埃塞俄比亚经济与生态重要薯蓣属物种的栖息地适宜性及生态生理驱动因素：对粮食安全与保护的意义

《Environmental and Sustainability Indicators》：Habitat Suitability and Eco-physiological Drivers of Selected Economically and Ecologically Important Dioscorea species: Implications for Food Security and Conservation in Ethiopia

　　

摘要译文：
山药是埃塞俄比亚南部、西南部和西部小农的重要多用途块茎作物，为粮食安全、收入创造、传统医药和耕作系统的韧性做出贡献。尽管其重要性显著，但其气候韧性仍知之甚少。山药生产受生物和非生物因素影响，包括气候变化、干旱、土地利用变化、土壤贫瘠、病虫害。关于这些因素如何影响山药栖息地适宜性和生产潜力的信息有限。本研究预测了在不断变化的环境条件下，黄独（Dioscorea bulbifera）、几内亚薯蓣（Dioscorea cayenensis）和参薯（Dioscorea alata）在埃塞俄比亚的生态阈值、当前和未来栖息地适宜性及分布。研究人员从文献、埃塞俄比亚国家植物标本馆、全球生物多样性信息机构（GBIF）、埃塞俄比亚生物多样性研究所（EBI）和WorldClim数据库汇编了物种出现记录。经空间过滤后，分别使用343个、215个和191个出现点以及15个、13个和16个环境预测变量对参薯、黄独和几内亚薯蓣进行建模。采用包含六种算法（广义线性模型GLM、增强回归树BRT、最大熵模型MaxEnt、支持向量机SVM、多元自适应回归样条MARS和随机森林RF）及10次重复的集成建模方法。研究人员预测了当前和未来气候情景（共享社会经济路径SSP4.5和SSP8.5）下2050年代和2070年代的栖息地适宜性。确定的参薯关键预测变量为Bio14、Bio15、Bio18、Bio19、土壤有机碳（SOC）和太阳辐射（SR）；黄独为Bio15、Bio19、SOC、Bio18、Bio9、Bio7和阳离子交换量（CEC）；几内亚薯蓣为SOC、Bio7、Bio15、SR、Bio14、Bio19、Bio18和Bio9，而土壤pH影响最小。模型性能优异：参薯的受试者工作特征曲线下面积（AUC）=0.95，真技能统计量（TSS）=0.8；黄独的AUC=0.92，TSS=0.72；几内亚薯蓣的AUC=0.93，TSS=0.74。目前，埃塞俄比亚南部和西南部是最适宜区域，参薯适宜面积约86,263 km²，黄独约12,089 km²，几内亚薯蓣约50,353 km²。在最严峻的气候变化情景（SSP8.5）下，预计到2070年代适宜栖息地将显著扩展。栖息地范围面积可能分别增加117,456.90 km²（36.2%）、232,994.75 km²（90.8%）和278,009.34 km²（452.1%），分别对应参薯、黄独和几内亚薯蓣。未来适宜性显著扩展到埃塞俄比亚中部和西北部，特别是黄独和几内亚薯蓣。这些发现突显了通过有针对性的政策、推广和能力建设来增强气候适应能力、农民生计和粮食安全的机遇，并为改善埃塞俄比亚山药管理实践提供了科学依据。

# 埃塞俄比亚三种经济与生态重要薯蓣属物种栖息地适宜性及生态生理驱动因素研究解读

## 一、研究背景与意义

全球范围内，非生物和生物胁迫是限制作物生产力的最主要不利环境条件，其影响程度取决于胁迫的严重性、持续时间和发生频率。在大多数非洲国家，小规模农业系统高度依赖雨水灌溉，使其极易受到不可预测的温度和降水变化影响，这种不可预测性导致作物反复歉收和产量下降，加剧了发展中国家的粮食不安全状况。埃塞俄比亚的农业因依赖自给性农业和不稳定的降雨模式，属于气候脆弱性最高的耕作系统之一，该国频繁遭受干旱，气候变率及其相关干旱已被确定为粮食不安全和饥荒的主要驱动因素。

