基于MaxEnt模型的中国小叶锦鸡儿潜在分布研究

《Scientific Reports》：Potential distribution study of Caragana microphylla in China based on MaxEnt modeling

　　

气候、土壤因子和地形对物种的空间分布起着决定性作用。预测小叶锦鸡儿（Caragana microphylla Lam.）随时间的潜在分布，对于维持中国西北地区的生态平衡、水土保持以及生态服务评估具有重要意义。在本研究中，研究人员利用全球生物多样性信息服务（GBIF）和SDM Toolbox v2.5，对103条小叶锦鸡儿分布记录进行了空间自相关剔除。随后，研究人员采用最大熵模型（MaxEnt）和ArcGIS软件，结合相关性分析，筛选出6个气候因子、23个土壤因子和3个地形因子，分析小叶锦鸡儿的潜在适生栖息地，并预测其在三种共享社会经济路径（SSP）情景（2030年、2050年、2070年）下的分布变化。结果表明：（1）当前适生栖息地面积为332.9万平方公里（占中国的34.7%），主要分布在北方地区；（2）年降水量（bio-12，350–400毫米）、坡度（89–90°）、最冷季度降水量（bio-19，0–10毫米）、表层土壤碳酸钙含量（t_CaCO?，3–5%）和温度季节性（bio-4，1060–1080）是主导因子（累计贡献率为67.6%）；（3）与SSP12.6相比，较高CO?浓度情景（SSP37.0）下适生面积增加；（4）未来分布中心将向西迁移，最大位移（448.51公里）出现在2050年SSP24.5情景下。建议优先保护内蒙古和新疆的现有种群，而辅助迁移计划可针对高排放情景下的西部扩展区。在秦岭等脆弱地区，应采取土壤改良措施，以缓解极端降水事件（>50毫米）造成的水涝风险。此外，应在物种分布范围内建立长期监测网络，动态评估小叶锦鸡儿种群变化，并为适应性管理策略提供信息。

植物是生态系统物质循环和能量流动的基础，全球气候变化和土壤因子通过影响栖息地显著改变物种分布。随着人类活动加剧，气候变暖和地表扰动日益增强，气候和土壤因子成为驱动物种分布变化的关键因素，进而影响生态系统的结构与功能。生态位模型（ENM）通过量化物种出现记录与环境变量之间的关系，成为研究物种潜在分布的重要工具；其中最大熵模型（MaxEnt）因预测精度高、操作简便和解释力强而得到广泛应用。小叶锦鸡儿（Caragana microphylla Lam.）是豆科锦鸡儿属多年生落叶灌木，广泛分布于内蒙古草原，具有防风固沙、水土保持和饲用价值。然而，当前对其在不同未来气候情景下潜在适生区变化及迁移规律的研究仍不充分。为此，研究人员基于MaxEnt模型和ArcGIS软件，结合当代与未来（2030、2050、2070年）三种共享社会经济路径（SSP12.6、SSP24.5、SSP37.0）情景，开展中国小叶锦鸡儿潜在分布区模拟，旨在揭示主导环境因子、适生区的时空动态和质心迁移特征，为物种保护与生态恢复提供科学依据。该论文发表在《Scientific Reports》。

本研究使用的小叶锦鸡儿分布数据来源于全球生物多样性信息服务（GBIF）平台，经筛选和10公里阈值空间自相关剔除后，保留103个有效分布点。环境变量包括19个生物气候变量、土壤因子和地形因子，通过皮尔逊相关系数检验（|r|≥0.85）剔除高相关变量后，最终选取32个环境变量（6个气候、23个土壤、3个地形）用于建模。采用MaxEnt模型，以自助抽样法随机选取25%分布点作为测试集，最大迭代次数为1×10⁶，重复10次；利用受试者工作特征曲线下面积（AUC）评价模型精度，并通过刀切法检验环境变量重要性，最后用ArcGIS 10.2对适生等级进行划分和面积统计。

模型精度：ROC曲线分析显示，模型AUC值为0.868，表明预测结果具有高准确性和可靠性。10次重复运行的标准差为±0.015，核心分布区（如内蒙古）的AUC达0.89，高于类似干旱区灌木物种的典型精度范围（AUC 0.75–0.85），验证了集成气候和土壤驱动因子建模的有效性。

主导环境变量：各环境因子贡献率分析显示，年降水量（bio-12）贡献率最高（18.4%），其次为坡度、最冷季度降水量（bio-19）、表层碳酸钙含量（t_CaCO₃）和温度季节性系数（bio-4），累计贡献率为67.6%。响应曲线表明，小叶锦鸡儿最适生长条件为年降水量350–400毫米、坡度89°–90°、最冷季度降水量0–10毫米、表层碳酸钙含量3%–5%、温度季节性系数1060–1080。年降水量是最关键的限制因子；陡坡有利于排水，避免水涝导致根腐，同时可减少阳光直射和水分蒸发。

