巴西东南部受采矿影响的Doce River Basin外来植物潜在分布范围变化：基于生态位模型的2050年气候情景预测

《Biotropica》：Potential Range Shifts of Exotic Plants: Insights From a Mining-Affected River Basin in Southeast Brazil

　　

气候变化与人为干扰（如采矿灾害）的并发效应可显著影响外来植物物种的分布，既可能降低某些类群的气候适宜性，也可能形成有利于其建群与扩散的受干扰条件。然而，这些相互作用仍认识不足。本研究考察巴西东南部Doce River Basin（受2015年Samarco尾矿坝溃坝严重影响的区域）内外来植物物种的潜在未来分布。研究人员利用生态位模型（ecological niche models, ENMs）预测该流域记录的8种外来物种的气候适宜区（climatically suitable area），并将这些预测与直接受采矿尾矿影响区域进行叠加。结果表明，该流域大部分区域将保留这些物种的适宜气候条件，其中Cajanus cajan、Citrus ×limon、Leucaena leucocephala、Pennisetum purpureum和Psidium guajava在中等和高增温情景下均表现出相对气候稳定性。相反，Brachiaria decumbens和Desmodium adscendens预计在两种情景下均出现气候适宜区损失，而Syzygium jambos主要在高增温情景下减少。在受尾矿影响区域内，大多数物种的气候适宜条件保持稳定，减少集中于这些相同类群。受干扰地点适宜气候条件的持续存在可能仍会促进外来物种建群与扩散，增加生物入侵（biological invasion）风险。这些结果强调持续监测和生态恢复（ecological restoration）的必要性，并突出将土壤条件和人为因素纳入未来模型，以更好地预测受采矿影响热带生态系统中的入侵动态。

气候变化与人为干扰，如采矿灾害，可显著影响外来植物分布。外来植物入侵（biological invasion）是生态系统变化的重要驱动因子，气候变化可能通过改变环境条件、削弱本地群落和增加干扰频率而促进外来种扩散。然而，在热带矿区流域中，气候变化与人为干扰如何在空间上共同作用于入侵风险仍认识不足。2015年巴西Mariana的Samarco公司Fund?o尾矿坝溃决，向Doce River Basin释放约5000万 m³铁矿石尾矿，改变土壤组成、水质和植被结构，形成受干扰基质，长期生态后果尤其外来植物动态仍不确定。因此，研究人员开展此项研究，以预测该流域8种外来植物的未来气候适宜区，并叠加受尾矿直接影响区域，评估入侵风险的空间持久性。研究结论表明，多数物种在流域大部分区域仍保留适宜气候，Cajanus cajan、Citrus ×limon、Leucaena leucocephala、Pennisetum purpureum和Psidium guajava相对稳定；Brachiaria decumbens和Desmodium adscendens在两种情景下损失气候适宜区，Syzygium jambos主要在高增温情景下减少。尾矿影响区内多数物种仍稳定，减少集中于上述相同类群。该研究强调受干扰地点持续适宜气候可能促进外来种建群与扩散，需持续监测和生态恢复，并应将土壤条件和人为因素纳入未来模型。

关键技术方法概述：研究人员在Doce River Basin选取8种外来植物，物种名录来自灾后植物社会学调查记录，分布记录取自GBIF（Global Biodiversity Information Facility，全球生物多样性信息机构），经CoordinateCleaner清洗并以约5 km网格稀疏化，最终33,382条。气候数据来自WorldClim的19个生物气候变量，分辨率2.5弧分，基线1970–2000，未来2050（2041–2060），采用三个GCMs（IPSL-CM6A-LR、MIROC6、INM-CM5-0）和SSP245、SSP585，保留Pearson r<0.7变量。用MaxEnt（maximum entropy，最大熵模型）建模，以最小凸多边形（MCP）加1.5°缓冲界定校准区，背景样本为清洗记录10倍，优化正则化乘数和特征类型，每物种70个模型，block交叉验证，按遗漏率（OR）和曲线下面积（AUC）选优，取前10%共识模型，以10%训练存在阈值二值化。尾矿足迹由洪水足迹数据集改编并结合Sentinel-2影像手动修订，使用terra和divraster计算面积与叠加。

研究结果：
模型性能与变量贡献。通过生态位模型（ENMs）评估显示，所有选定模型具有可接受至高的预测性能，AUC为0.71–0.86，OR为0.11–0.29。Brachiaria decumbens模型性能较弱，AUC为0.71–0.74，OR为0.19–0.29；Pennisetum purpureum和Syzygium jambos的AUC最高，分别达0.84和0.86。变量贡献随物种变化，平均日温差（Bio2）对Brachiaria decumbens、Citrus ×limon、Desmodium adscendens及若干Leucaena leucocephala模型重要；最暖季度降水量（Bio18）对Pennisetum purpureum和多数Syzygium jambos模型尤其重要。

