基于集成模型预测气候变化对沙漠蝗虫繁殖区的影响——以埃塞俄比亚瓦贝谢贝利河流域为例

《Environmental Challenges》：Predicting the Impact of Climate Change on Desert Locust ( Schistocerca gregaria) Breeding Areas Using an Ensemble Model: A Case Study of the Wabe Shebelle River Basin, Ethiopia

本研究针对气候变化背景下沙漠蝗虫(Schistocerca gregaria)繁殖区扩张威胁粮食安全的问题，通过集成GLM、MARS、BIOCLIM、MaxEnt、RF和SVM等模型，结合SSP2-4.5和SSP5-8.5气候情景预测瓦贝谢贝利河流域繁殖区变化。结果表明：至2070年代，SSP5-8.5情景下适宜繁殖区将扩至45,739.60 km2，揭示了气候变暖加剧蝗灾风险的机制，为制定可持续治理策略提供科学依据。

　　

在广袤的非洲之角，一种古老而凶悍的迁徙性害虫——沙漠蝗虫(Schistocerca gregaria)正随着气候变化的脚步悄然扩张其领地。这些看似渺小的生物却拥有摧毁整个地区农业生态系统的巨大能量，其繁殖速度之快、迁徙距离之远令人咋舌。特别是在埃塞俄比亚的瓦贝谢贝利河流域(WSRB)，2019/2020年爆发的蝗灾被认定为几十年来最严重的侵袭事件，对当地以农业和畜牧业为生的社区造成了毁灭性打击。

气候变化与沙漠蝗虫爆发之间存在密切的关联性。研究表明，气温上升、降水模式改变以及热带气旋相关的风力变化，正在重塑沙漠生态系统的平衡，为这种害虫的繁殖、发育和迁徙创造了新的有利环境。尤其是在河流流域地区，湿润的土壤、充足的植被和适宜的温度范围共同构成了沙漠蝗虫繁殖的温床。然而，当前对于气候变化如何具体影响特定流域尺度下蝗虫繁殖区的时空动态仍缺乏系统研究，这限制了针对性防控策略的制定。

为破解这一难题，来自哈拉马亚大学的研究团队开展了一项创新性研究，成果发表在《Environmental Challenges》期刊上。研究人员采用集成建模方法，综合运用多种算法预测当前和未来气候情景下沙漠蝗虫在瓦贝谢贝利河流域的适宜繁殖区分布，为可持续蝗虫管理策略的制定提供了科学依据。

关键技术方法包括：收集FAO Locust Hub的165个沙漠蝗虫若虫发生点数据；运用R语言sdm包进行集成物种分布建模，结合GLM、MARS、BIOCLIM、MaxEnt、RF和SVM六种算法；采用ACCESS-CM2气候模型和SSP2-4.5、SSP5-8.5两种情景预测2050年代和2070年代的繁殖区变化；通过10折交叉验证和AUC值评估模型性能。

研究结果

环境变量分析

通过皮尔逊相关性和方差膨胀因子(VIF)筛选，最终确定坡向、BIO3(等温性)、BIO4(温度季节性)、BIO7(温度年较差)、BIO13(最湿月降水量)、BIO15(降水季节性)、BIO19(最冷季度降水量)、海拔、土地利用/覆盖(LULC)和坡度等10个环境变量用于建模。其中海拔被证明是最重要的影响因子，贡献度超过20%，其次是降水季节性(BIO15)和最湿月降水量(BIO13)。

模型性能评估

六种模型均实现100%的运行成功率，其中随机森林(RF)表现最佳，AUC值达0.864，支持向量机(SVM)和MaxEnt分别为0.808和0.827，而BIOCLIM模型性能相对较低(AUC=0.644)。集成模型综合各算法优势，展现出更强的预测可靠性。

繁殖区空间分布变化

当前适宜繁殖区面积为40,696.35 km2。到2050年代，SSP2-4.5情景下适宜面积减少至35,865.08 km2，而SSP5-8.5情景下扩大至44,072.46 km2。至2070年代，两种情景下适宜面积均呈现扩大趋势，分别达到44,913.33 km2和45,739.60 km2。变化分析显示，气候变化同时导致适宜繁殖区的丧失和新适宜区的产生，但总体表现为净增加趋势。

讨论与结论

本研究通过集成建模方法揭示了气候变化对瓦贝谢贝利河流域沙漠蝗虫繁殖区的深远影响。研究发现，海拔和降水相关变量是决定繁殖适宜性的关键环境因子，这与埃塞俄比亚复杂的地形特征和气候多样性密切相关。未来气候情景下，尽管存在局部适宜区丧失的现象，但总体繁殖适宜区呈现扩张趋势，特别是在高排放情景(SSP5-8.5)下，这种扩张更为明显。

这一变化对当地社区和粮食安全构成严重威胁。瓦贝谢贝利河流域约1190万人口中，多数依赖小农耕作和畜牧业为生，蝗虫繁殖区的扩张意味着更多社区将面临蝗灾风险。同时，预测显示流域内农业用地到2070年将扩大约10,000 km2，这些新开垦的农田与适宜繁殖区高度重叠，将进一步加剧粮食安全风险。

研究结果强调了将气候变化预测纳入蝗虫管理策略的紧迫性。早期预警系统、生态防治方法和社区参与的综合治理模式，将成为应对气候变化下蝗灾风险的关键手段。此外，研究也指出未来需要整合多源数据、采用多模型集成框架，以提高预测的准确性和可靠性。

这项研究不仅为瓦贝谢贝利河流域的蝗虫防控提供了具体指导，也为类似生态区域的害虫管理策略制定提供了科学范式，凸显了气候变化背景下生态系统管理的复杂性和跨学科研究的重要性。