整合当地牧区知识、参与式绘图和物种分布模型，进行入侵橡胶树的风险评估(Cryptostegia开大花的埃塞俄比亚的阿法尔地区

• 摘要
• 简介
• 材料与方法
  • 研究网站
  • 当地生态知识数据
  • 模型训练数据
  • 模型验证数据
  • 环境变量
  • 橡胶藤造型
  • 独立建模验证和新环境识别
• 结果
  • 橡胶藤对牧民生计的负面影响
  • 橡胶藤造型
• 讨论
  • 当地生态知识的重要性
  • 入侵植物的早期检测
  • 学习挑战和注意事项
  • 下一个步骤
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

入侵植物是对全球生态系统和经济最严重的威胁之一(IUCN 2000, Pimentel 2005, Vilà等，2010)。这些有问题的非本地物种已知会对生物多样性、生态系统功能以及一系列其他自然过程和人类活动产生负面影响(Vitousek 1990, Hejda et al. 2009)。入侵植物日益增加的威胁是由一系列不同的快节奏和慢节奏的人类干扰驱动因素推动的，包括气候变化(Thuiller et al. 2007)、栖息地改变和碎片化(With 2004)、有意引入(Mack and Erneberg 2002)以及日益全球化的园艺贸beplay竞技易(Bradley et al. 2012)。藤蔓(草本和灌木攀缘植物)在新地区种植尤其成问题。这是因为它们的生长速度很快，这使得它们能够通过阻断光照来与宿主植被竞争，最终减少了宿主的生存，并极大地改变了生态系统结构。许多葡萄树被认为是全球100种最严重的外来入侵物种之一，包括希塔奇(Hiptage benghalensis)、葛(蒙大拿野葛)，以及mile-a-minute-vine (薇甘菊；Lowe et al. 2000)，但迄今为止，很少有研究探讨入侵葡萄树对敏感的干旱生态系统和当地生计造成的相互关联的威胁。

通过测绘工作促进入侵植物的早期检测，对于快速响应和有效监测策略至关重要(Kaplan et al. 2014)。近年来，针对入侵植物的风险评估程序的效用有所增长(Powell 2004, Lindgren 2012)，包括物种分布建模技术的强大应用(Evangelista等人2008,Andrew和Ustin 2009, Stohlgren等人2010,Jarnevich等人2011)。这些模型结合并量化物种分布位置信息与环境数据，以建立关系，预测给定物种在定义的地理空间中的分布(Franklin 2010)。全球生物多样性信息设施、全球入侵物种信息网络、入侵物种简论和国家入侵物种科学研究所等多个区域和全球物种发生数据库证明了入侵物种的合作和数据共享有所改善。然而，这些物种往往不容易获得，甚至可能没有任何可用的数据，直到它们成为国家或全球范围内的普遍问题。此外，实地调查可能耗费大量时间和成本，从而限制了早期发现工作。社区生态知识是早期发现和了解入侵影响的重要工具。这是至关重要的，因为这样的知识整合可能提供必要的优势，以解决尚未完全建立或广泛分散在景观上的入侵物种。尽管一系列研究指出了当地生态知识对资源管理和保护规划的重要性(Ballard等人，2008年，Berkes和Berkes 2009年，Gagnon和Berteaux 2009年)，越来越多的人呼吁在入侵研究中更广泛地纳入利益相关者的看法(García-Llorente等人，2008年，Kapler等人，2012年)，但在风险评估研究中，特别是物种分布建模研究中，缺乏对当地生态知识的考虑。最近的研究已经开始探索入侵物种和资源依赖型社区所依赖的生态系统服务之间的相互作用(Mwangi和Swallow 2008, Kull等人，2011,Shackleton等人，2011)。 Expanding such work is greatly needed because invaders can often have detrimental impacts on an array of services, posing major threats to local livelihoods (Pejchar and Mooney 2009, Urgenson et al. 2013).

