来自南部非洲马洛蒂-德拉肯斯堡山脉的现代草本植物石器组合

《Review of Palaeobotany and Palynology》：Modern grass phytolith assemblages from the Maloti-Drakensberg Mountains, southern Africa

　　• 首个来自马拉奥蒂-德拉肯斯堡山地草原的现代植硅体参考数据集。
• 不同草亚科具有独特的植硅体组合。
• 使用植硅体进行古生态重建的区域指南。
• 支持高分类分辨率的过去草原动态重建。

1. 引言
以草类为主的生态系统是地球上最广泛且生态上最重要的生物群落之一，覆盖了超过30%的陆地表面（Bengtsson等人，2019年）。在南部非洲，草原尤为重要，它们维持着高度的生物多样性，为牲畜提供饲料，调节水资源，并支持碳储存（Petermann和Buzhdygan，2021年；Craft等人，2018年；Findlay等人，2022年）。此外，尽管已知草原生态系统已经存在了数千年，但它们对气候变化、火灾模式和食草动物的影响非常敏感（Archibald，2016年；Archibald等人，2011年；Finch等人，2021年；Finch和Marchant，2010年；Meadows和Linder，1993年）。了解这些草原在过去如何应对变化因素可以为现代保护和土地利用管理策略提供宝贵的参考框架（Gillson和Duffin，2007年）。然而，在与物种更替和演替过程相关的时间尺度上（即100年至1000年；Zaloumis和Bond，2016年），关于草原组成变化的实证数据仍然缺乏。这是由于大多数过去的植被变化记录来自沉积物中保存的花粉分析（Lézine等人，2021年），并且基于形态学特征无法识别许多物种的花粉家族水平（Gosling等人，2013年；Scott，2002年）。由于这些混淆因素，许多关于过去环境变化的记录中几乎看不到草原植被动态（例如，Meadows和Linder，1993年；Miller和Gosling，2013年；Lodder等人，2017年）。在像马拉奥蒂-德拉肯斯堡山脉这样的非洲山区，草原目前占据主导地位（Mucina和Rutherford，2006年；O'Connor等人，2014年），保护工作主要集中在两个威胁上：（i）草类物种C3-C4的更替（Uys等人，2003年；Zaloumis和Bond，2016年），以及（ii）木本植物的入侵（O'Connor等人，2014年）。这些威胁至少部分是由大气二氧化碳水平上升和温度升高引起的复杂相互作用所驱动的，这些变化改变了C3和C4草类以及这些草类与灌木（C3）之间的竞争平衡（Morris，2017年）。

德拉肯斯堡山脉有着悠久的实验草原科学研究历史，监测数据可以追溯到近70年前（N?nni，1956年）。这些实验研究提供了对山地草原对关键生态过程（如火灾或防火）反应的独特见解（Short，2007年；Adie等人，2011年；de Villiers和O’Connor，2011年；Gordijn等人，2018年）。这些研究还得到了遥感技术的补充（自1988年以来），有助于我们理解草原退化（Mansour等人，2015年）、C3/C4草类组成（Adjorlolo等人，2012年）以及外来物种（如蕨类植物）的入侵（Matongera等人，2016年）。尽管数据丰富，生态学家和保护管理者长期以来一直认识到需要从更长期的角度来研究生态系统变化，以了解在人类活动和气候变化压力下的草原动态（例如，Godwin，1956年；Soulé和Noss，2014年；Svenning等人，2015年）。从沉积记录中获得的过去环境变化记录可以通过参数化100至1000年的生态系统动态来提供这一视角（Breman等人，2011年）；然而，这些古生态研究能够提供关于植被动态的新见解的程度受到可以识别的植物残余物分类分辨率的限制。

山地草原的古生态研究受到广泛使用的代用指标（如化石花粉）的分类分辨率的限制。除了少数例外，所有草类花粉类型都无法区分，因此基于花粉的长期植被变化记录虽然有助于理解总体植被变化，但对草原组成的了解有限（例如，Lodder等人，2017年；Neumann等人，2014年；Norstr?m等人，2008年；Fitchett等人，2016年；Breman等人，2011年；Finch等人，2021年）。考虑到草原生态系统具有很高的生产力和动态性，受到火灾、放牧、人类活动和木本入侵等多种复杂因素的影响，并且受到气候变化的严重威胁，有必要转向其他代用指标来理解这些过程。

