气候变化背景下外来入侵植物刺萼龙葵在辽宁省的潜在地理分布

杨森月，何莉莉

(1.绥中县农业事务服务中心，辽宁 绥中 125200；2.辽宁省农业发展服务中心，辽宁 沈阳 110000）

气候因素是影响植物生长发育和布局的重要因素之一，气候的历史变化塑造了各种植物的分布格局，近代以来，气候变暖明显加快，其对植物分布格局的变化起到了至关重要的作用。物种分布模型已被广泛应用于预测植物地理分布的研究，而MaxEnt模型在稳定性和精准度方面较其他模型表现优异，基于MaxEnt与地理信息系统对外来入侵植物的分布区域进行研究，有助于减少外来入侵植物对生物多样性和人民群众身体健康带来的危害。

刺萼龙葵（S o l a n u m rostratum Dunal.），茄科，一年生草本植物，原产新热带区北美洲和美国西南部，是20世纪80年代入侵我国的检疫性外来植物，于2016年12月12日被我国生态环境部列入第四批外来入侵物种名单。刺萼龙葵具有较强的繁殖能力并可抢占其他植物的生存空间，可生长于多种生境，耐瘠薄、干旱，蔓延速度极快，全株密被刺毛，植株有毒，家畜误食后可引起严重的肠炎和出血，甚至死亡。本文利用GIS技术和最大熵模型，采用原产地和入侵地分布数据，结合气候、土壤、高程三类环境因子，对刺萼龙葵在辽宁省的地理分布区划和扩散趋势进行研究，以期为刺萼龙葵的早期预警、监测和防治工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

刺萼龙葵的分布数据主要来自全球生物多样性信息平台（http：//www.gbif.org）、国内外公开发表的相关文献、2019～2021年辽宁省农业部门实地调查的分布点；地形以及现代和未来的气候数据来自世界气候数据库（Worldclim，http：//www.worldclim.org)，未来气候2070s选用与全球经济框架相适应的RCP4.5模式；土壤数据来自世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database version 1.2）(HWS，http：//www.fao.org)，环境数据的分辨率均为30″。

1.2 数据处理

MaxEnt模型参数设置为将75%的随机分布点用于模型预测，25%的随机分布点对预测结果进行验证，用ROC曲线下面积（area under curve，AUC）值以及2022年的普查数据验证模型预测的准确性。AUC值为0.9～1表示模型的预测结果非常准确，0.8～0.9表示很准确，0.7～0.8表示较准确，小于0.7表示预测失败。为避免运算结果过度拟合，在每1千米×1千米面积中只随机保留一个分布数据，最终获得原产地和入侵地的分布数据共1285个；在SPSS 22.0中对环境数据进行相关性分析，当两个环境变量的相关系数绝对值≥0.8时，剔除对模型贡献率小的。

1.3 适生区等级划分标准

采用自然断点分级法在GIS的重分类功能中，将模型的预测结果分为非适生区、低适生区、中适生区和高适生区，从而绘制少花蒺藜草在辽宁的适生等级图，将现代气候和未来气候背景下的模型预测结果进行二值化处理，在GIS中计算高适生区的几何质心，判断气候变化背景下入侵植物分布格局的变化趋势，以现代气候的预测结果为底图与未来气候的预测结果进行叠加，将扩张、收缩、不变的适生区进行可视化表达。

2 结果与分析

2.1 现代气候背景下刺萼龙葵在辽宁省的分布格局

模型结果显示，AUC值为0.938，2022年的普查数据全部在刺萼龙葵的高、中适生区（见图1），说明模型的转移度好，预测结果准确可靠。刺萼龙葵在辽宁省的高适生区面积为6.02×104平方公里，约占辽宁省总土地面积的39%，中适生区面积为3.33×104平方公里，约占辽宁省总土地面积的21%，低适生区面积为5.23×104平方公里，约占辽宁省总土地面积的34%，除大连、丹东、本溪、抚顺的东部为低适生区，其余地区均为中、高适生区。

图1 当前气候情景下刺萼龙葵的分布区划预测结果

2.2 影响刺萼龙葵分布格局的重要环境因子

根据模型的预测结果，按照对模型的贡献率排序，排在前四位的环境因子为，年平均气温，年平均降雨量、温度年较差和土壤有效含水量（见图2）。以存在概率≥0.5作为适宜范围，刺萼龙葵分布区的环境特征为，年平均气温6.5～21.8℃、年平均降雨量299～1169毫米、温度年较差≥19.5℃，土壤有效含水量0.4%～3.2%。从环境因子响应曲线可以看出，年均温和年平均降雨量对刺萼龙葵的存在概率呈先上升后下降趋势，刺萼龙葵不适合在高温高湿的地方生长，但比较适合在温度年较差较大的温带大陆性气候地区生长；土壤含水量对刺萼龙葵的存在概率呈负影响，土壤的有效含水量越高，越不利于其生存。

图2 刺萼龙葵环境因子响应曲线

2.3 气候变化背景下刺萼龙葵扩散趋势及质心移动轨迹

模型结果得出，未来气候变化情景下，刺萼龙葵的适生范围与基准气候相比呈显著增加趋势，4.5RCP排放情景下高、中适生区面积略呈扩张趋势，低适生区会收缩，非适生区面积基本为0（见表1）。刺萼龙葵的高适生区重心变化，揭示了未来气候变化背景下，刺萼龙葵在辽宁省的扩散趋势。对刺萼龙葵的质心变化分析表明（见图3），在RCP4.5排放情景下刺萼龙葵的高适生区由现代的（121.90E，41.67N）转移到（121.72E，42.02N），最适宜区域的重心在未来的排放情景下呈现出向高纬度和西北方向转移的变化趋势。

表1 不同时期的适生面积

图3 气候变化背景下刺萼龙葵在辽宁省的分布格局变化

3 结论

图4 刺萼龙葵高适生区质心变化

从研究结果可以看出，刺萼龙葵在辽宁省全区域适生，高适生区域主要集中在沈阳市以及辽中地区，从实际的调查结果看刺萼龙葵在辽宁省的扩张远没有达到饱和，未来应该重点监测沈阳、铁岭地区，该杂草对除草剂敏感，对管理规范的农田危害不重，但会严重破坏畜牧业，因此建议在高适生区范围的草原地带做好监测预警。根据模型的预测结果，影响其分布的主环境因子为，年平均气温，年平均降雨量、温度年较差和土壤有效含水量（见图2），刺萼龙葵分布区的环境特征为，年平均气温6.5～21.8℃、年平均降雨量299～1169毫米、温度年较差≥19.5℃，土壤有效含水量0.4%～3.2%。从环境因子响应曲线可以看出，年均温和年平均降雨量对刺萼龙葵的存在概率呈先上升后下降趋势，刺萼龙葵不适合在高温高湿的地方生长，但容易定殖在温度年较差较大的温带大陆性气候地区，土壤含水量对刺萼龙葵的存在概率呈负影响，土壤的有效含水量越高，越不利于其生存。在气候变化背景下，刺萼龙葵的高、中适生区会扩张，但扩张面积不大，铁岭和朝阳的建平县等地区刺萼龙葵的危害会加重，应该引起有关部门的重视。通过对高适生区质心变化分析得出，在未来气候变化情景下，最适宜区域的重心呈现出向高纬度和西北方向转移的变化趋势。