欧洲固氮植物的生态位与生物地理学

摘要

维管植物的共生固氮作用是陆地生态系统中氮输入的主要途径，从根本上改变了养分循环和植物群落动态。固氮植物在系统发育和生理上具有不同的特征，它们对环境梯度的生态响应在大陆尺度上仍不甚明确。我们研究了欧洲主要固氮类群的地理分布和生态响应，重点关注豆科植物（缺乏反向重复序列的支系[IRLC]，其特点是具有较高的共生体调节能力）和放线菌根属植物。我们分析了欧洲植被档案中的707,673个植被样地（1970–2021年）的数据，以30公里分辨率绘制了类群密度图，评估了栖息地关联，并使用生态指标值来模拟气候驱动因素以及沿环境梯度的分布情况。非IRLC豆科植物主要分布在地中海灌木丛和干旱草原中，而IRLC豆科植物则扩展到北部地区和湿润草原。豆科植物与较高的日温差、夏季高温、夏季降水量低以及土壤氮和水分供应不足相关——这些特征在非IRLC豆科植物中尤为明显，但在IRLC豆科植物中则不那么明显或甚至不存在。放线菌根类群表现出不同的栖息地关联和气候响应，其中温度季节性是最强的预测因子——对桤木属（Alnus）和沙棘科（Elaeagnaceae）有利，而对其他类群则不利。我们的发现表明，欧洲固氮类群之间存在根本不同的生态位，反映了它们不同的进化历史和生理策略。IRLC豆科植物中增强的共生体调节能力可能有助于在固氮效益有限的情况下维持其生存。尽管具有共同的适应性特征，但固氮类群已经进化出不同的策略来适应各种气候条件。

引言

植物生长从根本上受到必需养分可用性的限制，氮是限制陆地生态系统生产力和生态系统功能的最关键因素之一（Vitousek & Howarth 1991）。虽然大气中约78%的成分是氮，但在转化为植物可利用的形式（如铵离子NH4+和硝酸盐NO3-）之前，植物无法直接利用氮（Chanway et al. 2014）。在陆地生态系统中，由专门的原核生物进行的共生生物固氮作用是氮输入的主要途径，固氮细菌栖息在维管植物的根瘤中，并用固定的氮交换植物产生的碳化合物（Dilworth et al. 2008; Chanway et al. 2014）。固氮植物作为生态系统工程师，从根本上改变了养分循环（Rice et al. 2004; Lazzaro et al. 2018），影响植物群落动态（Jacot et al. 2005），并在全球不同环境中驱动初级演替（Lawrence et al. 1967; Walker et al. 2003）。它们通常作为先锋物种，丰富和稳定养分贫瘠的土壤（Boldt-Burisch et al. 2015; Kucho et al. 2022）。存在三类主要的共生固氮细菌：根瘤菌、弗兰克氏菌（Frankia）和蓝细菌，每种都与不同的维管植物分类群形成共生关系（Tedersoo et al. 2018; Mathesius 2022）。(i) 根瘤菌是一个包含超过250种细菌的并系群，分布于18个属中。在欧洲，它们与豆科植物（Fabaceae）形成共生关系。在温带和地中海欧洲，本地豆科植物主要是草本植物或矮灌木；然而，在地中海地区，大型灌木豆科植物也很常见（Ardley & Sprent 2021; Loidi 2017, Večeřa et al. 2021）。豆科植物能够调节结瘤效率，奖励表现良好的细菌菌株，限制表现不佳的菌株，并在外部氮充足时减少结瘤（Westhoek et al. 2021; Dagan et al. 2023）。属于缺乏反向重复序列支系（IRLC）的豆科植物可以通过自我调节结瘤来控制结瘤数量（Mathesius 2022）。它们通过限制非特异性细菌的繁殖并促进根瘤菌特有的多倍体细菌体的形成来表现出特别高的共生体控制能力（Ardley & Sprent 2021; Mathesius 2022）。这些植物具有更高的转录率，从而实现更高的代谢效率和更有效的N2固定。这一支系包括多种欧洲豆科植物，包括许多温带草本植物，如Trifolium、Vicia、Medicago和Lathyrus，以及一些灌木，如Colutea arborescens（Wojciechowski et al. 2004）。(ii) 弗兰克氏菌属细菌与放线菌根植物形成共生关系。在欧洲，这些植物代表了一小部分木本植物。它们在杨梅目（Fagales）、蔷薇目（Rosales）和葫芦目（Cucurbitales）中独立进化，主要由整个桤木属（Alnus）以及Hippophae rhamnoides、Coriaria myrtifolia、Myrica gale和Elaeagnus angustifolia等物种代表（Tedersoo et al. 2018; Fahs et al. 2023）。与根瘤菌植物相比，关于宿主在初始感染阶段之后的共生体调节的证据有限且不确定（Wall 2000; Froussart et al. 2016）。(iii) 蓝细菌类群，如Nostoc和Anabaena azollae，分别与Gunneraceae、裸子植物苏铁和水生蕨类Azolla形成特化共生关系。大规模研究表明，气候和氮的可用性是决定不同梯度上固氮植物空间分布的主要因素（例如Pellegrini et al. 2016; Tamme et al. 2021; Acuña-Acosta et al. 2024）。干旱和高温通常与更多的固氮植物数量和多样性相关，这与细菌共生体酶功能的最佳条件以及固氮植物通常较高的水分利用效率有关（Pellegrini et al. 2016; Liao et al. 2017; Acuña-Acosta et al. 2024）。相比之下，增加的土壤氮可用性经常被证明会负面影响固氮植物的多样性和数量（Doby et al. 2022; Moreno-García et al. 2024）。然而，一些研究表明，总体分布模式可能掩盖了根瘤菌和放线菌根类群之间的显著差异。放线菌根类群在较冷的气候和较高纬度地区更为常见，而根瘤菌植物则主要分布在温暖的温带、热带和干旱地区（例如Menge et al. 2014; Ardley & Sprent 2021; Tamme et al. 2021）。虽然这些模式在全球范围内普遍存在，但局部和区域研究也显示豆科植物在寒冷环境中的高频率和生态重要性（Herben et al. 2017; Jacot et al. 2005），最近的全球分析进一步强调它们的出现强烈依赖于栖息地类型（Lepik et al. 2023）。考虑到不同的共生体调节能力、生长形式的变异性以及物种特定的生态需求，大规模趋势可能主要由主导类群驱动，这可能掩盖了固氮类群内部的功能和生态异质性（在这种情况下主要是科级）。通过对生态位的类群特异性分析，我们可以更好地理解功能和环境驱动因素如何塑造它们的生物地理分布。我们使用了来自欧洲植被档案（European Vegetation Archive, Chytrý et al. 2016）的植被样地数据来分析欧洲固氮植物的生态位，同时明确考虑了类群特异性差异。与基于发生率的数据集不同，植被样地数据提供了关于物种共现及其在植物群落中相对重要性的信息（Bruelheide et al. 2019），进一步允许与提供群落尺度生态特征的生态指标值（Dengler et al. 2023）进行整合。我们的目标是比较固氮类群的生物地理学特征，包括它们在其分布范围内的（i）相对重要性，（ii）栖息地关联，以及（iii）沿环境梯度的普遍性。我们预计不仅豆科植物和放线菌根植物之间，它们内部也存在分布模式、栖息地和在主要环境梯度上的位置的差异。具体来说，我们假设IRLC豆科植物将展示更广泛的生态位，包括营养更丰富的栖息地，因为它们对根瘤菌共生关系的调节更为先进。在放线菌根植物中，我们预期会看到与环境梯度相关的多样化、类群特异性的模式。