薯蓣属（Dioscorea）包含全球600多种，非洲占全球产量的97.1%。山药在埃塞俄比亚是重要的多用途块茎作物，为粮食安全、收入创造、传统医药和耕作系统韧性做出贡献。埃塞俄比亚被认为是山药的起源和多样性中心之一，记录了11种薯蓣属物种。南部和西南部地区展现出最大的山药遗传多样性。然而，尽管山药在埃塞俄比亚具有多样性，但相较于西非，其研究不足且利用不充分，作为"孤儿作物"获得的研究投资和政策关注有限。山药生产日益受到向谷类作物转变的威胁，气候变化、土壤退化、干旱、农艺管理不善、储存设施差、病虫害以及缺乏改良品种和技术等是主要限制因素。在此背景下，了解山药物种的生态需求和分布模式，特别是在未来气候情景下的变化，对于改善粮食安全和小农山药种植者的生计至关重要。物种分布模型（SDM）为此提供了有用的分析框架。

## 二、研究目标与研究设计

本研究旨在评估全球变暖的影响，绘制当前和未来栖息地适宜性图，识别物种分布的关键环境驱动因素，并评估黄独（Dioscorea bulbifera）、几内亚薯蓣（Dioscorea cayenensis）和参薯（Dioscorea alata）在埃塞俄比亚的栖息地范围变化。研究人员假设气候变化、生态生理因素和人类活动强烈塑造适宜栖息地，预测图可支持埃塞俄比亚的保护、生产和未来研究。

## 三、主要技术方法概述

本研究在埃塞俄比亚全域开展，覆盖面积1.13×10⁶ km²。物种出现数据收集自埃塞俄比亚国家植物标本馆（亚的斯亚贝巴大学）、埃塞俄比亚生物多样性研究所（EBI）、全球生物多样性信息机构（GBIF）、WorldClim数据库及已发表文献。经空间稀疏化处理后，黄独、几内亚薯蓣和参薯分别保留343个、215个和191个出现点。环境变量从WorldClim 2.1版获取当前（1970-2000年）和未来（2050年代和2070年代）气候数据，包括19个生物气候变量及土壤、地形、土地利用等共32个候选预测变量，经皮尔逊相关分析和方差膨胀因子（VIF）筛选后分别保留15个、13个和16个变量。研究采用集成建模方法，结合六种算法（广义线性模型GLM、增强回归树BRT、最大熵模型MaxEnt、支持向量机SVM、多元自适应回归样条MARS和随机森林RF）进行10次重复，以真技能统计量（TSS）加权平均生成集成预测。模型性能通过受试者工作特征曲线下面积（AUC）、TSS、敏感性和特异性评估。

## 四、主要研究结果

### 4.1 模型性能与变量重要性

集成模型展现出优异的预测能力：参薯的AUC=0.95±0.02，TSS=0.80±0.04；黄独的AUC=0.92±0.03，TSS=0.72±0.07；几内亚薯蓣的AUC=0.93±0.03，TSS=0.74±0.08。在六种算法中，随机森林（RF）和最大熵模型（MaxEnt）记录了最高的AUC和TSS值，而广义线性模型（GLM）的预测值最低。低方差值表明模型能一致且准确地预测研究物种的高、低适宜性区域。变量重要性分析显示，参薯分布主要由最干月降水量（Bio14；22%）、降水季节性（Bio15；18%）、最暖季降水量（Bio18；11%）、最冷季降水量（Bio19；10%）、土壤有机碳（SOC；10%）和太阳辐射（SR；8%）决定；黄独的分布主要由Bio15（17%）、SOC（13.9%）、Bio19（13.6%）、Bio18（10%）、最干季平均温度（Bio9；9.8%）和年温度范围（Bio7；9.1%）决定；几内亚薯蓣的分布主要由SOC（11%）、Bio7（10%）、Bio15（9.8%）、SR（9.2%）、Bio14（8.9%）、Bio18（8%）、Bio19（7%）和土地利用/覆盖变化（5.1%）决定。土壤pH对三种物种分布的影响均较低。

### 4.2 参薯当前和未来栖息地适宜性

参薯当前适宜栖息地覆盖86,265.8 km²，主要集中在埃塞俄比亚南部、中部和西南部，包括东阿尔西、巴莱、沃莱加、伊卢巴博、吉马、邦加、谢科、加莫戈法、谢瓦高地、哈拉热、锡达马、格德奥、沃莱塔、南奥莫、米赞阿曼和凯法等地区，而东南部和北部大部分地区仍不适宜。未来预测显示，在SSP 8.5情景下2050年代适宜面积将增加48.03%，2070年代增加58.09%。