埃塞俄比亚阿法尔地区正面临多种侵略性非本地植物的威胁，包括牧豆树(Prosopis juliflora)、白顶草(光英L.)，以及最近建立的橡胶藤(Cryptostegia开大花的Roxb。Ex R. Br.;Yohannes et al. 2011)。橡胶藤是一种多年生木本藤本植物，原产于马达加斯加。尽管它目前没有被列为埃塞俄比亚的外来入侵物种(入侵物种纲要2014)，但它可能对阿法尔的生物多样性和当地牧民生计构成重大威胁(图1)。它是一种适应性物种，在缺水的干旱环境中具有抗压力和高度竞争力。众所周知，这种藤蔓可以迅速利用少量的水分进行发芽，产生数千颗可以通过风或水传播的毛状种子，并发育出很深的主根(Grice 1996, Brown et al. 1998)。橡胶藤在其他半干旱和干旱地区具有高度入侵性，包括澳大利亚、墨西哥和美国(入侵物种纲要2014)。在澳大利亚，该物种自19世纪末以来就已经建立，它被认为极大地改变了生态系统和火灾制度，促进了从频繁的以草为主的地表火灾到不频繁但更强烈的冠层火灾的转变(Grice 1997, Radford et al. 2008)。它可以形成密集的单特异性林分，特别是在河岸地区(Kriticos et al. 2003)，并容忍包括钠和盐在内的一系列土壤条件。在墨西哥，橡胶树在竞争中胜过本地植被，改变了一系列脊椎动物和无脊椎动物物种的重要栖息地(Rodríguez-Estrella et al. 2010)。 Although the origin of rubber vine introduction to Ethiopia is uncertain, it was introduced intentionally in other locations as an ornamental plant (Kriticos et al. 2003, Rodríguez-Estrella et al. 2010) and grown during World War II as a natural rubber source (Augustus et al. 2000). Based on our discussions with them, pastoralists in Afar tend to agree that the vine first appeared in the middle Awash River basin within the past 20 years, concurrent with increased frequency and magnitude of flooding events. To our knowledge no research exists that assesses the suitable habitat of rubber vine and its impacts on pastoral communities in Ethiopia, and few studies have explored the benefits of cataloguing pastoral knowledge in Afar for conservation planning and management (see Giday and Teklehaymanot 2013 and Tsegaye et al. 2010 for notable exceptions). Our goals for this study included the following: (1) integrate local pastoral knowledge and participatory mapping with species distribution modeling to map the suitable habitat of rubber vine in the Afar region, (2) catalogue pastoral knowledge and perceptions of rubber vine negative impacts on local livelihoods and the landscape, and (3) assess the utility of integrating local pastoral knowledge with species distribution modeling for invasion risk assessment studies.

材料与方法

研究网站

阿法尔地区(图2)位于埃塞俄比亚东北部(在北纬8°51′至14°34′之间，东经39°47′至42°24′之间)，是该国九个行政州之一。阿法尔地区面积约95266平方公里，分为五个行政区，再细分为29个区(斯吉尔特区)及355自治街坊联合会它是埃塞俄比亚最小的行政单位。该地区地形多样，海拔从海平面以下125米到海拔2870米不等(Wakie et al. 2014)，是地球上最热的适宜居住的地方之一，温度超过50°C，大部分地区的双峰降雨量每年低于200毫米(Davies and Bennett 2007)。它拥有许多独特的动植物，包括濒临灭绝的物种，如阿比西尼亚野驴(非洲马)和格里维斑马(科仕grevyi；Kebede et al. 2012, 2014)。这里的植被由草、灌木和木本植物组成，非常适应干旱和半干旱的环境，包括金合欢mellifera，答:nilotica，答:塞内加尔，答:tortillis，Cadaba rotundfolia，Chrysopogon，Cymbopogon，香附子,Dactyloctenium物种,Dombera glabra，Salvadora persica,甘蒙柽柳nilotica(Tikssa et al. 2010, Bahru et al. 2012, Wakie et al. 2014)。阿法尔约有150万人口，其中大多数(近80%)是牧民(Sonneveld et al. 2009)，这意味着他们50%以上的收入来自牲畜和牲畜产品(Rota和Sperandini 2009)。阿法尔也是主要的民族(大约90%)和主要的语言(Getachew 2001)。

当地生态知识数据

这项研究已得到科罗拉多州立大学社会、行为和教育研究机构审查委员会的预先批准(议定书# 14-5049H)。我们于2014年4月和5月收集了橡胶藤发生点和当地牧区知识等野外数据。我们通过半结构化的焦点小组对牧灵知识进行分类。这种灵活的方法允许同时包含不同的观点(Morgan 1997)，并提供了一个非正式的环境，在那里可以出现意想不到的信息(Huntington 1998)。这证明是富有成效的，因为公共环境便利了一些妇女的参与，否则她们可能由于文化禁忌和延长的家庭责任而不被包括在内。在当地翻译/研究助理的协助下，以当地阿法尔方言和民族语言阿姆哈拉语进行了大约三个小时的专题小组讨论。焦点小组会议以正式的介绍开始，在得到每个参与者的口头同意之前解释项目目标。

39名男子和7名妇女参加了位于Amibara和Awash-Fentale地区的7个村庄的专题小组。焦点小组的规模从5人到10人不等。参与者的年龄从18岁到50岁不等，超过一半的人在26岁到40岁之间。平均家庭规模为9人。大多数人(近70%)自认是牧民，主要饲养牛、山羊和绵羊，还有一些骆驼，而其余的人自认是农牧牧民，除了种植棉花和洋葱等作物外，还饲养类似类型的牲畜。为简洁起见，同时考虑到牧业活动仍然是自认农牧牧民收入的主要来源，我们随后将这两个群体统称为牧民。在进行焦点小组之前，我们请求每个村庄的主席的许可，以便更容易地找到和招募分散在大地理区域的参与者。我们使用便利抽样方法(Patton 2002)来招募在我们收集数据时在场的参与者。尽管存在抽样偏差的可能性，但我们认为这种方法对于对当地景观有广泛了解的牧民的观察和看法进行编目是合适的和有目的的，因为所有参与者都出生在各自的村庄，并且横跨了一些主要和次要职业，包括畜牧业、农业、地方政府、教学、地方领导，即村主席和宗教领导。

