塞依丁·海米提,努爾巴依·阿布都沙力克,*,許仲林,阿爾曼·解思斯,邵 華,維尼拉·伊利哈爾

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 3 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011 4 新疆大學生命科學與技術(shù)學院,烏魯木齊 830046

氣候變化作為全球變化的一個重要方面,主要表現(xiàn)在溫度的上升、降水格局的改變以及極端氣候事件的增加[1- 2]。在區(qū)域尺度上,氣候因素會對物種的生長繁殖、物候、地理分布范圍等產(chǎn)生諸多影響[3- 5]。隨著全球溫室氣體排放量的指數(shù)型增長,我國未來氣候變暖趨勢將進一步加劇,全國大部分地區(qū)的降水量會有所增加,但是西部地區(qū)降水量將會減少[6]。新疆屬于典型的干旱半干旱地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱,容易遭受外來生物的入侵,面臨著極大的入侵風險。在全球氣候變化的大背景下外來入侵植物的適宜生境有可能擴大,也有可能因為氣候條件超過了入侵植物的適宜范圍而縮小。如Bourdot等[7]的模擬研究結(jié)果表明,入侵植物Nassellaneesiana在未來氣候情景下的適宜生境有不同程度的減小。劉金雪[8]的研究結(jié)果表明,入侵植物互花米草的適宜生境在RCP4.5情景(中等溫室氣體排放情景)下呈擴大趨勢,在RCP8.5情景(最高溫室氣體排放情景)下呈減小趨勢。Roger等[9]的評估結(jié)果表明入侵植物的適宜生境在未來氣候情景下的變化并無一致的規(guī)律。因此,制定長期有效的預(yù)防措施需要考慮外來入侵種在未來氣候變化情景下的分布[10]。

刺蒼耳(XanthiumspinosumL.)是菊科蒼耳屬一年生草本植物,是一種入侵性極強的惡性雜草,已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛的擴散蔓延[11]。中國境內(nèi)的刺蒼耳首先在河南邯鄲縣發(fā)現(xiàn),現(xiàn)已擴散至河南、安徽、遼寧、北京、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等多個省市區(qū),其在新疆主要分布在伊犁地區(qū)、昌吉市、石河子市、烏魯木齊市等地[12- 13]。刺蒼耳的競爭能力和適應(yīng)能力很強[14],很容易在新的環(huán)境中占據(jù)領(lǐng)地,與原有植物和農(nóng)作物競爭光照、礦質(zhì)營養(yǎng)、水分、空間等生存資源,嚴重影響了當?shù)刂参锶郝涞慕Y(jié)構(gòu)和組成。致使入侵地的草場退化、農(nóng)作物減產(chǎn)、原有物種滅絕和物種多樣性降低[15]。因此,研究氣候變化對外來入侵植物刺蒼耳潛在分布范圍及空間格局的影響對保護新疆的生物多樣性有重要的意義。

鑒于刺蒼耳在新疆的分布現(xiàn)狀、擴散趨勢和潛在危害。本研究結(jié)合中國國家氣候中心開發(fā)的BCC—CSM1—1模式下的將來氣候條件,應(yīng)用MaxEnt模型和ArcGIS空間分析技術(shù)分別構(gòu)建了未來不同氣候變化情景下刺蒼耳適宜生境預(yù)測模型,分析比較了刺蒼耳適宜生境的面積空間變化及分布區(qū)中心移動軌跡,明確了影響其潛在地理分布的主導環(huán)境變量,旨在揭示全球氣候變化背景下刺蒼耳在新疆的擴散趨勢,目的在于預(yù)防和控制外來入侵植物刺蒼耳在新疆的進一步擴散蔓延,減小氣候變化對新疆生物多樣性的不利影響,給入侵預(yù)防和控制提供相應(yīng)的決策支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 物種分布數(shù)據(jù)來源

刺蒼耳在新疆的地理分布數(shù)據(jù)來源于國家林業(yè)局委托項目第二次全國植物資源普查新疆片區(qū)的調(diào)查工作。劃定刺蒼耳的花果期7—10月為野外考察期[16],于2015—2017年在新疆境內(nèi)進行野外實地采樣,調(diào)查點主要有伊寧市、伊寧縣、鞏留縣、特克斯縣、新源縣、察布查爾縣、霍城縣、尼勒克縣、博樂市、昌吉市、石河子市、烏魯木齊市、塔城地區(qū)和阿勒泰地區(qū),發(fā)現(xiàn)刺蒼耳即記為“存在點(presence)”,用GPS記錄經(jīng)緯度和海拔,共獲得92條不重復的的地理分布數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 刺蒼耳在新疆的地理分布Fig.1 Distribution of Xanthium spinosum L. in Xinjiang

