气候变化对巴西Caatinga地区Melocactus属仙人掌物种分布的影响

《Tropical Ecology》：Climate change affects the distribution of cacti species of the genus Melocactus in the Brazilian Caatinga

　　

预计气候变化将导致气温升高、降水减少以及南美洲最大的热带干旱森林区域（Caatinga）的干旱化，这一趋势将随着本世纪的推进而加剧。气候变化已显著影响植物物种的分布，尤其是在干旱地区。本研究结合大尺度机制，探讨气候变化是否影响巴西Caatinga地区仙人掌物种地理范围的扩张与收缩。本研究的具体目标为：（1）评估环境变量在解释Melocactus属仙人掌物种分布中的贡献；（2）识别气候变化对三种特有仙人掌物种范围迁移预测的影响；（3）评估气候变化对确定潜在适宜扩张与收缩区域的影响。研究人员在两种共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSP）SSP2和SSP5下，评估了这些物种在2050年和2070年两个时间段的范围变化。结果表明，最暖月最高温度变量对Melocactus bahiensis和Melocactus ernestii的分布具有最重要的贡献，而年降水量变量对Melocactus zehntneri最重要。结果还表明，在SSP5情景下，2070年基线适宜面积将发生显著变化，主要由收缩驱动。此外，结果表明Melocactus ernestii可能丧失其基线范围的97%，而M. bahiensis和M. zehntneri可能分别丧失91%和50%。结果还显示，主要受温度影响的物种预计将成为气候变化的最大损失者。研究人员的发现有助于保护预计保持或变得适宜的区域，并在当前和未来范围内保护这些物种。

**气候变化对巴西Caatinga地区Melocactus属仙人掌物种分布的影响——论文解读**

**研究背景与科学问题**

政府间气候变化专门委员会（IPCC）的气候变化综合报告指出，人类活动对全球变暖产生了明确影响，并已在全球各区域引发前所未有的快速变化。干旱区是对气候变化最敏感的区域之一，约占全球陆地面积的47%，其中巴西的Caatinga生物群落是南美洲最大的季节性干旱热带森林，覆盖面积达844,453 km²，相当于巴西半干旱地区的75%。该区域分布有108种原生仙人掌科（Cactaceae）植物，其中多种已因土地利用变化、非法采挖和气候变化而面临灭绝风险。然而，并非所有仙人掌物种都会受到气候变化的负面影响，部分柱状仙人掌可能扩展其分布范围，而另一些则面临严重的局部灭绝风险。这种差异引出了关键生态学问题：哪些物种具有足够的恢复力以扩展其分布区（赢家物种），哪些物种容易丧失适宜生境（输家物种）。为回答这一问题，研究人员选择Caatinga中记录数量最多的球形仙人掌属——Melocactus属，以其中三种特有物种（M. bahiensis、M. ernestii和M. zehntneri）作为模型，研究气候变化对其未来分布的影响，旨在为保护潜在的避难所（refugia）提供科学依据。

**研究内容与总体结论**

研究人员综合使用物种分布模型（Species Distribution Model，SDM），结合气候与地形变量，评估了环境因素对三种Melocactus物种分布的贡献，预测了在不同共享社会经济路径（SSP2和SSP5）下2050年和2070年的适宜生境变化。结果显示，最暖月最高温度（Bio5）是影响M. bahiensis和M. ernestii分布的主导变量，而年降水量（Bio12）对M. zehntneri最重要。气候变化将导致所有三个物种的基线适宜范围显著收缩，其中温度和降水主导的响应存在差异：以温度为主要驱动因子的物种损失最为严重。该研究首次对Caatinga中球形仙人掌进行了此类评估，为制定适应性保护策略提供了关键信息。

**关键技术方法概述**

研究数据来自全球生物多样性信息机构（GBIF）数据库，经去重和空间稀疏化后获得三个物种的样本（M. bahiensis 30条、M. ernestii 62条、M. zehntneri 128条）。使用最大熵模型（Maximum Entropy，MaxEnt）和增强回归树（Boosted Regression Tree，BRT）两种机器学习方法建模，筛选自WorldClim 2.1的21个变量，通过相关性和主成分分析（PCA）降维至8个。模型以75%数据训练、25%评估，重复20次；通过曲线下面积（AUC）和部分受试者工作特征曲线（partial ROC）检验统计显著性，利用遗漏率评估性能。未来气候使用HadGEM3-GC31-LL模型，在SSP2和SSP5情景下分别对2050和2070年进行预测，并采用移动取向奇偶性（MOP）分析评估外推风险。

**研究结果**

**模型性能**
MaxEnt和BRT生成的模型均具有可靠的预测能力，各物种的平均AUC值在MaxEnt中为0.84–0.88，在BRT中为0.80–0.87。所有真实物种模型的AUC值均显著高于随机零模型（大于95%百分位），且partial ROC检验表明p＜0.05，说明模型在统计上显著优于随机。MaxEnt的测试遗漏率（0.03–0.21）低于BRT（0.06–0.35），且性能略优（Cohen's d效应量和遗漏率），因此后续分析基于MaxEnt。

**预测变量贡献**
变量贡献分析显示，Bio5对M. bahiensis（36.7%）和M. ernestii（60.6%）的贡献最大，Bio12对M. zehntneri（60.0%）贡献最大。适宜性与这些主要变量呈负相关：当最暖月最高温度超过27°C（M. bahiensis）或24°C（M. ernestii）时，生境适宜性下降；M. zehntneri则偏好年降水量400–700 mm的区域。贡献最小的变量包括降水季节性（Bio15）、坡向（Aspect）和海拔（Altitude），均低于2%。

**气候变化对生境适宜性的影响**
基于MaxEnt模型的结果显示，三个物种在未来所有情景下均只出现范围收缩，没有范围扩张。SSP5/2070情景下损失最严重：M. ernestii将丧失基线面积的97%（仅剩9,325 km²），M. bahiensis丧失91%（仅剩31,037 km²），M. zehntneri丧失50%（留存191,176 km²）。箱线图分析进一步表明，收缩区域的最高温度平均值接近36°C，说明温度升高是限制未来分布的主要因素；而收缩区域的年降水量与当前范围相似，降水的影响不明确。研究人员还识别出未来可能的避难所，这些区域具有较低的年降水量区间，其中M. zehntneri对低降水表现出最强的耐受性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，该研究是首次针对Caatinga中球形仙人掌属物种进行的分布影响评估，有助于填补该区域科学研究的空白。结果表明，Melocactus属物种的分布主要由气候驱动，支持了仙人掌物种分布的气候假说。最暖月最高温度作为关键预测因子，在其他仙人掌研究中也有类似发现；而年降水量的影响具有物种特异性。研究的局限性包括未考虑生物相互作用、扩散能力和进化适应等。在保护意义上，研究人员强调，气候变化是仙人掌物种灭绝的重要风险因素，保护管理者应将气候变化情景纳入行动规划，重点保护预测的避难区域，并考虑物种当前及未来的分布范围。

结论部分翻译如下：本研究分析了气候和地形两组环境变量，结果表明Melocactus属物种主要受气候因素影响，支持了仙人掌分布的气候假说。温度和降水是决定生境适宜性的关键因素。其中，最暖月最高温度对M. bahiensis和M. ernestii分布的影响最大，而年降水量对M. zehntneri影响最大。基于生态位模型的未来预测显示，这三种球形仙人掌的适宜气候区将在整个21世纪逐渐收缩。这一预期下降凸显了保护管理者和利益相关方需要采取适应性策略，以确保这些物种在快速变化的Caatinga景观中持续生存。