基于BIOMOD2集成模型与Nemerow综合污染指数整合的蒙古野驴（Equus hemionus）栖息地适宜性与土壤重金属污染保护优先区识别

《Biology》：Integrating Habitat Suitability and Soil Heavy-Metal Contamination to Identify Conservation Priorities for the Mongolian Wild Ass

　　

干旱地区水资源匮乏与植被更新能力有限，使大型食草动物的栖息地对气候变化和人类活动尤为敏感。然而，传统栖息地适宜性评估可能忽视与土壤重金属污染相关的潜在环境压力。本研究采用BIOMOD2集成建模框架预测蒙古野驴在当前环境条件及未来气候情景下的潜在栖息地适宜性。当前栖息地适宜性预测结果进一步与基于Nemerow综合污染指数（Nemerow integrated pollution index）推导的土壤重金属污染等级进行叠加，以检验二者的空间对应关系。在四折空间块交叉验证（four-fold spatial block cross-validation）下，EMca集成模型取得AUC为0.893 ± 0.032、TSS为0.610 ± 0.048的表现。距水源距离是最具影响力的预测变量，占总归一化变量重要性的43.76%。高适宜栖息地预计将从当前条件下的0.4637 × 10⁴ km²缩减至未来各气候情景下的0–0.1180 × 10⁴ km²，其中在SSP370和SSP585情景下的未来中后期缩减尤为显著。空间叠加分析显示，当前高适宜栖息地中有73.56%与轻度污染重叠，24.31%与警戒级污染重叠，2.12%与中度污染重叠。上述结果表明，高栖息地适宜性并不必然对应低土壤污染水平。通过整合栖息地适宜性与土壤污染格局，本研究为卡拉麦里国家公园识别保护优先栖息地及需重点开展环境监测的区域提供了空间依据。

研究背景：全球气候变化持续加剧及人类干扰不断扩张，对生物多样性保护构成日益增大的压力。极端天气事件频发、降水格局改变及气温上升显著影响栖息地适宜性与物种分布；与此同时，矿产资源开发、交通运输及工业生产等人类活动通过废渣堆积、大气沉降和交通扬尘等途径造成土壤和水体重金属污染。重金属具有环境持久性、不可降解性和生物累积性，其长期累积已成为制约生态系统健康的重要因素。干旱与半干旱生态系统因水资源匮乏和植被生产力较低，生态结构与功能对环境变化高度敏感，上述压力在该类区域尤为突出。蒙古野驴（Equus hemionus）在中国被列为国家一级重点保护野生动物，卡拉麦里国家公园是其重要分布区和核心栖息地。近年来气候变化叠加资源开采和交通基础设施建设等人类活动改变了区域生态环境，可能导致其适宜栖息地收缩、位移或破碎化。此前研究已记录该国家公园土壤重金属污染及若干优势植物物种中显著的Cr累积；对于放牧食草动物而言，污染牧草及采食时偶然摄入土壤是潜在的重金属暴露途径。以往关于蒙古野驴栖息地适宜性的研究主要关注气候、水源、地形、植被和人类活动等环境因子，但预测适宜栖息地与土壤重金属污染之间的空间对应关系尚不清楚，仅凭栖息地适宜性评估可能无法充分反映潜在适宜栖息地内的土壤污染状况。为此，研究人员以卡拉麦里国家公园蒙古野驴为目标物种开展研究，旨在：（1）识别与潜在栖息地适宜性相关的关键环境预测变量；（2）评估不同未来气候情景下适宜栖息地范围与空间分布的变化；（3）量化当前栖息地适宜性与土壤重金属污染水平之间的空间对应关系，为识别保护优先栖息地及需加强环境监测的区域提供空间依据。研究结论：水分限制是影响干旱区蒙古野驴栖息地适宜性的关键因素，距水源距离相对重要性最高（43.76%）；未来气候变化预计将降低适宜栖息地的范围与质量，高适宜栖息地由当前的0.4637 × 10⁴ km²降至未来各情景下的0–0.1180 × 10⁴ km²，所有未来情景下适宜栖息地总面积均下降，以SSP370和SSP585情景下未来中后期缩减最为显著；当前高适宜栖息地中有73.56%与轻度污染重叠、24.31%与警戒级污染重叠、2.12%与中度污染重叠，未发现与重度污染重叠，表明仅凭栖息地适宜性不能完全反映土壤污染状况的空间差异；保护管理应优先关注高适宜栖息地及关键水源区域，同时在适宜栖息地与较高土壤污染水平重叠区域加强土壤、牧草和水源的针对性监测，尤其是研究区中南部、南部和东南部。重要意义在于，将栖息地适宜性预测与土壤污染信息整合，有助于区分需栖息地保护的区域与需额外环境监测和污染管理的区域，为干旱区保护区内大型食草动物的保护管理提供了新思路。

