气候驱动的生态位动态：基于CLIMEX模型的油菜与油菜茎象甲（Ceutorhynchus obstrictus）生物气候响应与空间互作研究

本综述基于CLIMEX生物气候模型，系统分析了油菜茎象甲（CSW）与油菜（Brassica napus）对气候因子的响应机制。研究通过更新CSW模型参数与首次构建油菜生长模型，揭示了两者分布与丰度的气候驱动因素，并利用生态气候指数（EI）量化了当前及未来气候情境下害虫风险与作物产量的空间重叠关系，为农业害虫综合治理（IPM）及气候变化适应性策略提供了理论依据。

　　

引言

油菜茎象甲（Ceutorhynchus obstrictus，CSW）是一种以十字花科植物发育中种子为食的害虫，主要危害北美与欧洲的油菜作物（Brassica napus L.）及野生寄主如野芥（Sinapis arvensis L.）。自欧洲传入北美后，CSW已广泛分布于美国与加拿大，其中加拿大草原生态区自1995年首次发现后持续向北向东扩散。气候作为决定物种分布与丰度的关键因子，通过CLIMEX等生物气候模型可预测昆虫与植物的潜在地理分布及生态适应性。本研究旨在更新CSW的现有生物气候模型，并首次开发油菜的CLIMEX模型，以解析气候对两者空间关系及互作动态的影响。

方法

模型开发

研究采用CLIMEX 4.1软件构建CSW与油菜的生物气候包络模型，使用CliMond 10空间气候数据集（0.1°网格分辨率）整合温度、降水与湿度数据。模型参数基于已发表文献、调查数据及全球分布记录（如GBIF数据库）进行迭代优化，以匹配北美地区的实际分布与丰度模式。生态气候指数（EI）用于量化气候适宜性（0-100），其中EI>20表示种群建立或作物高产的优化条件。

CSW模型开发

CSW模型参数基于北美调查数据（2007-2019年）重新校准。关键调整包括：发育最低温度（DV0）设为6°C，最适温度范围（DV1-DV2）调整为20-26°C，发育最高温度（DV3）设为30°C；土壤湿度参数（SM0-SM3）优化以反映寄主作物萎蔫点与东部分布限制；滞育发育时间（DPD）从120天缩短至90天；世代所需积温（PDD）设为1050度日。热胁迫阈值（TTHS）降至30°C，湿胁迫阈值调整为1.3。

油菜模型开发

油菜模型针对春播B. napus设计，参数依据加拿大及全球产量数据校准。发育最低温度（DV0）设为5°C，最适温度范围（DV1-DV2）为14-25°C，上限温度（DV3）为30°C；积温需求（PDD）设为1000度日（基温5°C）；光周期参数（LT0-LT1）设置为16.5-12.5小时以匹配北部产区（如和平河流域）。干胁迫与热胁迫参数依据花期干旱与高温敏感性文献数据设定。

模型验证

模型通过三类方法验证：（1）独立分布数据对比：使用欧美GBIF数据检验CSW与油菜的预测分布与实际记录一致性；（2）丰度/产量相关性：将CSW的EI值与长期调查密度（25网扫虫量）、油菜EI值与5年平均产量（吨/公顷）进行空间格局比对；（3）物候匹配：比较模型输出的周生长指数（GI_w）与田间观测的发育阶段时序。

敏感性分析

采用参数扰动法与增量情景法分析模型敏感性。增量情景包括温暖干旱（+1°C温度，-40%降水）与凉爽湿润（-1°C温度，+40%降水）两种气候偏离当前常态的情境，评估EI值变化及空间响应。

CSW对油菜的风险评估

定义高风险区为CSW与油菜EI值均>20的重叠区域，制图展示当前及气候情景下的风险空间格局。

结果

模型验证

CSW分布、丰度与物候

修订后的CSW模型准确预测了其在北美的分布南限（受热胁迫与干胁迫限制）与北限（积温不足），与欧洲分布记录高度一致（如北欧国家与南欧限制区）。模型输出的高丰度区（EI>20）与加拿大草原历史高密度区（南阿尔伯塔与萨斯喀彻温）吻合。物候预测显示，GI_w>0.7时段与CSW繁殖期活动（交配、产卵、幼虫发育）相符，支持模型生物学合理性。

油菜分布、产量与物候

油菜模型准确捕捉了北美（北达科他、蒙大拿等主产区）与欧洲（德国、法国、波兰等高产国）的分布核心区。EI值与实际产量空间模式高度一致（如加拿大北部高产带对应EI>20），且成功预测了斯堪的纳维亚等北部地区的积温限制。物候预测中，GI_w>0.1时段对应生长季，GI_w=1时段与开花期吻合，但播种日期预测较实际早约1周，可能与农事操作延迟有关。

敏感性分析

CSW模型对湿胁迫（SMWS）与干胁迫（SMDS）参数最敏感，其次为积温（PDD）与低温阈值（DV0）。增量情景显示：温暖干旱情景下，CSW适宜区南撤，北部EI值上升；凉爽湿润情景下，北部积温不足导致适宜区收缩。油菜模型对水分参数（SMDS、SM0）和高温阈值（DV3）敏感，温暖干旱情景导致南部产量显著下降，凉爽湿润情景则提升南部EI值。

CSW对油菜的风险

当前气候下，高风险区（双EI>20）位于加拿大草原中部；温暖干旱情景下风险区缩减至曼尼托巴东南与阿尔伯塔东北；凉爽湿润情景下风险区限于南阿尔伯塔与萨斯喀彻温。欧洲高风险区识别为波兰、法国北部与德国东部。

讨论

本研究通过整合最新生物学数据、高分辨率气候资料及长期调查，显著提升了CSW模型在北美分布的预测精度（如修正曼尼托巴东部与和平河流域的适宜性低估）。油菜模型的建立填补了CLIMEX平台中该作物的空白，其参数化策略强调繁殖期气候需求（抽薹、开花、结荚）。两者模型对胁迫因子（尤其是干旱）的敏感性揭示了气候波动对虫害-作物互作的关键影响，如历史干旱期（2001-2003年）中CSW种群崩溃与模型预测一致。风险空间分析为针对性监测（如高风险区优先巡查）、农药合理施用及作物轮作规划提供了科学依据。未来研究可将本模型应用于气候变化情景模拟、三级营养互作（如寄生蜂）分析及生物防治策略优化，同时油菜模型可作为其他油菜害虫模型的基础宿主分布层。