材料与方法

植被数据

我们的研究基于欧洲植被档案（EVA; Chytrý et al. 2016; 项目编号：137; 下载日期：2021年11月26日）中的1,122,281个植被样地记录。数据分层和过滤的详细信息见附录S1。所有样地都使用EUNIS-ESy专家系统（Chytrý et al. 2020）被分类为EUNIS（欧洲自然信息系统）的最高层次栖息地类型。这一层次包括沿海盐沼（M）、沿海沙地和悬崖栖息地（N）、湿地（Q）、草原（R）、石南地、灌木丛和苔原（S）、森林（T）、内陆植被稀疏的栖息地（U）和人工栖息地（V）。在数据允许的情况下，样地还被进一步分配到中间栖息地类型（例如“干旱草原”），并在可能的情况下分配到最详细的层次（例如“中欧和东南欧的多年生岩石草原”）。强烈依赖人类的栖息地（整个V类）、非本地森林种植园和过渡性栖息地（例如森林空地、最近砍伐的区域）被排除在外（详见表S2.5），因为这些地区受到最近的人类强烈干扰，而我们的研究关注自然和半自然植被。最终的数据集包含707,673个植被样地，其中只有至少被分类为中间层次的样地（486,808个）被用于栖息地分析。

共生类群的分类

我们定义了包含固氮类群的主要植物科的共生类群，同时认识到并非这些科中的所有属都形成共生关系。在放线菌根类群中，我们分析了桤木属（Alnus）以及Myricaeae、Elaeagnaceae和Coriariaceae科中的固氮植物。Alnus glutinosa与其他Alnus物种分开分析，以考虑其在数据集中的不成比例的高丰度（见结果）。在此背景下，A. glutinosa包括最近描述的物种A. lusitanica，而A. incana包括A. rohlenae（Vít et al. 2017）。由于它们在数据集中的频率非常低，我们仅在栖息地类型中的物种出现概述中包括了固氮的Rhamnaceae（见附录S2.1–S2.3）。我们将豆科植物分为IRLC和非IRLC类群，以考虑固氮共生调节的差异。为了评估它们在栖息地类型和沿生态梯度上的出现情况，我们还集体分析了豆科植物和放线菌根植物。由于蓝细菌在欧洲植被中的频率较低，因此将它们排除在当前研究之外。

