全球植物地下功能关键性状数据集

《Scientific Data》：A global dataset of key traits for plant belowground functioning

　　

地下功能多样性对众多生态系统功能以及全球变化下生态系统的恢复力具有重要意义，然而关于植物地下性状的定量信息在不同研究领域间是分散的且整合不良。迄今为止，植物地下性状已在三个互不相通的研究领域中得到研究：（i）在获取地下资源经济学和共生关系的背景下的细根性状；（ii）在整体植物异速生长和资源获取背景下的最大扎根深度和根系侧向延伸范围；（iii）关注植物和群落恢复力的克隆器官和芽库。然而，这三个研究领域之间仍存在重大脱节。将它们联系起来的前提是创建一个全面、经过整理、开放获取且可用于综合分析的数据集。在此，研究人员为10，453种维管植物物种和19种植物地下性状编制并统一了这样一个性状数据集，并将其命名为UNDERPLOT。基于这些数据，研究人员定义了两个综合指数，即地下持久性类型（BPT）和克隆扩散指数（CSI），它们是预测群落对干扰的抵抗力和恢复力的合适性状指标。进一步的应用将增进研究人员对地下性状空间维度的认识，为性状-环境关系、植被对气候变化和干扰的响应提供新的见解，并加深对进化第一性原则的理解。

**UNDERPLOT数据集：全球植物地下功能关键性状的综合与整合**

**一、研究背景与科学问题**

全球生物多样性的深入理解需要对功能多样性进行全面评估，然而功能多样性的多个关键方面仍是未解之谜。尽管近年来已有全球尺度的综合研究，研究人员对植物功能策略变异的知识仍然不完整，且在不同功能生物多样性科学分支学科间缺乏一致性。这种不一致导致了本体论的矛盾和科学术语使用的不统一，尤其在植物地下器官的研究中表现突出。这些不一致部分源于全球南北方向科学发展的历史遗留问题，以及这些地区间科学交流的不足。

在不同生态系统中，植物地下性状的不同方面被分别分析。例如，从根冠、木质地下茎和木质块茎再萌发的能力是受火干扰的热带稀树草原的一个重要研究领域，而扎根深度和侧向扩展则被分析为对水分可用性的响应。因此，性状数据往往是为特定生态系统问题而收集，或仅仅源于不同样地的随机想法，且局限于特定区域。这导致系统发育和功能多样性记录按地缘政治边界聚类，而非依据真正的全球多样性模式。跨学科整合也难以实现，因为在全球尺度上统一跨领域概念同时兼顾不同认知和方法论发展是额外的挑战。尽管如此，针对特定研究需求的综合科学对于指导生物多样性研究和公共政策至关重要。虽然许多植物功能性状已被充分研究，如叶片经济学空间或根系经济学空间，但研究空白仍然存在。

将植物所有地下性状与更常被研究的性状进行真正的整合，对于全面表征整株植物的性状多样性及其功能是必要的。因此，对现有植物地下性状数据进行更广泛的综合，对于理解植物策略和生态系统功能的模式，以及预测植被对人为引起的气候变化和干扰制度变化的响应至关重要。然而，植物地下功能性状研究较少，且较少被纳入全球植物性状数据库，这可能是由于获取地下材料的困难。研究者协同努力挖掘、检查、综合和分析植物地下性状对生态系统功能的贡献，已开始揭示重要关系，例如地下性状在增强生态系统对严重干扰恢复力方面的作用。本研究的目标是：（i）汇集现有数据集以识别空白，（ii）从其他功能角度解读一些区域使用的性状，即使这些功能并非原始研究者的主要兴趣所在。

**二、研究方法与技术路线**

研究人员从14个不同来源汇编了数据。首先对每个数据库中的物种名称进行分类学标准化处理，将原始分类名保留在独立列中，并依次经过编辑名、解析名、解析后名称和聚合名的处理流程，以实现与sPlot 4.1数据库分类学骨架的整合。该骨架基于世界植物在线（WFO）分类学主干，并已与最新版本的TRY植物性状数据库（第6版）建立链接。其次，研究人员统一了克隆生长器官和生命形式的名称，并据此定义了地下持久性类型（BPT）和克隆扩散指数（CSI）两个综合指数。最后，通过计算数值变量的物种均值或整理分类变量的不同评估结果，将各数据集合并，最终形成包含10，453种维管植物和19种地下性状的数据集。数据集的验证通过编制不同性状值和性状类别的交叉表来实现，以最小化不一致的风险，分类群名称则依据sPlot 4.1分类学骨架进行验证。