主要关键技术方法：研究人员于2025年9月3—10日采用样线法在卡拉麦里国家公园及周边布设21条样线开展野外调查，通过双筒望远镜直接观察记录蒙古野驴独立个体的GPS坐标，获得324条记录，去除重复坐标后保留314条，按8 × 8 km网格进行空间过滤后保留109条空间过滤后的出现记录用于建模，并生成10套独立伪 absent 数据集（每套1000个伪 absent 点）。环境变量初始汇编29个，涵盖气候（WorldClim 2.1的19个生物气候变量及BCC-CSM2-MR驱动的CMIP6 SSP126、SSP370、SSP585情景数据）、地形、人类活动和栖息地变量，经Pearson相关分析（|r| ≥ 0.8筛选）和方差膨胀因子（VIF ≤ 10）分析后保留13个预测变量。采用BIOMOD2框架（4.2-6-2版）中12种算法（ANN、CTA、FDA、MaxEnt、GAM、GBM、GLM、MARS、RF、RFd、SRE、XGBOOST）建模，以四折空间块交叉验证评估性能，保留校准TSS ≥ 0.5的模型构建EMca集成模型，以AUC和TSS评价。土壤样品于2024年7月和2025年9月采集，采用五点采样法采集0–20 cm表层土，经筛选保留213份有效样品，Cu、Zn、Pb、Cr、Cd以HCl-HNO₃微波消解后采用ICP-MS测定，As、Hg经硫脲-抗坏血酸预处理后采用原子荧光光谱仪测定。采用单因子污染指数和以新疆土壤背景值为参考的Nemerow综合污染指数评价污染水平，并以经验贝叶斯克里金（EBK）插值生成7种重金属浓度连续表面。最后在ArcGIS 10.8中将当前栖息地适宜性栅格与Nemerow污染等级栅格进行空间叠加交叉制表。

