结合物种分布模型和种群扩散能力的阿拉善荒漠灌木分布格局预测

The change of species distribution is a direct reflection of its response to environmental changes, thus, predicting how the species distribution pattern changes in ecologically fragile areas is crucial to actively respond to climate change. The project takes the Alashan desert area, a typical fragile desert ecosystem in China, as the research platform, aims to predict the change trend of main shrub species population distribution patterns under climate change by combining the species distribution model with the population diffusion capacity. Firstly, the biological and abiotic factors affecting shrub population distribution in the study area and their thresholds will be identified, based on this, a coupled model of random forest algorithm and K-nearest neighbor algorithm will be constructed as a species distribution model for desert shrub communities, and the potential distribution areas of shrub species will be simulated. The population diffusion ability in different habitat conditions will be analyzed based on the the distribution history of shrub populations, and then be incorporated in the the simulation process of spatial and temporal changes of shrub population distribution to predict shrub population distribution pattern under different climate change scenarios in the future. The risk of habitation losses of shrub species when they face with climate changes in the future will be identified, the priority protected areas will be analyzed, and furthermore the nature reserves planning and management advices in the study area will be proposed. The research results will provide theoretical and scientific basis for the protection of endangered species and biodiversity conservation in desert areas of China.

物种分布范围的改变是物种响应环境变化的直接表现，预测生态脆弱区物种分布格局的变化趋势对于积极应对气候变化的影响具有重要意义。项目以我国典型脆弱荒漠生态系统阿拉善荒漠区为研究平台，以该区主要灌木物种为研究对象，将物种分布模型和种群扩散能力相结合，预测气候变化背景下灌木种群分布格局的变化趋势。首先辨识影响研究区灌木分布的生物、非生物要素及其影响方式和阈值；在此基础上构建基于随机森林算法和K近邻算法的耦合模型作为荒漠灌木群落物种分布模型，模拟灌木物种的潜在适宜分布区；其次结合灌木种群分布历史确定不同生境条件下种群扩散能力，在模拟时间序列上灌木种群分布的时空变化过程中纳入种群扩散能力，实现未来不同气候变化情景下灌木种群分布格局的预测；进而识别未来灌木物种生境丧失的风险，分析优先保护区，提出研究区自然保护区规划、管理建议。项目研究结果可为我国荒漠区濒危物种保护及生物多样性维持提供理论基础和科学依据。

阿拉善荒漠区是我国典型荒漠生态系统，该区旱生、超旱生灌木、半灌木构成了颇具特色的阿拉善植物区系，是我国生物多样性保护优先区之一，但同时也是我国荒漠化较为严重的地区，在气候变化和人类活动影响下，这一脆弱生态系统面临着灌木物种濒危、生物多样性丧失的风险，预测气候变化影响下主要灌木物种分布格局的变化趋势对于该区域濒危物种和生物多样性保护具有重要意义。本项目以阿拉善荒漠区为研究平台，以区域灌木群落为研究对象，开展了灌木物种分布和灌木群落种间关系的野外调查以及气象、土壤要素的采样、测试分析，将灌木物种分布和环境要素进行关联分析，探究环境要素对物种分布的影响和制约；基于灌木物种分布数据，利用随机森林算法，构建涵盖种间关系的物种分布模型，模拟灌木物种的潜在适宜分布区，预测未来不同气候变化情景下灌木物种的空间分布变迁，进而识别不同灌木物种生境丧失风险和优先保护范围。主要研究结果如下：（1）绘制了阿拉善荒漠区21种主要灌木物种的空间分布图；（2）检测了27对灌木物种的种间关联模式与关联强度，在群落尺度上有14对灌木呈现显著种间正相关，3对灌木呈现显著种间负相关；（3）研究区灌木物种分布格局主要受土壤属性和种间关系的影响，气候、地形因素对大空间尺度的物种分布起决定作用；（4）将土壤属性因子、生物气候因子和地形因子作为非生物因子，将种间关系作为生物因子，采用随机森林算法构建物种分布模型适宜于荒漠区灌木物种分布模拟，模型精度较高；（5）模拟了10种灌木物种的潜在适宜分布区；（6）预测了10种灌木物种在2050年4种不同气候变化情景下（CMIP6模型的SSP126、SSP245、SSP370和SSP585）的潜在分布范围，经空间分析得知仅四合木和蒙古扁桃受气候变化威胁较小，其余灌木物种都在气候变化影响下存在不同程度的生境丧失风险。项目研究结果对于开展荒漠区濒危灌木物种就地、迁地保护具有重要的现实意义，可为荒漠区濒危物种保护及生物多样性维持提供数据基础和科学依据。