基于优化最大熵(MaxEnt)模型的未来气候情景下中国无梗五加(Acanthopanax sessiliflorus)潜在分布预测

《Ecology and Evolution》：Predicting Potential Distribution of the Acanthopanax Sessiliflorus in China Under Future Climate Scenarios Based the Optimized Maximum Entropy (MaxEnt) Model

　　

研究人员以东亚温带森林中具有生态与药用重要性的落叶灌木无梗五加(Acanthopanax sessiliflorus)为研究对象，采用优化最大熵(MaxEnt)模型，整合气候、土壤与地形变量，在项目未来气候情景(SSP126、SSP245、SSP370、SSP585)下投影2040s至2100s的生境适宜性。模型性能较高，平均训练AUC为0.9735，测试AUC为0.9660。当前适宜生境面积为89.97×104km2，质心位于118.800934°E、39.230015°N；高适宜区(3.05×104km2)集中于河北、北京、辽宁及长白山区。温度季节性(Bio4，41.5%)为主导因子，最暖月最高温(Bio5)贡献重要独立信息。未来投影呈强情景依赖性：基于2100s预测，高适宜生境在所有情景下均下降，SSP126下减少38.43%，SSP245下减少62.15%，SSP370下减少70.20%，SSP585下减少79.27%；总适宜生境在SSP126下因边际适宜区扩张而增加29.74%，而SSP245、SSP370、SSP585呈先扩张后长期收缩趋势，SSP585到2100s净损失21.74%；生境质心总体向西北迁移，表明空间重组；高强度排放情景将退化核心生境并重组温带生态系统。通过识别气候敏感性，该研究为优化栽培、野生资源管理及制定气候适应性保护策略、保障该药用灌木可持续利用提供科学基础。

该研究发表于《Ecology and Evolution》。研究背景方面，无梗五加(Acanthopanax sessiliflorus)是五加科五加属落叶灌木，分布于东亚温带森林，在维持生态系统稳定及传统药用中具有重要作用，富含皂苷、黄酮类等活性成分，兼具食用与经济价值；但市场需求扩大与过度采挖导致野生种群下降，同时气候变化作为长期威胁，通过升温与降水格局改变重塑温带东亚环境适宜性格局，可能使适生区向高纬高海拔收缩并碎片化。目前对无梗五加大规模定量评估其在未来气候变化下潜在分布、不同共享社会经济路径(SSP)对其空间分布与生境质量的影响仍较有限，因此研究人员开展此项研究，以优化最大熵(MaxEnt)模型模拟当前与未来多SSP情景下中国区域生境适宜性时空演变，明确关键环境驱动因子，为引种栽培、资源管理与保护策略提供科学依据。研究得出：模型精度高（训练AUC均值0.9735，测试0.9660）；当前总适宜生境89.97×10⁴km²，高适宜区集中分布于河北、北京、辽宁、长白山；关键因子为温度季节性(Bio4)、最暖季降水量(Bio18)、粉粒含量(silt)、碳氮比(cn_ratio)、坡度(slope)、砂含量(sand)、最暖月最高温(Bio5)、高程(elevation)，其中Bio4贡献41.5%、Bio18贡献31.2%、silt贡献14.4%；未来高适宜生境各SSP均显著缩减（2100s：SSP126减38.43%、SSP245减62.15%、SSP370减70.20%、SSP585减79.27%），总适宜生境仅SSP126增29.74%（低、中适宜区扩张），其余情景趋于收缩（SSP585净减21.74%）；生境质心总体向西北迁移，迁移距离与方向具排放强度依赖性（SSP126至承德，SSP585至张家口）；讨论指出Bio4反映温带季风气候季节波动适配其休眠－生长调节，Bio18关联东亚夏季风水分供给缓解高温胁迫，silt约12.5%利于根系通气与养分吸收，Bio5适宜范围20.05–31.60°C；高排放下最暖月超阈值致光合抑制与生境崩塌，低排放可提供缓冲但中高排放仍致生境质量退化；研究局限含未动态更新环境、未融合多模型与生物互作及人为干扰等；结论重申优化MaxEnt高精度识别关键驱动与适宜区格局，未来低排放下边际适宜区扩张缓冲物种适应，高排放下高适宜区剧减且质心西北移，强调减排对生物多样性保护的重要性。该研究为无梗五加栽培布局、野生资源保护与气候适应性管理提供定量依据，对温带药用灌木可持续利用具科学与实践意义。

