《Science of The Total Environment》：Advanced niche models for British Columbia ecosystems reveal North American climate analogues and novel futures
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本研究针对气候变化对不列颠哥伦比亚省（BC）森林生态系统分类体系带来的挑战，开发了一种创新的生态位建模方法。研究人员通过单独建模每个生物地理气候（BGC）区，并整合结果，识别了北美范围内与BC生态系统相似的气候生境，预测了未来将出现的新气候区域，并追溯了从末次盛冰期（LGM）至今的生境轨迹。研究揭示了BC大多数森林生态系统类别在北美存在可比气候生境，并预测了未来气候条件下BGC区的北移趋势及部分区域的消失与扩张，为制定适应性森林管理策略（如辅助迁移、森林组成多样化）以应对气候变化影响提供了科学依据。
气候变化如同一位不请自来的造访者，正悄然改变着全球森林的面貌。对于依赖精细生态系统分类进行资源管理和保护的区域，如加拿大不列颠哥伦比亚省（British Columbia, BC），这种变化带来了严峻挑战。该省广泛应用的生物地理气候生态系统分类（Biogeoclimatic Ecosystem Classification, BEC）系统，其有效性建立在气候相对稳定的假设之上。然而，全球变暖正导致森林生态系统的气候生境发生位移，使得现有的生态系统分类与它们所经历的气候条件之间出现错配。传统的预测方法多局限于BC省内的植物-气候关系，难以预测BC省外可能出现的新的或类似的气候生境，也无法全面追溯这些生态系统的历史变迁轨迹。为了更准确地预测未来、理解过去，并为适应性管理提供坚实依据，一项发表于《Science of The Total Environment》的研究应运而生。
为了回答上述问题，研究人员开展了一项主题为“Advanced niche models for British Columbia ecosystems reveal North American climate analogues and novel futures”的研究。他们采用了一种创新的建模方法，不再像以往研究那样为所有生态系统类别建立一个单一模型，而是为BC省的16个生物地理气候（Biogeoclimatic, BGC）区分别构建了独立的随机森林（Random Forest, RF）气候生态位模型。研究利用了BC省BEC系统（版本12）的数字化地图数据，将其栅格化后获得超过两百万个样本点。气候数据则通过ClimateNA（版本7.50）软件获取，包括1961-1990年参考期以及未来（2041-2070年SSP245情景、2071-2100年SSP245和SSP585情景）和过去（末次盛冰期LGM，约21,000年前；中全新世，约6,000年前）的37个年度和季节性气候变量。模型在北美范围内进行预测，并通过设定概率阈值（≤0.4）来识别未来在BC省可能出现的新气候区域。
3.1. 模型性能与重要气候变量
研究构建的16个BGC区模型均表现出极高的预测准确性，平均准确度达0.98。对各BGC区空间分布起驱动作用的最重要气候变量因区域而异，降水变量出现的频率高于温度变量，其中季节性降水变量最为常见。所有BGC区最重要的五个气候变量中均同时包含降水变量和温度变量。
3.2. 气候相似性与生物气候区预测分布
模型预测显示，BC省所有BGC区的气候生境在北美其他地区均存在相似区域。例如，花旗松-铁杉（Interior Cedar–Hemlock, ICH）区目前虽限于BC省，但其相似气候分布于美国东部和阿拉斯加西海岸。对末次盛冰期的回溯表明，ICH区的气候生境当时局限于美国东南部。另一方面，代表典型北方森林生态系统的白云杉-黑云杉（Boreal White and Black Spruce, BWBS）区的气候生境预计将在BC省几乎消失，但其当前相似气候在育空地区、阿拉斯加以及加拿大东部广泛存在。在末次盛冰期，BWBS区的气候生境位于北美中纬度的一个狭窄带状区域。
3.3. 生物气候区的综合预测
综合预测的BGC区准确度范围在0.47到0.99之间，平均为0.73，表明预测结果与BC省BGC区的原始分布图高度吻合。研究还发现，加拿大东部大片区域具有与BC省数个BGC区相似的气候。从末次盛冰期到中全新世，BGC区气候生境发生了显著的北移。在未来气候变化情景下，BGC区气候生境将继续显著北移。例如，SBS区和ESSF区的气候预计将在BC省大部分消失，而ICH区、CWH区和IDF区的气候生境将大幅扩张，并在BC省占据主导地位。
3.4. 检测BC省未来的新气候
通过设定阈值，研究检测并绘制了BC省未来将出现的新气候区域。预计新气候最早将在2041-2070年（SSP245情景下）从阿尔伯塔省迁移至BC省北部，并部分取代纳尔逊堡附近BWBS区的气候。到本世纪末，新气候将在BWBS区的历史分布区内进一步扩张。BC省南部的新气候出现较晚且范围较小，但在本世纪末，整个CDF区以及温哥华岛低海拔部分CWH区将被新气候取代。
本研究通过创新的建模方法，揭示了BC省森林生态系统气候生境的动态变化规律。研究结果表明，BC省定义的生态系统类别所代表的气候生境并非该省独有，而是代表了可在北美其他具有相似气候条件的地区找到的独特气候生态位。从末次盛冰期到未来的轨迹分析凸显了气候生境的动态特性，强调了考虑这些变化制定适应性管理策略的必要性。未来新气候在BC省的出现对森林管理和保护提出了挑战，需要采取如辅助迁移、森林组成多样化、监测和适应性管理以及跨辖区合作等策略来应对。这些发现为开发适应性森林资源管理策略以增强森林生态系统对气候变化的抵抗力提供了科学基础。尽管存在不确定性，但通过采取协作和基于科学的方法，可以为这些重要生态系统及其为社会提供的诸多效益迈向可持续的未来奠定基础。
