气候变化下青藏高原药用乌头属植物的时空动态与保护现状

《Global Ecology and Conservation》：Spatiotemporal dynamics and conservation status of medicinal Aconitum species on the Qinghai-Tibet Plateau under climate change

本研究针对气候变化背景下青藏高原药用乌头属植物保护现状不清的问题，通过整合生态位模型(ENM)与保护规划，评估了14种乌头属植物的时空动态。研究发现biomod2集成模型预测精度优于MaxEnt，等温性(BIO3)是最主要的环境驱动因子。多数物种从中全新世(MH)至今呈现范围扩张，未来气候情景下则呈现动态变化（扩张与收缩并存），并呈现一致的向高纬度、高海拔迁移趋势。尽管所有物种被评估为中等保护优先级(MP)，但11种被列为濒危(EN)，3种为易危(VU)。当前保护区网络对横断山区等高物种丰富度区域覆盖不足。研究为青藏高原这些珍贵药用资源的未来保护与可持续管理提供了关键科学依据。

　　

在全球气候变化的背景下，生物多样性正面临着前所未有的威胁，尤其是对于生长环境苛刻、生态位狭窄的物种。青藏高原，被誉为“世界屋脊”和“亚洲水塔”，不仅是全球重要的生态屏障，也是生物多样性热点区域，孕育了众多具有独特药用价值的植物资源。其中，乌头属植物作为毛茛科的重要成员，以其根部富含的多种生物碱而闻名，在传统中药中具有消炎、镇痛、免疫抑制乃至抗肿瘤等广泛药理活性，经济价值和医疗价值显著。然而，这些珍贵的药用植物正遭受着双重打击：一方面，气候变化导致的温度上升、降水模式改变，正悄然重塑着它们的适宜栖息地；另一方面，人类活动的过度采挖、草地放牧、基础设施建设等，进一步加剧了其野生种群的萎缩和栖息地的碎片化。目前，对于青藏高原乌头属植物在历史、现在乃至未来气候情景下的分布范围如何变化、它们将向何处迁移、以及当前的保护措施是否有效等关键科学问题，我们仍知之甚少。厘清这些问题，对于制定科学的保护策略、实现这些宝贵资源的可持续利用至关重要。为此，研究人员在《Global Ecology and Conservation》上发表了最新研究成果，系统揭示了气候变化下青藏高原药用乌头属植物的时空动态与保护现状。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项综合性研究。他们首先从全球生物多样性信息机构(GBIF)、中国数字植物标本馆(CVH)等权威数据库收集了14种青藏高原乌头属植物的846条有效分布记录。接着，他们筛选了19个气候因子、3个地形因子和14个土壤因子，最终确定了16个关键环境变量用于建模。研究核心采用了集成建模平台biomod2（包含GLM, GAM, GBM, CTA, ANN, SRE, FDA, RF, MaxEnt等10种算法）并与经过ENMeval包优化的最大熵模型(MaxEnt)进行对比，模拟了从中全新世(Mid-Holocene, MH)、当前到未来（4种共享社会经济路径SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5，4个时期）共18种气候情景下物种的潜在分布。模型性能通过AUC（曲线下面积）、TSS（真实技巧统计量）和Kappa系数进行评估。在此基础上，研究人员分析了物种丰富度时空变化、分布 centroid（质心）迁移、生态位宽度与重叠，并利用GapAnalysis包和redlistr包分别进行了保护空缺分析和基于IUCN（世界自然保护联盟）标准的初步威胁评估。

3.1. 模型优化

研究人员首先对MaxEnt模型进行了参数优化。结果显示，采用铰链特征组合(FC=H)且正则化乘数(RM)为2.5时，模型的AICc值最低，表明该配置在模型复杂度和解释力之间取得了最佳平衡，有效避免了过拟合。