1.2 環(huán)境變量的選擇

本文共選取生物氣候因子、地形因子、土壤因子等31個環(huán)境變量。其中,現(xiàn)代(1960—1990年的均值)和未來氣候情景2050s(2041—2060年的均值)和2070s(2061—2080年的均值)的19個生物氣候變量均來源于Worldclim數(shù)據(jù)集(http://www.worldclim.org/)[17],該數(shù)據(jù)集分辨率為1 km,由19個降水量、溫度的極值和變化范圍的變量構(gòu)成,根據(jù)新疆政區(qū)圖對下載的全球氣候數(shù)據(jù)進行影像配準、裁剪和疊加。海拔高程數(shù)據(jù)(DEM)從美國國家航空航天局發(fā)布的全球數(shù)字高程模型(SRTM v4.1,http://datamirror.csdb.cn/)下載,空間分辨率為100 m[18]。坡向和坡度利用ArcToolbox工具箱的表面分析工具根據(jù)DEM生成。土壤數(shù)據(jù)來源于南京土壤所制作的二調(diào)數(shù)據(jù),選取了數(shù)據(jù)集中的9個土壤變量,其中以T_開頭的字段表示上層土壤屬性(0—30 cm),以S_開頭的字段表示下層土壤屬性(30—100 cm)。

2050s和2070s兩個未來時間段的生物氣候變量來源于政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第5次氣候評估報告發(fā)布的縮減全球氣候模型數(shù)據(jù)。結(jié)合研究區(qū)域的地理位置,采用由中國國家氣候中心基于縮減全球氣候模型數(shù)據(jù)開發(fā)的BCC—CSM1—1模式下的2種不同氣候變化情景(RCP4.5、RCP8.5)數(shù)據(jù)[19]。RCPs(Representative Concentration Pathways)情景對溫度和降水等各變量的模擬和預(yù)測具有較高的準確性,且更加詳細的考慮了溫室氣體排放量受人類應(yīng)對全球氣候變化所采取的各種方針策略的影響[6]。本文選取的RCP4.5氣候情景代表未來氣候變化情景下的中等溫室氣體排放情景,在RCP4.5情景下至2100年溫室氣體濃度穩(wěn)定為650×10-6CO2當量。RCP8.5氣候情景代表未來氣候變化情景下的最高溫室氣體排放情景,在RCP8.5情景下至2100年溫室氣體濃度高于1370×10-6CO2當量[8]。假設(shè)未來氣候條件下土壤因子不發(fā)現(xiàn)變化。

在建模過程中除了要考慮變量之間存在自相關(guān)和多重線性重復等問題外,還需要考慮模型的維度和復雜程度,這些因素均會對模型的轉(zhuǎn)移能力產(chǎn)生影響。因此,本研究參考Worthington[20]、張?zhí)祢訹21]等的方法對環(huán)境變量進行了篩選,具體方法為在R語言中加載cor函數(shù)包,分別計算生物氣候因子和土壤因子的spearman相關(guān)系數(shù)[22],并細致考慮變量的生態(tài)學意義,選用相關(guān)系數(shù)<0.75的環(huán)境因子,對于相關(guān)系數(shù)>0.75的環(huán)境因子進行單因子建模,運行刀割法測定其對模型預(yù)測的貢獻率大小,以此剔除對物種分布貢獻率較小的環(huán)境因子,最終篩選出17個環(huán)境變量參與建模(表1)。

1.3 矢量圖及模型來源

本文所用的新疆政區(qū)矢量圖,來源于新疆維吾爾自治區(qū)測繪地理信息局的標準地圖下載服務(wù)區(qū),地址為http://www.xjch.gov.cn/wsfw/bzdt/bzdtxz/。MaxEnt模型是由S.J.Philliips于2004年構(gòu)建的用于預(yù)測物種分布的技術(shù)方法[23],本研究所使用的MaxEnt軟件為3.3.3k版[24]。ArcGIS空間技術(shù)平臺是美國Esri公司研發(fā)的一套完整的GIS產(chǎn)品,本研究所使用的ArcGIS軟件版本為10.2.2版[25- 26]。

表1 17個參與建模的環(huán)境變量及其貢獻率

1.4 MaxEnt模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)處理

將刺蒼耳地理分布數(shù)據(jù)和17個環(huán)境變量導入MaxEnt,隨機選取75%的刺蒼耳分布點作為訓練集,剩余25%的刺蒼耳分布點作為測試集[27],運行刀割法測定各環(huán)境變量在影響刺蒼耳生長適宜度中所占的權(quán)重,并創(chuàng)建各環(huán)境變量的單因子響應(yīng)曲線,模型的其余參數(shù)均選擇默認值。本研究用受試者操作特征曲線(Receiver Operating Characteristic Curve, ROC曲線)下面積值,即AUC 值(Area Under Curve, AUC)為判據(jù)評價模型的模擬結(jié)果[28]。不同的AUC 值代表不同預(yù)測效果(表2)[29]。

