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基于飞机草历史分布数据拟合的物种分布模型及其预测能力
原雪姣, 张渊媛, 张衍亮, 胡璐祎, 桑卫国, 杨峥, 陈颀
生物多样性    2024, 32 (11): 24288-.   DOI: 10.17520/biods.2024288
摘要   (308 HTML13 PDF(pc) (4871KB)(382)  

物种分布模型常被用于预测和管理入侵物种。然而, 这些预测工作假设物种现实生态位保持稳定, 但实际在入侵过程中是不确定的, 因此基于早期的分布数据预测后期的真实分布具有挑战性。本文基于我国重点管理的外来入侵植物——飞机草(Chromolaena odorata) 1934-2024年原产地及我国的分布记录和环境变量, 采用NicheA和COUE (centroid shift, overlap, unfilling, and expansion)框架分析其现实生态位的时空变化, 结合时间序列物种分布模型(过去4个阶段及2040时段未来气候情境)和物种扩散能力, 分析了飞机草的时空分布格局。使用优化后的MaxEnt模型, 将每一时期的模型投影至下个时期, 由于物种记录已知, 因此可检测模型的预测与飞机草在我国的实际扩张是否一致。 结果显示: (1) 1989年前飞机草在我国的现实气候生态位稳定性最高(niche stability = 1), 1989年后生态位略有扩张(1934-2009年: niche expansion (NE) = 0.08, 1934-2024年: NE = 0.09), 生态位扩张来源于台湾省的分布数据, 其余各省的现实气候生态位仍保持稳定。(2)基于过去物种记录的模型能够较好地预测出飞机草已知的分布(测试数据AUC为0.873-0.887, 10%训练数据下的遗漏率为0.131-0.152), 不同时期的物种分布模型产生了相似的潜在分布。在入侵早期阶段, 开发的物种分布模型提供了有用的见解, 但与后期阶段构建的模型相比, 也往往低估了潜在范围, 与1969年前相比, 飞机草在中国的适宜分布范围增加了71.8%-77.3%, 向北扩散至贵州南部、广西和广东北部及江西北部, 向东扩散至福建省。(3)基于未来气候变化情境和飞机草的扩散能力拟合的物种分布模型显示, 到2040年, 飞机草向北将到达重庆与四川交界处, 向东将扩散至浙江南部部分地区及江西东部。本研究可为入侵生物物种分布模型的拟合过程和飞机草在我国的管理提供参考。


1934-1969 1934-1989 1934-2009 1934-2024
生态位稳定性
Niche stability
1 1 0.92 0.91
生态位扩张性
Niche expansion
0 0 0.08 0.09
生态位重叠
Niche overlap
0.499 0.512 0.579 0.598
生态位等效性
Niche equivalence
0.045 0.039 0.031 0.027
生态位相似性
Niche similarity N→I
0.048 0.044 0.039 0.029
生态位相似性
Niche similarity I→N
0.039 0.035 0.027 0.021
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表2 不同时期飞机草与原产地现实气候生态位的比较
正文中引用本图/表的段落
基于1934-2024年拟合的模型及2021-2040年的环境变量, 模拟飞机草在我国未来的潜在分布, 同时基于R软件中的MigClim包, 加入飞机草的两种扩散能力作为约束条件(短距离扩散、长距离结合短距离扩散)来模拟未来气候情境下该物种的分布动态。因目前尚无对飞机草扩散能力的详尽研究, 因此我们参考其相似物种紫茎泽兰(Ageratina adenophora)的扩散速度: 平均扩散速度16.6 km/年, 极端扩散速度60 km/年(Wang & Wang, 2006; 魏博等, 2022)。使用MigClim包时, 主要参数设置有: (1)因生物气候数据的分辨率为2.5′ (~5 km), 因此将4个像素单元(~20 km)代表短距离扩散, 12个像素单元代表长距离扩散; (2)物种的初始分布iniDist: 1934-2024年飞机草在我国的所有分布记录; (3) dispSteps = 20, 代表飞机草扩散20年, 对应于未来气候情境2021-2040年的20年; (4) barrier = 0, 假设没有地理或环境障碍阻止其扩散, 尽管人类活动可能导致更长距离的扩散, 但选择保守值可捕获绝大多数人类介导的扩散事件(Engler et al, 2012; Zhu et al, 2020); (5) iniMatAge = 1, 表示飞机草可以在1年内完成其生活史; (6) propaguleProd = 1, 以反映在任何给定年份100%产生繁殖体的假设。
基于NicheA的三维气候生态空间比较显示, 飞机草的现实气候生态位随时间和空间动态变化(图2)。1934-1989年, 飞机草的现实气候生态位是原产地的子集, 1990年之后的两个时期, 该物种的现实气候生态位扩张至原产地之外, 说明飞机草在入侵中国初期可能首先定殖在其气候适宜性高的地区, 之后逐步适应新的气候区。飞机草在我国各省的现实气候生态位各不相同, 但均有交集, 其中台湾省的现实气候生态位最大, 且超出了原产地的气候之外, 其余各省飞机草的现实气候生态位均为原产地生态位的子集。福建省的现实气候生态位最小, 同时其发现飞机草的时期较晚(2009年之后) (图1, 2)。基于COUE框架下的二维气候生态位比较显示, 其生态位稳定性值较大(0.91-1.00), 生态位扩张性较小(0-0.09)。生态位重叠Schoener’s D值随着时间的推移不断增加。生态位等效性和相似性检验P值均小于0.05 (表2), 说明飞机草在入侵中国时其现实气候生态位保守性高。
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