焦点小组的主题涵盖了三个广泛的领域:(1)景观尺度的变化，其中包括诸如“在你的一生中，你在你的社区观察到自然的变化，例如植物、水、土壤或野生动物的变化吗?”(2)季节性，包括诸如“什么时候下雨?”(3)植物和动物，包括诸如“有你认为不好的植物吗?”(完整的面试问题列表见附录1)。提出这些问题是为了确定对牧民生计最紧迫的威胁，并进一步了解与非原生入侵植物相关的具体问题，同时允许受访者自由控制讨论的方向。

模型训练数据

焦点小组发现越来越多的橡胶藤存在于阿法尔地区，这是我们研究团队之前不知道的，因此成为后续实地数据收集和分析的目标。我们最初的目的是了解侵入性的影响Prosopis juliflora关于牧民生计和当地对其存在的适应。我们用手持GPS设备记录了24个橡胶藤的地理坐标(发生点)。焦点小组的参与者确定并引导我们的团队到橡胶藤的位置。我们通过位于USGS辅助栖息地建模软件(SAHM v1.2;Morisette et al. 2013)。这个预处理模块删除了同一个250米单元内的重叠点。对于如此有限的数据集，我们使用了最大熵(Maxent)建模，该模型已知在小样本量下工作良好(Pearson et al. 2007, Wisz et al. 2008)。我们使用SAHM的BackgroundSurfaceGenerator模块，使用18个橡胶藤位置作为输入，生成了一个值在0到100之间的表面，并创建了一个内核密度估计器(KDE)表面。我们在SAHM中制作了10,000个背景点，使用这个表面来加权它们的位置。该方法可用于模拟由于采样偏差和入侵物种的持续传播而导致的存在位置偏差(Elith et al. 2010)。 Additionally, this process helped to smooth out the contribution of each occurrence point over the localized sampling extent (Hernandez et al. 2006).

模型验证数据

在焦点小组访谈之后，我们利用马赛克化、泛锐化(到15米分辨率)的Landsat 8卫星图像(包括我们研究区域内的两个地区)，与这些牧民一起开展了参与性测绘活动，为模型创建了独立的验证数据集(见附录2完整场景列表)。我们用透明的醋酸纸覆盖图像，参与者使用永久性标记来标记入侵植物和景观中重要水资源的位置。我们将村庄和城镇叠加在高分辨率图像上，并清晰地标记它们。这些主要地标帮助参加者迅速熟悉所展示的地图。

环境变量

我们根据可能决定橡胶藤在研究区域分布的最重要的生态和人为特征选择了环境变量。我们从许多来源获得了水文和生物物理特征以及人为干扰驱动因素的知识，包括当地牧民知识、背景文献综述(Grice 1996, Brown et al. 1998, Kriticos et al. 2003)和实地观察。我们得到了归一化差异植被指数(NDVI;Tucker 1979)从美国国家航空航天局(NASA)的中分辨率成像光谱仪(MODIS)卫星上捕获健康绿色植被的反射率，包括橡胶树和它经常生长的本地刺槐树。我们从陆地过程分布式活动档案中心(Land Processes Distributed Active Archive Center)获得NDVI，所有预处理步骤都使用MODIS重投影工具进行。我们包括了2012年8月和11月的NDVI，以捕捉阿法尔地区的两个主要雨季:比释动能，在8月达到高峰detrob美国的高峰期在11月。虽然藤蔓一年四季都能在充足的水分下开花，并以灌木的形式独立生长，但它往往在半荫蔽的河岸地区茁壮成长，生长在树木的树冠上。一个重要的警告是NDVI捕获的光谱特征可能包括侵入性p . juliflora，橡胶藤被观察到同时生长(M. W. Luizza，个人观察)，因此可能会造成植被光谱特征混淆的问题。

我们还包括三个地形变量:高程、坡度和复合地形指数(CTI)，所有这些都是我们从航天飞机雷达地形任务获得的数字高程模型(DEM)中获得的。在ArcGIS v10.0 (ESRI 2011)中，我们从DEM中导出了坡度和CTI，并使用最近邻算法将它们重新采样到250 m空间分辨率，以匹配modis衍生的NDVI预测器的分辨率。CTI是一种计算方法，使用坡度和流量积累来识别排水洼地，并提供给定景观的土壤湿度表示(Evans et al. 2014)。

