揭秘食草動物如何“馴化”植被系統

近日，華東師范大學教授劉權興團隊在《生態學快報》上發表了最新研究成果，提出了食草動物-植被系統的新型理論模型，并發現該模型所具備的動力學過程受控于一個令人意想不到的原理——物理與化學中的“相分離”機制。

大型食草動物喜食高適口植物的選擇攝食行為，一直是科學家理解放牧生態系統的“鑰匙”，然而這一選擇攝食行為能否下行控制植被的時空格局，一直是放牧生態學實驗與理論之間的一條鴻溝。

從實驗來看，生態學家發現食草動物的選擇攝食行為與植物適口性之間存在正反饋：食草動物的攝食行為會導致植物的生物量下降，從而導致植物長時間處于高適口性但低生物量的狀態并進一步吸引食草動物的攝食。雖然大量的實驗證據直觀上表明食草動物具備下行控制植被時空格局的能力，但從理論來看，食草動物僅能通過選擇攝食行為增強已存在的植被時空格局。 　  

為此，研究人員提出了新的行為自組織理論框架，回答了“食草動物的選擇覓食行為是否可以下行控制植被的時空格局”這一科學問題。 　　

通過對食草動物在覓食過程中的偏好隨機行走和局部密度依賴的運動行為進行連續化建模，在沒有傳統“最大攝食假設”的約束下，研究人員提出了食草動物-植被系統的新型理論模型，并發現該模型所具備的動力學過程受控于物理與化學中的“相分離”機制。 　　

通過對模型進行理論分析，他們發現放牧生態系統的時空格局可由食草動物的選擇攝食行為和植物適口度之間的正反饋激發，食草動物可下行控制植被的時空格局，這印證了先前有關食草動物攝食和植被時空格局的實驗觀測。當食草動物遇到低適口性但高生物量的植物時，它們會加快移動速率去尋找高適口性但低生物量的植物，而當食草動物遇到低生物量的植物時，它們會放慢移動速率去攝食這些植物。 　　

在這個過程中，食草動物只需要根據它們所在之處的植物適口性調節自身的運動速率，并聚集在它們移動速率較低的地方，從而導致放牧生態系統自發地分離為兩個相，一個是食草動物聚集且植被適口性高的相，另一個是食草動物稀少且植被適口性低的相。該模型具有呈現與傳統熱力學相分離相似的系統特征。 　　

該研究將食草動物的選擇攝食行為與放牧生態系統的時空格局聯系在一起，有望豐富現有的覓食理論，并且從行為生態學角度提出了對放牧生態系統時空格局的新見解。