当前气候和土壤条件下小叶锦鸡儿的潜在栖息地带：当前适生区主要分布在北方13个省份，核心区域位于内蒙古中南部、陕西北部、山西中部、河北中部、甘肃中部和宁夏东部，零散见于东北和新疆部分地区。总体上，适生区集中于黄土高原、内蒙古高原、华北平原、东北平原以及天山和阿尔泰山之间的准噶尔盆地，均位于北纬30°以北。

小叶锦鸡儿当前和未来潜在栖息地面积建模：当前总适生面积约为332.9万平方公里。未来情景下，2030年SSP37.0情景的总适生面积增加至超过700万平方公里，高适生区面积增幅最大；2050年SSP37.0情景下三类适生区均减少，总适生面积缩小至153.4万平方公里；2070年三种情景下总适生面积均增加，其中SSP24.5情景增幅最大，为当前的两倍。总体而言，中高浓度排放路径下的潜在适生区面积高于低浓度路径。

小叶锦鸡儿潜在栖息地空间格局变化：相比当代，2030-SSP37.0、2050-SSP24.5和2070-SSP24.5情景下适生区面积增益最大，新增区域主要在内蒙古西北部、新疆西北部、青海、甘肃、东北地区以及陕西南部等；适生区丧失集中在秦岭地区、新疆西北部、内蒙古西北部、甘肃东南部及东北部分省份。未来高排放情景下，部分地区适生区面积虽可能扩大，但整体分布浓度趋向降低，生境破碎化风险增加。

适生栖息地质心迁移：当代质心位于内蒙古集宁市以西。2030年SSP37.0情景下质心向西南迁移425.24公里，为同年份各情景中最远；2050年SSP24.5情景下迁移距离最大（448.51公里），表明该情景最有利于小叶锦鸡儿生长；2070年三种情景下质心均向西迁移，迁移距离约319–351公里。未来无论何种情景，质心仍将位于中国北方内陆，但整体表现出向西迁移趋势。

讨论部分指出，影响小叶锦鸡儿分布的主导因子是水分和温度条件，其中年降水量作用最突出。中高浓度排放情景下适生区面积增加，可能与CO₂浓度升高促进灌木生长有关；但极端降水等不确定性因素可能导致适生区丧失和生境破碎化。研究据此提出保护管理建议：优先保护内蒙古和新疆现有种群；利用无人机定位冬季积雪区，进行微地形改造并结合卫星遥感和地面传感器构建“降水-土壤-生长”预警系统；在高排放情景下对中国西部（如新疆）潜在适生区实施辅助迁移，并采取砾石覆盖等土壤改良措施；沿迁移路径建立长期监测网络以动态调整管理策略。

研究结论可归纳为：（1）当前气候条件下，小叶锦鸡儿的潜在栖息地涵盖中国东北和华北大部分地区及西北小部分地区，面积约332.9万平方公里，占中国陆地面积的34.7%。（2）影响分布的主导环境变量为年降水量（bio-12）、坡度、最冷季度降水量（bio-19）、表层碳酸钙含量（t_CaCO₃）和温度季节性系数（bio-4），累计贡献率67.6%；最适条件为年降水量350–400毫米、坡度89°–90°、最冷季度降水量0–10毫米、表层碳酸钙含量3%–5%、温度季节性系数1060–1080；年降水量是最重要的因子。（3）当前适生区集中于华北，未来高浓度排放情景下潜在适生区面积较之低浓度情景有所增加，表明较高的大气CO₂浓度有利于灌木生长。总体上小叶锦鸡儿预计能较好适应未来气候，但高排放情景下存在显著适生区丧失，可能与极端降水变化等因素有关，导致生境破碎化加剧。丧失区主要在陕西秦岭、新疆西北部、内蒙古西北部、甘肃东南部及东北部分地区；增加区主要在新疆大部、内蒙古西部和东北部、黑龙江南部、吉林南部、辽宁沿海以及云南、贵州、四川、湖北、安徽、江苏南部等区域。（4）气候模型预测小叶锦鸡儿的分布中心将向西迁移，至2070年仍位于中国北方内陆。2050年SSP24.5情景下迁移距离最大（448.51公里），该情景最有利于其生长和范围扩张。（5）为应对气候变化、土壤和地形等环境因子，应优先保护内蒙古和新疆的现有种群；在高排放情景下对西部适生区进行辅助迁移，采取土壤改良措施以缓解极端降水危害，并建立长期监测网络以动态评估种群变化和调整管理策略。