物种命名法

我们排除了所有非维管植物和未至少识别到科级的记录。物种名称和等级使用Euro+Med PlantBase清单（Euro+Med 2023）进行了标准化。种内分类单元合并到物种级别，并根据EUNIS-ESy专家系统分类（Chytrý et al. 2020）将物种分组。由于数据中植被层的分离不一致，我们在分析中没有区分它们。相反，我们汇总了样地内各层的单个物种覆盖值，使用Jennings–Fischer公式（Jennings et al. 2009; Fischer 2015）考虑了潜在的重叠。固氮分类遵循Fahs et al.（2023）的方法，该方法可在FloraVeg.EU数据库（https://floraveg.eu/；见Chytrý et al. 2024）中找到，其中将具有根瘤菌共生关系的分类单元指定为具有根瘤菌（豆科植物）、具有弗兰克氏菌共生关系的分类单元（放线菌根植物）或非固氮的分类单元。Fahs et al.（2023）中将具有“可能”和“不太可能”共生关系的物种分类为非固氮植物，因为它们的状态不确定。由于不确定性，我们还将所有Zygophyllaceae排除在分析之外。分类单元保留到最详细的可用级别（通常是物种级别）；如果欧洲内的固氮状态明确，则保留属级或科级记录。对于豆科植物、Myricaceae、Coriariaceae和Elaeagnaceae，这是科级别；对于Alnus和Colletia，则是属级别。IRLC豆科植物所属属的信息来自Wojciechowski et al.（2004），这些属的分配见表S2.1。

环境变量

我们从CHELSA Bioclim（bio1-bio19; Karger et al. 2017, 2018）获取了每个样地的气候数据，分辨率为30弧秒。我们使用RDA正向选择减少了代表温度和降水模式的变量数量，选择了平均日温差（bio2）、温度季节性（bio4）、最温暖季度的平均日平均气温（bio10）、年降水量（bio12）、降水季节性（bio15）和最温暖季度的平均月降水量（bio18）。进入RDA分析的变量进行了中心化和单位方差缩放。这种选择解释了气候数据集中95.3%的变异。降水变量进行了对数转换以用于建模分析。有关变量选择和成对相关的更多详细信息，请参见附录S3。大气氮数据来自EMEP数据库（https://emep.int/mscw/mscw_moddata.html），分辨率为0.1°，并每年汇总（NOx和NH3）。对于1990年之前的数据，我们根据Duprè et al.（2010）的方法对1980–89年和1970–79年的氮数据进行了校正：1980–89年（1.1）和1970–79年（1.3）。每个记录都被分配了采样日期前10年的平均和总大气氮值。由于固氮植物的出现与大气氮数据没有显示出任何相关模式，我们将这些变量从最终分析中排除（有关包含大气氮的模型结果，请参见附录S6.4）。

生态指标值

为了分析宏观环境变量可能无法捕捉到的细尺度环境响应，我们使用了经验衍生的指标值（Ellenberg 1974），即欧洲生态指标值（EIVE），用于土壤氮、土壤湿度、土壤反应、温度和光照（Dengler et al. 2023，值范围为0–10）。对于缺乏EIVE数据的物种聚合体，我们使用所有可用数据计算了平均值（根据Chytrý et al. 2020）。在最终的数据集中，69%的分类单元至少包含一个类别的EIVE信息。然而，由于没有EIVE信息的分类单元通常较为罕见，因此98%的所有分类单元×样地观察都获得了EIVE数据。我们分别计算了每个样地中共生谱系的未加权平均EIVE值，以及豆科植物和放线菌根植物的EIVE值，并将所有固氮植物合并计算。为了避免循环性，任何给定焦点组的样地的平均EIVE值仅使用不属于该特定组的物种的值来计算。

空间模式和栖息地关联
我们通过将每个样地中所有单个物种的绝对覆盖度相加来确定总覆盖度，而不考虑它们的重叠部分。然后，我们通过将该谱系内所有物种的相对覆盖度值相加来计算每个样地中每个共生谱系的相对覆盖度（每个物种的覆盖度除以样地的总覆盖度）。接着，我们在欧洲研究区域内建立了一个30公里的网格，并计算了每个网格单元中每个共生谱系的平均相对覆盖度。地图中的颜色等级是根据每个组的等分位数定义的，并在排除了平均相对覆盖度为0%的单元后计算得出的。通过这种方式，我们创建了所有栖息地中的特定谱系出现地图（见图2），还基于广泛的EUNIS栖息地类型创建了所有共生谱系的特定栖息地地图（见图S4.2–S4.8），以及代表豆科植物和放线菌根植物在每个网格单元中的物种池相对份额的地图（见图S4.1），最后，创建了代表气候预测因子平均值的地图（见图S5.1–S5.6）。

环境驱动因素
我们使用提升回归树（BRTs）分析了气候和大气氮对共生谱系普遍性的影响。BRTs特别适合大规模植被数据，因为它们结合了回归树和提升算法来捕捉复杂的非线性关系（De'ath 2007；Viana等人2022）。我们的初始模型包括了气候变量和大气氮（见图S6.5和表S6.2）。然而，由于大气氮没有显示出相关趋势，因此将其从最终分析中排除。最终的BRT模型仅关注上述六个气候变量（bio2、bio4、bio10、bio15、bio18；降水值按表S2.4中的方法进行了对数转换）。模型使用R版本4.3.0（R Core Team 2023）中的‘dismo’包中的gbm.step程序（Elith等人2008）进行拟合。我们设置了伯努利分布作为误差分布。为了考虑相对覆盖度值的定量性质，我们根据Yu等人（2020）的方法实施了特定组的样地加权：没有焦点组物种的样地被赋予权重1，而其他样地则根据该组的相对覆盖度进行加权。