將模型輸出的柵格圖層導入ArcGIS,采用“10 percentile training persence logistic threshold”進行重分類,并根據(jù)專家經(jīng)驗法將刺蒼耳的適宜生境劃分成4個等級：0—0.40為非適應(yīng)區(qū),0.40—0.60為低適生區(qū),0.60—0.80為中適生區(qū),0.80—1.00為高適生區(qū)[30]。再運用ArcGIS的SDM工具箱和統(tǒng)計工具Zonal計算4類分區(qū)的面積和面積空間變化,通過適宜區(qū)域幾何面積化確定分布區(qū)中心移動軌跡,分析比較刺蒼耳在不同氣候變化情景下的潛在分布范圍和格局。

表2 AUC值取值范圍及其與模型準確性的關(guān)系

AUC:曲線下面積值, Area Under Curve

2 結(jié)果與分析

2.1 MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果檢測及貢獻率評估

本研究的預(yù)測結(jié)果顯示訓練集的AUC值為0.986,測試集的AUC值為0.957(圖2),表明MaxEnt模型的預(yù)測結(jié)果可靠,刺蒼耳的實際分布范圍與模型預(yù)測的地理分布范圍具有較高的一致性,預(yù)測結(jié)果可用于刺蒼耳的適宜生境區(qū)劃[31]。在模型中運行刀割法(Jackknife test),運行結(jié)果顯示出各環(huán)境變量對刺蒼耳適宜生境預(yù)測的相對貢獻率(表1),Bio12年降雨量的貢獻率最高(49.1%),是影響刺蒼耳分布的決定因子；S_oc下層土有機碳含量的貢獻率為10.4%,僅次于年降雨量,是影響刺蒼耳分布的次要因子；其次,T_ph_h2o上層土pH(9.9%)、Bio7年溫度變化范圍(9.1%)、Bio15降雨量的季節(jié)性變化(7.5%)和Bio1年平均溫度(4.8%)的貢獻率也均超過了4%,以上6個因子的貢獻率總和高達90.8%,是影響刺蒼耳地理分布的主導環(huán)境因子。

圖2 刺蒼耳潛在分布預(yù)測結(jié)果的ROC曲線驗證Fig.2 ROC Curve and AUC values of the MaxEnt model ROC: 受試者操作特征, Receiver Operating Characteristic；AUC:曲線下面積值, Area Under Curve

2.2 刺蒼耳在現(xiàn)代及未來氣候變化情景下的潛在分布預(yù)測

由預(yù)測結(jié)果(圖3)和統(tǒng)計分析可知(表3),刺蒼耳在現(xiàn)代氣候及未來氣候情景下的適生區(qū)主要分布在天山以北,且隨著氣候變化的加劇,刺蒼耳的適宜生境會擴散至天山以南的區(qū)域。總體上看,刺蒼耳在新疆的分布未達到飽和且即將進入指數(shù)型的增長和擴散階段?，F(xiàn)代氣候情景下刺蒼耳在新疆的適宜生境主要包括伊犁中部和西北部、博州中部、塔城西北部、昌吉中部、石河子市中部和烏魯木齊市北部,總適生面積為3.33×104km2。RCP4.5情景(中等溫室氣體排放情景)下刺蒼耳的適宜生境主要包括伊犁州全境、博州全境、塔城全境、奎屯市、克拉瑪依市、石河子市、五家渠市、烏魯木齊市、昌吉州中部和西部、阿勒泰西北部、哈密中部、巴州北部、阿克蘇北部、克州中部和喀什市,2050s和2070s的總適生面積分別為12.85×104km2和16.18×104km2。RCP8.5情景(最高溫室氣體排放情景)下刺蒼耳的適宜生境在RCP4.5氣候情景下的適宜生境基礎(chǔ)上進一步向四周擴張,且高適生區(qū)的擴增尤為顯著,2050s和2070s的總適生面積分別為17.46×104km2和21.50×104km2。兩種氣候模式下各級適生區(qū)面積和總適生面積均呈持續(xù)增加的變化趨勢,且在RCP8.5情景(最高溫室氣體排放情景)下響應(yīng)更為敏感。

