北方森林中穴居蚯蚓扩散受限的证据

《Soil Biology and Biochemistry》：Evidence for dispersal limitation of burrowing earthworms in northern forests

　　摘要：在斯堪的纳维亚北部的森林中，栖息在落叶层中的蚯蚓十分常见，而那些通常被视为生态系统工程师的穴居蚯蚓却几乎不存在于这些生态系统中。我们推测，它们缺失的原因不仅在于不利的土壤和气候条件带来的环境筛选，还在于扩散限制。通过對312个土壤样本进行环境DNA测序，我们研究了瑞典森林中蚯蚓的存在情况。随后，我们运用统计模型，从代表土壤特性、气候因素、植被以及与人类活动距离等变量中，找出最能解释蚯蚓出现情况的因素。土壤pH值和质地是影响穴居蚯蚓出现的强相关因素，而与农业区的距离则能解释剩余变化中的很大一部分。在瑞典北部（纬度超过60°）、靠近农业区的重要性尤为显著。相比之下，栖息在落叶层中的蚯蚓的出现与环境变量的关联较弱。此外，通过随机森林建模，我们预测了近7000个土壤采样点的蚯蚓存在情况，并绘制出了瑞典森林中蚯蚓出现的高分辨率概率图，其中包括没有扩散限制的情景。这些地图显示，如果没有扩散限制，瑞典北部内陆森林的大片区域更有可能出现穴居蚯蚓，这表明这些森林在蚯蚓引入后可能比之前预期的更容易被蚯蚓占据。我们的研究结果强调了人类活动在穴居蚯蚓在北部森林中的扩散和分布中的作用。虽然环境筛选在很大程度上决定了穴居蚯蚓的出现情况，但它们的当前分布也受到扩散限制的显著影响——这一因素至今仍被低估。

引言：人类活动导致的物种向新环境的扩散可能对生态系统及其服务功能产生严重后果（Crowl等人，2008年）。蚯蚓进入此前未被其占据的生态系统，在很大程度上依赖于外部因素，如人类活动，因为栖息在土壤中的蚯蚓自身扩散速度很慢，平均每年仅10米（Terhivuo和Saura，2006年；Eijsackers，2011年）。大约1万年前还被冰盖覆盖的北方生态系统，为蚯蚓的定居提供了广阔且可能适宜的栖息地。蚯蚓在这些生态系统中的定殖可能会带来巨大影响，正如欧洲旅居蚯蚓物种对北美森林的定殖所展现的那样。这些物种是从19世纪中叶开始由农业移民引入的（Mathieu等人，2024年），随后又通过休闲钓鱼和车辆运输等方式进一步扩散（Cameron等人，2007年、2009年）。在世界上这一地区，蚯蚓的生物扰动作用极大地影响了土壤中碳和氮库的规模与分布（Jennings和Watmough，2016年；Ferlian等人，2020年；Jang等人，2021年；Lejoly等人，2021年），并引发了土壤生物群落和植物群落的重大变化（Eisenhauer等人，2007年、2009年；Craven等人，2017年；Frelich等人，2019年）。鉴于蚯蚓引发的强烈生态级联效应（Frelich等人，2019年），提前判断哪些森林在蚯蚓可能引入后最容易遭到定殖非常重要。