BRTs中中位存在权重的平均值为5.75。因此，在BRT模型中，组的存在比缺失具有相对较高的权重。我们将训练/测试子集比例设置为0.5，使用了0.001的学习率，并应用了5的树复杂度。通过自动10折交叉验证确定了最佳回归树数量，折叠是通过随机分层抽样选择的（以确保所有折叠中存在和缺失的比例一致），如gbm.step程序（Elith等人2008）中实现的。这种交叉验证程序用于确定最小化预测偏差的模型大小。有关方法的更多详细信息，请参见补充材料S6。模型评估统计数据显示在表S6.1中。从最终的BRTs中，我们提取了各个预测因子的相对重要性值，并创建了部分依赖图以可视化预测因子-响应关系（见图S6.1–S6.3）。为了检查模型残差中的空间自相关性，我们使用pgirmess包中的‘corrlog’函数（Giraudoux 2005；有关方法的详细信息，请参见S6）计算了不同距离类别之间的Moran's I统计量。为了评估谱系沿环境梯度的分布，我们采用了Zelený & Schaffers（2012）提出的修改后的排列测试。在每次迭代中，物种级别的EIVE值被随机重新分配，然后重新计算样地级别的平均EIVE值。这个过程重复了999次，以构建预期差异的零分布（见附录S7）。然后将观察到的平均EIVE差异（Diffreal）与这个分布进行比较。我们按照以下公式量化了标准化效应大小（SES）：SES = (Diffreal - mean(Diffrand) / sd(Diffrand)。正的SES值表明包含共生谱系的样地的EIVE高于不包含它的样地，而负的SES值则表示相反的情况。相关的p值是通过计算在SES指示的方向上Diffreal超过Diffreal的随机化比例获得的。

物种数量和地理模式
我们的数据集包括706种豆科植物（424种IRLC和282种非IRLC），以及15种放线菌根植物（6种Alnus物种，5种Elaeagnaceae家族物种，2种Myricaceae家族物种，1种Rhamnaceae家族物种，1种Coriariaceae家族物种）。记录最频繁的豆科植物是Trifolium repens（占所有记录的13.4%，比第二频繁的物种多1.2倍），T. pratense、Lotus corniculatus、Lathyrus pratensis和Vicia cracca；除了L. corniculatus外，所有这些物种都属于IRLC支系。在放线菌根植物中，Alnus glutinosa占主导地位（占所有记录的3.7%，比下一个物种多3.7倍），其次是A. incana、Hippophae rhamnoides、Myrica gale和A. viridis（完整的物种列表及其在最常见的栖息地中的出现情况见表S2.1）。固氮植物遍布整个欧洲，但在不同谱系之间显示出明显的生物地理模式（见图1）。豆科植物的相对覆盖度始终高于放线菌根植物谱系。非IRLC豆科植物在地中海、西大西洋、东大陆和草原地区达到了最高的相对覆盖度，而IRLC豆科植物没有明显的空间模式。尽管总体覆盖度较低，放线菌根植物也从伊比利亚南部分布到挪威北部，其中Alnus glutinosa（包括A. lusitanica）的分布范围最广。其他Alnus物种在阿尔卑斯山和喀尔巴阡山脉达到高峰，向北延伸到波罗的海国家和芬诺斯堪的亚。Myricaceae集中在大西洋地区，Elaeagnaceae分布在北大西洋、波罗的海沿岸、阿尔卑斯山和黑海沿岸，而Coriariaceae主要局限于南欧西部，主要局限于地中海地区。

平均相对覆盖度
（a）IRLC豆科植物，（b）非IRLC豆科植物，（c）Alnus spp.（除Alnus glutinosa外），（d）A. glutinosa，（e）Myricaceae，（f）Elaeagnaceae和（g）Coriariaceae在欧洲的分布。数据以每30公里网格单元的平均值呈现（Lambert方位等面积投影，EPSG:3035）。只有包含≥3个植被样地的网格单元被纳入分析。颜色等级基于等分位数，并在不同样地之间有所不同。

栖息地关联
豆科植物和放线菌根植物以及同一谱系内的共生谱系之间的栖息地关联存在差异（见图2）。豆科植物在大多数栖息地中都很常见，除了湿地，在地中海灌木丛（几乎100%的刺状地中海石南地）和草地（50%-80%的样地）中频率最高。IRLC豆科植物在湿润和湿地草地中占主导地位，非IRLC豆科植物在灌木丛栖息地中占主导地位，特别是在地中海灌木丛中。放线菌根植物在河流和沼泽灌木丛（>25%的样地，由多个谱系驱动）和阔叶落叶林（>15%的样地，主要是Alnus glutinosa和其他Alnus物种）中最为丰富。Alnus物种（除A. glutinosa外）也在北极、高山和亚高山灌木丛以及碎石坡中很常见。A. glutinosa在大多数湿地类型中生长。Myricaceae出现在湿地中，频率更高。Elaeagnaceae在沿海沙丘和沙质海岸、黑海沿岸盐沼以及温带和地中海山地灌木丛中繁盛。Coriariaceae主要分布在阔叶常绿森林和地中海灌木丛中。有关每种EUNIS栖息地类型（1级和3级）中最常见的固氮物种的概述，请参见表S2.2和S2.3。

包含至少一种（a）豆科植物和（b）放线菌根植物的植被样地在欧洲（EUNIS）栖息地类型中的比例（中间级别）。条形图显示了分别包含豆科植物或放线菌根植物的样地的总体比例。点表示包含至少一种特定共生谱系植物的样地的比例。注意（a，b）中x轴的不同范围。有关物种在栖息地类型中出现的详细信息，请参见附录S2.1。

