南非马洛蒂-德拉肯斯堡高山草原植物功能性状与生态数据集：揭示气候变化下生物多样性与生态系统功能的新基线

《Scientific Data》：Plant traits and associated ecological data from Afromontane grasslands of Maloti-Drakensberg, South Africa

本刊推荐：为应对非洲高山生态系统面临的生物入侵、土地利用变化和气候变暖威胁，研究团队在南非马洛蒂-德拉肯斯堡沿海拔梯度（2000-2800米）和增温实验（3064米）开展了多维度生态监测。通过系统收集171个维管植物分类群的24,405项地上性状数据和94项根系性状数据，结合植被组成、生态系统CO2/H2O通量、高光谱反射等11类关联数据集，首次记录了47个物种的功能性状，使该区域性状数据覆盖度提升106%。该资源为理解环境梯度与气候变暖对植物性状-生态系统功能的耦合机制提供了关键基准。

　　

在非洲大陆的屋脊之上，马洛蒂-德拉肯斯堡山脉如同一条绿色巨龙蜿蜒在南非与莱索托的边界。这片被称作"非洲蒙特区"的高山草原，孕育着古老而独特的生态系统——这里70%-90%的植物特有种是草原物种，它们历经千万年气候波动、火灾和放牧的洗礼，形成了复杂的适应机制。然而如今，这片生物多样性热点正面临三重威胁：传统放牧方式被高密度围栏牧场所替代导致过度放牧，火制度被人为改变，外来植物入侵与本地木本植物扩张交织，再加上气候变暖的叠加效应，使得这个仅剩21%面积受到正式保护的区域岌岌可危。

面对这些挑战，一个国际研究团队在《Scientific Data》发表了开创性数据集，首次对南非非洲蒙特区草原的植物功能性状及相关生物与非生物变量进行了系统采样。研究团队沿800米海拔梯度（2000-2800米）设置了5个站点，在每个站点的东西坡向各布设5个1.2×1.2米样方，同时在3064米海拔的RangeX增温实验点（使用开顶室OTCs）进行对比采样。这项名为PFTC7（第七届植物功能性状课程）的国际合作项目，不仅构建了包含171个开花植物分类群、24,405项地上性状测量的数据库，更通过多维度数据整合，为理解植物与生态系统功能提供了新视角。

关键技术方法包括：采用标准化协议测量15种植物功能性状（株高、叶湿重、叶面积、比叶面积SLA等）；使用地面穿透雷达（GPR）和根扫描分析系统（RhizoVision Explorer）获取根系性状；通过LI-6800光合作用系统测定同化-温度响应曲线；结合静态箱法测量生态系统CO₂/H₂O通量；利用高光谱仪获取叶片光谱反射数据；布设TMS-4微气候记录仪连续监测环境变量。所有数据均通过R和MATLAB进行标准化清洗，建立16个主数据表互相关联。

植物物种组成

研究记录了60个样方中153个分类群的维管植物覆盖度。沿海拔梯度，50个样方共记录153个分类群，平均物种丰富度为20.8±0.9种，其中2600米海拔处最高（26.6±1.2种）。Themeda triandra、Ficinia cinnamomoea和Tenaxia disticha为优势种，Helichrysum和Senecio属为主要草本。增温实验中，环境与增温样方平均物种数分别为17.4±1.03和13.8±2.03种。

植被高度与结构

59个样方的数据显示平均植被高度为15.5厘米，2800米海拔处最高（22厘米），2000米处最矮（10.9厘米）。苔藓（<0.5%）、地衣（<0.6%）和岩石（<4%）覆盖度较低，裸土覆盖度在2.5%-26%之间，最低点出现在2800米海拔。

地上生物量

50个样方的生物量数据显示，从最低海拔的210克到2800米处的749克呈增加趋势，但2400米东坡出现异常高值（1064克）。

地上性状

数据集包含3038份叶片样本的物理结构性状测量，其中86%样方的性状数据覆盖了至少80%的累计覆盖度物种。东西坡向样本数量均衡（东向1528份，西向1578份），各海拔梯度采样均匀。增温实验另包含43个分类群的349份样本数据。

根系性状

对4个海拔站点（2200-2800米）5个焦点物种的94个个体测量显示，平均根直径（RD）为0.285±0.035毫米，分枝强度（BI）为0.384±0.084毫米^-1，比根长（SRL）为73.5±32.2米/克，根组织密度（RTD）为0.213±0.115克/立方厘米，根干物质含量（RDMC）为360±112毫克/克。RD和BI沿海拔无显著变化，SRL在2600米最高，RTD在2600米最低。

根系生物量制图

通过地面穿透雷达（GPR）测量的3200个根检测点数据显示，振幅和像素计数与根-土壤比率无显著相关性，表明该方法在该草原生态系统中估算根生物量的准确性有限。

叶片同化-温度响应

对9个物种的127条原始曲线进行清洗后获得96条有效曲线，采用FAsTeR方法测定了光合作用温度响应。数据显示不同物种的饱和光强（PPFD）存在差异（600-1200μmol m^-2 s^-1），温度以1.5°C/分钟速率线性攀升40°C。

叶片高光谱反射

对56个物种1089份叶片的光谱测量显示，各海拔梯度样本分布均匀（2000米：181份；2800米：229份）。重点关注Helichrysum ecklonis（229份）、H. pallidum（234份）和Senecio glaberrimus（288份）的种内变异，为建立局部和物种水平的偏最小二乘回归（PLSR）模型提供了充足样本。

生态系统CO₂和H_22O通量

194个净生态系统交换（NEE）、生态系统呼吸（R_eco）和土壤呼吸（R_soil）测量值显示，碳通量在海拔梯度上呈现规律变化。通过"渗漏箱体法"校正潜在泄漏误差，计算得到总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）、碳利用效率（iCUE）和水利用效率（iWUE）等衍生指标。

数据验证与质量控制

研究采用多层次验证确保数据可靠性。根系性状通过RootPainter深度学习模型校正阴影干扰，结果显示未校正扫描会高估总根长度（22.9%）、总体积（82.3%）和分枝强度（401.8%）。同化-温度响应曲线剔除多峰或异常波动数据，生态系统通量测量通过分段线性算法优选时间区间，微气候数据剔除879个异常值。

这项研究通过标准化协议和可重复工作流程，建立了非洲高山草原首套综合性状-环境数据库。数据揭示的海拔梯度模式为预测气候变暖对生物多样性与生态系统功能的影响提供了基线参考。特别值得注意的是，该数据集与中国、斯瓦尔巴、秘鲁和挪威的类似课程数据对齐，为跨区域比较研究奠定了基础。通过PFTC7课程实现的本地能力建设，为南部非洲山地研究培养了实践社区，直接支持了马洛蒂-德拉肯斯堡跨国项目和地方保护倡议。这些数据不仅填补了47个物种性状记录的空白，使该地区性状数据覆盖度增加106%，更通过多维度数据整合，为理解环境过滤、生物相互作用和生态系统功能间的耦合机制提供了关键见解。