《Pest Management Science》：Climate change-driven expansion of goosegrass highlights risks to global food production
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本文通过构建集成生态位模型（ENM），系统评估了全球性入侵杂草牛筋草（Eleusine indica）在当前（1970-2000年）及未来（SSP245与SSP585情景下2050年和2090年）气候变化背景下的潜在分布变化。研究发现，气候变化（特别是高排放情景SSP585）将推动该物种向高纬度温带地区（如美国玉米带、地中海盆地和东亚）扩张，同时在其现有热带/亚热带分布区保持广泛稳定性，与全球主要大豆、玉米产区存在大量空间重叠，从而加剧了粮食安全风险。这突显了对该物种进行早期监测、采取综合杂草管理策略的紧迫性。
引言：全球变化背景下的农业威胁
全球粮食安全正面临农业需求增长与生产力提升放缓的双重压力，而气候变化进一步加剧了这一挑战，通过极端事件和气候模式的改变影响作物产量。在集约化农业体系中，化学除草成为支柱，但也导致了抗除草剂杂草的演化，这被视作现代农业可持续性的重大威胁之一。在此背景下，兼具广泛地理分布、高生态可塑性和多重抗性机制的牛筋草（Eleusine indica，又称goosegrass）凸显为一种在全球变化情景下不断增长的威胁。本研究旨在通过生态位模型，评估牛筋草在当前及未来（SSP245和SSP585情景下2050年和2090年）气候变化情景下的全球分布，识别其扩张风险及与主要作物产区的重叠区域，为制定前瞻性的管理策略提供科学依据。
材料与方法：数据、建模与验证
研究首先从全球生物多样性信息机构（GBIF）等数据库收集了牛筋草的物种出现记录，并利用CoordinateCleaner软件包进行了严格的数据清洗，包括移除重复、空间异常及1980年前的记录，最终保留了4696条高质量的地理参考记录用于建模。使用世界气候数据库（WorldClim 2.1）提供的19个生物气候变量（BIO1-BIO19）作为环境预测因子。为减少共线性，采用了主成分分析（PCA）并保留了能解释96.8%方差的6个主成分。
生态位建模采用了四种算法：Bioclim（仅出现法）、Maxent（出现-背景法）、随机森林（Random Forest）和支持向量机（Support Vector Machines），代表了不同的建模策略。通过Bootstrap法（70%训练，30%测试，重复10次）进行评估，并使用未加权的算术平均法（‘MEAN’）构建了集成模型。模型性能通过接收者操作特征曲线下面积（AUC）、真实技巧统计量（TSS）和Kappa系数等指标评估。同时，使用最大真实技巧统计量（MAX_TSS）准则生成了二值分布图，并进行了多变量环境相似性表面（MESS）和面向移动的奇偶性（MOP）分析，以评估未来气候预测中的环境外推风险。此外，研究还使用相同框架模拟了大豆和玉米的潜在分布，以分析其与牛筋草分布的重叠情况。
结果：模型性能、当前分布与未来预测
模型性能表现出色，集成模型的AUC值高达0.999，TSS/Kappa值为0.980，遗漏率（OR）低于0.05，表明模型具有极佳的判别能力。残差分析显示存在适度的空间自相关（莫兰指数I = 0.65），MESS分析表明模型预测主要基于与环境校准域相似的条件，而MOP分析则识别出东南亚、印度次大陆等局部地区存在严格的外推风险，提示在这些区域的预测需谨慎解读。
当前分布模型显示，牛筋草在热带和亚热带地区（尤其是南美洲、非洲、东南亚）具有广泛的适宜性。模型预测的潜在分布范围远超其目前已占据的区域，在南美洲的巴西塞拉多、大西洋森林，北美洲的美国南部及玉米带部分地区，非洲的萨赫勒地带，以及亚洲的印度次大陆、东南亚和东亚（包括中国长江流域）等地均被识别为高度适宜区。这表明该物种已具备入侵全球主要农业区的巨大潜力。
未来预测表明，气候变化将推动牛筋草向高纬度地区扩张。在中等排放情景（SSP245）下，到2050年和2090年，适宜面积将分别达到约7196万平方公里和7396万平方公里，扩张趋势相对温和。而在高排放情景（SSP585）下，扩张更为显著，2090年适宜面积预计将增至约7891万平方公里。扩张区域主要指向北半球的温带地区，包括美国中北部、欧洲以及亚洲的温带部分。
重叠分析揭示了严峻的农业风险。牛筋草的适宜区与全球主要大豆和玉米产区存在大量空间重叠，包括巴西、阿根廷、美国中西部（玉米带）以及东南亚等关键农业生产区。这种重叠在SSP585-2090情景下尤为显著，预示着未来在这些战略产粮区，牛筋草与作物之间的竞争及相关的管理挑战将进一步加剧。
讨论：模型可靠性与生物学基础
模型卓越的性能指标（AUC > 0.99）和低外推风险（MESS值高）支持了预测结果的生态学稳健性。尽管存在适度的空间自相关，但这反映了物种分布本身的空间结构特性，并未损害模型的核心结论。
牛筋草未来的扩张趋势根植于其一系列强大的生物学特性。作为一种C4植物，其具有较高的水分利用效率和光合作用速率，适应高温高光环境。单个植株可产生超过10万粒种子，这些种子能在土壤中保持多年活力，并在宽温度范围（25-35 °C）内萌发，对盐度和pH变化也有较强耐受性。该物种已对包括草甘膦在内的至少8种不同作用机制的除草剂产生了抗性，其抗性机制多样，包括靶标位点突变、基因扩增、代谢解毒增强等。此外，牛筋草还表现出高度的表型可塑性，能够快速适应不同的农业管理方式（如农田与草坪）和环境压力。
这些生理、繁殖和遗传特性共同构成了牛筋草广布和入侵成功的生物学基础，解释了生态位模型预测的其广泛的气候适应性和扩张潜力。高排放情景下更显著的扩张，可能与气候变化缓解了其向温带地区扩散的热限制有关。
结论与展望
综上所述，本研究表明，牛筋草已是一个全球性的重大农业威胁，而气候变化，特别是高排放路径，将显著促进其向高纬度的温带农业区扩张。其预测的适宜区与全球核心粮食产区（大豆、玉米等）的高度重叠，对全球粮食安全构成了直接且日益增长的风险。牛筋草所表现出的生态可塑性、多重除草剂抗性和强大的适应能力，使得单纯依靠化学防控难以为继。
因此，研究结果强烈呼吁在全球范围内，特别是在已识别的高风险重叠区域，采取积极主动的应对策略。这包括建立早期监测与预警系统，实施以作物轮作、生态调控和抗性治理为核心的综合杂草管理（IWM），并加强国际合作。唯有通过前瞻性的、协调一致的管理努力，才能有效缓解牛筋草扩张带来的农艺与粮食安全风险，增强全球农业系统在气候变化背景下的韧性。
