如ACEP）提供了科学依据，支持了从地块到流域尺度的精细化保护决策，对全球湿地可持续管理具有重要借鉴意义。