《Frontiers in Plant Science》：Climate-driven redistribution of foxtail millet (Setaria italica) suitability in China revealed by biomod2 ensemble models: implications for dryland crop adaptation
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摘要
谷子（Setaria italica）是中国最早驯化的谷类作物之一，在旱地农业、种质资源保存和气候韧性农业中仍具有重要意义。然而，气候变暖和降水格局改变可能重塑其农业气候适宜性，并对传统产区构成挑战。本研究将1,948条经筛选的分布记录与气候、地形、土
摘要
谷子（Setaria italica）是中国最早驯化的谷类作物之一，在旱地农业、种质资源保存和气候韧性农业中仍具有重要意义。然而，气候变暖和降水格局改变可能重塑其农业气候适宜性，并对传统产区构成挑战。本研究将1,948条经筛选的分布记录与气候、地形、土壤和UV-B辐射变量相结合，利用biomod2集成物种分布模型框架预测谷子在中国潜在的适宜分布区。预测基于历史基线和CMIP6 BCC-CSM2-MR未来气候情景，涵盖SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5四种共享社会经济路径，时间跨度为2030年代、2050年代、2070年代和2090年代。所选用的EMwmeanByTSS集成模型表现出良好的判别能力和可接受的预测性能，验证集ROC和TSS值分别为0.863 ± 0.011和0.581 ± 0.022。年降水量（bio12，29.61%）、海拔（elev，28.07%）、最冷月最低温（bio06，14.23%）和UV-B季节性（uvb2，10.93%）为主要预测因子，联合贡献率达82.82%。在历史基线下，潜在适宜区总面积为4.09 × 10? km2（占中国陆地面积的44.22%），高适宜区集中于华北平原、黄土高原东部和东北地区南部边缘。在未来SSP情景下，适宜区总面积增至4.29 × 10?–4.87 × 10? km2，增幅为4.77%–18.87%。扩展区域主要分布在当前适宜区的北部和外围边缘，而收缩区域出现在南部、西南部和过渡边缘。适宜性质心自豫北向晋中南方向出现轻微北移至西北偏移，至2090年代净位移为113.33–232.79 km。总体而言，未来适宜性预计呈现核心区稳定、边缘扩展、局部收缩和质心迁移有限的空间格局。上述发现为稳产区域保护、区域品种试验、种质资源保存和气候适应性旱地农业规划提供了空间依据。
**基于biomod2集成模型的中国谷子气候适宜性再分布研究解读**
**一、研究背景与科学问题**
谷子作为中国北方旱作农业的代表性作物，具有生育期短、耐旱性强、耐贫瘠和水分利用效率高等突出特点，在干旱、半干旱及季风边缘区的农业生产中占据重要地位。中国北方旱作农业系统正面临日益频繁的极端气候事件，包括 intensified 干旱事件、热浪和复合高温干旱条件，这些极端事件已显著影响作物生长和产量稳定。在此背景下，重新评估谷子的潜在适宜分布及其未来空间重组，对于优化旱作种植制度、保护区域种质资源和提升农业韧性具有重要意义。然而，已有研究多基于单一算法进行适宜性预测，不同建模方法带来的不确定性很少被系统评估，且大多关注当前适宜格局的描述，对适宜等级转换、空间扩展与收缩、质心迁移等未来动态的综合评估仍然有限。因此，需要建立稳健的集成建模框架，提供更可靠的预测结果，并识别需要田间验证和适应性管理的重点区域。
**二、研究内容与主要结论**
研究人员构建了集成物种分布模型（Ensemble Species Distribution Model, ESDM）框架，整合谷子分布记录与环境预测变量，系统预测了中国谷子当前和未来的潜在适宜分布。研究取得以下核心结论：所选用的基于TSS加权的集成模型（EMwmeanByTSS）具有良好判别能力和可接受预测性能；年降水量、海拔、最冷月最低温和UV-B季节性为优势预测因子；未来气候情景下适宜区总面积将增加4.77%–18.87%，空间格局呈现核心稳定、边缘扩展、局部收缩的特征；适宜性质心向西北方向迁移但位移有限。该研究发表在《Frontiers in Plant Science》，为谷子稳产区域保护、品种试验布局和气候适应性旱作农业规划提供了空间决策依据。
**三、主要技术方法**
研究人员从中国数字植物标本馆、全球生物多样性信息机构（GBIF）、中国作物种质资源信息系统等平台收集约5,000条谷子分布原始记录，经空间筛选和质量控制后保留1,948条有效记录用于建模。采用8种单算法模型，包括分类树分析（CTA）、灵活判别分析（FDA）、广义线性模型（GLM）、广义提升模型（GBM）、随机森林（RF）、最大熵（MAXENT）、多元自适应回归样条（MARS）和极端梯度提升（XGBOOST），并利用ENMeval包优化MaxEnt参数。通过三种集成策略（EMmean、EMca、EMwmean）构建集成模型，最终选用EMwmeanByTSS作为预测模型。环境变量经Pearson相关分析和主成分分析筛选取12个用于建模。未来气候数据采用CMIP6框架下BCC-CSM2-MR模型的四种共享社会经济路径（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5），预测时段覆盖2030年代至2090年代。采用Jenks自然断点法划分适宜性等级，并通过SDMtoolbox进行范围变化和质心迁移分析。
