气候变化对中国传统药用植物盾叶薯蓣地理分布的影响

《Plants》：Impacts of Climate Change on the Geographic Distribution of Dioscorea zingiberensis, a Traditional Medicinal Plant in China Ting-Ting Zhang, Xin Jiang, Hao-Ran Yang and Yun Jia

　　

研究人员基于最大熵（MaxEnt）模型和ArcGIS平台，针对中国特有药用草本藤本盾叶薯蓣（Dioscorea zingiberensis C. H. Wright）的野生种群在未来气候情景下的分布格局变化展开研究。结果表明，不同排放情景将驱动其适宜生境发生显著位移：在低排放情景SSP1-2.6下，2050年代高度适宜生境主要分布于陕西、湖北、四川及甘肃，总适宜面积峰值可达211.41×104km2；而在高排放情景SSP5-8.5下，生境呈现明显收缩趋势，至2070年代核心区域将丧失82.47×104km2，尤以重庆、四川、湖北及湖南等中西南部省份受损最为严重。重心迁移分析显示，该物种分布重心呈显著北移趋势；在SSP5-8.5情景下，重心自湖北向四川呈线性西北迁移达205.43 km，反映了其向更高纬度适宜生境的持续迁移态势。该研究揭示了盾叶薯蓣对高排放气候的高度脆弱性及其向西北部生境的适应性迁移特征，为保护与可持续利用其野生遗传资源提供了科学依据。

研究背景与意义

全球气候变化是当前社会面临的严峻挑战，2014至2023年间全球气温较工业化前升高了1.19°C。作为决定物种地理分布的基础环境因子，气候的快速变化正在重塑全球生物多样性格局。植物物种为响应气候波动，其地理分布预计将发生迁移，同时面临生境位移与灭绝风险增加的双重压力。盾叶薯蓣（Dioscorea zingiberensis C. H. Wright）是中国特有的具有重要药用价值的草本藤本植物，其根茎富含甾体皂苷（如薯蓣皂苷元），是合成甾体激素的重要原料，在传统医学中应用已有两千余年历史。然而，由于市场对野生资源的掠夺性采挖，其野生种群遭受严重破坏，原生生境退化。尽管该物种的药用价值已被广泛认可，但关于其野生种群对未来气候变化时空响应的研究仍存在空白，缺乏对不同排放情景下的生境位移定量评估、潜在迁移廊道识别及保护避难所划定。因此，利用生态位模型预测其在气候变化下的分布变迁，对于阐明野生种群的生态位动态、制定科学的保护策略及可持续利用方案至关重要。本研究由Ting-Ting Zhang、Xin Jiang、Hao-Ran Yang和Yun Jia完成，发表于《Plants》期刊。

关键技术方法

研究人员采用最大熵（MaxEnt）模型结合ArcGIS空间分析技术开展研究。首先，从全球生物多样性信息设施（GBIF）、中国虚拟标本馆（CVH）和国家标本信息共享平台（NSII）收集盾叶薯蓣的分布记录，经空间去冗余后保留147个有效分布点。环境变量选取了来自BCC-CSM2-MR气候模式的19个生物气候变量、3个地形变量（来自WorldClim数据库）以及6个土壤变量（来自中国科学院资源环境科学与数据中心）。通过Spearman相关性分析剔除多重共线性变量后，最终筛选出9个核心环境变量用于建模。模型运行采用交叉验证法，利用受试者工作特征曲线（ROC）下的面积（AUC）、真实技巧统计（TSS）和Kappa系数进行精度评价，并利用刀切法（Jackknife test）和变量贡献率分析确定关键驱动因子。基于模型输出的连续适宜性概率，利用ArcGIS将生境划分为不适宜、低适宜、中适宜和高度适宜四个等级，并计算不同时期的生境面积变化及分布重心迁移轨迹。

研究结果

2.1 MaxEnt模型的精度评价

模型精度验证结果显示，十次重复运行的平均AUC值达到0.936，训练集和测试集的AUC值分别为0.946和0.953，表明模型具有优秀的预测性能。TSS值为0.772±0.009，进一步证实了模型稳健的预测能力，可用于后续的生境模拟。

