气候变化背景下河南省恶性入侵植物时空动态与适生区预测研究

《Ecology and Evolution》：Spatiotemporal Dynamics and Climate Change Impacts on Massive Invasive Plants in Henan Province, China

　　

外来入侵植物物种因其深刻的生态破坏和巨大的经济损失而受到全球广泛关注。作为黄河中下游重要的生态屏障，河南省面临着日益增长的生物入侵压力，威胁当地生物多样性和生态系统完整性。本研究利用物种分布模型（Species Distribution Modeling, SDM）框架预测了17种恶性入侵植物在当前和未来气候条件下的潜在地理分布。研究结果表明，这些恶性入侵植物的适宜生境主要集中于河南省西部和南部地区。目前，对这17种恶性入侵植物高度适宜的高风险区域占全省陆地总面积的18.42%。在2050年未来气候情景下，该面积预计将减少至17.27%~15.99%，在最高温室气体排放情景（SSP585）下最大相对减少13.17%。此外，研究结果表明，未来这些入侵物种的分布将呈现从低海拔向高海拔迁移的趋势，并伴随向西南方向的迁移。本研究为入侵物种的风险评估和管理提供了科学依据，并为全球环境变化背景下的生物多样性保护和生态系统恢复力提供了有价值的指导。

生物入侵已成为全球生物多样性丧失和经济损失的主要驱动因素之一，其对原生生物群落和人类社会的影响正在迅速加剧。河南省作为黄河中下游重要的生态屏障和农业走廊，兼具暖温带与大陆性季风气候过渡特征，复杂的地形和气候异质性为入侵植物的定殖与扩散提供了有利条件。然而，以往针对该地区恶性入侵植物在气候变化下的时空动态研究仍显不足，区域性管理策略尚不明确。研究人员基于2023年至今在河南省多县开展的野外调查，结合《中国植物志》《河南植物志》及中国知网（CNKI）、国家植物标本资源中心（NPSRC）、中国外来入侵物种信息系统（IASC）等权威资料，并整合全球生物多样性信息机构（GBIF）和中国数字植物标本馆（CVH）的分布记录，经数据清洗和空间过滤后，最终保留了17种恶性入侵植物的2822条有效分布记录，利用最大熵模型（MaxEnt）预测其当前及2050年三种共享社会经济路径（SSP126、SSP245、SSP585）情景下的潜在适生区。该研究旨在明确河南省恶性入侵植物的现状分布特征、未来适生区变化趋势以及优先监测管理区域。

研究采用物种分布模型（SDM）中的MaxEnt模型，物种分布记录来源包括野外调查和在线数据库。环境变量共39个，涵盖19个生物气候变量（bio1–bio19）、16个表层土壤（0–30 cm）变量、3个地形变量（海拔、坡度、坡向）以及1个人类足迹变量。未来气候数据选用BCC-CSM2-MR全球气候模式，假设地形、土壤和人类足迹因子至2050年保持不变。模型采用75%训练数据、25%测试数据，进行10次重复自举（bootstrap）运算，根据贡献率和排列重要性筛选变量，并通过皮尔逊相关系数（|r| > 0.8）去除高相关变量以避免共线性。利用受试者工作特征曲线下面积（AUC）评估模型性能，所有物种的AUC值介于0.905至0.972之间，表明模型预测结果可靠。适生区以生境适宜性指数（HSI）≥0.4为阈值，通过ArcGIS叠加生成物种丰富度分布图，并计算适生区面积变化、收缩扩张范围及几何中心迁移轨迹。

### 3.1 河南省恶性入侵植物的分类学与物种组成

研究共记录到37种恶性入侵植物，均为被子植物，隶属12科25属。其中菊科（Asteraceae）物种最多，有14种，占41.18%；其次是苋科（Amaranthaceae）6种（17.65%），禾本科（Poaceae）和旋花科（Convolvulaceae）各3种（8.82%）。属水平上，鬼针草属（*Bidens* L.）记录4种（11.76%），飞蓬属（*Erigeron* L.）和苋属（*Amaranthus* L.）各3种（8.82%）。生活型以一年生或二年生草本为主（21种），繁殖方式以种子繁殖为主（29种），引入途径以有意引入为主（19种），生境以陆生为主（25种），原产地以北美（24次）和南美（21次）居多。该结果表明河南省恶性入侵植物在分类组成上具有明显的科属集中性，且以草本种子植物为主，与其高速繁殖和远距离传播能力密切相关。

### 3.2 MaxEnt模型性能

MaxEnt模型对不同时期和情景下各物种的AUC值范围为0.905至0.972，均大于0.9，表明所构建的物种分布模型性能优秀，模拟结果可靠，可用于预测和分析物种潜在地理分布。