研究结果：（1）环境变量与模型选择及重要性评估：12种单一算法在四折空间块交叉验证下预测性能存在差异，EMca集成模型的AUC为0.893 ± 0.032、TSS为0.610 ± 0.048，两项指标的平均预测性能均高于所有单一算法；变量重要性结果显示距水源距离是最具影响力的预测变量，占总归一化变量重要性的43.76%，其次为平均日较差（Bio2，8.73%）、最干季度降水量（Bio17，8.63%）、距道路距离（Way，8.62%）、年降水量（Bio12，7.88%）和最干季度平均温度（Bio9，7.06%）。（2）气候变化下潜在适宜栖息地空间格局与栖息地质量变化：当前环境条件下适宜栖息地总面积为0.9256 × 10⁴ km²，高、中、低适宜栖息地分别为0.4637 × 10⁴、0.2249 × 10⁴和0.2370 × 10⁴ km²，分别占适宜栖息地总面积的50.10%、24.30%和25.61%；高适宜栖息地主要分布于研究区中部和中南部，呈总体连续的斑块分布，中适宜栖息地多邻近高适宜栖息地，起过渡和缓冲作用，低适宜栖息地主要位于北部边界及南部部分地区，分布较为分散。未来各气候情景下适宜栖息地范围与等级结构均发生明显变化，总面积低于当前，SSP126下2021—2040年为0.5720 × 10⁴ km²，2041—2060年增至0.7713 × 10⁴ km²，随后在2061—2080年和2081—2100年分别降至0.7049 × 10⁴和0.6420 × 10⁴ km²；SSP370下由2021—2040年的0.4703 × 10⁴ km²降至2081—2100年的0.1143 × 10⁴ km²；SSP585下同期由0.4957 × 10⁴ km²降至0.1371 × 10⁴ km²，总体在SSP370和SSP585情景下未来中后期缩减更为显著。高适宜栖息地降幅最为明显，由当前0.4637 × 10⁴ km²降至未来各情景0–0.1180 × 10⁴ km²，最大未来面积出现在SSP126的2041—2060年（0.1180 × 10⁴ km²），而SSP585的2041—2060年及SSP370和SSP585的2061—2080年和2081—2100年均未预测到高适宜栖息地；中适宜栖息地随情景和时期变化较大（0.0015 × 10⁴–0.3033 × 10⁴ km²），低适宜栖息地在许多未来情景下占剩余适宜栖息地较大比例（0.1128 × 10⁴–0.3724 × 10⁴ km²），表明未来栖息地变化不仅表现为总面积减少，还表现为高适宜栖息地显著下降并向低适宜等级转移。阈值敏感性分析显示，尽管改变阈值会改变绝对面积估计，但未来情景下适宜栖息地面积低于当前、SSP126通常保留较大面积、SSP370和SSP585中后期缩减更明显等总体趋势保持一致。空间格局上，当前适宜栖息地主要呈较连续斑块分布于中部和中南部，未来情景下这些斑块普遍出现不同程度的收缩和破碎化，SSP370和SSP585中后期尤为明显；所有未来情景和时期栖息地收缩均大于扩张，扩张面积为0–0.0203 × 10⁴ km²，收缩面积为0.1745 × 10⁴–0.8113 × 10⁴ km²，最大扩张出现在SSP126的2041—2060年，最大收缩出现在SSP370的2081—2100年，SSP370和SSP585在2061—2080年和2081—2100年未检测到栖息地扩张而收缩仍然显著。（3）土壤重金属污染及其与栖息地适宜性的空间对应：EBK交叉验证显示预测偏差总体较小，平均误差和平均标准化误差接近零，RMSSE为0.9615–1.0701；7种重金属浓度表面呈现明显空间异质性，Cr在东部和东南部较高、西部较低，Cd在北部和东北部较高并在中东部有局部高值斑块，Hg在从中北部到中南部及东南部出现明显局部聚集，Cu在南部、东南部及东缘部分区域较高，Pb在中东部有明显高值簇、南部和西南部较低，As在西北部、中北部和东南部有局部高值斑块，Zn呈自西向东递增格局、东部和东南部较高。Nemerow综合污染指数显示研究区内无无污染等级（PN ≤ 0.7）区域，警戒级占27.29%，轻度污染占主导（61.57%），中度和重度污染分别占7.11%和4.02%；空间上较高污染等级主要集中于中南部、南部和东南部，部分区域靠近主要交通廊道和工业区。当前栖息地适宜性与Nemerow污染等级空间叠加显示，高适宜栖息地0.4637 × 10⁴ km²中有0.1128 × 10⁴ km²（24.31%）与警戒级污染重叠、0.3411 × 10⁴ km²（73.56%）与轻度污染重叠、0.0098 × 10⁴ km²（2.12%）与中度污染重叠，无与重度污染重叠；中适宜栖息地0.2249 × 10⁴ km²中87.25%位于轻度污染等级，7.89%与警戒级、4.85%与中度污染重叠，无重度污染重叠；低适宜栖息地0.2370 × 10⁴ km²中75.83%位于轻度污染等级，20.16%位于警戒级，4.01%位于中度污染，无重度污染重叠。空间上高适宜栖息地与警戒级污染重叠主要位于中西部，大部分高适宜栖息地与轻度污染相关并位于中部，高适宜性与中度污染重叠仅限于少数小斑块，重度污染区集中于东南部且仅出现在不适宜栖息地内。总体表明高栖息地适宜性并不必然与最低土壤污染水平重合，栖息地适宜性与土壤污染状况提供互补的空间信息。