圖3 不同氣候變化情景下刺蒼耳在新疆的適生區(qū)分布Fig.3 Suitable distribution for Xanthium spinosum L. in Xinjiang under changing climate scenarios

氣候變化情景Climate change scenario高適生區(qū)面積Highly suitable area中適生區(qū)面積Suitable area低適生區(qū)面積Low suitable area非適應(yīng)區(qū)面積Unsuitable area總適生面積(比例)Total suitable area(percentage)現(xiàn)代Current1.172.168.51151.583.33(2.04%)RCP4.5-2050s8.114.7415.37135.212.85(7.86%)RCP4.5-2070s10.096.0915.69131.5516.18(9.90%)RCP8.5-2050s11.046.4213.54132.4217.46(10.68%)RCP8.5-2070s15.166.3414.26127.6521.50(13.16%)

2.3 氣候變化情景下刺蒼耳適宜生境的面積空間變化及分布區(qū)中心移動軌跡

當前至RCP4.5中等溫室氣體排放情景下,至2050s刺蒼耳在新疆的適宜生境增加16.38×104km2(圖4),增加面積是當前適生總面積的4.92倍,至2070s刺蒼耳在新疆的適宜生境增加20.03×104km2,增加面積是當前適生總面積的6.02倍。分布區(qū)中心由塔城中部(現(xiàn)代)經(jīng)塔城南部(2050s)向伊犁州奎屯(2070s)方向移動(圖5)。當前至RCP8.5最高溫室氣體排放情景下,至2050s刺蒼耳在新疆的適宜生境增加19.16×104km2,增加面積是當前適生總面積的5.75倍,至2070s刺蒼耳在新疆的適宜生境增加23.92×104km2,增加面積是當前適生總面積的7.18倍。分布區(qū)中心由塔城中部(現(xiàn)代)經(jīng)克拉瑪依市(2050s)向伊犁州奎屯(2070s)方向移動。說明在未來氣候情景下,刺蒼耳在新疆的適生分布區(qū)范圍逐漸擴大,面積空間變化明顯,呈現(xiàn)以塔城中部為中心,向天山北麓和塔克拉瑪干北緣方向輻射狀擴散,且兩種氣候變化情景下至2070s分布區(qū)中心均向伊犁州奎屯方向移動。

圖5 不同氣候情景下刺蒼耳分布區(qū)中心與其移動軌跡變化 Fig.5 Changes in center of distribution area of Xanthium spinosum L. and its moving trajectory under different climate change scenarios

3 討論與結(jié)論

制定長期有效的預(yù)防和控制措施需要考慮外來入侵種在未來氣候變化情景下的分布,本研究結(jié)合中國國家氣候中心開發(fā)的BCC—CSM1—1模式下的將來氣候條件,利用最大熵模型MaxEnt和ArcGIS空間分析技術(shù)對刺蒼耳的適宜生境進行了全疆范圍的模擬預(yù)測,ROC曲線測評結(jié)果可靠,預(yù)測結(jié)果與刺蒼耳實際分布區(qū)域的相符度較高。原因在于本研究通過spearman相關(guān)系數(shù)對參與建模的環(huán)境因子進行了篩選,有效的降低了模型的維度和復雜程度。

當前氣候情景下刺蒼耳總適生面積比例為2.04%,在RCP4.5、RCP8.5兩種情景下至2050s,預(yù)測的總適生面積比例為7.86%、10.68%,適宜生境的增加面積分別是當前適生總面積的4.92和5.75倍。至2070s,預(yù)測的總適生面積比例為9.90%、13.16%,適宜生境的增加面積分別是當前適生總面積的6.02和7.18倍。說明在未來氣候變化情景下,刺蒼耳在新疆的種群數(shù)量和分布范圍可能較當前會有一個指數(shù)型的增長和擴張,爆發(fā)成災(zāi)的可能性很大,入侵預(yù)防和控制任務(wù)更為艱巨。除已知分布區(qū)外,氣候變化情景下博州、塔城、阿勒泰西北部、哈密中部、巴州北部、克州中部、阿克蘇北部、奎屯市、克拉瑪依市、五家渠市、喀什市等地的刺蒼耳生境適宜度較高,具有極高的入侵風險。