2.2 关键环境变量分析

变量贡献率分析表明，最冷月最低温（Bio6，36.4%）和最冷季度平均温（Bio12，35.9%）是主导盾叶薯蓣分布的最关键因子，累计贡献率达72.3%。置换重要性分析则显示，温度季节性（Bio4，57.8%）和海拔（Elevation，24.9%）对模型判别能力的独立贡献最高。此外，年降水量（Bio4）、坡度、土壤酸碱度（pH）、粉粒含量和粘粒含量等因子也对生境适宜性具有一定影响。刀切法检验结果验证了上述气候变量的独特贡献。

2.3 当前气候情景下的适宜生境

当前时期，盾叶薯蓣的潜在适宜生境广泛分布于中国10个省级行政区，包括湖北、陕西、四川、重庆、贵州、甘肃、湖南、浙江、云南和福建。其中，高度适宜生境的核心区面积约36.28×10⁴km²，集中分布在陕西、四川、重庆和湖北，与已知的物种分布记录高度吻合。中适宜区则从核心区向外延伸至贵州、甘肃、湖南和浙江的部分地区。

2.4 未来气候情景下的分布格局

在未来低排放情景（SSP1-2.6）下，高度适宜生境主要位于陕西、湖北、四川和甘肃。其中2050年代的总适宜面积达到峰值211.41×10⁴km²。而在高排放情景（SSP5-8.5）下，虽然2050年代的高适宜区仍集中在陕西、湖北、甘肃和四川，但到2070年代生境发生显著收缩和空间聚集，高度适宜区主要局限于陕西、甘肃和四川，且陕西保留了最大的核心区。至2090年代，部分适宜生境预计将向河南和贵州迁移。总体而言，两种情景下盾叶薯蓣的总适宜面积均随时间推移呈下降趋势，主要由中高适宜区的逐步缩减驱动。

2.5 气候变化对地理空间格局的影响

对比分析显示，SSP1-2.6情景下生境扩张主要发生在豫中西部、陕西南部和山东西南部；而SSP5-8.5情景下生境收缩剧烈，2070年代的丧失面积高达82.47×10⁴km²，主要涉及重庆、四川、湖北、湖南、贵州及浙赣部分地区。生境丧失幅度总体超过扩张幅度，表现为中西部（特别是秦巴山区）扩张与东南部收缩并存的特征。重心迁移分析表明，SSP1-2.6情景下重心呈周期性往复迁移，最终稳定在湖北省内；而SSP5-8.5情景下重心则持续向北迁移，自湖北经重庆最终稳定于四川境内，总迁移距离达205.43 km，随后虽有微调但整体保持向西北位移的趋势。

讨论与结论

研究人员在讨论中指出，气候因子（尤其是冬季低温和降水）是决定盾叶薯蓣分布的主导因素，地形和土壤因子则通过影响微气候和根系生长进一步细化了其实际生态位。与当前分布相比，高排放情景下的生境收缩与北迁符合植物追踪气候梯度的普遍规律。这种生境破碎化可能会阻碍种群间的基因流，加剧该物种已有的遗传分化，导致遗传侵蚀风险上升。因此，保护策略应优先聚焦于秦巴山脉等核心避难所，维持生境连通性，并结合迁地栽培技术，优化提取工艺以降低生态足迹。

结论部分强调，本研究证实最冷月最低温、年降水量、温度季节性和最冷季度平均温是限制盾叶薯蓣分布的关键气候因子。当前其核心适宜区位于秦巴山区及周边省份。在高排放情景下，该物种适宜生境将面临严重的北迁与收缩，威胁其遗传多样性与资源可用性。为此，应采取适应性保护措施，重点加强对秦巴山区核心避难所的原地保护，同时在符合其土壤与气候阈值的新适生区推广迁地栽培，以确保这一重要药用资源的可持续利用。