Doce River Basin整体气候适宜区变化。通过比较基线与2050年二值适宜图发现，多数物种气候适宜区高度稳定。基线情景下，7种物种占据模型流域全范围99,456 km²，Desmodium adscendens占据85,438 km²。乐观情景下，Cajanus cajan、Citrus ×limon、Leucaena leucocephala、Pennisetum purpureum和Psidium guajava未检测到适宜区减少；Brachiaria decumbens降至93,109 km²，Desmodium adscendens降至70,073 km²，Syzygium jambos降至99,435 km²。悲观情景下，Citrus ×limon、Leucaena leucocephala、Pennisetum purpureum和Psidium guajava不变；Cajanus cajan略降至98,935 km²，Brachiaria decumbens降至88,734 km²，Desmodium adscendens降至55,732 km²，Syzygium jambos降至86,796 km²。相对损失最大者为Desmodium adscendens，乐观和悲观情景分别损失15,366和29,706 km²；Syzygium jambos悲观情景损失12,660 km²；Brachiaria decumbens分别损失6,347和10,721 km²。模型未预测未来气候适宜区增加。

受采矿尾矿影响区域内的气候适宜区重叠。通过将二值适宜图叠加尾矿足迹发现，基线情景下7种物种气候适宜区为1,130 km²，Desmodium adscendens重叠968 km²。未来情景下，Cajanus cajan、Citrus ×limon、Leucaena leucocephala、Pennisetum purpureum和Psidium guajava重叠面积完全稳定。Brachiaria decumbens由1,130 km²降至乐观情景1,089 km²、悲观情景1,049 km²；Desmodium adscendens在两种未来情景下由968 km²降至928 km²；Syzygium jambos乐观情景稳定，悲观情景由1,130 km²降至1,009 km²。总体而言，尾矿影响区内的未来变化多数小于全流域变化，但Desmodium adscendens、Brachiaria decumbens和Syzygium jambos仍有可测减少。

讨论部分总结：研究显示，多数外来植物在未来气候情景下在Doce River Basin保留广阔气候适宜区，表明入侵风险持续存在；最明显的适宜区减少集中于Desmodium adscendens，Brachiaria decumbens和Syzygium jambos减少较小。尾矿影响区内多数物种仍稳定，减少也集中于这些类群。六分之八物种预计最小或无变化，符合预期；其他投影显示Psidium guajava和Citrus ×limon可轻微扩张，而Leucaena leucocephala在巴西预计扩张37%。这种稳定性部分因物种在基线已占据几乎所有模型流域，限制检测进一步扩张。Citrus ×limon、Leucaena leucocephala和Pennisetum purpureum的稳定性可能与其广泛土壤和气候耐受、资源利用效率及表型可塑性（phenotypic plasticity）有关。稳定不应解释为低入侵风险，因为这些物种可利用受干扰条件。悲观情景下Brachiaria decumbens和Desmodium adscendens损失更大，Syzygium jambos中等减少，Cajanus cajan略降。气候适宜区减少不必然成比例降低入侵风险，因外来植物可在受干扰栖息地局部持续并保持丰富。Brachiaria decumbens模型性能较低需谨慎解释，但趋势仍合理。尾矿影响区内稳定表示气候适宜与受扰基质的地理重合，而非干扰本身提高适宜性；采矿残留可限制建群和群落恢复。研究未纳入人口密度、道路密度、农业活动、造林、土壤条件和坡度等非气候因素，这些因素可能显著影响分布和扩散。巴西入侵植物与园艺和饲料引种相关，道路可创造受干扰生境并作为扩散廊道。尾矿影响区持续适宜气候强化生态恢复和长期监测的重要性。

研究结论翻译：研究人员的发现为Doce River Basin外来植物潜在未来分布及其与Samarco尾矿坝溃坝影响区域的关系提供了重要见解。总体而言，该流域大部分区域对大多数物种表现出相对气候稳定性，表明在未来情景下这些外来植物带来的风险不应被忽视。然而，该格局并不均一，因为Brachiaria decumbens、Desmodium adscendens和Syzygium jambos在气候适宜区上出现减少，尤其在悲观情景下。该格局也引起对本地物种的关注，因为如果一些外来植物已经表现出气候适宜区减少，本地类群可能也在Doce River Basin面临气候限制，应在未来研究中直接评估。同样重要的是认识到，本研究未考虑非气候因素，包括人类人口密度、道路密度、农业活动、造林、土壤条件以及坡度等地形变量，而这些因素可能显著影响这些物种的分布与扩散。在巴西，入侵植物与园艺和饲料引种密切相关，道路可能通过创造受干扰栖息地和作为移动廊道进一步促进扩散。考虑这些非气候驱动因素，包括干扰历史、土地利用转换、土壤条件和地形变量，对于更准确预测整个流域的入侵风险至关重要。在受尾矿影响区域内，大多数物种气候适宜条件的持续存在强化了受影响地点生态恢复和长期监测的重要性。最终，研究人员的成果强调需要整合环境监测、生态建模和生态恢复，以支持受采矿影响景观中的生物多样性保护和生态系统恢复。