我们考虑了三个可能提供橡胶藤引入途径的人为变量，从而作为繁殖压力和干扰的代理(Jarnevich et al. 2014):距离道路的距离(来自阿法尔地区当前道路地理空间层)，距离水的距离(来自阿法尔地区当前河流和溪流地理空间层)。我们从阿法尔畜牧农业和农村发展局获得了这两层。为了精确起见，我们与其他地理空间数据集和来源交叉引用了这些数据。这包括在ArcGIS的ESRI世界2D基础地图上覆盖道路层，并使用ArcHydro 2.0工具集创建的独立河流和溪流层交叉引用河流和溪流层。这两种可视化验证过程在不同数据源之间产生了很强的一致性。此外，我们利用研究区域内收集的23个城镇和村庄的GPS位置创建了到定居点层的距离。我们在ArcGIS 10.0中使用欧几里得距离计算为这三者创建了距离层，空间分辨率为250米。这个计算测量了给定栅格中每个细胞的质心到给定源细胞质心的直线距离(Hirzel和Arlettaz 2003)，在我们的研究中包括了所有三个人为变量。

我们使用SAHM的CovariateCorrelationAndSelection模块生成的相关矩阵检查了所有预测因子的成对组合(完整矩阵参见附录3)。为了识别和避免使用冗余变量，根据Dormann等人(2013)的建议，我们删除了Spearman、Pearson或Kendal相关系数为|r| > 0.70的任何对中的一个。在这项研究中，8月和11月的NDVI是唯一高度相关的变量。八月是较长的主要雨季的一部分比释动能，因此被认为是该模型更可靠的预测因子，导致在最终的模型运行中删除了11月NDVI。

橡胶藤造型

我们在SAHM中进行了所有预处理和建模程序，SAHM是免费提供的，旨在加快栖息地适宜性建模程序(Morisette et al. 2013)。在SAHM中，我们使用了Maxent统计软件包版本3.3.3k来训练模型(Phillips et al. 2006)。这种建模方法是一种通用的机器学习方法，它根据仅存在的物种发生记录对物种分布进行建模，并且在预测植物分布方面具有很高的准确性(Evangelista et al. 2009, Elith et al. 2011)。Maxent建模输出创建了一个具有连续栖息地适宜性梯度的表面，其值从0(最不适合或不相似)到1(最适合或与具有出现点的细胞最相似)，并提供了模型中使用的不同环境变量贡献百分比的计算。

由于橡胶藤出现点的数量有限，我们使用了折刀验证方法来测试整体模型的适应度。Pearson等人(2007)有力地支持了Maxent使用小物种发生数据集(小至5个)产生稳健模型结果的能力。在这样有限的数据集下，模型会受到具体包括哪些观测数据的很大影响。使用他们的新jackknife程序，我们生成了18个模型，等于出现点的总数，以测试整体模型的适应度。从数据集中删除每个点，然后在剩余点上建立模型。然后根据每个模型预测从训练数据集中排除的单个发生点的能力来评估预测性能。通过这一过程确定模型适应度后，使用所有18个出现点训练的最终模型运行，并生成了预测阿法尔地区合适橡胶藤栖息地的连续概率栅格。

独立建模验证和新环境识别

评估最终模型的独立验证数据来自同一焦点小组参与者的参与式映射。有三个村庄在Amibara地区的卫星图像上标注了橡胶树的位置。由此，我们生成了52个橡胶藤发生点。这个集合后来在SAHM的FieldDataAggregateAndWeight模块中减少到50个验证点。我们在ArcGIS 10.0中对参与测绘活动的橡胶树进行了数字化。我们通过SAHM的ApplyModel模块运行了所有参与式映射测试数据，以验证最终的橡胶藤生境适宜性模型。此外，我们切换了模型发生数据集，以探索使用更分层的参与性现场抽样数据训练和测试模型的效用，而不是使用更聚集的参与性映射发生点。基于AUC对模型结果进行评估。接收器-工作特征曲线下的面积是一个与阈值无关的度量，其值范围为0到1，用于衡量模型区分真实发生点与缺席点或背景点的能力。AUC值小于0.5表明模型预测不如随机，AUC值为0.5并不比随机好，AUC值为1.0表示完全判别(Peterson et al. 2011, Khanum et al. 2013)。

其中一个模型输出是多元环境相似面(MESS)地图，它提供了在任何给定点上的任何预测值与用于训练模型的位置的值的一致性的测量(Elith et al. 2011)。这个表面提供了一个可视化的模型预测超出用于训练模型的环境条件的地方(特别是对于每个点，最不相似的变量在训练范围之外的程度)，因此表示了由于新条件而模型预测不太确定的位置。我们将这项研究的结果叠加在MESS地图上，以提供额外的模型评估，并优先考虑与牧民一起进行未来有针对性的调查和监测工作的区域。

结果

橡胶藤对牧民生计的负面影响

男性和女性在橡胶扩散机制、负面影响和景观变化方面的知识和看法高度一致(表1)。在许多情况下，一个性别共享的观察结果得到了另一个性别的证实和扩展。在所有七个村庄中，焦点小组参与者描述了广泛干旱、政府大规模农场导致阿瓦什河水流量减少以及入侵物种涌入的综合压力。一些牧民清楚地注意到这三个问题之间的联系，干旱促进了入侵植物的建立，大规模农业发展扰乱了土地，并通过广泛的灌溉沟渠为这些入侵者提供了新的栖息地。“牧民的生活方式正在改变，”一位受访者宣称。“当本地物种丰富的时候，”受访者补充道，“我们曾经有冷空气和充足的水。现在情况正好相反，入侵的植物、热空气和很少的水。”