植硅体是形成于植物组织中的微小硅颗粒，是重建过去草原变化的关键工具（Cordova，2012年；Piperno，2006年）。植硅体在形态上多种多样，并且由草类大量产生，因此可以通过形态类型区分不同的草亚科。例如，双叶型（Panicoideae）、鞍形型（Chloridoideae）、圆盘型（Pooideae和Danthonioideae）以及梯形型（Pooideae）（Piperno，2006年；Barboni等人，2007年；Twiss，1992年）。因此，植硅体组合可用于重建过去的草原组成变化、草原稳定性以及环境驱动因素（包括气候变化和人为干扰）（Piperno，2006年；Esteban等人，2019年；Barboni等人，2007年；Sj?str?m等人，2017年；Gosling等人，2021年）。通过将植硅体形态类型与当地优势的C3和C4草类联系起来，可以更好地解释化石组合，并在亚科分辨率上重建过去的植被动态，从而推断过去的温度变化。

然而，植硅体形态的解释并不简单。形态类型通常由多个亚科产生，这可能会限制分类分辨率（Esteban等人，2019年；Barboni等人，2007年；Twiss，1992年）。例如，圆盘型通常与C3亚科Pooideae相关，但也是一些C4亚科Chloridoideae和Panicoideae的分类单元产生的（Twiss，1992年；?kesson等人，2020年）。这种重叠使得解释变得复杂，特别是依赖于全球识别方法可能无法捕捉到区域差异（Barboni等人，2007年；Bremond等人，2005年）。此外，植硅体的产生受环境条件的影响，如水分胁迫、火灾和沉积作用（Bremond等人，2005年）。为了解决这些问题，区域性的现代参考数据集在植硅体分析中至关重要。这样的数据集可以在本地相关的分类水平上记录植硅体的产生，从而提高分类分辨率和生态解释能力（Roussouw，2009年；Barboni等人，2007年；Cordova，2012年；Cordova，2023年）。尽管非洲的古生态研究中使用了植硅体，但来自生态上重要的德拉肯斯堡地区的现代数据集仍然很少（Roussouw，2009年；Barboni等人，2007年；Cordova，2023年；Olatoyan等人，2023年）。因此，本研究基于研究区域内的五个主要禾本科亚科（Panicoideae、Pooideae、Chloridoideae、Danthonioideae和Aristidoideae）的29个草样本来建立了一个现代植硅体参考数据集。通过描述这些亚科内部和之间的形态类型分布，我们可以为解释德拉肯斯堡和非洲类似山地草原生态系统中的植硅体组合奠定基础。

2. 研究区域
马拉奥蒂-德拉肯斯堡山脉位于南非和莱索托境内，海拔超过3400米（Killick，1963年；图1）。该地区的特点是地形陡峭、河谷众多以及由灌木丛和湿地组成的广阔草原（Carbutt和Edwards，2004年）。德拉肯斯堡属于南部非洲的夏季降雨区，大部分降水集中在10月至3月之间的对流风暴中（Morris，2017年），降水量因海拔和朝向不同而异，范围从800毫米到2000毫米不等。

3. 材料与方法
3.1. 样本采集
现代参考材料在南非夸祖鲁-纳塔尔省的德拉肯斯堡地区采集，距离两个湿地站点约5公里范围内：Elandvlei（28°56′58″S，29°13′22″E，1492米）和Baboon Swamp（28°55′37″S，29°12′41″E，1630米）。共收集了29个草样本，代表5个禾本科亚科（Panicoideae、Chloridoideae、Pooideae、Danthonioideae和Aristidoideae）的25个独特物种（表1），海拔范围从1100米到1900米。物种鉴定参考了van Oudtshoorn（2012年）和当地草类专家的意见。这些被识别的分类单元之前都没有在德拉肯斯堡地区进行过植硅体生产的分析。

