全球陆地脊椎动物热与干旱生态位限制数据集：揭示气候变化下物种生存的关键阈值

《Scientific Data》：Global dataset for realized thermal and aridity niche limits for terrestrial vertebrates

本文推荐研究人员为应对气候变化对生物多样性的威胁，构建了涵盖33,941种陆地脊椎动物的热位置指数(TPI)和干旱位置指数(API)数据集。该研究基于物种分布图和历史气候数据，提供了月度和年度尺度上的物种热与干旱生态位上下限，为预测物种分布、种群动态及灭绝风险提供了关键工具，对评估气候变化对生物多样性的影响具有重要意义。

　　

随着全球气候变化的加剧，温度与干旱格局的改变正对全球生物多样性构成严峻挑战。尤其当环境变化导致的条件超出物种已实现的热和干旱生态位限制时，物种的灭绝风险会显著增加。然而，物种对气候变化的响应存在显著的种间差异，这体现在地理分布范围变化、生物活动时间、体型大小趋势以及种群增长差异等多个方面。准确估计物种的热和干旱生态位限制，对于理解和预测这种变异至关重要。为此，Matthew Watson和Jeremy Kerr在《Scientific Data》上发表了题为“Global dataset for realized thermal and aridity niche limits for terrestrial vertebrates”的研究，构建了一个涵盖33,941种陆地脊椎动物（包括两栖类、鸟类、哺乳类和爬行类）的全球数据集，提供了月度和年度的热与干旱生态位上下限，旨在为评估气候变化对生物多样性的影响提供关键数据支持。

为了构建这一数据集，研究人员开展了一项系统性研究。他们首先从WorldClim数据库获取了1961年至1975年间的月度最低和最高全球温度栅格数据，空间分辨率为2.5分钟（约21 km2）。选择这一时期是为了反映全球气温因气候变化而快速上升之前物种所经历的历史热条件。同时，研究人员从世界自然保护联盟（IUCN）和BirdLife International获取了所有现存陆地鸟类、哺乳类、爬行类和两栖类动物的专家知识范围图。对于鸟类，由于迁徙行为的普遍性，研究人员对范围图进行了额外处理，根据生命周期（繁殖、非繁殖、迁徙）和半球分布进行了分类和组合，以确保月度气候数据提取的准确性。

在数据处理方法上，研究人员利用物种范围图作为空间边界，从WorldClim栅格图中提取了每个物种范围内每个月的绝对最高和最低温度值。对于干旱指数（AI）的计算，他们使用月总降水量除以月潜在蒸散量，并采用与温度数据相同的流程提取月度AI的上下限。为了处理因极低潜在蒸散量导致的异常高AI值，研究人员识别并替换了超出范围宽AI值第三四分位数加1.5倍四分位距的异常值。最终，将所有热和干旱生态位限制值整合成两个主要数据文件：一个包含每个物种12个月的月度上下限（Month_Limits.csv），另一个包含每个物种所有月份平均后的年度上下限（Yearly_Average.csv）。数据集还提供了分类学信息和用于交叉比对同物异名的文件。

技术验证

研究人员通过将环境衍生的生态位限制与实验推导的生理耐热性数据进行比对，来验证所生成数据的可靠性。他们收集了494种鸟类和哺乳类的热中性区（TNZ）数据，以及336种爬行类和两栖类的临界热最大值（CT_max）、189种爬行类的临界热最小值（CT_min）和29种两栖类的半数致死低温（LT₅₀）数据。通过系统发育线性模型（PLM）控制系统发育非独立性后，分析表明，对于所有脊椎动物类群，环境衍生的上下热生态位限制（LNL和UNL）与实验推导的生理耐热性（如LTNZ、UTNZ、CT_min、CT_max、LT₅₀）均存在显著的正相关关系。

具体而言，物种的低温范围边缘通常由其耐寒性（代谢限制）决定，因此下热生态位限制（LNL）估计值普遍低于物种的热中性区下限（LTNZ）。对于爬行类和两栖类，LNL值也与其CT_min或LT₅₀基本一致，尽管许多LNL值低于生理临界限，这可能与物种通过冬眠或寻找庇护微环境来避免极端条件有关。对于上热生态位限制（UNL），其与鸟类和哺乳类的热中性区上限（UTNZ）以及爬行类和两栖类的临界热最大值（CT_max）也呈正相关，但UNL通常低于CT_max，表明这些动物通常生活在温度低于其上限的环境中，可能与高温下性能和适应度下降有关。

尽管所有估计都显示出显著的正趋势，但各类脊椎动物群体的R2估计值相对较弱，这反映了决定物种范围边界和生态位限制的生物和非生物因素的多样性，特别是对于物种的温暖范围边界。研究人员强调，已实现的生态位限制并不能与生理耐热限度互换，但两者之间存在显著正相关关系。物种有时会占据超出其生理限度预测的环境，这可能反映了行为策略和微气候可用性的相互作用。这一观察进一步证实，使用已实现的生态位限制可以有效地为预测生物对气候变化的响应提供信息。

此外，研究人员还利用北美繁殖鸟调查（BBS）的观测数据，对三种鸟类（Corvus ossifragus, Cyanocitta cristata, Poecile carolinensis）的生态位限制估计值进行了验证。他们将基于范围图方法得出的月度上下热生态位限制与基于BBS站点观测记录和当地记录温度计算出的估计值进行了比较。韦尔奇t检验（Welch's t-test）结果显示，在9个比较中，有7个显示两种方法得出的上热生态位限制估计值无显著差异。基于范围图的方法对下热生态位限制的估计则普遍低于基于BBS观测的估计，这可能是由于BBS调查时间（通常在黎明至中午）未能捕捉到站点最冷和最热的温度，以及BBS站点纬度覆盖范围有限（比物种北部范围边界更靠南）所致。

研究结论与意义

本研究提供了一个全面的、分类学覆盖广泛的陆地脊椎动物热和干旱生态位限制数据集。技术验证表明，尽管基于范围图的环境生态位限制与实验生理限度不完全相同，但它们之间存在显著的正相关关系，支持其作为评估物种对气候变化脆弱性的有效代理指标。该数据集的一个关键优势在于其提供了月度数据，能够捕捉物种对环境耐受性可能存在的季节性变异，这是许多实验测量所忽略的。

这项研究的意义重大。所提供的热位置指数（TPI）和干旱位置指数（API）计算公式，可将原始环境温度或干旱指数数据转化为物种特异性指数，用于研究气候变化对物种分布范围变化、种群趋势、物候转变、体型大小变化以及灭绝-殖民动态等多种生态问题的影响。已有研究利用类似方法生成的数据，成功检测和归因了熊蜂数量下降、鸟类和哺乳动物体型变化以及蝴蝶占据动态等生物对全球变化的响应。

然而，使用该数据集时也需注意其局限性。范围图可能存在遗漏和错误包含的误差，并且无法反映物种在分布区内的多度和占据情况的变化。气候变化导致的物种分布区变化也可能使当前范围与历史范围不一致。尽管如此，该数据集为在大地理尺度上研究物种与环境的关联提供了强大且可行的工具，特别是对于点观测数据稀少或存在地理偏差的稀有和隐秘物种。

总之，这项研究产生的数据集是一个宝贵的资源，将有助于改进对物种气候变化响应的预测，并支持专注于物种人口统计、占据和分布动态与环境条件关系的研究。随着气候变化持续，利用此类历史基线数据来监测物种的适应（或无法适应）情况将变得愈发重要。