此外，还注意到所有四个主要雨季都发生了剧烈变化，每个季节的降雨量和可预测性都明显减少。许多牧民认为这些因素助长了入侵植物的传播。比释动能在美国，主要雨季历史上从6月到9月持续四个月，现在仅限于8月。Detrob在美国，第二次雨季在10月和11月出现，现在最多只持续5天。Dedaa从历史上看，该节日横跨1月和2月segum今年4月发生的地震已经完全消失。一位受访者强调了这一点dedaa而且detrob已经过去了今年没有下雨。这一观察得到了其他牧民的同意，同一个人阴沉地补充说，“剩下的只是季节的名字。”

尽管牧民称其他两种入侵植物也有问题，其中包括该地区的高产植物weyane（Prosopis juliflora)和全国范围内的入侵呼啦howla（光英)，所有与会者都指出halemero(橡胶藤)将成为阿法尔的最新入侵植物，并日益受到关注。大多数村庄(七个村庄中的六个)表示，近年来橡胶藤的覆盖面积显著增加。与会者指出，橡胶藤生长在靠近阿瓦什河两岸的地方，大约20年前(在共产主义Derg政权时期)首次出现在阿瓦什河上游和中游的阿法尔。大多数受访者同意，这种藤本植物的种子主要通过水传播，尽管它也可以通过风传播种子。人们注意到，包括1998年在内的重大洪水事件有助于葡萄树的建立，而近年来这些事件的频率和规模都有所增加，进一步加剧了这种情况。受访者表示，当阿瓦什河在历史上泛滥时，当地的草就会发芽。近年来，当洪水发生时，草不生长，只有橡胶藤和p .英．一些受访者认为，最近出现这种现象的部分原因是政府拥有的大型甘蔗农场大量涌入河谷。这些单一栽培的工业化农业操作是用水密集型的，需要沿着邻近的土路铺设广泛的灌溉沟渠系统。许多牧民认为这些沟渠正在为橡胶藤创造新的栖息地和种子传播系统，橡胶藤越来越多地出现在这些最近受到干扰的地区(M. W. Luizza和T. Wakie，个人观察)．这些观察结果证实了现有的关于人类传播对促进入侵物种传播的重要性的工作(Hulme 2006, 2009)。

所有受访者都迅速表示，橡胶藤有一些负面影响。如果牲畜，尤其是牛，在浏览其他物种时无意中吃了叶子，它们就会生病并突然死亡。现有的关于橡胶藤的研究证实，该藤有毒，含有糖苷，如果摄入会对心脏系统产生毒性作用(Cook et al. 1990, Mekonnen 1994)。有些人用这种植物的乳白色乳胶汁作为牲畜杀虫剂，用于对付附着在牛身上的昆虫。然而，这并没有被广泛应用，因为正如一些参与者解释的那样，树液也是一种皮肤刺激物，如果接触到裸露的皮肤，就会灼伤人。虽然阿瓦什国家公园(位于我们研究区南部阿瓦什河流域上游)及其周围的阿法尔人和奥罗莫人已经证实使用橡胶藤的树皮、树枝和茎来建造房屋和捆绑材料，但橡胶藤的其他有益用途没有被注意到(Bahru et al. 2012)。此外,像p . juliflora，橡胶藤产生茂密的植被覆盖，造成了双重威胁，限制牲畜的流动，并为捕食者提供掩护。受访者指出，藤蔓可以迅速捆绑和诱捕牲畜，使它们很容易成为鬣狗捕食的目标。这种攻击的频率被注意到正在上升，因为橡胶藤和p . juliflora在一起为许多有问题的野生动物，如狮子、鬣狗、豹子和蛇，创造了避难所。一些牧民继续说，蛇和豹子特别利用橡胶藤栖息地走廊。

橡胶藤通过生长到树冠层杀死本地树木，阻止它们接触阳光并“窒息”，除了以灌木形式生长时抑制草的生长。一位受访者感叹道:“在哪里halemero别的什么都长不长!”据说，这种藤蔓对阿瓦什河周围的一些本地树木产生了严重的负面影响，这些树木对牧民的生计非常重要。我们编目了牧民认为受到橡胶藤(单独或共同)威胁的8种特有树种p . juliflora)，亦是重要的柴火来源(有关本地树木及其用途的完整清单，请参阅附录4)。最重要的三种，当地称为keselto（金合欢nilotica)，安达都（金合欢塞内加尔),kilaito（Combretum aculeatum)，共同提供九种不同的生态系统服务，包括木炭、建筑、化妆品、木柴、食品、牲畜饲料和饲料、野生动物饲料、药用和遮荫服务。受访者强调，橡胶藤最有害的影响是在其最重要的薪柴来源上看到的答:nilotica它位于阿瓦什河沿岸。一位受访者指出，没有答:nilotica再生正在发生。“我们看到的只是残存的成熟本土树木;没有新的幼苗。”此外，其他受访者表示，橡胶藤和p . juliflora减少了重要的补充食物来源。牧民们转述说，过去有一系列野生可食用水果，最近从景观中消失了，取而代之的是橡胶藤和p . juliflora．一位受访者补充说:“它甚至曾经和各种开花结果的植物一起闻起来更好闻。现在不一样了。这些可食用的水果大多已经消失了。”结实的mederto（科迪亚Spp .)据说受到了最明显的影响，覆盖范围和范围急剧下降。

