全球气候变化背景下入侵性害虫Cryphalus dilutus的地理分布预测与风险评估模型研究

《Agronomy》：Global Future Modeling of the Invasive Cryphalus dilutus (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae) and Effects of Bioclimatic Variables Qiang Wu, Kaitong Xiao, Yu Cao, Hang Ning, Minghong Wang and Xunru Ai

本文运用随机森林（RF）模型，在结合寄主植物分布（Ficus carica, Mangifera indica）的生物约束条件下，预测了入侵性小蠹虫Cryphalus dilutus在全球历史（1970-2000年）与未来（RCP4.5情景，2041-2060年）气候情景下的潜在地理分布。研究表明，未来其适宜栖息地总面积预计将缩减2.47%至11,891.17 × 104km2，呈现核心区域退化、边缘区域向高纬度扩张的趋势，降水变量（如BIO18）的重要性将超越温度。这为全球范围的检疫、早期预警及害虫控制策略提供了科学依据。

　　

引言

Cryphalus dilutus (Eichhoff, 1878)是一种新兴的入侵性害虫，对热带和亚热带地区的芒果（Mangifera indica）和无花果（Ficus carica）等经济林果构成严重威胁。其幼虫在树木韧皮部与形成层中钻蛀，导致树木萎蔫甚至死亡，已在中国南方、意大利南部等地造成显著经济损失。该虫原产于南亚，现已扩散至近东、墨西哥等地。鉴于其寄主植物全球分布广泛，且全球气候变化加剧，评估其未来潜在分布范围对制定防控策略至关重要。然而，目前尚缺乏在全球气候变化背景下对该害虫潜在地理分布的评估研究。

材料与方法

本研究旨在填补上述研究空白，通过整合物种分布点数据、环境变量和寄主植物信息，运用随机森林（RF）模型预测C. dilutus的全球分布。首先，从GBIF、EPPO数据库及已发表文献中收集了50个C. dilutus分布点，以及超过13万个芒果和无花果的分布记录。环境变量来自WorldClim数据库，包括19个生物气候变量。为减少多重共线性，通过皮尔逊相关分析和LASSO回归筛选出关键环境变量。未来气候情景选择IPCC的RCP4.5路径，预测2050年代（2041-2060年）的分布。RF模型训练采用10次10折交叉验证，并使用AUC、Kappa和TSS指标评估模型性能。最终，将预测的害虫分布与寄主植物适宜区（作为生物限制掩膜）叠加，以获得更贴近生态实际的潜在分布图。

结果

模型性能与关键环境因子

RF模型对C. dilutus及其寄主植物的预测均表现出良好的准确性。在历史气候条件下，影响C. dilutus分布的关键环境变量贡献度排名前五的依次是：温度年较差（BIO7，23.33%）、最暖季度降水量（BIO18，20.00%）、平均日较差（BIO2，15.33%）、最热月最高温（BIO5，15.33%）和最冷季度降水量（BIO19，14.00%）。温度变量的累积贡献大于降水变量。然而，在未来（RCP4.5）情景下，最暖季度降水量（BIO18，26.3%）成为首要贡献因子，其次是温度年较差（BIO7，20.3%），表明未来C. dilutus可能对降水限制变得更加敏感。

考虑寄主分布的全球潜在分布

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  历史气候情景下的潜在分布
  在历史气候（1970-2000年）背景下，C. dilutus的高适宜区主要集中在热带和亚热带地区，包括中国南方（云南、广东、福建）、印度次大陆、东南亚、美国东南部（如佛罗里达）、墨西哥中部、南美洲的亚马逊盆地和巴西东南部、非洲的刚果盆地边缘、澳大利亚东北部沿海以及地中海沿岸部分地区（如意大利、希腊、土耳其）。全球适宜区总面积为12,192.42 × 10⁴km²。
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  RCP4.5气候情景下的潜在分布
  到2050年代，在RCP4.5情景下，C. dilutus的适宜栖息地呈现显著收缩趋势。高、中、低适宜区的面积预计将分别减少56.77%、62.39%和24.02%。当前的热带核心区域，如南美洲的巴西东部、阿根廷东北部，非洲的刚果盆地，亚洲的东南亚及中国南方部分地区，适宜性普遍下降。与此同时，非常低适宜区面积增加了25.61%，并向高纬度地区（如西伯利亚中南部、西欧和北欧部分地区）扩张，表明其基本气候生态位存在向极地扩张的趋势，但高质量核心栖息地正在退化。全球适宜区总面积预计将收缩2.47%，降至11,891.17 × 10⁴km²。