表1. 按亚科、族和光合作用途径划分的草类物种列表（Russell，1983年；Neto和Guerra，2019年；Taylor等人，2009年；Ueno和Sentoku，2005年）

亚科 种类 族 光合作用途径
Aristidoideae Aristida adscensionis L. C4
Aristidoideae Aristida junciformis Trin. & Rupr. C4
Chloridoideae Eragrostiscapensis (Thunb.) Trin. C4
Chloridoideae Eragrostis curvula (Schrader) Nees C4
Chloridoideae Eragrostis racemosa (Thunb.) Steud. C4
Chloridoideae Sporobolus africanus (Poir.) Robyns & Tournay C4
Chloridoideae Sporobolus centrifugus (Trin.) Nees C4
Zoysieae Sporobolus pyramidalis P. Beauv. C4
Chloridoideae Stiburus alopecuroides (Hack.) Stapf. C4
Danthonioideae Merxmuellera spp. C3
Danthonieae Zotov C3
Panicoideae Alloteropsis semialata (R.Br.) Hitchc. C3/C4
Panicoideae Andropogon eucomus (Christian Gottfried Daniel Nees von Esenbeck) C4
Panicoideae Andropogoneae Dumort. C4
Panicoideae Hyparrhenia dregeana (Nees) Stapf ex Stent. C4
Panicoideae Hyparrhenia hirta (Linnaeus) Stapf C4
Panicoideae Imperata cylindrica (L.) P. Beauv. C4
Panicoideae Loudetia simplex (Nees) C.E. Hubb. C4

3.2. 样本制备
按照标准化的灰化程序（Jenkins，2009年；Witteveen等人，2022年）从植物标本中提取植硅体。大约1克干燥的植物组织在 Blast furnace 中以450°C的温度燃烧2小时以去除有机物。所得灰分使用Nafrax mounting medium（Jenkins，2009年；Witteveen等人，2022年）固定在显微镜载玻片上。

3.3. 植硅体鉴定、定量和分类
使用Zeiss Axioscope显微镜在630倍放大倍数下鉴定植硅体。每个样本至少计数和分类200个植硅体，并根据已建立的分类系统进行分类（Piperno，2006年；Barboni等人，2007年；Cordova，2023年）。在整个数据集中观察次数少于10次的形态类型被排除以减少解释噪声。为代表性形态类型拍摄了图像，并标准化了比例尺以便进行形态比较（图I）。

图I. 本研究中鉴定的关键植硅体形态类型：(a) 双叶型（Melinis repens），(b) 双叶型（Melinis repens），(c) 不对称双叶型（Melinis repens），(d) Panicoideae 双叶型（Imperata cylindrica），(e) 十字型1（Hyparrhenia hirta），(f) 十字型1（Loudetia simplex），(g) 双叶型十字型（Loudetia simplex），(h) 十字形（Paspalum dilatatum），(i-l) 圆盘型（i 和 j - Sporobolus pyramidalis；k - Sporobolus africanis；l - Stiburus alopecuroides），(m-p) 鞍形型（m - Agrostis bergiana；n - Eragrostiscapensis；o 和 p - Sporobolus africanis）。

为了理解形态类型与草类光合作用途径之间的关系，根据现有文献（Russell，1983年；Ueno和Sentoku，2005年；Sage和Monson，1999年），每个物种被归类为C3或C4。这种区分是必要的，因为植硅体的产生和形态类型分布通常与光合作用途径和系统发育关系有关（Barboni等人，2007年；?kesson等人，2020年；Cordova，2023年）。

4. 结果
4.1. 按草亚科划分的植硅体组合
根据每个亚科中的植硅体数量对植硅体组合进行了分类和分组。**Panicoideae**科拥有最多的样本（14个），其次是**Chloridoideae**科（8个）（见图2和图3）。**Aristoidae**科有3个样本，而**Danthonioideae**科和**Pooideae**科各自有2个样本（见图4）。此外，**Panicoideae**科、**Aristoidae**科和**Chloridoideae**科主要属于C?光合途径，而**Danthonioideae**科和**Pooideae**科属于C?光合途径（Russell, 1983; Neto and Guerra, 2019; Sage and Monson, 1999; Taylor et al., 2009; Ueno and Sentoku, 2005）。