橡胶藤造型

当地的田园知识极大地促进了在阿法尔地区建立橡胶藤的适宜栖息地。我们初步的折刀验证方法显示了整体良好的模型拟合，交叉验证子集的平均AUC值为0.80。在所有18个交叉验证子集中，到水的距离、8月NDVI和到道路的距离始终处于前三个预测因素中(请参阅附录5，以获得重叠模型性能和变量贡献的完整列表)。最终的训练模型在全部18个橡胶藤发生点上运行，其AUC值为0.91，分类准确率为81.9%。最终的测试模型通过50个参与映射点验证，具有较强的识别能力，AUC为0.96，分类准确率较高(92.9%;有关模型评估测量的完整列表，请参见表2)。对于模型训练和测试，最具影响力的预测因子是到水的距离、到道路的距离和8月NDVI(图3)。在切换模型发生数据集后，即使用50个参与性映射点训练模型，使用18个现场收集点测试模型)，模型AUC值和正确分类百分比仍然很高，但模型预测仅限于现有橡胶藤发生点的区域。此外，模型预测因子的重要性向地形和其他人为变量转移，验证模型的敏感性(即真阳性率)急剧下降。

最终的分布图显示了橡胶藤对阿法尔地区日益增长的威胁(图4)。叠加MESS地图显示，88%的景观包含了用于训练模型的发生物和背景位置覆盖范围之外的新环境特征(图4;Elith et al. 2010)。

讨论

当地生态知识的重要性

将当地生态知识与西方科学相结合的好处得到了广泛的支持。实例表明，这一过程如何为适应性生态系统管理提供信息(Fernández-Giménez和Estaque 2012)，促进资源使用者和土地管理者之间的有效管理(Armitage等人，2011)，并提供对给定系统的更全面的理解(Gagnon和Berteaux 2009)。尽管如此，传统上被边缘化的利益相关者，包括妇女和土著人民，在这些过程中可能仍然代表性不足(Pfeiffer和Butz 2005年，Ballard等人2008年，Luizza等人2013年)，基于潜在权力失衡的知识合作存在巨大潜力(Nadasdy 1999年)。综合风险测绘方法，如本研究中发现的方法，可以帮助重新定义如何进行入侵管理和保护规划，以更积极地解决当地社区的问题。在进行焦点小组访谈时，我们的研究团队非常清楚牧民和阿法尔景观的脆弱性p . juliflora而且p . hysterophorous．这些半结构化的访谈揭示了橡胶藤的新威胁，目前它还没有被列为埃塞俄比亚的外来入侵物种，当地和地区政府机构以及在该地区工作的非营利组织对它的关注有限。与牧民一起进行的参与式数据收集和绘图揭示了当地社区成员关于橡胶藤的详细和高度准确的知识。模型训练和测试数据集是独立的，但收集自相同的牧民。我们的研究团队证实，七个村庄研究地点的牧民指出的所有24个地点都有橡胶藤。此外，在参与式绘图活动期间，三个村庄在确定橡胶树生长情况方面存在很多一致意见，尽管没有一个村庄看过在其他地点绘制的地图。这为当地生态知识的效用提供了另一个层面的证据。

当地知识可以作为一个重要的早期预警系统，以了解特定物种的当前分布、生物学和影响，并有可能为更有效地减轻和管理入侵物种提供必要的优势。这种对当地景观的深刻理解可以提供对生态系统变化的重要长期观察，并识别可能被忽视的非本土物种。入侵植物的早期检测至关重要，通常最佳的反应时间是在建立的早期阶段，此时对物种-环境相互作用和整体入侵潜力的了解最少(Kriticos et al. 2003)。模型产出与从牧民、实地观察和现有橡胶藤研究中获得的物种生态知识相一致，表明阿瓦什河流域许多相互关联的河岸地区具有较高的生境适宜性。此外，当地知识有助于确定最有用的模型预测变量，并更好地了解橡胶树对该地区的负面影响，而该地区关于橡胶树对景观和当地生计的潜在影响的记录很少。