### 4.3 黄独当前和未来栖息地分布

黄独当前分布在122,103.4 km²区域内。预测表明，在SSP 4.5情景下2050年代适宜栖息地可扩展至214,301.554 km²（增加85%），2070年代扩展至233,050.644 km²（增加102.8%）。最显著的面积增加出现在SSP 8.5情景下。南部、西南部、西北部、中部埃塞俄比亚以及特定区域如提克迪盖至胡梅拉、西贡德尔、西提格雷（塔卡泽河谷）、戈贾姆、凯法、甘贝拉、谢瓦高地、加莫戈法、巴斯凯托特别区、东西沃莱加、吉马、伊卢巴博、锡达马、格德奥、谢科、南/北本奇马吉、米赞、东阿尔西、沃莱塔、孔塔、达武罗、贝尼尚古尔古马兹和布雷等地均为黄独的潜在适宜分布和生产区域。

### 4.4 几内亚薯蓣当前和未来栖息地分布

几内亚薯蓣当前分布在50,361.106 km²区域内，邦加、凯法、东西沃莱加、吉马、阿加罗、格德奥、锡达马、沃莱塔、加莫戈法、梅特克尔、阿尔西、巴莱、坎巴塔、米赞阿曼、谢科、古拉费尔达及南北本奇等地为潜在适宜栖息地。预测显示，在气候变化情景下适宜栖息地将大幅扩展，SSP 8.5情景下2050年代可达165,909.7 km²（增加232.14%），SSP 8.5情景下2070年代可达278,086.8 km²（增加466.50%）。最大的栖息地扩展预计出现在SSP 8.5/2070年代，从南部、西部和西南部扩展到贝尼尚古尔古马兹、戈贾姆和贡德尔等中部和西北部地区。

## 五、讨论与结论

本研究表明，集成模型能有效预测三种薯蓣属物种在当前和未来气候变化情景下的栖息地适宜性。当前气候条件下，埃塞俄比亚南部和西南部为三种物种提供适宜栖息地。未来气候预测（SSP 4.5和SSP 8.5）表明，到2050年代和2070年代栖息地适宜性将增加，到2070年代在SSP 8.5情景下，参薯适宜面积将从86,260.95 km²扩展至117,456.90 km²（增加58.09%），黄独从122,085.90 km²扩展至232,994.75 km²（增加102.79%），几内亚薯蓣从50,350.91 km²扩展至278,009.34 km²（增加466.50%）。黄独和几内亚薯蓣均从南部和西南部避难所向埃塞俄比亚西北部和中部显著扩展，这可能源于有利的未来气候、降水、土壤和环境条件。栖息地适宜性的增加为山药的保护、引种和可持续生产提供了机会，支持粮食安全、医药和农民生计。

降水变量（如Bio14、Bio15、Bio18、Bio19）和温度变量（如Bio7、Bio9）是决定三种薯蓣属物种分布的主要生态生理驱动因素，同时土壤有机碳（SOC）、太阳辐射（SR）、阳离子交换量（CEC）、植被覆盖和土地利用变化也起重要作用，而土壤pH影响最小。植被覆盖和土地利用变化是参薯分布的决定性变量，反映了埃塞俄比亚生态系统退化、生物多样性下降的现状。地形复杂性通过创造局部微气候的空间变异，在物种多样化中发挥重要作用。就黄独而言，降水季节性、SOC、最冷季降水量、最干季平均温度、最暖季降水量、年温度范围、CEC、土地利用变化和植被是主要预测变量，表明土壤肥力对黄独扩展的重要性。几内亚薯蓣的分布受SOC、年温度范围、太阳辐射、降水季节性、最干月降水量、最冷季降水量和土地利用变化等因素的影响，反映了山药对肥沃土壤的需求。

结论部分指出，栖息地适宜性扩展为埃塞俄比亚提供了战略机遇，可通过及时的政策支持、山药物种重新引种、意识提升、推广和能力建设措施来改善气候适应能力、韧性、农民生计和国家粮食安全。研究人员建议鼓励农民特别是在新适宜地区的农民通过将山药与现有作物整合来实现种植系统多样化；农业推广服务应提供山药农艺培训，包括适当品种、种植方法、病虫害管理和采后处理；在国家层面，将山药纳入农业发展战略并推广山药作为补充主食可以增强粮食系统韧性和长期粮食安全。此外，应对保护挑战、减少人类压力、支持以山药为基础的耕作系统、加强本土知识以及减轻气候相关威胁对埃塞俄比亚山药可持续生产至关重要。