**图2.****Panicoideae**亚科中每个物种的植硅体形态类型的相对丰度。植硅体形态类型遵循图I所示的图像。

**图3.****Chloridoideae**亚科中每个物种的植硅体形态类型的相对丰度。植硅体形态类型遵循图I所示的图像。

**图4.****Aristidoideae**亚科、**Danthonioideae**亚科和**Pooideae**亚科中每个物种的植硅体形态类型的相对丰度（用红线分隔）。植硅体形态类型遵循图I所示的图像。（关于此图例中颜色参考的解释，请参阅本文的网页版本。）

**4.2. Panicoideae**科**Panicoideae**科的特征是双叶形态类型的比例较高（见图2）。具体来说，**Panicoideae**科特有的双叶形态（P_Bilobate）占30-88%，同时交叉形（Cross type 1）和双叶/交叉形（0-17%）也频繁出现。多叶形态类型仅出现在少数物种中，其中**Melinis repens**和**Paspalum dilatatum**的比例最高（分别为27%和24%）。虽然双叶形态在大多数**Panicoideae**组合中占主导地位，但圆盘形（rondel）也存在（0-22%）。**saddle**形态较为罕见，仅限于**Andropogon schirensis**，该物种除了产生双叶形态外还产生了少量圆盘形（6%）。数据集中的大多数**Panicoideae**物种可能遵循C?光合途径，除了**Alloteropsis semialata**，这是一种既属于C?也属于C?的物种（表1）（Russell, 1983; Neto and Guerra, 2019; Taylor et al., 2009; Ueno and Sentoku, 2005）。

**4.3. Chloridoideae**科**Chloridoideae**科的样本主要由**saddle**、**rondel**和**双叶**形态类型主导（见图3）。圆盘形和双叶形态在大多数物种中丰度较高（分别为10-93%和0-74%），而**saddle**形态也存在（0-23%）。交叉形较为罕见，最多出现在**Eragrostis capensis**（11%）和**Stiburus alopecuriodes**（7%）中。**Sporobolus centrifugus**是**Chloridoideae**科中唯一含有长轴双叶形态的物种（11%）。数据集中的**Chloridoideae**物种属于C?草类（表1），这一点可以通过先前的分类和生理学研究得到证实（Russell, 1983; Neto and Guerra, 2019; Taylor et al., 2009; Ueno and Sentoku, 2005）。

**4.4. Danthonioideae**科和**Pooideae**科**Danthonioideae**科的植硅体组合以圆盘形为主（90-10%），双叶和**saddle**形态的比例较低（分别为0-8%和0-2%，见图4）。**Pooideae**科的组合虽然也产生圆盘形（0-9%），但在形态上更为多样。它们除了产生双叶和圆盘形外，还产生梯形（0-46%和0-9%）。**Trisetopsis imberbis**同时包含交叉形和圆盘形，显示出亚科内的变异性。所有检查的**Pooideae**和**Danthonioideae**物种都遵循C?光合途径（表1）。

**4.5. Aristidoideae**科**Aristidoideae**科的特征是双叶形态（43-78%）和长轴双叶形态（12-36%）占主导（见图4），其中**Aristida junciformis**以双叶形态为主，而**Aristida adscensionis**产生的组合更为复杂，包括圆盘形、**saddle**和交叉形（见图4）。这两种**Aristida**物种都使用C?光合途径（表1）。

**4.6. 主成分分析**对植硅体丰度数据的多元分析表明，主要方差轴解释了整个数据集23.2%的变异性。而次要方差轴解释的变异性不足一半（12.1%）（见图5）。**Panicoideae**的植硅体组合在主要方差轴上与其他亚科的植硅体组合明显不同。**Aristidoideae**、**Danthonioideae**和**Chloridoide**的植硅体组合紧密聚集在一起，而**Pooideae**则在次要方差轴上分离。