3.2. 筛选和评估环境变量及模型性能

所有模型的预测精度均较高（AUC ≥ 0.80, TSS ≥ 0.60, Kappa ≥ 0.34）。集成模型的预测性能 consistently（持续地）优于所有单一模型。在单一模型中，随机森林(RF)和广义可加模型(GAM)的表现最好。环境变量重要性分析表明，气候因子是主导乌头属植物分布的关键驱动因子，其中等温性(BIO3)对12个物种的贡献最大，是最重要的环境预测因子。其次是温度年较差(BIO7)和年降水量(BIO12)。响应曲线分析显示，物种存在概率与环境变量多呈单峰曲线关系。

3.3. 物种丰富度及潜在地理分布变化

模拟结果显示，当前乌头属植物的适宜栖息地主要集中在青藏高原东部，包括西藏、青海、甘肃、四川和云南等地，其中西藏和云南是物种丰富度最高的热点区域。从时间序列上看，从中全新世到现在，物种丰富度总体呈现扩张趋势；但在未来气候情景下，高丰富度区域预计将出现不同程度的收缩。横断山脉、西藏南部和云南南部被识别为重要的气候避难所。

3.4. 乌头属植物地理分布及预测趋势

分布范围模拟表明，大多数物种从中全新世到当前经历了范围扩张。然而，在未来情景下，物种响应各异：部分物种如A. flavum（伏毛铁棒锤）、A. tanguticum（甘青乌头）等能维持较大的适宜区，而A. episcopale（黔川乌头）、A. kongboense（工布乌头）等5个物种的适宜栖息地面积则呈现持续萎缩趋势。所有物种均表现出向高纬度、高海拔迁移的趋势，从中全新世至今的平均迁移距离达104.38公里，其中A. henryi（瓜叶乌头）的迁移距离最远。

3.5. 生态位分析

生态位分析显示，A. tatsienense（康定乌头）、A. liljestrandii（理县乌头）等物种具有较宽的生态位，而A. kongboense（工布乌头）和G. gymnandrum（露蕊乌头）的生态位最窄。物种间生态位重叠度普遍较高。与中全新世相比，当前和未来气候情景下多数物种的生态位指数发生变化，表明其生态位宽度对环境变化产生了响应。

3.6. 威胁评估与保护现状

保护空缺分析显示，所有14种乌头属植物的原位保护综合得分(FCS_in)均处于25-49分之间，被评定为中等保护优先级(MP)。然而，基于IUCN标准的初步威胁评估结果却严峻得多：根据分布区占用面积(AOO)标准，11个物种被评估为濒危(EN)，3个物种被评估为易危(VU)。这与它们在IUCN红色名录上的现有 status（状态，多数为无危LC）形成了鲜明对比，尤其值得注意的是G. gymnandrum（露蕊乌头）目前未被IUCN收录，但本研究评估其为VU。将物种丰富度图与我国现有自然保护区分布图叠加后发现，横断山区等物种丰富度最高的区域在当前保护区网络中代表性不足，存在明显的保护空缺。

本研究通过多模型集成和多种时空尺度分析，全面评估了青藏高原14种重要药用乌头属植物在气候变化下的命运。研究结论明确指出，气候变化将驱动这些物种向更高海拔和更高纬度迁移，并导致部分物种的适宜栖息地严重萎缩。更令人警醒的是，基于科学模型的威胁评估揭示出这些物种面临的灭绝风险远高于目前公认的水平，且现有的自然保护区网络未能有效覆盖其核心分布区。这些发现不仅为重新评估乌头属植物的保护等级提供了科学证据，也凸显了在横断山区等关键区域紧急加强就地保护、扩大保护区网络的迫切性。该研究为制定针对性的、前瞻性的保护策略，以及实现青藏高原珍贵药用植物资源的可持续管理与利用奠定了坚实的科学基础。尽管研究在排除人为活动因子和缺乏迁地保护分析等方面存在局限，但其提供的分布动态、迁移轨迹、保护空缺和威胁状况再评估等关键信息，无疑将对未来的生物多样性保护政策和行动产生深远影响。