讨论

气候变化下C. dilutus潜在分布的变化

模型预测揭示了两种相反的趋势：一是向高纬度和高海拔地区扩张，二是当前热带核心区栖息地适宜性下降和收缩。升温缓解了高纬度地区的低温限制，可能延长害虫活动期或增加年世代数，但同时，寄主植物的可获得性是限制其实际定殖的关键生物屏障。相反，在热带核心区，不断升高的温度可能逼近甚至超过该虫的发育上限温度（约38-39°C），加之降水模式的改变，导致热胁迫加剧，栖息地质量退化。

影响C. dilutus潜在分布的关键因素

在历史时期，温度是主导其分布格局的主要因素，因为它直接影响这种变温动物的发育速率和世代周期。然而，在未来气候情景下，降水相关变量的重要性预计将超越温度变量。这归因于升温拓展了潜在适宜区范围，削弱了温度的限制作用；同时，降水通过直接生理胁迫（如树皮下的幼虫对干燥或过湿敏感）和间接寄主介导效应（如干旱胁迫削弱树木化学防御）共同决定了栖息地的最终适宜性。此外，全球贸易导致寄主植物（芒果、无花果）的重新分布，与气候变化导致的寄主易感性增加相结合，可能放大其入侵风险。

C. dilutus的检疫与管理策略

基于预测的潜在地理分布图，可以实施针对性的检疫策略。建议在模型识别出的高风险区或新兴过渡区（如地中海盆地、美国东南部、中国南方）的入境口岸，加强对进口芒果和无花果产品的检查。在果园管理层面，鉴于降水变量重要性增加，在预计将经历长期干旱的地区，实施精准灌溉和土壤保水措施以维持寄主树势、增强其抗虫性，应成为一项重要的适应性管理策略。将研究成果通过国际植物保护公约（IPPC）等平台分享，有助于建立数据驱动的全球协同防御网络。

局限性与未来展望

本研究采用的RF模型虽表现良好，但也存在局限性。首先，模型基于50个分布点数据，样本量有限，尽管RF模型对小样本具有稳健性，但未来仍需纳入新的入侵记录以优化预测。其次，模型预测的是气候潜力生态位，未考虑永久冻土、极端冬季寒冷、光周期限制及缺乏寄主植物等实际限制因子。因此，对高纬度扩张区的预测应解读为气候变暖信号，而非意味着害虫可立即定殖。未来研究应通过实验室实验确定C. dilutus的精确生理温度阈值，并整合天敌、种间竞争等生物相互作用，以增强风险评估的生态真实性。

结论

本研究利用随机森林模型，在考虑寄主植物生物约束的条件下，预测了C. dilutus在全球历史和未来气候下的潜在分布。温度年较差和最暖季度降水量是关键的环境决定因子，且未来降水限制的重要性将日益凸显。历史适宜区主要集中在热带和亚热带地区，总面积达12,192.42 × 10⁴km²。未来在RCP4.5情景下，其分布呈现范围收缩和栖息地退化趋势，高、中、低适宜区面积显著减少，而非常低适宜区向高纬度扩张，全球适宜总面积预计减少至11,891.17 × 10⁴km²。这些发现明确了其未来扩散的潜在风险区域和分布动态，为在全球范围内加强针对C. dilutus的检疫措施、早期预警和综合治理策略提供了宝贵的科学依据和理论指导。