气候变化下美国山毛榉分布格局的演变预测与生态保护策略

这篇研究采用多模型集成方法（SDM）评估了气候变化对美国山毛榉（Fagus grandifolia）当前及未来栖息地适宜性的影响，揭示了冬季降水（PPT_wt）和极端高温（EXT）等关键驱动因子，为构建山毛榉叶病（BLD）风险分层模型奠定基础。研究强调该物种将面临栖息地收缩，建议通过保护北部避难所、辅助迁移等策略提升生态韧性。

　　

引言

全球森林生态系统正面临气候变化带来的温度与降水模式改变，导致物种分布和生态过程发生显著变化。作为美国东部森林的关键物种，美国山毛榉（Fagus grandifolia）对水分和温度变化极为敏感，其分布动态研究对预测未来栖息地适宜性和制定适应性管理策略至关重要。该物种在4°C至21°C的年均温和580–1270 mm的年降水量范围内生长最佳，但极端高温和干旱会限制其分布。此外，山毛榉还面临山毛榉树皮病（BBD）和新兴的山毛榉叶病（BLD）威胁，这些病害与气候胁迫的交互作用可能加剧生态风险。

材料与方法

研究采用集成物种分布模型（SDM），结合广义线性模型（GLM）、多元自适应回归样条（MARS）、随机森林（RF）等算法，以1 km分辨率的气候、土壤和地形数据为基础，评估当前和未来（SSP1-2.6至SSP5-8.5情景）的栖息地适宜性。通过半变异函数分析控制空间自相关，并利用目标组背景（TGB）方法减少采样偏差。关键环境变量包括冬季降水（PPT_wt）、夏季降水（PPT_sm）、极端高温（EXT）、地形崎岖度（TRI）及土壤性质（如黏土含量、pH值）。

结果

模型显示，美国山毛榉的适宜栖息地在所有未来气候情景下均呈现收缩趋势，损失面积远超增益。冬季降水（贡献率38.7%）和夏季降水（15.2%）是主要驱动因子，其次是地形崎岖度（11.4%）和极端高温（10.1%）。土壤性质（如黏土含量和有机碳）贡献中等。响应曲线表明，该物种在PPT_wt为150–500 mm、PPT_sm为200–400 mm、EXT低于39°C、TRI为50–450 m时适宜性最高。到2100年，SSP5-8.5情景下栖息地净损失可达48%，主要发生在南部阿巴拉契亚和奥扎克高原。

讨论

分布动态与生态位饱和

山毛榉的缓慢扩散能力导致其难以追踪气候驱动的适宜区北移，形成“生态位-分布脱节”。尽管北部地区气候可能改善，但自然 colonization 滞后性显著，需考虑辅助迁移（assisted migration）等干预措施。

保护意义

高海拔和地形复杂区域（如北部阿巴拉契亚）是重要气候避难所。建议通过择伐（shelterwood thinning）维持林冠结构以缓冲微气候，并优先保护土壤有机碳（SOC）含量高的区域以增强水分保持能力。

疾病风险整合

栖息地适宜性模型为山毛榉叶病（BLD）风险分层提供了空间基础。未来需结合病原体动态数据，构建气候-疾病联合风险模型，指导监测和生物安全措施。

局限性与展望

模型未动态模拟土壤变化或生物互作，可能低估高排放情景（如SSP5）下的不确定性。后续研究应整合土壤动态模型、种群扩散模拟及病原体传播机制，并利用高分辨率微气候数据优化避难所识别。

结论

美国山毛榉面临全面的栖息地收缩，亟需通过保护避难所、辅助迁移和适应性林业管理等多维度策略提升其气候韧性。跨学科合作与社区参与将是实现长期保护目标的关键。