东亚与北美东部地区槐树（豆科植物）潜在分布变化的比较

《Ecology and Evolution》：Comparison of Shifts of Potential Distributions in Gleditsia (Fabaceae) Between Eastern Asia and Eastern North America

本研究通过生态位建模分析Gleditsia在东亚和北美地区过去与未来的分布变化，发现土壤和温度是主要影响因素，东亚物种因环境异质性和历史气候变迁具有更显著的分布差异，解释了该区域生物多样性分布失衡现象。

　　
该研究以豆科植物Gleditsia属为研究对象，系统分析了东亚与北美东部地区该属物种分布格局的历史演变与未来趋势，揭示了环境异质性对生物多样性分布的关键影响机制。研究基于生态位建模技术，整合了气候、土壤、地形等多维度环境因子，构建了包含58个环境变量的最大熵模型，通过对比过去（末次冰期与中全新世）与未来（2050、2070年）的分布变化，揭示了东西方生态系统对环境压力响应的差异性特征。

在数据构建方面，研究团队系统收集了Gleditsia属13个物种的野生分布记录，排除人工种植和重复数据后保留有效样本823个。环境变量筛选过程采用多级净化策略：首先通过Jackknife测试剔除贡献率低于0.2%的变量，再运用方差膨胀因子（VIF）剔除多重共线性变量（相关系数>0.8或VIF>5），最终保留的15个核心变量中，土壤类型（SU_CODE）、昼夜温差（bio02）、最冷月均温（bio6）和最热月均温（bio09）构成关键预测因子，其中土壤变量占比达37%。

模型验证显示AUC值均高于0.92，CBI指数稳定在0.95-0.99区间，验证了模型具有较高的预测可靠性。研究创新性地采用双向投影验证法，将东亚物种的生态位模型投射到北美地区，发现投影后的潜在分布面积缩小约60%-80%，而北美物种投影至东亚的模拟面积仅缩小15%-20%，这种差异显著（p<0.01）。

时空分布分析揭示三大特征：首先，末次冰期（约2.6万年前）所有物种均经历分布收缩，但东亚物种收缩幅度（平均-42%）显著小于北美（平均-68%）。这可能与东亚地区存在更广泛的山地避难所（如横断山脉海拔梯度达5000米）有关，而北美高纬度地区受冰盖扩张影响更大。其次，中全新世（约8000年前）物种呈现扩张趋势，东亚地区物种平均扩张率达73%，而北美仅达21%，显示东亚生态系统具有更强的恢复能力和更大的生态位弹性。第三，未来气候变化导致物种呈现协同北移特征，但东亚物种北移速度（年均2.3km）快于北美（年均1.8km），可能与青藏高原隆升持续影响东亚季风系统有关。

生态位对比分析显示东西方物种存在显著分化：1）PCA分析显示前两个主成分可解释53.7%的环境变异，其中第一主成分主要反映温度梯度（涵盖bio01、bio02、bio06等8个温度相关变量），第二主成分体现土壤异质性（SU_CODE）与紫外线（uvb4）的交互作用。2）生态位相似性指数（D值）显示，东亚G. japonica与北美G. aquatica的相似度仅为0.32，显著低于同区域物种间的相似度（平均0.78）。3）背景测试表明，有9种/10对的生态位存在显著差异（p<0.05），其中G. sinensis与北美G. triacanthos在土壤酸碱度（pH）和有效积温上的差异尤为突出（F=12.7, p=0.001）。

关键发现包括：1）土壤异质性是决定东西方物种分布差异的核心因素。东亚物种对土壤类型的偏好度（SU_CODE变量贡献率均>25%）显著高于北美（平均<15%），这种差异在投影分析中尤为明显，当将东亚物种模型投射到北美时，土壤类型匹配度下降至39%，导致潜在分布面积缩减至原面积的17%-23%。2）温度响应存在空间异质性。东亚物种对温度的敏感阈值（最适温14-18℃）比北美物种（16-20℃）更广，这可能源于东亚存在更广泛的山地气候缓冲带。3）未来气候变化中，东亚G. australis的投影分布呈现非线性扩张特征，其最适pH值从5.2（现状）演变为6.1（2070年），这种土壤适应性的改变可能成为物种适应气候变暖的关键机制。

研究深化了EAS-ENA生物多样性差异的机制认知：首先，末次冰期期间东亚通过复杂地形形成更多气候避难所（如三江并流区保存了15%的原始森林），而北美高纬度地区受冰川侵蚀影响更严重，导致物种积累速率差异（东亚年均0.8种/百万平方公里，北美0.3种）。其次，土壤异质性通过影响养分循环和微生物群落结构，塑造了物种对气候变化的响应阈值。例如，东亚物种在pH 5.0-6.5范围内均能生存，而北美物种对中性土壤（pH 6.5-7.5）依赖度更高。这种土壤适应性的差异导致未来气候变暖中，东亚物种能更灵活地迁移至新生态位，而北美物种可能面临更强的环境压力。

研究对全球变化背景下的生物多样性保护具有重要启示：在东亚地区，建议优先保护海拔梯度大（>2000米）、土壤异质性强的区域，这些区域可作为气候变化的缓冲带。北美地区则需关注高纬度地区（>55°N）的土壤酸化问题，当前监测数据显示这些区域的土壤pH值正以年均0.15单位的速率下降。此外，研究揭示了双向投影验证法的应用价值，建议未来研究可进一步结合分子钟数据，量化东西方物种在晚新生代（约1.4百万年前）的分离速率。

该成果不仅验证了环境异质性在维持生物多样性差异中的核心地位，还建立了气候-土壤协同作用的预测模型。研究提出的"三维度驱动假说"（地形复杂度、土壤异质性、历史气候波动）为解释生物地理学中的南北分异现象提供了新框架，对全球气候变化下的生物多样性动态评估具有重要参考价值。后续研究可进一步结合多组学数据，解析东西方物种在抗逆基因表达和土壤微生物组构成上的适应性差异。