纬度梯度与城市热岛效应对蚂蚁多样性的双重影响：来自北美四城的生态学证据

（推荐语）本研究通过跨纬度（6.6°）对比北美四城蚂蚁群落，首次揭示城市热岛效应（UHI）对生物多样性的纬度依赖性影响：尽管整体物种丰富度随纬度降低而增加（符合宏观生态学规律），但所有城市内部均呈现温度升高导致蚂蚁多样性下降的保守模式。该发现挑战了"低纬度生物对暖化更敏感"的传统认知，为城市生态规划提供了关键数据支撑。

　　

摘要

城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）导致的温度上升与生物多样性下降密切相关。由于城市分布于不同气候带，UHI对生物多样性的影响可能存在地理差异。本研究调查了美国东部四个跨越6.6°纬度、夏季平均温度相差4.1°C的城市（波士顿、皇后区、巴尔的摩和罗利）中蚂蚁群落对城市增温的响应。通过在城市温度梯度上对单一常见树种（红枫Acer rubrum）基部进行标准化诱饵采样发现：跨城市尺度上蚂蚁物种丰富度向赤道方向增加，符合宏观生态学趋势；但在各城市内部，无论纬度高低，蚂蚁丰富度均随城市温度升高而持续下降。湿度和不透水地表覆盖率分别与蚂蚁丰富度呈正、负相关。这一结果与其他城市节肢动物研究形成鲜明对比——后者通常显示UHI效应存在纬度依赖性。蚂蚁多样性对城市增温的保守负响应表明，在北美东部温带地区，城市热压力可能是影响生物多样性的普适性因素。

引言

温度与生物多样性的关系在纬度和海拔梯度上已被广泛证实，通常表现为温暖环境中物种丰富度增加。这种模式支持多种"物种-能量"假说，认为高温通过提升生产力、代谢率和生态互作促进生物多样性。然而城市化如何改变这些模式尚不明确，特别是城市热岛（UHI）如何影响纬度多样性梯度。城市因不透水地表增加和植被减少而比周边生态系统更温暖，这种升温可能通过热敏感物种的排除和耐热/入侵类群的扩张改变群落组成。

生理耐受假说认为，低纬度生物因热安全边际（thermal safety margin）较窄而对增温更敏感，而高纬度生物可能受益于适度增温。但现有研究对UHI与纬度梯度互作的实证有限。Youngsteadt等（2017）发现中高纬度城市节肢动物对增温的响应存在差异，而Perez等（2022）观察到城市化削弱了蚂蚁的纬度多样性梯度，但未直接测量温度。

方法

研究地点：沿美国东部纬度梯度选取4个城市，使用GIS结合热成像确定各城市内32个红枫采样点（最热与最冷位点各半）。

微环境监测：使用iButton Hygrochron^?
记录温湿度，计算冷季（9月-3月）和暖季（6月-8月）平均值。

生境特征：通过植被复杂度指数（VCI）量化三维植被结构，计算不透水地表比例（20个1m²
样方）。采用黄板陷阱标准化采集非蚂蚁节肢动物作为潜在猎物资源。

蚂蚁采样：使用油浸金枪鱼+山核桃碎屑诱饵，20分钟后收集所有蚂蚁并鉴定（30种，含4种外来种）。

数据分析：使用iNEXT包计算稀有种丰富度，db-RDA分析环境因子对群落的解释度（19.3%），GLM检验温度与丰富度的关系。

结果

跨城市格局：物种累积曲线显示从波士顿（8种）到罗利（28种）丰富度显著增加（p=0.0008），但巴尔的摩单点丰富度最高。优势种呈现纬度替代：北方城市以入侵铺道蚁（Tetramorium immigrans）为主，罗利则以本土种Monomorium minimum和Tapinoma sessile为主。

城市内部响应：db-RDA显示温度是最强预测因子（p<0.001），所有城市均呈现温度升高→丰富度下降（波士顿p=0.003，皇后区p=0.013，巴尔的摩p=0.013）。湿度与丰富度正相关，不透水地表负相关。

特殊适应：铺道蚁（T. immigrans）的分布与不透水地表显著相关，暗示其对人工基质的特殊适应。

讨论

本研究揭示了UHI效应的双重性：宏观上维持经典的纬度多样性梯度，微观上却产生普适性的负面影响。这种"纬度悖论"可能源于：1）长期进化形成的热适应策略在急性城市增温中失效；2）城市生境破碎化阻碍了物种的补偿性迁移；3）不透水地表导致的脱水胁迫放大了热压力。

相较于其他节肢动物（如Youngsteadt等研究的广温性类群），蚂蚁作为变温动物（ectotherm）可能对微环境变化更敏感。值得注意的是，低纬度城市虽然整体多样性较高，但单位温升导致的物种损失绝对值更大——罗利每升高1°C损失1.2种，而波士顿仅0.7种，暗示热带城市可能面临更大风险。

保护启示：1）城市规划应保留植被荫蔽区以缓冲热/脱水胁迫；2）监测重点应转向热敏感的功能类群（如种子传播蚁）；3）低纬度城市需更严格的UHI缓解措施。未来研究需扩展至热带城市并整合多营养级响应。