**5. 讨论****5.1. 通过植硅体组合对草类亚科进行表征****5.1.1. Panicoideae**科中双叶和交叉形非常普遍，这与早期的研究结果一致（Piperno, 2006; Barboni et al., 2007; Twiss, 1992）。通常认为**Panicoid**的双叶形态是该亚科的指示器（Piperno, 2006; Barboni et al., 2007）。**Melinis repens**和**Paspalum dilatatum**中出现的多叶形态与先前的研究一致，这些形态类型被确定为某些**Panicoide**分类单元的潜在标志（Bremond et al., 2005）。**Panicoideae**、**Chloridoideae**、**Danthonioideae**和**Pooideae**中圆盘形的存在强调了依赖单一形态类型进行分类区分的难度。**Panicoideae**中植硅体类型的区分表明，在解释植硅体数据时考虑分类学和光合途径的重要性（Russell, 1983; Neto and Guerra, 2019; Sage and Monson, 1999; Taylor et al., 2009; Ueno and Sentoku, 2005）。

**5.1.2. Chloridoideae**科**Chloridoide**科中最丰富的形态类型是**saddle**，这支持了之前的研究，表明它是一个强有力的分类标志（Piperno, 2006; Barboni et al., 2007; Twiss, 1992）。然而，在德拉肯斯堡地区的C?类型**Chloridoideae**中发现大量圆盘形，这在区域分类上存在不确定性，因为这种形态类型在其他地方与C?分类单元相关联（Twiss, 1992; ?kesson et al., 2020）。这一发现意味着，在德拉肯斯堡草原背景下，丰富的圆盘形不一定能直接指示C?优势。

**5.1.3. Danthonioideae**科和**Pooideae**科**Danthonioide**科的植硅体组合以圆盘形为主（90-10%），双叶和**saddle**的比例较低（分别为0-8%和0-2%，见图4）。**Pooideae**科的组合也产生圆盘形（0-9%），但在形态上更加多样。它们除了产生双叶和圆盘形外，还产生梯形（0-46%和36-70%）。**Trisetopsis imberbis**同时包含交叉形和圆盘形，显示了亚科内的变异性。所有检查的**Pooideae**和**Danthonioide**物种都遵循C?光合途径（表1）。

**5.1.4. Aristidoideae**科**Aristidoide**科的特征是双叶形态（43-78%）和长轴双叶形态（12-36%）占主导（见图4），其中**Aristida junciformis**以双叶形态为主，而**Aristida adscensionis**产生的组合更为复杂，包括圆盘形、**saddle**和交叉形（见图4）。这两种**Aristida**物种都使用C?光合途径（表1）。

**5.2. 通过植硅体组合区分草类亚科**多变量分析表明，植硅体丰度数据的主要方差轴解释了整个数据集23.2%的变异性。次要方差轴解释的变异性不到这个比例的一半（12.1%）（见图5）。**Panicoideae**的植硅体组合在主要方差轴上与其他亚科明显不同。**Aristidoideae**、**Danthonioideae**和**Chloridoide**的植硅体组合紧密聚集在一起，而**Pooideae**在次要方差轴上分离。

**5.3. 植硅体的古生态学意义**本研究中呈现的现代植硅体校准数据为南部非洲草地生态系统的化石植硅体记录提供了新的见解，特别是在山区环境中，C?草类的特征变得尤为重要。例如，Sj?str?m等人（2017）根据**saddle**变体的丰富度认为**Aristidoideae**在Lydenburg沼泽（海拔1600米）的化石序列中相对稀少，尽管它们在现代植被中存在。相比之下，当前研究发现**Aristidoideae**物种主要由双叶和长轴双叶形态组成，其中一个物种几乎完全由双叶形态主导，而另一个物种产生包含圆盘形、**saddle**和交叉形的混合组合。这表明，仅基于植硅体可能无法轻易区分所有**Pooideae**物种，即使梯形对某些分类单元仍是一个有用的诊断特征。