更新世之后，斯堪的纳维亚地区与北美北部类似，基本上没有蚯蚓存在（Terhivuo，1988年）。只有少数“栖息在落叶层中的”蚯蚓物种可能在无冰的避难所中幸存下来度过冰河时期（St?p-Bowitz，1969年），或者是在冰川消退后通过水路携带卵囊而成为早期定殖者（Terhivuo，1988年；Terhivuo和Saura，2006年；Wackett等人，2018年）。相比之下，其他主要栖息在土壤中的“穴居蚯蚓”从南方重新定殖到斯堪的纳维亚则是一个缓慢的过程，很可能与人类活动有关（Terhivuo，1988年；Wackett等人，2018年）。在北方森林中，这类蚯蚓仅被零星记录到（Terhivuo，1988年；Terhivuo和Saura，2006年），并未引起对其存在的极大担忧。然而，最近的研究表明，在亚北极地区的斯堪的纳维亚，经过人类活动介导后，穴居蚯蚓对北方生态系统产生了显著影响（Wackett等人，2018年）。一旦定殖，它们的数量就超过了当地的栖息在落叶层中的蚯蚓（Wackett等人，2018年），并使生态系统向更加肥沃、以草本植物为主且受生物扰动更严重的状态发展（Wackett等人，2018年；Blume-Werry等人，2020年；Klaminder等人，2023年），进而改变了植物和土壤中碳和氮的分布（Blume-Werry等人，2020年；Jonsson等人，2025年），并引发了营养级联效应（Jonsson等人，2023年），其效果与蚯蚓入侵的北美森林中所观察到的相似（Eisenhauer等人，2007年、2009年；Craven等人，2017年；Frelich等人，2019年）。不过，我们尚不清楚穴居蚯蚓在斯堪的纳维亚北部森林中是作为环境隔离的局部种群存在，还是由于气候变暖和/或人类活动带来的广泛迁移所致。

历史上，斯堪的纳维亚的北方森林一直被认为是不适合穴居蚯蚓生存的恶劣栖息地，存在明显的环境筛选作用。这类森林多生长在气候寒冷、落叶层难以分解、土壤质地粗糙且表层为酸性有机土的地区，主要由小型、栖息在落叶层中的蚯蚓主导（Nordstr?m和Rundgren，1973年；Terhivuo，1988年）。这类蚯蚓相对容易扩散（Terhivuo，1988年；Eijsackers，2011年），而且与其他蚯蚓相比，它们在暴露于外界时更具耐寒性（Holmstrup和Zachariassen，1996年），也能更好地适应酸性环境（Desie等人，2020年）。不过，也有理由怀疑穴居蚯蚓是否真的无法在北方森林中定殖，因为有证据表明在针叶林中也存在穴居蚯蚓（Nordstr?m和Rundgren，1973年；Terhivuo，1988年；Lejoly等人，2021年）。此外，并非所有穴居蚯蚓物种都对霜冻和低pH值极为敏感（Holmstrup和Overgaard，2007年；Desie等人，2020年），甚至在同一物种内部，也可能存在更适应恶劣环境条件的品系（Holmstrup和Overgaard，2007年）。穴居蚯蚓在定殖后还可能改变自身的生存环境。例如，它们可以提高土壤的pH值（Desie等人，2020年），促进下层植被中草本植物的生长（Craven等人，2017年；Jonsson等人，2023年），这有助于提升它们自身的生存适应性，增加种群密度，同时也为其他更敏感的物种创造更有利的生存条件（Eijsackers，2011年；Desie等人，2020年）。

根据历史上的动物地理分布图，栖息在落叶层中的蚯蚓在斯堪的纳维亚北部的大多数森林中占主导地位，而穴居蚯蚓则主要分布在更南部和沿海地区（Julin，1950年；Terhivuo，1988年）。一方面，这种分布与全球模型中蚯蚓物种丰富度与气候因素之间的关联一致（Phillips等人，2019年）。另一方面，瑞典北部穴居蚯蚓出现频率较低，也与该地区人类活动和农业耕作程度较低相对应，这表明这些蚯蚓进入更偏远的北部森林的机会可能有限。然而，仅凭当地的蚯蚓调查（Nordstr?m和Rundgren，1973年；R?ty和Huhta，2004年；Olsson等人，2012年；Wackett等人，2018年）或历史上的蚯蚓调查记录（Julin，1950年；Terhivuo，1988年），是无法确定制约斯堪的纳维亚森林中穴居蚯蚓出现的因素的，因为这些调查往往只针对已知有蚯蚓存在的地点。为了客观识别这类限制因素，并研究扩散限制的作用，就需要从大量无偏样本点中获取蚯蚓存在情况的观测数据。

