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文章导读
本文主要探讨了一年生和多年生植物在全球范围内的生物地理分布。通过汇集大量植物生命周期数据和地理位置数据，作者详细绘制了一年生植物的全球分布。分析显示，一年生植物分布与气候条件（特别是最干旱季节的温度和降水）有着密切关系。此外，研究还考察了气候变化和人类活动对这些植物分布的影响。文章提出了对一年生和多年生植物全球分布新的理解，并预测了未来气候变化对这些分布的可能影响。具体来说，文章回答了以下研究问题：
（1）一年生和多年生植物全球分布有何差异？
（2）气候条件如何影响一年生和多年生植物的分布？
（3）人类活动对一年生和多年生植物的分布有何影响？
（4）未来气候变化将如何影响一年生和多年生植物的分布？
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文章摘要
植物的生命周期主要分为一年生和多年生，这与生态系统功能的不同特征密切相关。虽然生命周期是植物适应环境的一个典型例子，但人们对其全球分布模式的了解还不全面。本研究汇集了二十三万五千种植物物种的生命周期数据和数百万个地理参考点，以绘制全球植物生物地理图。发现一年生植物的比例只有之前认为的一半，仅占6%。分析表明一年生植物偏好炎热干燥地区，其分布受最干旱季节的温度和降水驱动，这解释了为什么地中海系统的一年生植物比沙漠系统多。此外，这种分布模式在不同科之间保持一致，反映了趋同进化。最后，本文指出气候变化和人为干扰将增加一年生植物的盛行率，预计到2060年，全球大部分生态区的一年生植物比例将增加，这引起对多年生植物提供的生态系统服务的关注。
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研究结果
全球植物生命周期分布地图
尽管生命周期对于植物生态学和进化研究至关重要，但仍然无法准确估计它的全球普遍性及其环境驱动因素。这样的评估在气候和土地利用变化的时期尤为重要，因为预计这些变化将大大改变植物生物地理学的模式，并对生态系统过程和服务产生许多影响。在这项研究中，展示了涵盖超过二十三万五千种植物物种的植物生命周期数据的综合集合，并将该数据库与数百万个地理参考数据点交叉，生成了第一个全球植物生命周期分布地图。这个广泛的植物生长形态数据库包含了 67% 的所有维管植物物种的生命周期数据和 51% 的地理参考数据。
这些数据使本文能够评估植物生命周期策略的潜在驱动因素，而这些策略在全球范围内缺乏测试。文章测试了三个关键假设，预测一年生植物在以下情况下会受到青睐：（1）气温升高，降水减少；（2）气候条件年际变化大；（3）人类足迹（人为扰动）增加。所有这些假设都基于生命史理论，该理论预测一年生物种相对于幼苗死亡率而言，会因成虫死亡率的增加而受到青睐。换句话说，在气候炎热干燥、年际变化和干扰较大的地区，一年生植物的相对丰度会更高，因为它们会降低成虫的存活率。
全球范围内一年生与多年生植物物种相对流行率程度存在显著差异
结果显示，与之前的评估相比，一年生和多年生植物物种的相对流行率存在很大差异。一年生物种占所有物种的 6%，占草本物种的 15%。此外，只有5.5%的生态区的一年生草本植物比例达到或超过 50%（图 1）。
不同生物群落中一年生草本植物频率的变化支持了第一个假设，即随着温度的升高和降水量的减少，一年生草本植物更受青睐（图 2）。但是不同生物群落之间的差异并不明显（图 2a ）。一年生草本植物的比例从 13% 到 25% 不等，这表明在这种较粗的空间尺度上气候的作用被低估了。
在生态区域分辨率下考察一年生草本植物的比例（图 2b），可以发现每个生物群落内部的巨大差异。例如，并非所有荒漠生物群落生态区域都有较高比例的一年生草本植物，凉爽荒漠的一年生草本植物比例远低于炎热荒漠。同样的趋势也出现在其他生物群落中，降水较少、温度较高的生态区拥有较高比例的一年生草本植物。
使用线性回归模型证实了这一模式，该模型将一年生植物的比例拟合为年平均气温和年总降水量的函数。这两个气候变量占植物生命周期策略全球分布方差的近一半。随着年平均气温升高和总降水量减少，年生植物所占比例增加（图2c）。这些结果对于空间自相关来说是稳健的，参数估计值和相应的低 P 值之间的差异可以忽略不计，并且对于泊松回归等替代统计方法。