**四、研究结果**
**4.1 模型评价与集成选择**：8种单算法模型的ROC值范围为0.797至0.867，TSS值范围为0.456至0.558，KAPPA值范围为0.427至0.511。RF的ROC和KAPPA值最高，MAXENT的TSS值最高。MARS、MAXENT、RF和XGBOOST均表现出较强判别能力，而CTA和FDA评价指标相对较低。三种集成策略中，EMwmeanByTSS具有最高TSS值，与EMmean共享最高ROC值，故被选为最终模型。
**4.2 环境变量重要性与响应曲线**：年降水量（bio12）贡献率最高（29.61%），其次为海拔（28.07%）、最冷月最低温（bio06，14.23%）和UV-B季节性（uvb2，10.93%），四者联合贡献达82.82%。响应曲线显示，谷子在年降水量约500–800 mm时维持较高适宜性；低海拔区域适宜性最高，在约100–300 m处达到峰值；对最冷月最低温呈单峰响应，高适宜区间约为-15至-5 °C；UV-B季节性呈单峰响应，在约1.40–1.70 × 10?区间适宜性较高。
**4.3 当前潜在适宜分布**：历史基线下谷子潜在适宜区总面积4.09 × 10? km2，占中国陆地面积的44.22%。高适宜区集中于华北平原、黄土高原东部和东北南部边缘，涵盖山西、河北、河南、山东、陕北、内蒙古东南部、辽宁南部和吉林南部等地。阈值评估显示漏检率仅1.20%，表明所选取阈值能捕获98.80%的已知分布记录。
**4.4 未来适宜性等级变化**：未来SSP情景下适宜区总面积增至4.29 × 10?–4.87 × 10? km2，增幅4.77%–18.87%。低适宜区和高适宜区面积均趋于增加，而中适宜区面积在不同情景和时期间波动。SSP5-8.5的2090年代出现最大总适宜面积，SSP3-7.0的2090年代出现最大高适宜面积。
**4.5 范围扩展与收缩**：所有未来时期和情景下扩展面积均大于收缩面积。2090年代扩展面积达0.44 × 10?–0.98 × 10? km2，净增0.30 × 10?–0.77 × 10? km2。扩展区域主要位于当前适宜区的外围和北部边缘，包括东北北部、内蒙古中东部、黄土高原边缘等；收缩区域主要散布于当前适宜区的南部和西南部边缘。
**4.6 质心迁移**：历史基线下适宜性质心位于豫北（35.32°N，113.47°E）。至2090年代，各情景下质心北移至36.30°–37.29°N，净位移113.33–232.79 km，整体方向为北向至西北向，最大位移出现在SSP3-7.0情景。所有情景下质心仍位于中国北方旱作农业区之内。
**五、讨论部分总结**
研究人员在讨论中指出，集成建模显著提高了预测稳定性，减少了单一算法的依赖性和不确定性。水分供给、海拔和冷温限制共同塑造了高适宜区的空间格局，其中年降水量是最强预测因子，高适宜性对应500–800 mm降水区间，这与谷子作为旱地作物需有限但非严重亏缺水分供给的生态特性一致。当前高适宜区与中国北方粟作农业历史核心区高度吻合，且与谷子种质资源的地理分化格局相符。未来变化呈现核心稳定、边缘扩展和局部收缩的特征，扩展主要发生在当前适宜区的外围边缘，而非核心区整体迁移。南部和西南部边缘的局部收缩提示气候变化并非简单扩展适宜性，高降水、湿热胁迫和季节错配可能导致部分地区适宜性下降。质心位移有限（最大232.79 km），表明未来空间重组是围绕既有核心的边缘调整而非长距离迁移。研究人员同时指出模型局限：未区分春播和夏播生态型、未纳入土地利用约束、UV-B辐射未来预测未考虑大气成分变化等。
**六、研究结论**
利用1,948条分布记录和多源环境预测变量，本研究应用biomod2集成物种分布模型评估了谷子在中国当前和未来的潜在适宜分布。所选EMwmeanByTSS集成模型表现出良好判别能力和可接受的预测性能，适用于国家尺度的适宜性评估。环境变量分析表明，年降水量、海拔、最冷月最低温及UV-B季节性是主要预测因子，联合贡献率82.82%，说明谷子的潜在适宜性主要受水分可利用性、地形—热量梯度、冷温限制和辐射季节性约束。历史基线下谷子潜在适宜区面积为4.09 × 10? km2，占中国陆地面积的44.22%，高适宜区主要分布在华北平原、黄土高原东部和东北南部边缘。在CMIP6 BCC-CSM2-MR未来情景下，适宜区总面积增至4.29 × 10?–4.87 × 10? km2，表明未来气候变化下潜在适宜性总体扩展。然而，这种扩展在空间上是不均匀的：现有核心区适宜性稳定，北部和外围边缘出现扩展，南部、西南部和过渡边缘出现局部收缩。总体而言，未来气候变化预计将驱动谷子适宜性在中国发生空间重组而非整体迁移。适宜性质心仅从豫北向晋中南方向中等程度迁移，最大净位移为232.79 km，表明在中国北方旱作农业区内存在有限的北向—西北向移动。上述发现强调现有核心产区对稳产和种质保存的持续重要性，而预测扩展区应优先开展区域品种试验和适应性田间验证，而非立即进行大规模种植。
