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气候变化对伊朗两种百里香属植物未来分布的影响:基于Maxent模型的预测

期刊:BMC Plant BiologyDOI:10.1186/s12870-024-04965-1

该文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


研究团队与发表信息
本研究由Naser Hosseini(伊朗阿拉克大学药用植物系)、Mansour Ghorbanpour(同单位)及Hossein Mostafavi(伊朗沙希德·贝赫什提大学生物多样性与生态系统管理系)合作完成,发表于BMC Plant Biology期刊2024年第24卷第269期。文章标题为《The influence of climate change on the future distribution of two Thymus species in Iran: MaxEnt model-based prediction》,采用Creative Commons Attribution 4.0 International开源许可协议。


学术背景与研究目标
科学领域:本研究属于物种分布模型(Species Distribution Models, SDMs)气候变化生态学交叉领域,聚焦药用植物保护。
研究背景
1. 气候变化威胁:全球变暖导致物种栖息地快速改变,敏感物种(如伊朗特有百里香属植物)面临灭绝风险。
2. Thymus daenensisThlymus kotschyanus的生态与经济价值:两者富含百里香酚(thymol)和香芹酚(carvacrol),是伊朗传统医药、食品调味和化妆品的重要原料,但因过度采集与气候变暖种群锐减。
3. 研究空白:此前缺乏针对这两种百里香在伊朗全国尺度下气候变化响应的预测模型。

研究目标
1. 确定影响两种百里香分布的关键环境变量;
2. 预测当前及未来(2050年、2070年)的适宜栖息地范围;
3. 评估气候变化对分布区的潜在影响,为保护策略提供依据。


研究流程与方法
1. 数据收集与预处理
- 物种分布数据:通过野外调查、标本馆记录(HSBU、TARI)及GBIF数据库获取两种百里香的分布点,经空间去重(1 km网格过滤)后,保留T. daenensis 48个点位、T. kotschyanus 32个点位。
- 环境变量:初选37个变量(气候、地形、土壤),通过Pearson相关性分析(|r|>0.7剔除冗余变量)最终保留6个关键变量(如最暖季度均温bio10、坡度slope等)。

2. 模型构建与验证
- 模型工具:采用MaxEnt 1.0-3(最大熵模型),通过R语言dismo包实现,设置10倍交叉验证以评估模型稳定性。
- 参数设置:使用16个全球环流模型(GCMs)的平均值,模拟两种排放情景(RCP4.5中等排放、RCP8.5高排放)下2050年(2041–2060平均)和2070年(2061–2080平均)的分布变化。
- 模型评估:基于AUC值(曲线下面积)评估模型性能(T. daenensis AUC=0.927,T. kotschyanus AUC=0.957),表明预测精度优异。

3. 栖息地适宜性分析
- 当前分布:利用ArcGIS 10.2生成适宜性地图,划分适宜区与非适宜区。
- 未来预测:对比当前与未来情景下的分布范围变化,计算面积损失率与新增适宜区。


主要研究结果
1. 关键环境变量
- T. daenensis:最暖季度均温(bio10,贡献率52.7%)、坡度(20.6%)、最干月降水(bio14,18.3%)是主导因素。该物种偏好海拔1000–2500米、坡度3–23%的干旱山区。
- T. kotschyanus:坡度(60.8%)和最冷季度均温(bio11,28.5%)最关键,适应海拔1500–3000米的岩石斜坡,依赖冷冬条件。

2. 当前适宜区分布
- T. daenensis:主要位于伊朗西北部至东北部(如加兹温、哈马丹等省),但实际分布未覆盖东北预测区,可能与人类活动干扰有关。
- T. kotschyanus:集中于西部和北部(如东阿塞拜疆、吉兰省),而里海沿岸因夏季高降水不适宜。

3. 未来分布变化
- 面积损失:RCP8.5-2070情景下,T. daenensis栖息地将减少91.39%(从48.4万km²缩至4.2万km²),T. kotschyanus减少57.02%(33.2万km²→14.3万km²)。
- 空间格局:两种物种均向高海拔退缩,低海拔区域逐渐丧失适宜性。例如,T. daenensis在科吉卢耶省等地的分布可能完全消失,而德黑兰北部高地将成为新适宜区。


结论与价值
科学意义
1. 首次在伊朗全国尺度量化气候变化对两种百里香的影响,填补了该属植物保护生态学研究空白;
2. 验证了MaxEnt模型在小样本存在数据(presence-only data)中的可靠性,为类似研究提供方法学参考。

应用价值
1. 保护策略:建议在Fars、Hamadan等省的高海拔区域建立保护区,优先实施人工栽培;
2. 政策支持:为伊朗农业部门制定物种可持续利用政策(如保险补贴种植计划)提供数据支撑。


研究亮点
1. 多情景集成预测:综合16个GCMs和两种RCP情景,显著降低模型不确定性;
2. 生态机制解析:揭示坡度与温度交互作用对百里香分布的关键调控,深化了对山地物种适应性的理解;
3. 跨学科融合:将传统植物学(标本验证)与前沿生态模型(MaxEnt)结合,提升结论的可信度。

局限性:未考虑人类活动(如过度放牧)与种间竞争对分布的影响,未来需结合土地利用变化模型完善预测。


此研究为全球气候变化下的药用植物保护提供了重要案例,其方法论与结论可直接推广至其他濒危高山物种的适应性管理。

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