气候建模显示，不同固氮谱系之间存在不同的依赖性（表1和图S6.1）。IRLC和非IRLC豆科植物都与平均日温差和平均夏季温度呈正相关。这种模式在IRLC豆科植物中更为明显。温度季节性被认为是非IRLC豆科植物的最强预测因子，然而，它们显示出双峰响应（表1和图S6.1b）。这个预测因子对IRLC豆科植物有负面影响，但其相对影响较弱。此外，两种豆科谱系都与夏季降水量低有关。在放线菌根谱系中，温度季节性是最佳预测因子，对Alnus spp.（除A. glutinosa外）和Elaeagnaceae有正相关，而对A. glutinosa、Myricaceae和Coriariaceae有负相关（表1；图S6.2和S6.3）。所有放线菌根谱系，除了Myricaceae，都与平均夏季温度呈正相关。其他重要的预测因子包括平均日温差和夏季降水量，这些因素在不同组之间也显示出反比关系。模型残差的空间相关图显示，大多数固氮谱系的空间自相关性很小或没有（图S6.5），平均Moran's I值接近零，并迅速趋于空间独立。对于少数谱系（Myricaceae、Elaeagnaceae和Coriariaceae），观察到弱的小范围自相关性，但效应大小不大，且不会在更广泛的空间尺度上持续存在，这表明剩余的空间结构不太可能影响模型推断。然而，这些地理上受限的谱系的预测能力受到其有限范围的限制，在这些范围内，气候预测因子更容易与空间位置混淆。

结果
我们的数据集包括706种豆科植物（424种IRLC和282种非IRLC），以及15种放线菌根植物（6种Alnus物种，5种Elaeagnaceae家族物种，2种Myricaceae家族物种，1种Rhamnaceae家族物种，1种Coriariaceae家族物种）。记录最频繁的豆科植物是Trifolium repens（占所有记录的13.4%，比第二频繁的物种多1.2倍），T. pratense、Lotus corniculatus、Lathyrus pratensis和Vicia cracca；除了L. corniculatus外，所有这些物种都属于IRLC支系。在放线菌根植物中，Alnus glutinosa占主导地位（占所有记录的3.7%，比下一个物种多3.7倍），其次是A. incana、Hippophae rhamnoides、Myrica gale和A. viridis（完整的物种列表及其在最常见的栖息地中的出现情况见表S2.1）。固氮植物遍布整个欧洲，但在不同谱系之间显示出明显的生物地理模式（见图1）。豆科植物的相对覆盖度始终高于放线菌根植物谱系。非IRLC豆科植物在地中海、西大西洋和东大陆及草原地区达到了最高的相对覆盖度，而IRLC豆科植物没有明显的空间模式。尽管总体覆盖度较低，放线菌根植物也从伊比利亚南部分布到挪威北部，其中Alnus glutinosa（包括A. lusitanica）的分布范围最广。其他Alnus物种在阿尔卑斯山和喀尔巴阡山脉达到高峰，向北延伸到波罗的海国家和芬诺斯堪的亚。Myricaceae集中在大西洋地区，Elaeagnaceae分布在北大西洋、波罗的海沿岸、阿尔卑斯山和黑海沿岸，而Coriariaceae主要局限于南欧西部，主要局限于地中海地区。

平均相对覆盖度
（a）IRLC豆科植物，（b）非IRLC豆科植物，（c）Alnus spp.（除Alnus glutinosa外），（d）A. glutinosa，（e）Myricaceae，（f）Elaeagnaceae和（g）Coriariaceae在欧洲的分布。数据以每30公里网格单元的平均值呈现（Lambert方位等面积投影，EPSG:3035）。只有包含≥3个植被样地的网格单元被纳入分析。颜色等级基于等分位数，并在不同样地之间有所不同。

栖息地关联
豆科植物和放线菌根植物以及同一谱系内的共生谱系之间的栖息地关联存在差异（见图2）。豆科植物在大多数栖息地中都很常见，除了湿地，在地中海灌木丛（几乎100%的刺状地中海石南地样地）和草地（50%-80%的样地）中频率最高。IRLC豆科植物在湿润和湿地草地中占主导地位，非IRLC豆科植物在灌木丛栖息地中占主导地位，特别是在地中海灌木丛中。放线菌根植物在河流和沼泽灌木丛（>25%的样地，由多个谱系驱动）和阔叶落叶林（>15%的样地，主要是Alnus glutinosa和其他Alnus物种）中最为丰富。Alnus物种（除A. glutinosa外）也在北极、高山和亚高山灌木丛以及碎石坡中很常见。A. glutinosa在大多数湿地类型中生长（排除palsa和多边形沼泽）。Myricaceae出现在湿地中，频率更高。Elaeagnaceae在沿海沙丘和沙质海岸、黑海沿岸盐沼以及温带和地中海山地灌木丛中繁盛。Coriariaceae主要分布在阔叶常绿森林和地中海灌木丛中。有关每种EUNIS栖息地类型（1级和3级）中最常见的固氮物种的概述，请参见表S2.2和S2.3。

