《Diversity》：Potential Distribution of Agropyron cristatum in Inner Mongolia Based on the MaxEnt Model
Zhicheng Wang,
Narisu,
Xiaoming Zhang and
Yan Zhao
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本研究针对气候变化背景下内蒙古温带草原优势植物冰草 (Agropyron cristatum) 的潜在分布动态不明的问题，利用优化后的MaxEnt模型与CMIP6未来气候情景，系统评估了其当前与未来的适宜生境。结果表明，年均温和年降水是决定其分布的关键因子，其核心适宜区将保持稳定并呈现北移西扩趋势。成果为草原生态保护与适应性管理提供了科学依据。
气候变化正日益成为全球生态系统稳定性的重大威胁，尤其对敏感的温带草原生态系统影响深远。作为欧亚草原带的核心区域，内蒙古广袤的草原不仅是重要的生态屏障，也为畜牧业发展提供了关键支持。然而，气温升高、降水格局改变等气候变化因素，正在驱动植物物种分布发生广泛而深刻的变化。这带来了一个紧迫的科学问题：那些对草原生态恢复和畜牧业至关重要的本地优势植物，将如何应对未来的气候变化？它们的“家园”——适宜生长区域，是会扩张、收缩，还是发生迁移？要制定有效的生态保护与适应性管理策略，我们必须首先回答这些问题。近期，研究人员聚焦于内蒙古草原的一种关键本土植物——冰草 (Agropyron cristatum)，开展了一项深入的研究，其成果发表在期刊《Diversity》上。冰草是一种耐寒、耐旱的多年生禾本科草本植物，在退化草原恢复和牧草供应中扮演着不可替代的角色。本研究旨在阐明冰草对气候变化的响应，为保护其种质资源和支持适应性草原管理提供科学支撑。
为达成研究目标，研究团队运用了几项关键技术方法。首先，他们从中国数字植物标本馆（CVH）和实地采样中获取了冰草的分布记录，并经过严格的数据清洗和空间稀释处理，最终得到112个有效分布点用于建模。其次，研究从WorldClim数据库获取了当前（1970–2000年）及未来（CMIP6的SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下2050s和2100s）的气候变量数据，空间分辨率约为5公里，并整合了地形与土壤数据。核心的建模工具是最大熵（MaxEnt）模型，研究利用R语言中的ENMeval包对模型参数（特征组合与正则化乘数）进行了优化，以获得最佳的预测性能。模型通过10次重复运行和10折交叉验证进行稳定性与准确性评估。最后，利用ArcGIS软件对模型输出的生境适宜性进行分级制图与面积计算，并借助景观指数（如斑块数量NP、斑块密度PD等）量化了生境破碎化的动态变化。
3.1. 环境变量的贡献与生态阈值
研究通过MaxEnt模型模拟发现，年均温（bio1）和年降水量（bio12）是决定冰草潜在分布的主导环境因子，两者合计贡献率约87%。模型预测性能良好，训练集与测试集的AUC（受试者工作特征曲线下面积）平均值分别为0.8464和0.8201。刀切法（Jackknife）检验进一步证实了这两个水热因子的独立预测能力最强。响应曲线显示，冰草对年均温和年降水的适应性均呈单峰模式，即在中等水热条件下适宜性最高，在极端寒冷、炎热、干旱或过湿条件下适宜性急剧下降。
3.2. 当前气候下的潜在分布
模拟结果显示，在当前气候背景下，冰草的高适宜区（约占研究区面积的7.82%）主要集中在内蒙古中东部栗钙土带；中适宜区（占16.22%）围绕高适宜区分布并向典型草原区延伸；低适宜区（占20.33%）位于中适宜区与不适宜区的过渡带；不适宜区（占55.63%）覆盖了西部的阿拉善高原、巴丹吉林沙漠和戈壁地区。这一分布格局与内蒙古“草甸草原-典型草原-荒漠草原”的植被地带性过渡高度吻合。空间验证（以纬度44.6°N为界分割训练集与测试集）结果显示，模型在未参与训练的南部区域仍保持了较强的判别能力（测试集AUC达0.8962），表明模型具有良好的空间泛化能力。
3.3. 基于未来气候条件的冰草潜在分布
基于CMIP6的两种排放情景（SSP2-4.5和SSP5-8.5），研究预测了本世纪中叶（2050s）和末期（2100s）冰草适宜生境的时空演变。总体而言，冰草的核心适宜区在未来气候情景下保持总体稳定，但空间格局呈现北移和西扩的趋势。具体而言：
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在SSP2-4.5（中排放）情景下，高适宜区面积持续小幅增加，到2100s达到约1.09×105km2。
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在SSP5-8.5（高排放）情景下，高适宜区面积先略有增加后轻微收缩，而低适宜区面积显著增加，到2100s成为主导的适宜生境类型。
空间变化分析表明，稳定适宜生境占主导地位，扩张区集中在北部和西部，而收缩区主要出现在南部边缘。到2100s，SSP5-8.5情景引发的生境变化比SSP2-4.5情景更为明显。
研究进一步通过景观指数量化了生境破碎化。结果表明，在未来气候变化下，冰草的适宜生境破碎化程度呈现先轻微减轻（2050s）后小幅反弹（2100s）的趋势。在高排放情景下，到2100s，斑块数量（NP）达到所有情景中的最高值（174），表明新增的适宜生境多以分散的小斑块形式出现，可能导致生境连通性下降，对物种的基因交流和种群存续构成潜在威胁。
本研究系统地评估了冰草在内蒙古的潜在分布动态及其对气候变化的响应。核心结论是，水热条件（年均温和年降水）是驱动其分布的最关键因素，其当前高适宜区集中于中东部，且在未来气候情景下核心分布区将保持总体稳定，但空间上会向西北方向迁移，同时生境破碎化程度将轻微加剧。这一发现具有多重重要意义。在理论上，它明确了冰草这一温带草原关键物种的基础生态位及其主导环境驱动力，丰富了区域尺度物种分布对气候变化响应的认知。在实践上，研究结果为草原生态保护与适应性管理提供了直接的科学依据：例如，可在未来新出现的适宜扩张区（北部和西部）优先选用冰草进行退化草原的人工补播和生态修复；同时，在南部可能收缩的边缘区域，应加强冰草本地种质资源的就地保护与迁地保存。此外，研究也指出，积极推动温室气体减排（对应SSP2-4.5情景）能有效缓解气候变化对冰草生境的长期扰动，有利于维护草原生态系统的完整性与生物多样性。当然，研究也存在一定局限性，如未来气候数据源于单一气候模型、未系统纳入生物间相互作用和长期人为干扰数据等。未来的研究可通过多模型集合模拟、整合多维度驱动因子来进一步提高预测精度，为冰草种质资源的长期保护和温带草原生态系统的可持续管理提供更全面的科学基础。
