氣候變化背景下外來入侵植物刺萼龍葵在遼寧省的潛在地理分布

楊森月，何莉莉

(1.綏中縣農(nóng)業(yè)事務服務中心，遼寧 綏中 125200；2.遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務中心，遼寧 沈陽 110000）

氣候因素是影響植物生長發(fā)育和布局的重要因素之一，氣候的歷史變化塑造了各種植物的分布格局，近代以來，氣候變暖明顯加快，其對植物分布格局的變化起到了至關重要的作用。物種分布模型已被廣泛應用于預測植物地理分布的研究，而MaxEnt模型在穩(wěn)定性和精準度方面較其他模型表現(xiàn)優(yōu)異，基于MaxEnt與地理信息系統(tǒng)對外來入侵植物的分布區(qū)域進行研究，有助于減少外來入侵植物對生物多樣性和人民群眾身體健康帶來的危害。

刺萼龍葵（S o l a n u m rostratum Dunal.），茄科，一年生草本植物，原產(chǎn)新熱帶區(qū)北美洲和美國西南部，是20世紀80年代入侵我國的檢疫性外來植物，于2016年12月12日被我國生態(tài)環(huán)境部列入第四批外來入侵物種名單。刺萼龍葵具有較強的繁殖能力并可搶占其他植物的生存空間，可生長于多種生境，耐瘠薄、干旱，蔓延速度極快，全株密被刺毛，植株有毒，家畜誤食后可引起嚴重的腸炎和出血，甚至死亡。本文利用GIS技術和最大熵模型，采用原產(chǎn)地和入侵地分布數(shù)據(jù)，結合氣候、土壤、高程三類環(huán)境因子，對刺萼龍葵在遼寧省的地理分布區(qū)劃和擴散趨勢進行研究，以期為刺萼龍葵的早期預警、監(jiān)測和防治工作提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

刺萼龍葵的分布數(shù)據(jù)主要來自全球生物多樣性信息平臺（http：//www.gbif.org）、國內(nèi)外公開發(fā)表的相關文獻、2019～2021年遼寧省農(nóng)業(yè)部門實地調查的分布點；地形以及現(xiàn)代和未來的氣候數(shù)據(jù)來自世界氣候數(shù)據(jù)庫（Worldclim，http：//www.worldclim.org)，未來氣候2070s選用與全球經(jīng)濟框架相適應的RCP4.5模式；土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database version 1.2）(HWS，http：//www.fao.org)，環(huán)境數(shù)據(jù)的分辨率均為30″。

1.2 數(shù)據(jù)處理

MaxEnt模型參數(shù)設置為將75%的隨機分布點用于模型預測，25%的隨機分布點對預測結果進行驗證，用ROC曲線下面積（area under curve，AUC）值以及2022年的普查數(shù)據(jù)驗證模型預測的準確性。AUC值為0.9～1表示模型的預測結果非常準確，0.8～0.9表示很準確，0.7～0.8表示較準確，小于0.7表示預測失敗。為避免運算結果過度擬合，在每1千米×1千米面積中只隨機保留一個分布數(shù)據(jù)，最終獲得原產(chǎn)地和入侵地的分布數(shù)據(jù)共1285個；在SPSS 22.0中對環(huán)境數(shù)據(jù)進行相關性分析，當兩個環(huán)境變量的相關系數(shù)絕對值≥0.8時，剔除對模型貢獻率小的。

1.3 適生區(qū)等級劃分標準

采用自然斷點分級法在GIS的重分類功能中，將模型的預測結果分為非適生區(qū)、低適生區(qū)、中適生區(qū)和高適生區(qū)，從而繪制少花蒺藜草在遼寧的適生等級圖，將現(xiàn)代氣候和未來氣候背景下的模型預測結果進行二值化處理，在GIS中計算高適生區(qū)的幾何質心，判斷氣候變化背景下入侵植物分布格局的變化趨勢，以現(xiàn)代氣候的預測結果為底圖與未來氣候的預測結果進行疊加，將擴張、收縮、不變的適生區(qū)進行可視化表達。