### 3.3 当前与未来潜在分布区预测

当前17种恶性入侵植物的潜在适生区主要集中于河南省西部、南部及北部部分区域，高适生区总面积占全省的18.42%。至2050年，随温室气体排放浓度增加，适生区面积呈下降趋势，从SSP126情景下的17.27%降至SSP585情景下的15.99%，相对减少率介于6.25%至13.17%。当前适生区面积最大的物种为加拿大一枝黄花（*Erigeron canadensis*）、一年蓬（*Erigeron annuus*）和圆叶牵牛（*Ipomoea purpurea*），分别占全省面积的13.16%、10.82%和9.55%；而刺苋（*Amaranthus spinosus*）、苏门白酒草（*Erigeron sumatrensis*）和土荆芥（*Dysphania ambrosioides*）适生区面积最小，分别占3.54%、3.58%和3.84%。在物种层面，多数物种适生区面积预计缩减，但喜旱莲子草（*Alternanthera philoxeroides*）和白花鬼针草（*Bidens alba*）在三种情景下均呈扩张趋势，分别增加11.78%~24.44%和1.85%~8.37%。

### 3.4 从当前到2050年潜在分布区的变化

与当前相比，2050年三种气候情景下潜在生境均出现不同程度收缩，收缩面积随排放强度增加从3840 km²增至5270 km²，占当前适生区的13.29%~18.24%；扩张面积相对有限，为1470~2030 km²，占当前不适生区的5.07%~7.04%。空间上，河南省西部海拔0~2292 m区域呈现低海拔收缩、高海拔扩张的格局，表明恶性入侵植物有向更高海拔迁移的趋势；南部山区（0~1493 m）低海拔区域以收缩为主，高海拔区域已被入侵，进一步扩张空间有限。

### 3.5 恶性入侵植物适生区几何中心迁移趋势

当前适生区几何中心位于平顶山市新华区（113.071971°E, 33.773064°N）。至2050年，在三种情景下几何中心均向西南方向迁移至河南省鲁山县，迁移距离在SSP245情景下最短（约9.774 km），SSP585情景下最远（约16.815 km），表明未来适生区整体向西南方向移动。

### 3.6 当前物种丰富度潜在分布

低丰富度区域主要集中在郑州市（省会）、新乡市、开封市及太行山区；高丰富度区域主要分布在豫西的熊耳山、伏牛山、外方山以及豫南的大别山、鸡公山和桐柏山等山区。物种丰富度随海拔呈先升（0~250 m）、后降（250~1500 m）、再升（>1500 m）的单峰模式，说明中海拔区域对多数入侵植物具有环境过滤作用，而高海拔区域可能已有耐寒广适物种定殖。

讨论部分指出，菊科和苋科在入侵植物中的优势与其高繁殖能力有关；一年生或二年生草本和种子繁殖策略有利于快速定殖和远距离传播；有意引入是主要途径，具有经济价值的物种更容易被人类利用而加速入侵。北美和南美来源的物种占优势，可能与原产地与河南的气候相似性有关。未来多数物种适生区收缩，但喜旱莲子草和白花鬼针草在所有情景下扩张，表明高适应物种可能从气候变暖中获益，需采取物种特异性管理策略。水生生态系统对外来植物入侵更为脆弱，如喜旱莲子草、水葫芦（*Eichhornia crassipes*）和大薸（*Pistia stratiotes*）等可能对淡水生态造成严重威胁。同时，高海拔地区过去因气候严酷而较少被入侵，但气候变化下入侵植物正以约11 m/十年的速度向高海拔迁移，可能挤压山顶稀有物种的生存空间，符合“向灭绝的扶梯”（escalator to extinction）假说。因此，应优先加强山区和水域生态系统的监测与预警，尤其要对高风险物种建立快速响应机制。

研究结论可总结为：本研究首次系统记录和分析了河南省恶性入侵植物的关键特征，共鉴定34种，以菊科和苋科为主，生活型以一年生或二年生草本及多年生草本为主，多为陆生、种子繁殖、原产于美洲且为有意引入。空间上主要分布于豫西和豫南。利用MaxEnt模型和ArcGIS预测了17种恶性入侵植物的潜在分布区，当前适生区约占全省总面积的18.42%；至2050年，多数物种适生区将不同程度缩减，但存在向高海拔区域扩张的风险，适生区质心将向西南迁移。模型基于2822条分布记录和39个环境变量，为河南省恶性入侵植物的识别、监测和管控提供了科学基础，未来应加强早期预警系统并实施针对性的区域防治策略，以减少其对环境和经济的负面影响。