**三、主要研究结果**

*数据集的构成与内容*
UNDERPLOT数据集共包含47个字段：聚合物种名称、21个与性状、指数、生长形式和克隆生长器官相关的字段、14个重复数字段以及11个来自不同来源的原始、编辑后、解析后和解析后的分类名称字段。物种的性状可用性在不同性状间差异显著，范围从134种（粗根与细根比）到10，132种（是否地下木质化）。

*地下持久性类型（BPT）的定义*
基于可用性状，10，453个物种中的7，323个可被分配至地下持久性类型。BPT是一个具有有序属性的分类变量，描述遗传个体（genet）在严重干扰（定义为所有地上生物量丧失）后持续存在的能力。其定义基于三个层级组合的属性：（1）木质化程度，反映地下长寿性；（2）克隆性，赋予植物营养再生能力及扩展和繁殖的潜力；（3）再萌发能力，允许植物替换地上枝条。通过组合这三个特征，并结合地上器官的木质化程度对类别进行细分，BPT被定义为一个从1到6的分类变量，对应递增的地下持久性。

*克隆扩散指数（CSI）的定义*
克隆扩散指数（CSI）用于表征克隆植物水平扩展的程度，具有三个有序水平：CSI 0指非克隆植物，CSI 1指水平扩展有限的植物，CSI 2指扩展相对较广的植物。以5厘米作为区分CSI 1和CSI 2的阈值，该阈值主要基于CLO-PLA3数据库的数据。对于侧向扩展距离未评估的物种，则根据生命形式估计CSI。

*地理覆盖范围与数据验证*
为展示数据集的地理覆盖范围，研究人员检索了数据集中大部分物种（n = 10，298；99%）的分布范围，并使用世界植物分布地理方案（WGSRPD）对每个植物学国家的物种数量进行了汇总。尽管努力纳入南半球的研究，数据集仍严重偏向温带地区，这是GRooT、RSIP和CLO-PLA3等主要数据库在这些地区汇编的结果。

**四、讨论与结论**

UNDERPLOT数据集将细根性状、整个根系在水平和垂直维度的范围、以及克隆和芽库性状整合到一个全面的数据集中。与传统仅关注单一地下性状维度的方法不同，该数据集将保守梯度、协作梯度和植物大小梯度与克隆性、根系系统和持久性相结合，从而更全面地理解植物功能。该数据集将促进植物物种地下性状与地上性状的整合，从而更完整地评估全球植物形态和功能的维度。它还能促进对性状-环境关系的深入分析，并有助于推断植物性状与生态系统功能多个方面之间的关系，如地上生产力及其时间稳定性、抗旱性、分解、碳固存、养分循环和其他土壤微生物过程、水分储存、土壤固持、有限水分供应下的持久性和再生，以及干扰后的恢复。在其他应用中，它还可帮助识别满足恢复目标的物种或性状组合，特别是对于干扰恢复力常发挥重要作用的非森林植物群落。

研究结论：通过整合14个不同来源的数据并进行分类学标准化，研究人员成功构建了全球首个涵盖10，453种维管植物、19种地下性状的综合数据集UNDERPLOT。该数据集不仅整合了细根性状、根系空间范围、克隆器官和芽库性状，还定义了地下持久性类型（BPT）和克隆扩散指数（CSI）两个综合指数，为预测群落对干扰的抵抗力和恢复力提供了基于性状的指标。尽管数据集存在地理和系统发育代表性的偏差，但UNDERPLOT中至少一个物种出现在全球植被样地数据库sPlot 4.1中250万个样地中的220万个（88%）中，表明地下器官数据可为迄今研究不足的局域群落和物种水平功能提供重要见解。该数据集为深入理解植物地下性状空间维度、性状-环境关系、植被对气候变化和干扰的响应以及进化第一性原则提供了重要基础，并将推动植物功能多样性研究的跨学科整合。