總體上看,刺蒼耳在新疆的分布未達到飽,呈現(xiàn)以塔城中部為中心,向天山北麓和塔克拉瑪干北緣方向輻射狀擴散。本文參考Yue等[32]的計算方法,確定刺蒼耳在現(xiàn)代氣候及未來氣候情景下的適宜生境中心均位于北疆地區(qū),原因可能有以下兩點：(1)天山北麓屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候,全年降雨量為150—200 mm,塔克拉瑪干南緣屬于暖溫帶大陸性干旱氣候,全年降雨量為25—100 mm[33],而年降雨量是影響刺蒼耳分布的決定因子,從單因子響應(yīng)曲線看,年降雨量的范圍在13—607 mm之間,且刺蒼耳的生長適宜度隨著年降雨量的增加而增大；(2)土壤因子在影響刺蒼耳生長適宜度中所占的權(quán)重較高(27.1%),且下層土有機碳含量是影響刺蒼耳分布的次要因子,而朱敏等[34]的研究結(jié)果表明天山北麓的土壤養(yǎng)分狀況要優(yōu)于塔克拉瑪干北緣,由此可見降水量和土壤養(yǎng)分的差異使刺蒼耳在北疆獲得了更為廣闊的適宜生境。但隨著氣候變化的加劇,刺蒼耳的適宜生境會擴張至塔克拉瑪干北緣,這可能是因為南疆的冬季氣候相對溫暖,更利于刺蒼耳種子的越冬,這與李杰等[35]得出的結(jié)論一致。而目前尚未在南疆地區(qū)出現(xiàn)刺蒼耳的原因可能是天山山脈的阻隔作用,但隨著氣候變化的加劇,絲綢之路經(jīng)濟帶戰(zhàn)略的實施,南北疆交通道路的建設(shè)和口岸貿(mào)易的發(fā)展,天山山脈的阻隔作用會有很大程度的減弱,因此在預(yù)防措施中不能只考慮北疆部分,南疆也需重點考慮。

在野外調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),伊犁、博州等刺蒼耳入侵區(qū)域的省道和縣級公路的兩側(cè)已經(jīng)基本被其占據(jù),且同屬菊科蒼耳屬的意大利蒼耳(XanthiumitalicumMoretti),菊科假蒼耳屬的假蒼耳(IvaxanthifoliaN.)等入侵物種也在北疆迅速的擴散蔓延,伊犁、昌吉等地還呈現(xiàn)刺蒼耳和意大利蒼耳交替分布的現(xiàn)象。此外,刺蒼耳的果實具有刺,牛羊不食,很容易黏著在牛羊等牲畜的皮毛上,再由其攜帶進行遠距離的傳播擴散,牧民和地方管理部門對其危害程度的認識也不高,這些現(xiàn)象極大的威脅了入侵地的生物多樣性和景觀格局。全球入侵物種計劃(Global Invasive Species Program,GISP)的主席Waage提出：對外來物種入侵,預(yù)防比控制其暴發(fā)更為可行,也更為經(jīng)濟[36]。因此,鑒于刺蒼耳的擴散趨勢和野外調(diào)查的實際結(jié)果,作者提出以下幾點防治措施：(1)檢疫部門應(yīng)該將工作概念由過去局限在農(nóng)產(chǎn)品檢驗擴大到所有的植物產(chǎn)品,并加強對口岸動物皮毛的檢疫；(2)應(yīng)該針對刺蒼耳的適生區(qū)建立兩條隔離監(jiān)測帶,第一條建立在克拉瑪依市,預(yù)警和控制刺蒼耳繼續(xù)向天山以北的方向擴散。第二條建立在巴州的和碩縣和阿克蘇的拜城縣,預(yù)防刺蒼耳擴散至天山以南的區(qū)域,并且對隔離監(jiān)測帶進行系統(tǒng)的監(jiān)測和周期評估；(3)從全疆的層面建立入侵物種數(shù)據(jù)庫,為林業(yè)部門、環(huán)保部門和行政部門提供準確全面的生物入侵信息；(4)加強在牧區(qū)和草場的宣傳力度,出臺相應(yīng)的政策法規(guī),讓牧民和草場管理者能及時的發(fā)現(xiàn)刺蒼耳并匯報上級部門。

本研究定量的展示了氣候變化情景下外來入侵種刺蒼耳在新疆擴散趨勢,為全球氣候變化對干旱區(qū)半干旱區(qū)生物多樣性的影響,尤其是對入侵種刺蒼耳的影響研究,提供了科學依據(jù)。然而,本研究也存在著一定的局限性和不足之處,原因在于研究中僅考慮了生物氣候、地形、土壤等環(huán)境因子,而未考慮植物的生命周期、遺傳特性、繁殖能力、人類活動、光照、河流等其他因素。且預(yù)測是以當前的刺蒼耳分布點為基礎(chǔ)進行的,未考慮未來分布點的實際變化,不可避免的造成了一定的誤差。因此,在今后的研究中需要進一步考慮環(huán)境變量的選取,并著重追溯刺蒼耳的入侵歷史,分階段的驗證刺蒼耳分布點的實際變化。