预期气候变化下的喜马拉雅地区蜘蛛香 (忍冬科) 生境适宜性和生态位动态模拟 | MDPI Biology

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文章导读

全球气候已进入人类世的变化时期。由于人类活动造成大气中温室气体的不断增加，使得全球气候变暖加速，进一步导致各种动植物栖息地的转移。气候变化的主要后果是物种或生态系统层面的栖息地范围的变化，这影响了自然选择，进而产生共同进化的相互作用，并破坏生态系统的功能特征。温室气体浓度的不断增加不仅威胁到物种的生存，还会改变全球生态系统的功能和稳定性。喜马拉雅生物多样性区域内的脆弱景观更容易受到气候变化情景的影响，因此该区域内生物多样性影响一直受到研究人员的高度关注。绘制生态位图并预测全球变暖对濒危植物物种潜在栖息地的影响，对于监测、管理和恢复不断减少的种群和自然栖息地极其重要。

蜘蛛香 (Valeriana wallichii) 是败酱科 (Valerianaceae) 缬草属 (Valeriana) 的一种多年生草本植物。该植物能散发一种令人愉快的气味，是非常有价值的药用和芳香植物，在医药领域有着巨大的潜在用途，被广泛用作镇静剂、兴奋剂和催眠药等。但是，由于持续过度开发导致其自然种群的逐渐减少，蜘蛛香也被世界自然保护联盟 (International Union for Conservation of Nature and Natural Resources, IUCN) 列为受威胁物种。基于此，来自印度的科研人员以研究论文的形式在 Biology 期刊发表了文章，目的是模拟当前蜘蛛香的适宜区域，并预测未来气候变化对其栖息地适宜性的影响，从而为制定蜘蛛香的优先保护策略、种群恢复与重建等提供理论基础。

研究内容

作者对印度喜马拉雅山脉西北部和西部的蜘蛛香分布情况进行了广泛的实地调查，并采集了目标物种种群分布的 276 个地理位置点的信息。通过进一步的筛选和空间优化之后，共保留了 37 个地理位置点用于模拟蜘蛛香的生境分布。作者从 Worldclime 数据集获得了空间分辨率为 30″ 的不同的生物气候变量，最终筛选出 8 个生物气候变量用于模拟蜘蛛香的分布 (表1)。此外，作者利用多种物种分布模型 (Species Distribution Models, SDMs) 预测了蜘蛛香的栖息地适宜性，并通过 R 统计软件中的 biomod2 软件包对物种分布建模和物种范围变化进行了分析，确定了当前和未来气候情景下植物物种的生态位重叠情况。

研究结果表明，曲线下面积 (Area Under Curve, AUC) 和真实技能统计 (True Skill Statistics, TSS) 的值非常明显 (>0.9)，这表明模型运行良好，并且在预测蜘蛛香的分布方面十分稳健。此外，年平均温度 (bio1)、年平均降水量 (bio12) 和最干旱季度的降水量 (bio17) 对物种的潜在适宜性栖息地分布方面的影响最大 (表1)。

表1. 为蜘蛛香建模所保留的不同生物气候变量的算法重要性得分。

研究表明，在当前的气候条件下，印度西北部、巴基斯坦西北部和尼泊尔西南部地区非常适合蜘蛛香的生长 (图1)。而未来的气候变化情景预测蜘蛛香的生境适宜性将显著下降，这种植物将在其可能的适宜生境中表现出显著的收缩。具体而言，假设其当前分布在喜马拉雅生物多样性热点地区，在未来的气候情景下，其目前适宜的栖息地的比例将会下降；而一些目前不适宜的地区在未来气候下将会变得适宜，物种分布范围会扩大。一些目前适宜的地区在未来的气候条件下仍然适宜，但是，部分地区虽然在 RCP 4.5 下表现出中度到低度的生境适宜性，但却在 RCP 8.5 下表现出高度的适宜性 (图2)。此外，蜘蛛香在当前和未来气候条件下的生态位比较结果显示，生态位重叠范围从当前的 42% 上升至 2070 年的 66%。主成分分析结果显示，在当前和未来情景之间，气候条件将受到严重影响。生态位动态的等价性和相似性检验结果表明，当前和未来气候情景的生境适宜性是可比较的，但并不完全相同。 

图1. 喜马拉雅生物多样性热点地区蜘蛛香的当前分布格局。(从 0~1000 代表栖息地适宜性等级，其中 0 代表物种缺失，200~400 代表最不适宜区域，400~600 代表勉强适宜区域，600~800 代表中度适宜区域，而 800~1000 代表高度适宜区域)。

图2. 预计气候变化下的蜘蛛香未来栖息地的分布。A 和 B 显示 2050 年和 2070 年两个时间段内 RCP 4.5 浓度途径下的气候变化影响；C 和 D 显示 2050 年和 2070 年两个时间段内代表 RCP 8.5 浓度途径下的气候变化影响。

研究总结

模拟当前适宜物种分布的栖息地和预测未来的物种分布范围是恢复物种自然栖息地的重要一步。使用物种分布模型来确定扩散范围和气候变化对未来栖息地适宜性的影响，对于设计未来物种栖息地的保护和可持续性管理措施至关重要。本研究是第一次尝试研究气候变化对蜘蛛香生境分布和生态位动态的影响。研究的结果符合物种分布模型 (SDMs) 的预期结果，表明当前高度适宜的栖息地在未来将受到限制，同时扩展到研究区域中目前不太适宜的其他区域。生态位等效性测试的评估结果清楚地表明，在当前和未来的气候情景下，物种的环境生态位不会保持完全相同。同样，生态位相似性测试结果表明，在目前和未来的环境条件下，物种之间有相当程度的重叠。总之，从本项研究中可以得出蜘蛛香的栖息地非常容易受到气候变化的影响，最后作者建议通过重建和恢复退化的生境，并在自然生境中启动物种恢复计划可能会减轻气候变化对蜘蛛香的威胁。

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原文出自 Biology 期刊

Kumari, P.; Wani, I.A.; Khan, S.; Verma, S.; Mushtaq, S.; Gulnaz, A.; Paray, B.A. Modeling of Valeriana wallichii Habitat Suitability and Niche Dynamics in the Himalayan Region under Anticipated Climate Change. Biology 2022, 11, 498.

    Biology 期刊介绍

主编：

Jukka Finne, University of Helsinki, Finland;

Andrés Moya, University of Valencia and CSIC, Spain

期刊主要涵盖细胞生物学、发育生物学、进化生物学、生物化学与分子生物学、微生物学等所有生物领域。

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