讨论部分总结：研究人员首先讨论了水源条件对干旱区蒙古野驴栖息地适宜性的影响，指出水源是影响有蹄类分布的关键因素，研究区降水少、蒸发强且水源分布不均，距水源距离以43.76%的相对重要性成为最重要的环境预测变量，高适宜栖息地集中于水源丰富、地形平坦、植被盖度较高的中部和中南部，与既有研究一致，但这种集中分布也表明物种对关键水源和有限采食区高度依赖，关键水源丧失或退化可能影响栖息地适宜性，因此干旱区大型食草动物保护不应仅关注适宜栖息地总面积，还应关注关键水源的生态质量与污染状况。其次讨论了未来气候情景下栖息地适宜性的变化，指出高适宜栖息地降幅最为明显且栖息地适宜性结构发生重组，这与干旱生态系统资源受限的特性有关，温度与降水变化可能影响水资源可利用性和牧草资源；但研究中非气候预测变量在未来预测中保持恒定，因此预测变化主要反映固定非气候条件下对未来气候条件的响应，而非水源、植被和人类活动未来变化的综合效应；尽管蒙古野驴移动能力强，但其栖息地利用仍与水源和牧草资源空间分布密切相关，未来高适宜栖息地减少和空间分布改变提示核心栖息区范围与连续性可能下降，凸显保护关键水源、维持核心栖息地和保持栖息地连通性的重要性。第三讨论了土壤重金属污染对栖息地适宜性评估的意义，指出传统物种分布模型不直接描述土壤污染状况的空间变异，而叠加分析显示高适宜栖息地出现在不同污染等级下，高栖息地适宜性并不必然对应最低土壤污染水平，仅凭栖息地适宜性不能完全反映污染状况的空间差异；由于Cd、Hg、Cr等重金属可在土壤中持久存在并可能通过牧草、水和土壤或粉尘摄入进入陆地食物链，且该国家公园植物样品中已报道重金属污染，土壤重金属可能进入牧草资源构成潜在暴露途径，已有研究报道非铁金属冶炼厂附近家马每日Pb和Cd摄入估计量及组织金属浓度升高和血液学异常，因此适宜栖息地与较高土壤污染水平重叠区域应作为进一步调查潜在重金属暴露的优先区，需对土壤、植被和水质开展针对性监测。第四讨论了对干旱区保护区内大型食草动物管理的启示，指出应将栖息地适宜性与土壤污染共同纳入保护与环境监测策略，高适宜栖息地仍应是保护关键水源、牧草资源、栖息地连续性和移动机会的优先区，同时与较高土壤污染水平重叠的适宜栖息地应加强对土壤、牧草和水源的监测，尤其是污染等级较高的中南部、南部和东南部，未来监测还可纳入动物源性指标；研究同时指出若干局限性：未来土壤重金属污染空间变化存在不确定性，污染数据缺乏使叠加分析仅限于当前条件，且基线气候数据与野外观察来自不同时期，叠加结果应理解为潜在空间对应关系而非特定年份栖息地状况的直接表征；非气候预测变量在未来预测中保持不变，预测变化主要反映对未来气候条件的响应；研究未直接评估蒙古野驴的重金属暴露、生理响应或种群水平效应，土壤污染评估主要基于土壤样品而未用水源、牧草或粪便重金属测定验证，结果不应解释为物种受到直接生物学影响的证据；出现记录来自有限调查期，可能不能完全代表栖息地利用的季节变化，未来需结合多季节野外调查和长期GPS追踪；尽管采用8 × 8 km网格空间过滤和四折空间块交叉验证，评估结果仍可能受验证块空间配置和伪 absent 抽样的影响，未来需纳入独立出现数据集和更多空间验证策略。最后翻译研究结论部分：本研究采用基于BIOMOD2的集成建模框架预测蒙古野驴在当前环境条件和未来气候情景下的潜在适宜栖息地，并将当前土壤重金属污染的空间分布与当前栖息地适宜性叠加以检验其空间对应关系，主要结论如下：（1）水分限制是影响干旱区蒙古野驴栖息地适宜性的关键因素，距水源距离相对重要性最高（43.76%），凸显水资源可利用性在塑造适宜栖息地预测分布中的重要作用；（2）未来气候变化预计将降低蒙古野驴适宜栖息地的范围和质量，高适宜栖息地由当前0.4637 × 10⁴ km²降至未来各气候情景0–0.1180 × 10⁴ km²，适宜栖息地总面积在所有未来情景下均下降，以SSP370和SSP585情景下未来中后期缩减最为显著；（3）当前栖息地适宜性与土壤污染等级的空间叠加显示高适宜栖息地出现在不同污染条件下，当前高适宜栖息地中73.56%与轻度污染重叠、24.31%与警戒级污染重叠、2.12%与中度污染重叠，未观察到与重度污染重叠，表明仅凭栖息地适宜性不能完全反映土壤污染状况的空间差异；（4）保护管理应优先关注高适宜栖息地和关键水源区域，同时在适宜栖息地与较高土壤污染水平重叠区域加强土壤、牧草和水源的针对性监测，尤其是研究区中南部、南部和东南部。