华盛顿州圣胡安群岛原生古老草地的历史损失

《Ecologies》：Historical Loss of Native Old-Growth Grasslands on the San Juan Islands, Washington

　　

圣胡安群岛是华盛顿州西部少数仍存在原生温带草地的区域。这些生态系统是生物多样性的重要储存库和生态系统服务的来源，支持许多稀有和地方特有物种，并对Coast Salish人民具有深刻的文化意义。由于土地利用变化、非本地入侵物种的引入以及火从景观中排除的综合压力，这些生态和文化价值极高的生态系统已变得稀缺。缺乏历史背景和生态基准知识使得无法完全了解该生态系统范围与分布的长期趋势。为解决这一知识空白，研究人员利用历史土地覆盖数据和多光谱影像，创建了一个高分辨率、空间明确的圣胡安群岛草地范围数据库，涵盖自欧裔美国人殖民早期以来的多个时间段。对这些数据的空间分析揭示了不同时间段之间草地范围的显著减少，自1890年以来，非农业草地范围总体净减少77%，持续性旧生长草地面积损失93%。这些变化主要是由于转变为农业用地以及针叶树入侵或演替为森林所致。本研究中创建的空间数据和分析有助于建立圣胡安群岛原生温带草地的历史基准，加深研究人员对土地利用变化对该生态系统遗留影响的理解，并有可能有助于制定有效的保护和恢复实践。

**论文解读：华盛顿州圣胡安群岛原生古老草地的历史损失**
**研究背景与问题**
原生温带草地是全球最受威胁的生态系统之一，仅4.6%位于保护区内，面临农业开垦、城市化、火排除、入侵物种、木本植被侵占及气候变化等压力，丧失速率是保护速率的8倍。在太平洋西北地区，原生草地大幅缩减，例如普吉特湾南部仅存历史范围的10%。圣胡安群岛（位于萨利什海中部）因奥林匹克半岛和温哥华岛山脉的雨影效应形成相对干旱的中气候，支撑了草地生态系统。这些草地不仅是生物多样性和生态系统服务（如碳汇、土壤稳定、传粉栖息地）的重要载体，还因Coast Salish人民（如Lummi、Samish、Swinomish、Saanich、Lekwungen部落）数千年来通过年度低强度燃烧管理以可持续生产球茎作物（如普通卡马斯Camassia quamash）而具有深刻的文化意义，构成社会-生态系统。然而，自19世纪中期欧裔美国人殖民及Coast Salish传统土地管理中断以来，草地的历史范围、丧失时间及主因缺乏清晰的空间数据，限制了保护与恢复工作的有效性。本研究旨在利用地理信息科学（GIS）技术、历史地图和航拍影像，创建圣胡安群岛自1890年以来的草地范围空间数据集，量化历史损失、碎片化趋势及转换轨迹。
**研究结论与意义**
研究发现，1890至2021年间，圣胡安群岛非农业草地范围净减少77%，其中持续性旧生长草地面积损失93%（仅剩7.3%）。草地丧失主要源于农业开垦（1890–1932年主因）和森林化/针叶树入侵（1932–2021年主因），且残留斑块碎片化加剧（边缘-核心比增加22倍，平均斑块面积缩小90%）。这些数据填补了历史基准空白，揭示了土地利用变化（农业衰退、火排除政策）的长期生态遗产，可为保护优先区域划定（如自1890年持续存在的未受保护草地）及恢复措施（如重新引入燃烧）提供空间依据。论文发表在《Ecologies》。
**主要技术方法**
研究人员使用了三种历史数据源：①1890年代美国海岸调查局手绘“T-sheets”地图（比例尺1:10,000，含至少8种土地覆盖类别），通过手动数字化（1:1,500比例）创建多边形数据集；②1932年加拿大军方航拍黑白照片（约500张），经地理配准和镶嵌后手动解译并数字化10种土地覆盖类别，依据形状、大小、纹理等7种视觉线索区分草地与农田；③2021年美国农业国家航空影像计划（USDA NAIP）的4波段多光谱影像（红、绿、蓝、近红外NIR），叠加归一化植被指数（NDVI）、土壤调节植被指数（SAVI）和基于NIR波段生成的纹理方差栅格，形成7波段堆栈，采用支持向量模型面向对象影像分析（SVM OBIA）方法进行分类，并结合湿地、农业区、橡树-草地等多层参考数据人工校正。所有分析在ArcGIS Pro 2.9中完成，在NAD 1983 State Plane Washington North投影坐标系下进行。
**研究结果**
**1890–1932年草地丧失**：1890至1932年间，草地净减少27.9平方公里（净损失38%）。仅33%的1890年代草地持续到1932年。最大净损失发生在Lopez岛（59%）和Shaw岛（39%）。转换轨迹显示，47%的初始草地转为农田（包括耕地和果园），18%转为森林或稀疏森林。Lopez岛农业转化率达70%。
**1932–2021年草地丧失**：1932至2021年间，草地再净损失21.2平方公里（净损失63%）。仅17%的1932年草地持续到2021年。最大净损失发生在Orcas岛（66%）和San Juan岛（64%）。转换主因变为森林化（55%），农业转化降至11%，草坪/开发用地占13%。**总体变化**：1890至2021年，草地总面积净损失77%，持续性旧生长草地（1890年代存在且在后续时期仍为草地的斑块）面积损失93%。草地覆盖面积从占四大主岛陆地面积的10.64%降至2.41%。
**碎片化加剧**：1890至2021年，残留草地斑块的平均面积缩小至原来的10%，平均间距减少至49%，边缘:核心比增加22倍，表明栖息地碎片化严重。
**讨论总结与结论翻译**
讨论指出，草地丧失与农业兴衰及火排除政策密切相关：1920年代农业达峰后衰退，休耕地结合火排除允许道格拉斯冷杉（Pseudotsuga menziesii）等针叶树和入侵灌木（如苏格兰金雀花Cytisus scoparius）侵占。尽管存在因森林砍伐或历史制图误差导致的“草地增益”，但总体趋势不可逆。目前仅46%的现存草地处于保护区内，其余54%易退化。研究建议优先保护自1890年持续存在、连片而非微小碎片且位于未保护土地上的高优先级草地。局限性包括：1890年前已有变化、引入物种和人为干扰改变了残留草地，因此结果低估了真实损失。未来需结合古生态记录（沉积物芯、树木年轮）与Coast Salish传统生态知识（TEK）深化基准研究。
**结论翻译**：研究人员利用历史地图、航拍照片和多光谱影像，绘制并量化了华盛顿州圣胡安群岛草地范围的变化。本文为重建历史社会-生态景观、追溯自欧裔美国人定居华盛顿沿海以来导致快速生态变化的土地利用优先次序转变做出了贡献。自19世纪欧裔美国人定居以来，圣胡安群岛的土地覆盖和土地利用发生了广泛变化，包括原生温带草地范围和分布的急剧减少。主要由于土地利用优先次序变化和火排除政策，圣胡安群岛原生温带草地净减少至不到1890年历史范围的23%。1890年代存在的原始草地中仅有7%至今仍为草地，意味着1890年代旧生长草地生态系统面积损失93%。尽管这一统计数据令人震惊，但它仍低估了定居以来草地生态系统丧失的全部程度，因为部分草地至1890年已转为农业，且残留草地已因非本地物种引入及近期人类活动导致的的气候变化和干扰格局改变而发生变化。因此，本研究是对华盛顿州圣胡安群岛欧裔美国人定居后草地丧失全貌的保守估计。