入侵植物的早期检测

早期发现和了解入侵影响对于应用管理工作至关重要。这一点在观察该地区成熟的入侵植物时尤其明显，例如p . juliflora这种疾病可能永远也无法完全根除。与埃塞俄比亚许多人目前对橡胶藤的看法类似，p . juliflora在其建立的早期阶段，甚至在表现出侵入性特征时，对其进行了许多矛盾的治疗(Dubale 2006, ESAP 2007)。Prosopis juliflora现在被认为是阿法尔最严重的入侵物种，也是埃塞俄比亚最有害的入侵植物之一，对经济、生态和当地生计有许多直接和间接的影响(Getachew et al. 2012, Ayanu et al. 2015)。

看看橡胶藤在澳大利亚的影响，橡胶藤在那里已经种植了很长时间，迅速解决这个问题物种的可怕本质。橡胶树被认为是澳大利亚热带地区自然生态系统的最大威胁(McFadyen和Harvey 1990)。虽然藤蔓不是农作物的杂草，但除了入侵和破坏森林系统外，它还会窒息澳大利亚的野生和牧草，并与之竞争(Tomley 1995)。这导致牧草的直接损失，一些虫害使牲畜的承载能力降低了100%，再加上河岸地区的入侵限制了牲畜获得水。由此，仅昆士兰北部的牛肉产业每年的管理费用估计就高达1500万美元(国家杂草战略执行委员会，2001年)。橡胶藤对严重依赖牲畜的阿法尔牧民来说可能是灾难性的。这里的牧民生计已经适应了与恶劣牧场环境相关的不确定性和脆弱性，但干旱、牲畜市场崩溃和疾病是他们尤其面临的突出冲击(Davies和Bennett, 2007年)。此外，正如我们所看到的，影响很容易超出地方层面p . juliflora在埃塞俄比亚，橡胶树在澳大利亚，可能达到区域和国家层面，因为牲畜是埃塞俄比亚的主要出口商品(Catley et al. 2013)。这里的牧民依赖于关键的河岸地带，这些地带为畜群提供了重要的旱季和干旱资源，然而，改变河流生态系统的主要驱动力威胁着这些资产，包括大坝建设、入侵物种和灌溉种植园农业(Behnke and Kerven 2013, Oba 2013)。这种对阿瓦什河的干扰尤其普遍和长期存在，因为该流域只有埃塞俄比亚5%的适宜灌溉土地面积，超过三分之一的适宜土地已经灌溉，相当于整个国家50%的灌溉土地(Awulachew et al. 2007)。河岸地区受到人类土地利用的强烈影响(Allan 2004)，入侵物种已被证明利用这些经常相互作用的干扰(Bradley和Mustard 2006, Crowl et al. 2008)。阿瓦什河流域存在的竞争性土地利用可能进一步放大橡胶树在当地和景观尺度上的累积负面影响。

学习挑战和注意事项

解决阿法尔地区橡胶藤的问题仍然存在挑战。了解物种真正的生态位是困难的，在未来的建模尝试中，可能需要包括额外的环境变量。橡胶藤的原产地是马达加斯加，这一景观为充分了解橡胶藤的真实栖息地生态位带来了一定的挑战。例如，马达加斯加是一个岛屿，这一事实很快限制了该物种的传播能力。一些研究探索了橡胶藤的原生范围，发现其栖息地的特征是干燥的热带地区，夏季降雨非常明显(McFadyen和Harvey 1990)，但马达加斯加的气候变化和竞争有限c .开大花的和基因相似的亚种c . madagascariensis可能掩盖了橡胶藤真正适合居住的气候梯度(Kriticos et al. 2003)。这一点得到了在阿法尔地区的观测证据的证实。在阿法尔地区，橡胶藤生长在非常不同的栖息地条件下，包括作为一种单一的灌木，生长在最近被扰乱的农田附近的干燥、阳光照射的泥土堆中，但也生长为广泛的藤蔓网络，在半遮荫、较冷的河边地区爬上金合槐树。因此，我们的模型结果应谨慎解释，因为Pearson et al.(2007)恰当地强调，这种使用有限发生数据集的评估应被视为识别具有与已知发生相关物种的环境条件相似的区域，而不是预测该物种活动范围的实际限制。

切换模型发生数据集，即使用50个参与式映射发生点训练模型，并使用18个现场收集点测试模型，可以获得额外的高AUC值和正确的分类百分比，但模型预测明显局限于现有橡胶藤发生点的区域。此外，模型预测器的重要性转移到地形变量和不同的人为变量，即海拔和到定居点的距离，这两者在其他模型运行中几乎没有影响。这可能是因为参与绘图活动中确定的橡胶树生长点与参与的牧民各自的村庄很接近。这种空间自相关可能解释了在将这些数据训练的模型应用于现场收集的发生点时，灵敏度值的显著下降。此外，这可能解释了为什么海拔是该模型的主要驱动因素，因为与距离定居点远得多的实地收集的数据相比，海拔低得多的村庄和参与性测绘点存在。这一过程揭示了参与式映射数据集具有明显的抽样偏差。发生点在空间上过于自相关，无法训练模型，但提供了有用的初步验证数据集，并进一步强调了尽可能分层发生点采样的重要性，即使是在参与性方便的采样框架内。