包含至少一种（a）豆科植物和（b）放线菌根植物的植被样地在欧洲（EUNIS）栖息地类型中的比例（中间级别）。条形图显示了分别包含豆科植物或放线菌根植物的样地的总体比例。点表示包含至少一种特定共生谱系植物的样地的比例。注意（a，b）中x轴的不同范围。有关物种在栖息地类型中出现的详细信息，请参见附录S2.1。

气候建模显示，不同固氮谱系之间存在不同的依赖性（表1和图S6.1）。IRLC和非IRLC豆科植物都与平均日温差和平均夏季温度呈正相关。这种模式在IRLC豆科植物中更为明显。温度季节性被认为是非IRLC豆科植物的最强预测因子，然而，它们显示出双峰响应（表1和图S6.1b）。这个预测因子对IRLC豆科植物有负面影响，但其相对影响较弱。此外，两种豆科谱系都与夏季降水量低有关。在放线菌根谱系中，温度季节性是最佳预测因子，对Alnus spp.（除A. glutinosa外）和Elaeagnaceae有正相关，而对A. glutinosa、Myricaceae和Coriariaceae有负相关（表1；图S6.2和S6.3）。所有放线菌根谱系，除了Myricaceae，都与平均夏季温度呈正相关。其他重要的预测因子包括平均日温差和夏季降水量，这些因素在不同组之间也显示出反比关系。模型残差的空间相关图显示，大多数固氮谱系的空间自相关性很小或没有（图S6.5），平均Moran's I值接近零，并迅速趋于空间独立。对于少数谱系（Myricaceae、Elaeagnaceae和Coriariaceae），观察到弱的小范围自相关性，但效应大小不大，且不会在更广泛的空间尺度上持续存在，这表明剩余的空间结构不太可能影响模型推断。然而，这些地理上受限的谱系的预测能力受到其有限范围的限制，在这些范围内，气候预测因子更容易与空间位置混淆。

表1. 气候预测因子对欧洲固氮共生谱系丰度加权出现概率的相对影响（%），基于BRTs得出。豆科植物
放线菌根植物
IRLC
非IRLC
Aln
A. glu
Myr
Ela
Cor

平均日温差（°C）
20.6
38.5
12.3
18.2
14
16.7
13.5

温度季节性（°C/100）
30
11.9
26
20
27.1
30.9
18.3

最温暖季度的平均每日平均气温（°C）
17.9
21.3
18.1
22.5
14.2
7.8
14.7

年降水量（log(mm）
3
9
15.5
15.7
21.5
15.7
16.6

最温暖季度的平均月降水量（log(mm）
14.5
14.1
19.8
13.9
12.7
11
14.6

每个模型的得分值进行了缩放，总和为100%（显示的数字已四舍五入）。红色表示正相关，蓝色表示负相关，黄色表示复杂相关，基于附录S6.1–S6.3中呈现的部分依赖图。A. glu，Alnus glutinosa；Aln，Alnus spp.（除A. glutinosa）；Cor，Coriariaceae；Ela，Elaeagnaceae；IRLC，IRLC豆科植物；Myr，Myricaceae；n-IRLC，非IRLC豆科植物。比较包含和不含固氮植物的样地的平均生态指标值显示出显著差异（见图3）。总体而言，豆科植物在营养条件略低于随机预期的情况下出现（见图3a），这主要由非IRLC豆科植物驱动（见图3b；平均EIVE土壤氮值：3.9），而IRLC豆科植物没有显著差异（平均EIVE土壤氮值：4.5）。两种豆科谱系都与较干燥的条件相关，土壤pH值较高，光照充足。非IRLC豆科植物还与较高的温度值相关。放线菌根谱系显示出更多变化的模式：大多数与较高的土壤养分、湿度和光照条件相关，但特定谱系偏离了这一趋势（见图3c）。Myricaceae和Coriariaceae在营养条件低于随机预期的情况下出现（平均EIVE土壤氮值分别为3.0和3.8），Elaeagnaceae和Coriariaceae在湿度条件较低的情况下出现（平均EIVE土壤湿度值分别为3.5和3.5），Alnus物种在光照条件较低的情况下出现（平均EIVE光照值分别为5.4和5.6）。仅观察到桃金娘科（负相关）和山茱萸科（正相关）与土壤pH值之间存在显著关联，而只有桤木属植物（除A. glutinosa外；负相关）和山茱萸科（正相关）的分布模式与随机预期有显著偏差。图3在图形查看器中打开。

violin图展示了欧洲植被样地中生态指标值（EIVE）的分布情况：(a) 无固氮植物、豆科植物和放线菌根植物；(b) 无豆科植物、IRLC豆科植物和非IRLC豆科植物；(c) 无放线菌根植物、桤木属植物（除A. glutinosa外）、A. glutinosa、桃金娘科、沙棘科和山茱萸科。箱线图表示中位数、四分位数和非异常值范围。SES值代表具有和不具有固氮谱系的样地之间EIVE均值差异的标准效应大小，相应的P值表示统计显著性。所有谱系的平均EIVE值和零模型直方图分别见表S7.1和图S7.1–S7.9。

我们的研究详细调查了欧洲固氮植物的生物地理学和生态偏好。我们在功能和科级层面的分析揭示了之前未量化的谱系特异性模式，反映了不同的进化和生理适应。不仅豆科植物和放线菌根植物之间存在明显对比，它们内部的共生谱系之间也存在差异。气候、光照可用性和土壤条件再次被确认为它们分布的关键驱动因素，但不同固氮植物谱系的响应差异很大。豆科植物的分布、栖息地和生态偏好

