成都生物所在重要森林樹種冷杉未來分布變化預測研究中獲進展

2021-01-11 中國科學院

　　西南山地是我國長江、珠江、雅魯藏布江、瀾滄江、怒江等多個重要河流的源區，是國際河流湄公河、薩爾溫江、伊洛瓦底江、恆河和印度河等的重要源區，是我國重要的生態屏障區、生物多樣性富集區，水源涵養、水土保持、水資源供給區，也是全球暗針葉林地理分布中心之一，正經歷著前所未有的變暖趨勢，對優勢樹種的生存提出了嚴峻的挑戰。

　　冷杉（Abies）廣泛分布在北半球溫帶和亞熱帶地區，具有較強的耐陰性，適應溫涼和寒冷的氣候，常在高緯度至低緯度地區亞高山至高山地帶的陰坡、半陰坡和谷地形成純林，或與雲杉、落葉松、鐵杉及闊葉樹組成針葉混交林或針闊混交林，在涵養水源、保持水土、保護生物多樣性方面具有十分重要的功能。西南地區是我國冷杉屬物種多樣性的最高富集區域，冷杉也是該區域亞高山、高山地區森林的優勢樹種之一，冷杉林對維持西南地區生態安全屏障功能的正常發揮具有舉足輕重的作用。冷杉喜歡寒涼氣候，對全球氣候變化十分敏感，對溫溼度穩定性有嚴格的要求，在未來該區域總體趨勢為氣溫升高的背景下，冷杉樹種分布將如何變化？這個問題仍然不清楚。由於其分布變化將劇烈改變西南生態屏障功能的正常發揮，進而影響區域、國家乃至亞洲的生態安全，因此，該區域冷杉屬樹種的未來適應及分布變化受到國際學術界、國際組織的高度關注。

　　預測物種的分布變化通常利用生態位模型演算，對物種過去不同時期的反演往往可以通過孢粉、化石等證據來確認反演結果是否正確，但對物種未來分布變化的預測則因為無法實證從而導致預測結果可能具有不確定性。因此，如何提高物種未來分布預測的準確性是國際學術界在不斷探索的一個難題。

　　植物和動物一樣，當環境不適宜時，除了通過其生理生態特性的改變來適應不利環境外，更重要的是遷移到適宜生境的能力，這也是植物在面對氣候變化背景下適應氣候的重要反饋機制，但國際學術界在利用生態位模型預測物種分布變化時卻往往忽略這個機制。大多數生態位模型研究傾向於使用完全遷移或無遷移的場景來預測物種在未來氣候變化下的潛在分布。事實上，物種未來的實際分布可能介於不遷移和完全遷移之間。不考慮物種實際遷移能力的物種分布模型預測可能會過高或過低地估計物種的真實分布，進而阻礙人們對物種真實風險的準確判斷。

　　以往對冷杉未來分布的研究主要集中在廣闊的平原地區（北美及歐洲），得出的結論相對一致，即其潛在分布的範圍在縮小並向北方遷移。與北美、歐洲等區域相比，我國西南地區由於地形、氣候、植被和物理屏障的巨大差異，且冷杉物種數量佔全球的四分之一以上，這使得人們對多個物種的評估與其他區域的相關研究有可能有很大的不同。並且很少有研究試圖闡明不同的遷移能力對東亞氣候變化下植物潛在分布的影響。因此，考慮到遷移限制和氣候變化之間的相互作用，迫切需要對我國西南山地的多個冷杉樹種進行可靠的未來評估。

　　中國科學院成都生物研究所生態過程與生物多樣性組博士研究生廖梓延在導師、研究員潘開文和副研究員張林的指導下，聯合了瑞士聯邦研究院（Swiss Federal Research Institute WSL）研究員Michael Peter Nobis，採用最大熵（MaxEnt）算法校準生態位模型，並基於兩種碳排放情景（RCP 4.5和RCP 8.5），分別預測我國西南山地北部（「北方」）典型代表性建群樹種岷江冷杉和紫果冷杉，中部典型代表性建群樹種鱗皮冷杉和黃果冷杉，南部（「南方」）典型代表性建群樹種川滇冷杉和長苞冷杉，在未來三個時間段（2021-2040年、2041-2060年及2061-2080年）的潛在分布變化。首次在植物分布變化預測中採用KissMig遷移模型，制定了三種遷移場景（完全遷移、不遷移和局部遷移場景），來探討遷移能力與預測分布之間的關係以及重要冷杉樹種的潛在分布。

　　模擬結果表明，未來氣候變化下冷杉的損益同時取決於地理位置、生態位和遷移能力。到2080年，只有在無遷移情景下，紫果冷杉的潛在分布面積預計會下降，而在全遷移和部分遷移的情景下，預計會增加；而其他5個物種在大多數碳排放×遷移的情景下，潛在分布面積會下降。西南山地南部的冷杉更容易受到氣候變化的威脅，而這種威脅在遷移限制和嚴重的氣候變化情景下將被放大。因此，對於我國西南地區特有、優勢和重要的冷杉樹種，保護評估和合理規劃是當務之急。儘管該研究對物種分布的預測結果是在不可避免的簡化假設和多種不確定因素下得出的，但研究指出了冷杉資源保護所面臨的潛在挑戰，並強調了將遷移能力納入氣候變化影響評估的重要性，為生態位模型在植物未來分布變化預測提供了新的案例及方法借鑑。

　　該研究獲得國家重點研發計劃（2016YFC0502101）、第二次青藏高原綜合科學考察研究（2019QZKK0303）及國家自然基金（31961133012）的資助。近日以Climate change jointly with migration ability affect future range shifts of dominant fir species in Southwest China 為題發表於Diversity and Distributions。

　　論文連結

圖1 當前西南山地六種冷杉的分布點位及模擬的潛在分布區

圖2 預測的西南山地南部長苞冷杉（A. georgei）2080年分布及變化

圖3 預測在局部遷移情景下六種冷杉分布的質心遷移規律（曾佑派和李斌攝）

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