我们将橡胶藤生境适宜性地图与Maxent制作的MESS地图叠加，以进一步评估模型输出的相对置信度，并确定未来有针对性的调查尝试的位置。MESS输出显示了具有新环境条件的位置，例如，在用于开发模型的存在和背景位置所覆盖的范围之外的条件(图4;Elith et al. 2010)。Crall等人(2013)为使用由MESS地图评估促进的迭代抽样设计提供了强有力的支持，发现在目标抽样数据上训练的模型比由非目标抽样数据生成的模型表现得更好。我们的研究采用了这种方法，以新颖的地方牧区知识应用为目标抽样训练和测试数据集。仅凭牧民知识绘制橡胶树图是很困难的。在如此广阔的土地上进行参与性实地采样将是时间和劳动密集型的，此外，参与性测绘活动可能会忽略一些橡胶藤的发生，从而限制了早期检测工作。我们的模型有效地传递了橡胶树栖息地的适宜性，与整个研究区域与河流和溪流系统相关的一致环境条件相关，并添加了MESS输出，突出了与采样区域相比，地形、环境和人为特征是新的。我们收集现场数据的南部加比地区，阿法尔地区年平均降雨量最高，约为510-1032毫米(Sonneveld et al. 2010)。从南到北，阿法尔地区存在着与年平均降水模式和海拔高度相关的独特环境特征，景观变得越来越干旱，降雨量大大减少，海拔高度急剧上升。 These distinct environmental changes may act as a major limiting factor to rubber vine spread northward, but the species is noted to handle a diverse range of environmental conditions (McFadyen and Harvey 1990, Kriticos et al. 2003). We cannot say definitively that the predictions beyond the initial spatial extent north of the model occurrence points are robust, but these results show with great certainty the high suitability of rubber vine habitat immediately down-river of the collected occurrence points and the great potential for further expansion along the Awash River and its tributaries, thus providing an important early warning and monitoring tool for this recently established species and highlighting areas in need of additional field assessment.

下一个步骤

接下来的必要步骤包括与牧民一起验证模型产出，并进行额外的参与性、有针对性的调查，此外还制定了更系统或随机抽样方法，以更好地了解模型的有效性。此外，有一名会说阿法尔语和阿姆哈拉语的女翻译将更好地促进为这些今后的活动征聘妇女。此外，围绕这些研究结果，与当地和地区政府土地管理者以及在阿法尔工作的国际援助组织展开对话，可能是解决橡胶藤问题的重要一步。这包括通过环境安全框架评估橡胶树入侵，以更好地理解该地区环境和冲突之间的联系(Dalby 2002)。20世纪50年代开始的发展战略设计不当导致的政治和文化冲突以及厄立特里亚-埃塞俄比亚战争(1998-2000年)的残余导致该地区持续不稳定。阿法尔牧民已经注意到他们的牲畜缺乏饲料和饲料，现在需要走更远的路，导致与捕食者和索马里部落的冲突加剧。橡胶藤的扩张可能会进一步加剧这种已经不稳定的局势。这项工作进一步支持了入侵物种栖息地适宜性建模应该是一个迭代过程的观点(Stohlgren和Schnase 2006, Crall et al. 2013)，我们建议可以在所有步骤上进行合作和知识整合，而不仅仅是研究人员和土地管理者，这是目前物种分布建模文献中的趋势。此外，这项工作还揭示了与当地社区密切合作并赋予其权力的价值，这些社区对其所居住的景观和新建立的非本土物种有详细的了解，以加强和促进更有效和全面的风险评估方法，包括早期发现和有针对性的调查和监测工作。

结论

入侵植物对世界各地干旱和半干旱地区的生态系统和农村生计产生了一系列有害影响。成功控制入侵物种取决于早期发现和快速反应，我们建议通过与生活在受影响景观上的当地社区进行有意义的合作来实现这一点。本研究展示了将当地牧区知识与物种分布建模相结合，用于入侵风险评估研究的实用性，突出了入侵橡胶藤对阿法尔地区日益增长的威胁。我们的模型非常准确，评估指标证明了这一点。该模型主要强调了橡胶藤给阿法尔地区带来的日益增长的风险，适当的栖息地延伸到阿瓦什河流域中部目前分布的下游。由于季节性的急剧变化和广泛的生境改变，当地的畜牧知识为其迅速扩张提供了重要的背景。此外，这一知识传达了对为牧民提供关键生态系统服务的许多本地树种构成的直接威胁。迄今为止，埃塞俄比亚的政府机构、学术研究机构和非营利组织似乎很少关注橡胶树。与我们关于橡胶藤分布的定量证据一样重要的是，我们的定性参与性方法为这种入侵植物对当地生计的当前分布和不断扩大的负面影响提供了重要的叙述。因此，当地畜牧知识是一个重要的早期预警系统，可以加强现有的风险评估方法，包括早期发现和对最近建立的入侵物种进行有针对性的调查。

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