为开展研究，研究人员采用的主要关键技术方法包括：物种分布数据来源于国家标本信息平台(NSII)、全球生物多样性信息设施(GBIF)、中国虚拟标本馆(CVH)、中国植物图像库(PPBC)，经R包“spThin”按1 km半径稀疏去重后得到162个有效分布点；环境变量选取19个生物气候因子（WorldClim，当前历史与未来CMIP6下BCC-CSM2-MR模型四种SSP情景各时期）、10个土壤因子（HWSD，分辨率1 km，假定未来不变）、3个地形因子（高程、坡度、坡向，来源于资源环境科学数据平台，分辨率1 km，未来不变），通过Pearson相关分析(|r|≥0.8剔留其一)初筛，再结合最大熵(MaxEnt)预运行百分比贡献、置换重要性、刀切法(Jackknife test)细化得到8个最终变量；使用R包“ENMeval”以RM（正则化乘数）0.5–3步长0.1、特征类组合（L、LQ、H、LQH、LQHP）交叉验证优选最优参数（FC=LQHP，RM=1.2）；采用MaxEnt 3.4.1构建模型，75%训练、25%测试，Bootstrap重复10次，输出逻辑斯蒂生境适宜性；基于10次重复平均“最大敏感度加特异度”阈值（0.1374）划分不适宜与适宜生境，再分为高(0.66≤p<1)、中(0.33≤p<0.66)、低(0.1374≤p<0.33)适宜等级；利用ArcGIS中SDM工具箱计算生境质心迁移轨迹，并用ROC曲线下面积(AUC)评价精度。

研究结果如下：

3 Result（结果）：研究人员通过优化最大熵(MaxEnt)模型得出系列结果。

3.1 Model Accuracy and the Current Distribution（模型精度与当前分布）：研究人员经10次重复建模，平均训练AUC为0.9735（标准差0.002），测试AUC为0.9660（标准差0.0116），属优秀精度；当前适宜生境总面积89.9697×10⁴km²，其中高适宜3.04546×10⁴km²、中适宜29.8291×10⁴km²、低适宜57.0951×10⁴km²；主要分布于河北保定、北京、辽宁大部及长白山区，质心位于迁西县附近（118.800934°E，39.230015°N）。

3.2 Critical Environmental Factors（关键环境因子）：研究人员经Pearson初筛、百分比贡献、置换重要性及刀切法(Jackknife)最终保留8变量；前三位为温度季节性(Bio4，贡献41.5%，置换重要性39.3%)、最暖季降水量(Bio18，贡献31.2%，置换重要性40.3%)、粉粒含量(silt，贡献14.4%，置换重要性4.1%)；其余含碳氮比(cn_ratio，6.3%)、坡度(slope，4.6%)、砂含量(sand，1.1%)、最暖月最高温(Bio5，0.7%)、高程(elevation，0.2%)；响应曲线显示Bio18与适宜概率呈先升后缓降，Bio4呈鞍形，silt呈波动近抛物线；刀切法表明Bio4含其他变量没有的独特信息，Bio5单独测试AUC达0.801（与Bio18的0.798相当），亦为关键因子；适宜阈值确定为Bio4：940.21–1599.91（最优1132.91），Bio18：236.80–720.13 mm（最优389.08 mm），Bio5：20.05–31.60°C（平均最优26.82°C），silt：6.5–28.2%与38.2–60.5%（最优12.5%）；无梗五加偏好较高温度季节性、适中暖季降水、较低夏季最高温与通气良好的粉粒土壤。

