以云南独龙流域为例，通过实验分析木本被子植物随温度变化的关系

文字|小阿

编辑|穆点石

前言

植物群落的物种组成由多种因素决定，包括当前的环境条件以及生物地理学和进化历史。尽管有证据表明，随着纬度和环境梯度（例如低温），植物多样性减少，物种相关性增加，但尚不清楚这些相同的模式是否沿着海拔梯度发生，特别是在生物多样性丰富的亚热带山区。

在本研究中，我们探索了木本被子植物组装模型的系统发育亲和力的广义线性模型，并研究了温度变量对亚热带森林群落木本被子植物物种的系统发育亲和力的影响。

结果表明，当地林地木本被子植物物种在高海拔和低温地区具有较强的系统发育亲和力。

此外，冬季平均温度，而不是年平均温度，是系统发育相关性增加的主要预测因素。这一发现与“热带生态位保守主义”假说的预测一致，该假说强调生态位限制在驱动沿海拔梯度的系统发育群落聚类中的作用。

植物群落是通过环境和进化过程之间的相互作用来组织的。群落组合只能包含环境耐受性允许其在当地群落的非生物和生物条件下维持种群的物种。

然而，赋予人们在当地环境中生存能力的特征也受到其进化历史的限制。例如，植物的耐寒性和耐旱性被广泛认为在系统发育上是保守的。此外，了解这些环境和进化因素如何相互作用以影响植物群落组装是一个重大挑战。

起源

“热带生态位保守主义”（TNC）假说提出，系统发育关系对沿环境梯度的群落组装具有重大影响。这一假说还表明，大多数被子植物科起源于热带气候，并最初开始多样化。然而，随着始新世全球变冷，大多数热带谱系在热带地区灭绝。

由于生态特征和进化事件的保护，以及适应寒冷的谱系相对稀有，能够填补温带环境生态位的物种数量有限。这种现象的总体影响是，环境中物种的系统发育相关性往往会随着环境温度的降低而增加，这一点已在多项实证研究中得到证实。

沿海拔梯度的气候变化

此外，沿着海拔梯度的气候变化是研究温度如何影响当地群落中不同物种的群落组成的绝佳自然实验室。沿海拔梯度的物种多样性反映了沿纬度梯度的物种多样性，并且认为造成这些模式的潜在机制是相同的。

因此，一些与温度相关的变量，包括年平均气温和最冷月的最低气温，沿着海拔和纬度梯度以类似的方式变化。例如，通常认为年最低气温会显着影响高海拔和高纬度地区的物种分布。然而，在给定距离上，温度的高度梯度通常比温度的纬度梯度更陡。例如，纬度变化 100 公里的热梯度通常相当于海拔变化 100 米的热梯度。因此，沿海拔梯度研究物种丰富度是解开温度因素对系统发育亲和力影响的更直接方法。

物种和当地群落的亲缘关系一直是许多研究的主题，但之前的结论并不一致。在热带亚洲和南美洲，木本被子植物物种沿海拔梯度的关系更为密切。

然而，在亚洲温带，木本被子植物物种沿海拔梯度的关系更为密切，这与 TNC 假说的预测一致。

由于几乎所有与海拔梯度相关的研究都仅限于热带和温带地区，因此对亚热带地区的信息知之甚少。因此，需要更多的研究来绘制沿海拔梯度的系统发育亲和力的一般模式。

通过研究中国云南独龙流域亚热带森林群落中木本被子植物沿海拔梯度的系统发育关系，我们发现，由于温度是控制当地植物群落物种分布的主要环境因子之一，我们将系统发育亲缘关系探索过。与温度和海拔变化的关系。

具体来说，我们解决两个主要问题：

木本被子植物组合的系统发育相关性是否随着海拔的升高而增加？

哪些环境因素（例如年平均温度、冬季平均温度）是当地木本被子植物群落系统发育亲缘关系的主要决定因素？

为了量化每个地块的环境条件，我们选择了两个变量，年平均温度（MAT）和冬季平均温度（WAT），因为它们在测试沿海拔梯度的环境因素和系统发育亲和力时使用。广泛使用。

我们使用广义线性模型来评估温度变量对每个森林地块中被子植物物种之间的系统发育亲和力的影响。具体来说，我们使用每个图的系统发育关系作为响应变量，以 MAT 和 WAT 作为自变量之一来构建相关模型。

同时，为了确定哪个温度变量能够更好地描述系统发育指标，我们使用赤池信息准则（AIC）进行模型选择。 AIC 分数越小，模型越准确和精确。

在评估温度变量对系统发育亲和力的影响时，我们还考虑其他环境因素。例如，我们测量了每个样地的海拔、土壤pH值和土壤有机质等参数，并将它们作为其他自变量，从而能够更全面地评估环境因素对森林中被子植物物种之间系统发育亲缘关系的影响。阴谋。影响。