**5.3. 植硅体的古生态学意义**本研究的现代植硅体校准数据为南部非洲草地生态系统的化石植硅体记录提供了新的见解。例如，在Lydenburg沼泽的化石序列中，**Aristidoideae**被解释为相对稀少（尽管在现代植被中存在），基于**saddle**变体的丰富度。相比之下，当前研究发现**Aristidoideae**物种主要由双叶和长轴双叶形态组成。这些模式表明，尽管**Aristidoideae**经常具有较高的双叶形态丰度，但它们在分类学上并不像**Panicoideae**或**Chloridoideae**那样不同（Barboni et al., 2007; Cordova, 2023）。因此，它们的诊断潜力可能更多依赖于长轴双叶的相对丰度，而非独特的形态类型。

**5.2. 通过植硅体组合区分草类亚科**综合来看，植硅体分析在德拉肯斯堡的应用既显示了其优势也揭示了其局限性。**Panicoideae**（双叶和交叉形）通常可以区分，而**Danthonioideae**和**Chloridoide**都大量产生圆盘形（见图2和图3）。此外，PCA显示**Panicoideae**在主要方差轴上有明显的分化，而其他三个科则聚集在一起。**Aristidoideae**部分与长轴双叶形态不同，但仍与其他组共享许多形态类型。相比之下，Roussouw（2009）发现**saddle**变体2与**Aristidoideae**密切相关。我们的发现总体上与早期的非洲研究一致，尽管形态类型重叠经常使分类变得复杂（Barboni et al., 2007; Cordova, 2012, Cordova, 2023），并且不同的分类方案的应用有时会妨碍比较（例如，Roussouw, 2009）。

**总体而言，德拉肯斯堡的数据集加强了先前研究的发现。双叶形态仍然是**Panicoideae**的可靠标志（Roussouw, 2009），而**saddle**是**Chloridoideae**的可靠标志（见图2和图3；Roussouw（2009）发现**saddle**变体1是**Chloridoideae**的指标），而多叶形态对某些**Panicoide**物种似乎也是有用的指标（Bremond et al., 2005）。然而，我们的发现强调了区域校准数据的重要性。**Chloridoide**中圆盘形的丰富度质疑了圆盘形丰度能直接指示德拉肯斯堡草原中C?草类优势的观点。这表明，仅基于全球框架的古生态学解释可能会误解区域植被动态，特别是在德拉肯斯堡这样的多样化山区草原环境中。**

**5.3. 德拉肯斯堡植硅体的古生态学意义**本研究的现代植硅体校准数据为南部非洲草本生态系统的现有化石植硅体记录提供了新的见解，特别是在山区环境中，C?草类的特征变得重要。例如，Sj?str?m等人（2017）根据**saddle**变体的丰富度认为**Aristidoideae**在Lydenburg沼泽的化石序列中相对稀少。相反，当前研究发现**Aristidoideae**物种主要由双叶和长轴双叶形态组成，其中一个物种几乎完全由双叶形态主导，而另一个物种产生包含圆盘形、**saddle**和交叉形的混合组合。这表明，Sj?str?m等人（2017）对**Aristidoideae**在化石序列中的低估可能是由于其形态类型被归入其他亚科所致。因此，添加现有的现代参考材料有助于更好地诊断哪些亚科与每种形态类型相关联。

在另一个来自南非Mpumalanga高海拔草原的例子中，Breman等人（2019）将交叉形解释为**Panicoid**草类的代表，但我们的发现表明多种亚科中都存在交叉形。这些例子说明了本地校准数据在准确解释南部非洲山区草地生态系统化石序列中的价值。通过构建区域数据集，本研究表明必须根据本地环境调整全球植硅体分类系统。在南部非洲，C?和C?分类单元之间的形态类型重叠特别明显，这使得直接将形态类型与光合途径联系起来变得复杂。在缺乏此类本地校准标准的情况下，古生态数据可能会被错误地解释为植被变化或其原因的归因。在本研究中，我们准确代表了德拉肯斯堡的主要亚科，包括使用C?和C?光合途径的物种。我们检查了25个物种和19个属，这是更广泛德拉肯斯堡地区267个物种和86个属的一个子集（Carbutt and Edwards, 2004）。未来的工作可以尝试增加各属的代表性，并包括本研究中未涵盖的次要亚科（如**Arundinoideae**、**Oryzoideae**、**Bambusoideae**），以更好地代表该地区的草类多样性。