图1 一年生植物盛行率的全球生物地理分布。a.每个生态区一年生物种（草本物种）比例的地图。b.生态区之间一年生植物比例的分布。数据（方法）不足的生态区被涂成灰色
图2 年总降水量和年平均气温对一年生植物（草本植物）比例的影响。a.惠特克每个生物群落中一年生植物的比例。b.每个生态区一年生植物的比例。c.年平均降水量和温度函数的年比例线性回归模型的预测
干热条件会影响一年生草本植物的生长
虽然年均温和降水量可以很好地描述全球每年的草本植物比例，但它并不能解释全年气候的时间变化。因此，文章建立了一套双变量回归模型。每个模型由一个季度气温变量和一个季度降水变量组成。
最佳拟合模型包含了最暖季度的平均气温和最暖季度的对数变换降水量，占观测方差的 55%。根据该模型，年草本植物比例随着气温的升高和最暖季度降水量的减少而增加（图 3）。此外，从解释方差（0.55 与 0.48）和信息论标准来看，该模型比基于年平均气温和年总降水量的模型拟合得更好。这些结果对第一个假设有了更细致的理解，证明了干热条件会影响一年生草本植物的生长，尤其是在最干旱的季节。
这些结果为第一个假设提供了更细致的理解，表明炎热和干燥的条件会影响一年生植物的流行，特别是在最干燥的季节。季度模型可以区分年度气候模式相似但年度比例不同的生态区。例如，地中海东部（例如特拉维夫）和奇瓦瓦沙漠（美国西南部和墨西哥北部）生态区具有相同的年平均气温（17.6°C）和相对相似的年降水量（527毫米和330毫米），但保持不同的一年生草本植物比例（51%和36%）。鉴于年平均气候相似，年气温和降水模型预测这两个生态区的年草本植物比例相似（分别为 32% 和 34%）。然而，在最热的季度，特拉维夫生态区的降水量（6 毫米）远低于奇瓦瓦沙漠（157 毫米）。因此，季度模型区分了两个生态区，产生了更好的预测（特拉维夫的年度草本植物比例为 52%，奇瓦瓦沙漠为 29%）。因此，高温和低降水期的同时发生比简单的一年平均更能增加一年生的有利性。
图3 最温暖季度的降水量和平均温度对一年生植物（草本植物）比例的影响。a.每个生态区一年生植物的比例。b.年比例线性回归模型的预测，作为最热季度降水量和平均温度的函数，每 5% 绘制等高线
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讨论
总的来说，文章的研究结果对全球植物生命周期的生物地理学进行了全面更新，揭示了与先前估计相比存在的显著差异。全球范围内，一年生物种的数量远低于之前的认为，其在生物群落中的比例也与先前的估计有显著不同。此外，修订后的估计显示，一年生植物最高和最低比例的生物群落之间的差异有限。研究表明，一年生植物在更热、更干燥的条件下更为普遍。同时，气候的年际变化和人为干扰也增加了一年生植物的盛行。研究还发现人类干扰在生物地理尺度上有利于一年生植物的普遍性。最后，预测模型表明，到2060年，一年生植物的盛行率将会增加，尽管这种预测基于简化的假设，未考虑物种对气候变化的时间滞后反应和逐年气候变化以及人类足迹的预期增加。预计人口增长和人类活动将在塑造植物生物地理学模式中发挥越来越重要的作用，导致世界上更多生态区以一年生植物为主导。
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原文信息
原文题目：
Revising the global biogeography of annual and perennial plants
原文作者：
Poppenwimer et al.
期刊名：
Nature
发表时间：
2023.11
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06644-x
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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