在整个欧洲，豆科植物在开阔生境中最为常见，如草地和地中海灌木丛（图2a），这与它们对高光照可用性的强烈依赖性一致（图3a；Taylor & Menge 2018），这种光照是维持与共生细菌进行富碳光合作用交换所必需的（Minchin & Witty 2005；Ardley & Sprent 2021；Tamme等人2021）。虽然豆科植物也出现在欧洲的森林中（图2a），但它们通常生长在林缘和开阔地带。这一点在地中海地区尤为明显（例如Cytisus hirsutus、Hippocrepis emerus、Calicotome villosa），但在开阔的温带森林中也是如此（例如Genista tinctoria、Vicia sepium、Trifolium lupinaster；见表S2.2）。一个值得注意的例外是Lathyrus vernus，它是唯一被认定为真正森林专性物种的豆科植物（Heinken等人2022），能够在封闭的钙质山毛榉林中生长（表S2.2）。这种对光照的普遍依赖性导致豆科植物在森林中的分布呈现出更明显的南北梯度（图S4.7a,b），与草地（图S4.5a,b）和其他生境（图1a,b）相比。有趣的是，欧洲本土的豆科植物通常达不到树木的高度，而灌木状的豆科植物主要局限于地中海气候区。相比之下，一些引入的树种已经在欧洲的大片地区成为入侵物种，包括金合欢属和假刺槐，它们在改变本土生态系统方面特别成功（Souza-Alonso等人2017；Lazzaro等人2018）。总体而言，欧洲的豆科植物与土壤湿度和湿润生境呈负相关（图2a和图3a）。这支持了一个已确立的假设，即它们至少在季节性上适应了干旱环境（例如Liao等人2017；Gei等人2018；Tamme等人2021）。豆科植物经常表现出增强耐旱性的形态和生理适应。许多物种具有光合茎，这在该科中尤为常见（Nilsen 1995），这为它们提供了额外的碳收益，有助于在落叶后继续进行光合作用，从而减少蒸腾作用（Ávila-Lovera等人2017）。此外，它们典型的羽状或二回羽状叶片在水胁迫下具有灵活性，因为必要时可以脱落单个小叶以保存水分，而不会完全停止光合作用（Givnish 1978）。在干旱条件下，根瘤菌的结瘤通过渗透调节和提高叶片的光合效率来增强水分利用效率（Inostroza等人2015；Adams等人2016；Schwab等人2023）。另一种常见策略是采用一年生生命周期来逃避干旱，在短暂的有利时期完成生长和繁殖（Rochon等人2004）。这种生命周期也可能得益于光合效率，从而实现快速生长。特别是在放牧系统中，干旱和干扰创造了有利于豆科植物建立的微环境（Merou等人2013）。我们发现IRLC和非IRLC豆科植物在空间分布、栖息地关联和对环境梯度的响应方面存在显著差异。IRLC豆科植物与高夏季温度和干燥条件的普遍关联在非IRLC豆科植物中不那么明显（表1；图3；图S6.1），这反映在它们更变化的纬度模式上（图1）。IRLC豆科植物维持严格调控、高效共生的能力可能抵消了即使在次优条件下的结瘤成本。这与非IRLC物种形成对比，后者在寒冷环境中的固氮酶活性降低可能会减少共生效益（Körner 2016）。IRLC豆科植物在全球温带气候中广泛分布（Wojciechowski等人2004）。Trifolium、Lathyrus和Vicia属的物种延伸到北欧甚至北极生境，而Oxytropis属包含许多适应寒冷环境的多年生豆科植物（见表S2.1）。然而，一些非IRLC豆科植物也能在寒冷气候中生长，包括Lotus属和Genisteae族的一些属（例如Cytisus、Adenocarpus和Genista），这些植物在地中海山区很常见（Loidi 2017）。IRLC豆科植物也没有表现出对特定贫氮条件的偏好（图3b），这些条件通常被认为是放线菌植物的有利条件。例如Trifolium pratense、Trifolium repens、Vicia cracca和Lathyrus pratensis是低地草甸和其他湿润生境的特征成分。湿润的草地中IRLC豆科植物的密度特别高（图2a），这很可能反映了它们在营养可用性和竞争压力空间和时间上波动的干扰系统中对根瘤菌共生精确调控的独特优势（Klaus等人2016）。