2 結果與分析

2.1 現(xiàn)代氣候背景下刺萼龍葵在遼寧省的分布格局

模型結果顯示，AUC值為0.938，2022年的普查數(shù)據(jù)全部在刺萼龍葵的高、中適生區(qū)（見圖1），說明模型的轉移度好，預測結果準確可靠。刺萼龍葵在遼寧省的高適生區(qū)面積為6.02×104平方公里，約占遼寧省總土地面積的39%，中適生區(qū)面積為3.33×104平方公里，約占遼寧省總土地面積的21%，低適生區(qū)面積為5.23×104平方公里，約占遼寧省總土地面積的34%，除大連、丹東、本溪、撫順的東部為低適生區(qū)，其余地區(qū)均為中、高適生區(qū)。

圖1 當前氣候情景下刺萼龍葵的分布區(qū)劃預測結果

2.2 影響刺萼龍葵分布格局的重要環(huán)境因子

根據(jù)模型的預測結果，按照對模型的貢獻率排序，排在前四位的環(huán)境因子為，年平均氣溫，年平均降雨量、溫度年較差和土壤有效含水量（見圖2）。以存在概率≥0.5作為適宜范圍，刺萼龍葵分布區(qū)的環(huán)境特征為，年平均氣溫6.5～21.8℃、年平均降雨量299～1169毫米、溫度年較差≥19.5℃，土壤有效含水量0.4%～3.2%。從環(huán)境因子響應曲線可以看出，年均溫和年平均降雨量對刺萼龍葵的存在概率呈先上升后下降趨勢，刺萼龍葵不適合在高溫高濕的地方生長，但比較適合在溫度年較差較大的溫帶大陸性氣候地區(qū)生長；土壤含水量對刺萼龍葵的存在概率呈負影響，土壤的有效含水量越高，越不利于其生存。

圖2 刺萼龍葵環(huán)境因子響應曲線

2.3 氣候變化背景下刺萼龍葵擴散趨勢及質心移動軌跡

模型結果得出，未來氣候變化情景下，刺萼龍葵的適生范圍與基準氣候相比呈顯著增加趨勢，4.5RCP排放情景下高、中適生區(qū)面積略呈擴張趨勢，低適生區(qū)會收縮，非適生區(qū)面積基本為0（見表1）。刺萼龍葵的高適生區(qū)重心變化，揭示了未來氣候變化背景下，刺萼龍葵在遼寧省的擴散趨勢。對刺萼龍葵的質心變化分析表明（見圖3），在RCP4.5排放情景下刺萼龍葵的高適生區(qū)由現(xiàn)代的（121.90E，41.67N）轉移到（121.72E，42.02N），最適宜區(qū)域的重心在未來的排放情景下呈現(xiàn)出向高緯度和西北方向轉移的變化趨勢。

表1 不同時期的適生面積

圖3 氣候變化背景下刺萼龍葵在遼寧省的分布格局變化

3 結論

圖4 刺萼龍葵高適生區(qū)質心變化

從研究結果可以看出，刺萼龍葵在遼寧省全區(qū)域適生，高適生區(qū)域主要集中在沈陽市以及遼中地區(qū)，從實際的調查結果看刺萼龍葵在遼寧省的擴張遠沒有達到飽和，未來應該重點監(jiān)測沈陽、鐵嶺地區(qū)，該雜草對除草劑敏感，對管理規(guī)范的農(nóng)田危害不重，但會嚴重破壞畜牧業(yè)，因此建議在高適生區(qū)范圍的草原地帶做好監(jiān)測預警。根據(jù)模型的預測結果，影響其分布的主環(huán)境因子為，年平均氣溫，年平均降雨量、溫度年較差和土壤有效含水量（見圖2），刺萼龍葵分布區(qū)的環(huán)境特征為，年平均氣溫6.5～21.8℃、年平均降雨量299～1169毫米、溫度年較差≥19.5℃，土壤有效含水量0.4%～3.2%。從環(huán)境因子響應曲線可以看出，年均溫和年平均降雨量對刺萼龍葵的存在概率呈先上升后下降趨勢，刺萼龍葵不適合在高溫高濕的地方生長，但容易定殖在溫度年較差較大的溫帶大陸性氣候地區(qū)，土壤含水量對刺萼龍葵的存在概率呈負影響，土壤的有效含水量越高，越不利于其生存。在氣候變化背景下，刺萼龍葵的高、中適生區(qū)會擴張，但擴張面積不大，鐵嶺和朝陽的建平縣等地區(qū)刺萼龍葵的危害會加重，應該引起有關部門的重視。通過對高適生區(qū)質心變化分析得出，在未來氣候變化情景下，最適宜區(qū)域的重心呈現(xiàn)出向高緯度和西北方向轉移的變化趨勢。