3.3 Potential Distribution of A. sessiliflorus Species in Future Climatic Scenarios（未来气候情景下潜在分布）：研究人员模拟四个SSP下2040s、2060s、2080s、2100s适宜生境变化；各情景高适宜生境均随时间递减且排放越高降幅越大：2100s SSP126减38.43%、SSP245减62.15%、SSP370减70.20%、SSP585减79.27%；中适宜生境SSP126增28.96%，其余先扩后缩（SSP585减59.41%）；低适宜生境SSP126持续增（2100s增33.79%），其余波动且后期持平或略减；总适宜生境仅SSP126增29.74%，SSP245减7.83%，SSP370减8.54%，SSP585减21.74%；空间上呈现收缩区、扩张区与不变区，高排放下高适宜区严重丧失，低排放下低、中适宜区扩张提供迁移缓冲；不同SSP下适宜生境变化具显著情景依赖性，高排放加速生境退化。

3.4 Centroid Shifts of A. sessiliflorus Species in Future Climatic Scenario（未来生境质心迁移）：研究人员利用ArcGIS计算质心迁移表明当前质心在唐山迁西（118.800934°E，39.230015°N）；未来总体向西北移，迁移具排放强度依赖性：SSP126质心波动后至承德（118.3871°E，40.951333°N），SSP245先东北后西南至承德北部（117.898962°E，41.057088°N），SSP370西北后西南至北京延庆（115.885087°E，40.154304°N），SSP585单向西南至张家口（115.09659°E，39.953862°N）；经度偏移最大达?3.7°（SSP126至SSP585），说明变暖迫使物种向高纬或西北内陆地形复杂区寻求水热平衡。

讨论部分，研究人员总结：温度季节性(Bio4，最优约1132.91)反映温带季风区冷冬热夏适配无梗五加休眠－生长生理调节；最暖季降水量(Bio18，最优约389.08 mm)关联东亚夏季风水分供给，通过气孔调节缓解高温胁迫；粉粒含量(silt，最优约12.5%)提供适度通气与持水平衡促进细根生物量与养分吸收；最暖月最高温(Bio5)适宜范围20.05–31.60°C宽于文献报道22–25°C，说明种质与环境间存差异；未来SSP245下东亚夏季风减弱致7–8月降水减15%–20%、>30°C极端日增5–8天，将加剧适生区退化；高排放SSP585下最暖月升温3.5–5.5°C易超阈值（约35°C）引发光合抑制（Φ_PSIImax显著降），非气孔限制主导致同化链解耦；中适宜区SSP126下可能因暖季降水增而扩张并提升景观连通性与扩散效率，但SSP585下因极端热事件与夏季降水失衡致水分利用效率低的种源承受碳获取成本压力而缩减；低适宜区SSP370后期扩张放缓源于增温蒸散与土壤干燥双重胁迫权衡；质心迁移反映华北平原热胁迫增强迫使向高海拔 refuge（如张家口、承德周边山地）退缩，证实地形在气候重组中关键作用；多SSP对比显示低排放（SSP126）可缓冲片段化与生物多样性丧失，中高排放（SSP245、SSP370、SSP585）引致生境质量非线性下降与临界点级联效应；局限含未建实时动态预测、仅用最大熵(MaxEnt)单模型未融合多模型与物种互作及人为干扰等；未来需集成堆叠(stack)策略的学习框架并纳入互作网络与人类活动强度梯度。

结论部分研究人员翻译总结为：本研究基于优化最大熵(MaxEnt)模型集成物种分布与多环境因子系统评估了中国无梗五加当前与未来潜在适宜生境分布与演化趋势；模型训练与测试AUC均>0.96，精度高；识别温度季节性(Bio4)、最暖季降水量(Bio18)、粉粒含量(silt)、最暖月最高温(Bio5)为关键驱动因子，响应曲线提供生态适应性见解；不同共享社会经济路径(SSP)下适宜生境显著变化：低排放(SSP126)中、低适宜区一定程度扩张提供缓冲；高排放（如SSP585）高适宜区剧减，总适宜生境退化，质心向西北内陆迁移；该变化反映变暖对生态位的直接冲击与物种分布空间重组的复杂性；尽管模型未纳入生物互作、人为干扰且仅用单模型，但优化MaxEnt成功实现高时空精度模拟，为就地与非就地保护提供可靠定量决策依据；总体为该种生境时空分布与气候变化下动态演化提供科学基础，对生物多样性保护与区域生态安全具重要意义。