我们的研究结果揭示了放线菌根植物对环境预测因子的不同响应，突显了它们的生态和系统发育多样性。与全球模式（Tamme等人2021）相反，我们没有发现欧洲放线菌根植物的出现与降水量或温度之间存在普遍的负相关，但不同谱系对这些因素的响应各不相同。有趣的是，温度季节性成为所有谱系的关键预测因子，尽管它们在响应方向上有所不同（表1）。大多数放线菌根植物集中在海洋性气候平衡的沿海地区，而桤木属和沙棘科也扩展到以高温度季节性为特征的高山和大陆性区域（图1d–h）。虽然温度季节性之前未被认为是欧洲放线菌根植物分布的重要预测因子，但最近有研究表明它是中国桤木属物种分布的主要驱动因素（Yang等人2025）。在全球范围内，放线菌根植物被认为是受干扰、氮限制地区的早期演替先锋，它们丰富了土壤，直到在演替过程中被其他植物取代（Chapin等人1994；Walker等人2003；Ardley & Sprent 2021）。在欧洲，这一作用不太明显，一些放线菌根植物确实占据了与干扰相关的年轻演替生境（例如河岸和沼泽森林中的A. glutinosa；图2）；然而，这些生境并不总是贫氮的。除了预期的A. glutinosa在营养丰富的生境中出现外，其他桤木属物种和沙棘科也常见于这些环境（图3c）。放线菌根植物通常被认为是专性固氮植物，对其共生体的调控能力有限，可能在不利条件下仍能继续固氮（Andrews等人2011；Menge等人2014）。在高氮可用性下，固氮变得多余，给植物带来了不必要的碳成本以支持共生体。同样，在低磷条件或干旱胁迫下，植物必须在其自身生理需求和共生体需求之间分配有限的资源。尽管存在这些限制，但在广泛的营养和水分梯度上（图3c）的出现表明，即使在资源条件高度变化的情况下，弱调控的共生固氮也可能是有利可图的。然而，支持共生体的能量成本可能会限制其竞争能力，特别是在光照竞争方面（Sprent & Scott 1979）。因此，放线菌根植物倾向于栖息在极端环境中，如低温（高山灌木）、高湿度（河流和沼泽灌木）、酸性（沼泽和湿地）或低营养（沙丘、沙滩和湿地）或盐度（盐沼）等环境中，这些环境中的光照竞争有限（图2）。某些物种对这些生境有特定的适应，例如Myrica gale具有负向向地性根系，有助于在积水土壤中获取氧气，使其能够在酸性湿地中生长（Skene等人2000）。桤木属和山茱萸科也经常出现在封闭树冠的森林中；然而，它们对竞争的敏感性可能会影响其种群动态。例如，A. glutinosa的再生需要高光照可用性（和适宜的水文条件），幼苗无法在大型上层树木的树冠下建立（Natlandsmyr & Hjelle 2016）。因此，A. glutinosa通常从干扰或老桤木树死亡后形成的开阔空隙中再生（Natlandsmyr & Hjelle 2016；Douda等人2020）或从管理森林中的萌蘖中再生（Claessens等人2010）。

正在进行的全球变化可能会重塑欧洲固氮植物的分布和生态角色。随着各个谱系根据其生态位的变化而迁移——响应更温暖、更干燥、更湿润或更受干扰的条件——我们预计会出现显著的分布扩展、转变或收缩。虽然气候是主要驱动因素，但这些变化也将受到非气候因素的调节，如扩散限制、栖息地破碎化和土壤适宜性。至关重要的是，这些分布变化将根本改变生态系统功能：新殖民的地区将经历新的氮输入，而失去固氮植物的地区将面临养分循环能力的下降。此外，入侵性的外来固氮树木和灌木（如假刺槐、金合欢属、Gleditsia triacanthos和Amorpha fruticosa）的持续扩张可能会改变土壤养分制度并加速植被演替（Rice等人2004；Lazzaro等人2018；Busk & Svenning 2025）。这些入侵树木增强了木本植物相对于本土开阔生境专性植物的优势。因此，由变暖驱动的分布变化与生物入侵之间的平衡将在决定欧洲植被和养分循环中固氮谱系的未来角色中起关键作用。

我们的研究揭示了欧洲固氮植物谱系之间显著的生态和生物地理差异。尽管它们共享一种克服氮限制的关键功能创新，但这些植物占据了截然不同的环境空间。非IRLC豆科植物主要局限于营养贫瘠、温暖和干燥的生境，这些生境适合它们的根瘤菌共生体，且固氮作用提供了显著的好处。IRLC豆科植物对这些环境梯度的关联减弱甚至不存在，因为它们对根瘤菌共生有更先进的调控能力。放线菌根植物表现出明显的谱系特异性差异，A. glutinosa在营养丰富的湿润环境中占主导地位，而其他谱系则表现出不同的地理和生态生态位。这些对比表明，一个共享的、甚至在系统发育上保守的功能特征（如共生固氮）导致了多样的生态策略。

JT和IA提出了这个想法。NF、IA、J-CS、JPC、TT和JT开发了研究分析。IA和NF准备了研究数据。NF、JPC和JT进行了分析。J-CS、IB、JAC、JD和EG提供了植被样地数据。NF、TT和JT撰写了手稿。所有作者都对手稿草稿进行了评论并批准了最终版本。

我们感谢Corrado Marcenò对植被模式的深刻解读，以及Jan Divíšek在数据整理和分析方面的宝贵帮助。NF得到了马萨里克大学“研究、发展和教育运营计划——内部资助项目”（编号CZ.02.2.69/0.0/0.0/19_073/0016943）的支持。NF、IA、TT和JT得到了捷克科学基金会（项目编号24-12161S）的支持。JCS得到了新生物圈生态动力学中心（ECONOVO）的支持，并由丹麦国家研究基金会（资助编号DNRF173）资助。开放获取出版由马萨里克大学通过Wiley - CzechELib协议促进。

用于分析的数据和代码可在https://doi.org/10.5281/zenodo.19398191获取。气候数据来自CHELSA Bioclim（https://www.chelsa-climate.org/datasets/chelsa_bioclim）。欧洲生态指标值可在https://vcs.pensoft.net/article/98324/获取。