研究发现

在我们的研究中，我们研究了 28 个林地，鉴定了 69 科 135 属的 236 种木本被子植物。这些地块包含不同海拔和温度条件的热带和亚热带森林。我们发现，不同地点的物种丰富度差异很大，从 12 到 40 种不等。

进一步分析表明，海拔与木本被子植物物种丰富度呈显着负相关，海拔与年平均气温和冬季平均气温呈负相关。这可能是由于高海拔地区的低温环境，限制了植物的生长繁殖，导致物种丰富度下降。

相关研究表明，海拔高度与木本被子植物物种丰富度呈显着负相关，海拔高度与年平均气温和冬季平均气温呈负相关。

我们使用两个指标（NRI 和 PSV）来研究木本被子植物物种之间的系统发育亲和力，并评估温度变量对亚热带森林地块的系统发育亲和力的影响。这两个指标都根据标准化效应大小来衡量系统发育相关性，而 PSV 则解释了物种丰富度的差异。

我们发现，虽然NRI和PSV的模式基本一致，但NRI的系统发育亲和力的高度梯度比PSV更平滑。同时我们还发现NRI随着身高的增加而增加，而PSV则与身高呈负相关。

系统发育聚类通常被认为是环境过滤的结果，因为生态特征通常在系统发育上是保守的，因此相关物种在生态上更加相似。

在我们的研究中，我们发现独龙河谷林地木本被子植物物种的系统发育聚类随着海拔的升高和温度的降低而增加，这表明环境过滤可能对样地之间的植物分类产生显着影响。

然而，与在热带环境中研究相同现象时发现的模式相反，我们发现系统发育相关性随着海拔的增加而增加。这一结果与以往的研究结果不同。

例如，在南美洲的热带树木群落中，先前的研究发现，系统发育聚类发生在高温（低海拔）下，而系统发育过度分散发生在低温（高海拔）下。同样，在马来西亚的热带环境中，甚至在高海拔地区，也发现了木本被子植物组合的系统发育亲缘关系。

这些发现表明，不同的环境因素对不同地区的系统发育亲和力有不同的影响。在我们的研究中，可能还有其他因素影响系统发育亲和力与身高之间的关系。

例如，可能存在其他影响系统发育亲和力的生态因素，例如湿度、土壤类型等。因此，未来的研究可以进一步探讨这些因素与系统发育亲缘关系之间的关系，以更好地了解环境因素对生物多样性的影响。

总体而言，木本被子植物物种的系统发育亲缘关系随热带海拔梯度存在的当地森林群落中的海拔而逆转的发现导致了“生态位趋同”或“热带之外”假说。

该假设是，尽管大多数被子植物分支起源于热带或类热带条件，但一些植物迅速传播到较冷的环境，在那里它们的进化相对缓慢。这种现象可能是由于这些植物在适应较冷的环境时需要更长的时间来积累适应性基因和形态特征。

此外，热带地区植物物种的生态耐受性通过生态位趋同在远缘亲缘谱系之间呈现多样化，这意味着一些植物可以在更广泛的环境条件下生存。因此，热带高海拔地区的类群在系统发育上往往过度分散，因为它们针对不同的环境条件进化出了不同的形态和生态特征。

这种分散趋势可以导致更高的物种多样性，因为不同的物种在不同的环境条件下发展。这一假说提供了生态和进化的视角来解释热带高原类群的系统发育亲缘关系，并为进一步的研究提供了方向。

在我们的研究中，我们发现 WAT 在描述木本被子植物组合的系统发育亲缘关系方面比 MAT 具有更大的影响。这一发现与之前的研究一致，即在构建沿海拔梯度的群落组合的系统发育亲和力方面，WAT 比 MAT 发挥着更重要的作用。

此外，研究发现相对较少的物种已经适应了恶劣的环境，并且这些特征在系统发育上是保守的。这种限制的结果是，随着 WAT 梯度的减小，系统发育相关性往往会增加。

进一步分析发现，高海拔和低温地区木本被子植物物种亲缘关系更为密切。这表明在这些环境条件下植物物种之间的进化过程更加相似，可能是由于植物需要适应相似的生态胁迫和环境条件。

值得注意的是，这种随着海拔升高而增加的系统发育相关性的模式似乎是由冬季平均温度而不是年平均温度驱动的，这可能是由于冬季温度对植物生长和繁殖的影响。产生更大的影响。

这一发现与“热带生态位保守主义”模型一致，该模型提出热带生态系统中的物种具有高度专业化的生态位，这使得这些物种不太适应其他环境条件，导致热带物种在进化过程中保持相对保守。

结论

尽管我们的研究结果与热带地区的研究不同，但它们表明生态位保守主义可能是一种普遍存在的生态进化模式，不仅适用于热带地区，也适用于高温和低温地区。

因此，我们的结果为理解环境因素对生物多样性分布和进化的影响提供了新的见解。这些发现为未来的研究提供了方向，特别是探索不同环境条件下生物多样性的进化和分布。