在本研究中，我们利用环境DNA分析技术，对瑞典森林土壤调查项目所涵盖的众多森林区域内的土壤样本进行了分析，以此检测蚯蚓物种的存在情况（Bienert等人，2012年；Pansu等人，2015年；Lilja等人，2023年；Cuartero等人，2025年）。我们提出以下假设：第一，穴居蚯蚓面临的环境筛选和扩散限制会比栖息在落叶层中的蚯蚓更为严重，因此瑞典森林中穴居蚯蚓的当前分布情况，更能通过土壤特性以及与人类活动的距离来预测，而非气候或植被因素。第二，穴居蚯蚓在瑞典北部的扩散限制会比南部更为严重，也就是说，在北部，它们的出现与人类活动场所的距离关联更为紧密。通过模型优化，我们从一系列土壤和植被特性、气候变量以及与人类活动距离的参数中，找出了与瑞典森林中穴居蚯蚓和栖息在落叶层中的蚯蚓出现相关的因素。此外，我们还分析了不同物种与环境因素之间的关系，并基于随机森林建模，为近7000个土壤采样点绘制出了穴居蚯蚓和栖息在落叶层中的蚯蚓的高分辨率概率分布图。这些地图展示了当前瑞典森林中蚯蚓的分布情况，以及在不存在扩散限制情况下的潜在分布情况。

部分内容：

土壤采样：我们使用的土壤样本来自瑞典森林土壤调查项目，该项目会对瑞典国家森林调查中的永久样地开展土壤采样工作（Fridman等人，2014年）。这些样地以网格形式系统地分布在瑞典各地（见图S1），并且每10年会对这些地点的土壤进行重新采样（即一个调查周期）。对于那些具有明显可区分的有机层的土壤（“O”层；mor土壤），我们会采集从整个有机层一直到矿物土顶部的土壤样本。

研究结果：在312个采样点中，我们有13种蚯蚓被发现存在于121个地点中。出现频率最高的物种是Dendrobaena octaedra，共出现在88个地点，占所有采样点的28.2％，其次是Lumbricus rubellus，出现在17个地点，占比5.4％，Aporrectodea caliginosa出现在16个地点，占比5.1％。从物种群体来看，有94个地点存在栖息在落叶层中的蚯蚓，占比30.1％，而有45个地点存在穴居蚯蚓，占比14.4％。通过对物种组成进行的典型对应分析（见图1），可以发现这两种蚯蚓所占据的生态位存在明显差异。

讨论：我们发现，瑞典森林中穴居蚯蚓的出现情况可以通过土壤特性以及与人类活动距离相结合的方式来预测，而栖息在落叶层中的蚯蚓的出现则与环境变量的关联较弱。此外，我们的分析还表明，穴居蚯蚓在斯堪的纳维亚北部受到更为严重的扩散限制，这意味着一旦将它们引入北部森林，其数量可能会增加。

作者贡献声明：
Bj?rn D. Lindahl：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念设计。
M?rten J. Klinth：撰写——审阅与编辑、资源协调。
Thomas Keller：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念设计。
Eveline J. Krab：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资金筹集、概念设计。
Christofer Engberg Hydén：撰写——审阅与编辑、资源协调。

未引用参考文献：Hale等人，2008年；R Core团队，2023年；Strengbom等人，2011年。

数据可用性声明：本研究分析的原始序列数据保存在NCBI SRA数据库中，访问编号为PRJNA1507363。用于分析的R代码和数据则存储在Zenodo平台上，链接为：https://doi.org/10.5281/zenodo.21769013。

利益冲突声明：? 作者声明他们没有已知的、可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢：作者感谢瑞典国家森林和森林土壤调查项目为采样和收集实地数据所做的工作。瑞典森林土壤调查项目是由瑞典环境保护局委托开展的全国性环境监测工作的一部分。作者还感谢由Science for Life Laboratory、Knut and Alice Wallenberg基金会以及瑞典研究委员会资助的斯德哥尔摩基因组生产国家基因组基础设施，以及NAISS/Uppsala的支持。

Péter Garamszegi|Karina E. Clemmensen|Christofer Engberg Hydén|Thomas Keller|M?rten J. Klinth|Bj?rn D. Lindahl|Eveline J. Krab
瑞典乌普萨拉大学土壤与环境系，瑞典