原位图像揭示了热带农业系统中蚂蚁群体之间的资源利用策略

《Ecosphere》：In situ imagery unravels resources exploitation strategies among ant communities in a tropical agrosystem

本研究利用计算机视觉技术分析了拉雷union菠萝种植园的蚂蚁群落结构，发现Pheidole megacephala和Solenopsis geminata为优势种，通过不同的觅食策略（发现-防御策略）实现共存。环境因素如植被覆盖和覆盖物显著影响物种分布，优势种在资源控制上表现出强竞争力，而次级和从属物种通过生态位分化适应竞争压力。分隔符：

　　这项研究聚焦于研究法属海外领地拉·雷union岛上的菠萝农业系统中蚂蚁群落的结构与竞争动态，旨在揭示在资源需求相似的情况下，蚂蚁如何共存以及它们的生态策略如何影响其在农业生态系统中的角色。通过引入一种结合实地图像采集与基于卷积神经网络的计算机视觉算法的创新方法，研究人员能够详细分析蚂蚁在资源发现、招募行为、昼夜活动差异以及环境因素对它们的影响。研究发现，虽然蚂蚁群落的共存机制在不同生态系统中可能存在差异，但其生态策略与资源利用能力之间的关系为理解复杂生态系统的竞争与共存提供了新的视角。

在研究中，主要的发现包括两个优势种：*Pheidole megacephala* 和 *Solenopsis geminata*。它们在夜间表现出强烈的资源垄断行为，尤其是在夜间时，它们的招募强度较高，频繁占据食物源。与之形成对比的是，*Brachymyrmex cordemoyi* 采用了一种基于侦察者的觅食策略，能够快速发现食物源并维持中等的主导地位，这种策略在白天和夜间都有效。研究还指出，次要种（如 *Paratrechina longicornis* 和 *Technomyrmex* spp.）在资源发现和垄断方面能力较低，因此依赖于不同的觅食策略以维持生存。然而，研究的结果表明，资源发现与资源垄断能力之间存在显著的正相关关系，支持了“发现-防御”策略，而非传统的“发现-主导”权衡假说。

“发现-主导”权衡假说长期以来被认为是解释蚂蚁共存的重要机制，该假说认为某些物种在资源发现上更有效率，而另一些则在资源垄断方面更具优势，这种权衡关系可能限制了某些物种的资源获取能力。然而，本研究发现，在拉·雷union岛的菠萝农业系统中，优势种 *P. megacephala* 和 *S. geminata* 在资源发现和垄断方面都表现出较高的能力，这与传统的权衡假说相矛盾。这种发现表明，资源垄断在简化生态系统中可能有助于物种同时优化资源发现与竞争防御能力。这一结论也与之前关于地中海蚂蚁群落和热带树栖蚂蚁的研究结果一致，这些研究也发现了发现与主导能力之间的正相关关系，表明共存机制可能是高度依赖环境的。

此外，研究还发现，环境因素如植物多样性、植物覆盖度和覆盖物覆盖度对蚂蚁群落的丰富度和出现频率有显著影响。然而，优势种似乎不受这些环境变化的显著影响，这表明它们在干扰环境中的高适应性可能使它们能够维持其主导地位。这种环境对蚂蚁竞争行为的调控作用可能有助于解释为何某些物种能够在特定条件下共存，而其他物种则可能被排挤。

研究采用的计算机视觉算法基于YOLOv4，通过将图像分割为小块并进行训练，能够准确识别蚂蚁物种，并量化其资源发现和垄断行为。这种方法不仅提高了数据采集的效率，还允许在不同时间段（白天和夜间）进行详细的生态分析。研究团队使用了超过13000张图像进行训练和验证，涵盖了多种蚂蚁种群以及非蚂蚁的其他物种，如蜘蛛和蟑螂，以确保数据的准确性。这一方法的广泛应用表明，现代技术可以为昆虫生态学研究提供重要的支持，尤其在农业生态系统中，其对物种分布和行为的精确监测有助于进一步理解生态系统的复杂性。

在实验设计中，研究人员在每个研究区域放置了25平方米的样方，并在其中安装了相机陷阱以记录蚂蚁的行为。通过设置夜间和白天的图像采集时间，研究人员能够分析不同时间段内蚂蚁的资源利用模式。研究发现，*S. geminata* 和 *P. megacephala* 在夜间表现出了更高的资源发现和垄断能力，而 *B. cordemoyi* 在白天表现出更高的出现频率和资源垄断能力。这些结果表明，蚂蚁的生态策略在昼夜之间存在显著差异，这种差异可能是由于环境条件（如温度、光照、湿度）对蚂蚁行为的影响。

进一步的统计分析显示，*B. cordemoyi* 的资源发现指数（DAI）在白天达到了59.4%，这远高于优势种的水平，表明它在资源发现方面具有显著优势。然而，由于其资源垄断指数（DI）较低，它无法在夜间维持高主导地位。这说明，尽管 *B. cordemoyi* 在资源发现上表现优异，但其在资源垄断上的能力有限，因此需要通过其他策略（如群体行为或化学信号）来维持其在群落中的地位。研究还发现，*P. longicornis* 和 *Technomyrmex* spp. 虽然在资源发现和垄断方面的能力较低，但它们在某些情况下能够通过高招募强度维持一定的竞争地位，这表明蚂蚁的生态策略可能因环境条件而异。

研究还指出，环境因素如植物覆盖度和覆盖物覆盖度对蚂蚁的分布和活动有显著影响。例如，植物覆盖度的增加与 *B. cordemoyi* 的丰富度和出现频率呈正相关，而覆盖物覆盖度对 *N. bourbonica* 和 *T. bicarinatum* 的丰富度和出现频率有积极影响，对 *T. melanocephalum* 则有负面影响。这些发现表明，蚂蚁的生态策略可能受到环境复杂性的调控，从而影响其在农业生态系统中的共存机制。

在讨论部分，研究团队进一步探讨了蚂蚁的资源利用策略及其在农业生态系统中的适应性。优势种 *P. megacephala* 和 *S. geminata* 通过高招募强度和快速资源发现能力维持其主导地位，而次优势种 *B. cordemoyi* 通过其高效的侦察行为和较高的资源发现指数维持其在群落中的存在。研究还提到，某些蚂蚁种群可能通过特定的化学防御机制或巢穴结构来减少与其他物种的直接竞争，从而维持其在生态系统中的位置。

此外，研究团队还讨论了蚂蚁群落结构与竞争策略之间的关系。他们发现，资源发现和垄断能力之间的正相关关系可能意味着某些物种在资源发现和防御上具有双重优势，从而能够同时在多个资源点占据主导地位。这一发现与之前关于蚂蚁共存机制的研究结果一致，表明蚂蚁的生态策略可能更倾向于“发现-防御”模式，而非传统的“发现-主导”权衡。这种策略的适应性可能使某些物种在干扰环境中更具优势，因为它们能够同时快速发现资源并有效防御其他物种的入侵。

研究还指出，蚂蚁的生态策略可能受到多种因素的影响，包括巢穴结构、资源分布、竞争压力以及环境复杂性。例如，*P. megacephala* 和 *S. geminata* 的多巢结构可能使它们在资源发现和垄断方面具有更高的灵活性，从而在简化生态系统中占据主导地位。相比之下，*B. cordemoyi* 的单巢结构可能限制了其资源垄断能力，因此需要通过其他策略（如快速侦察）来维持其在群落中的存在。

总的来说，这项研究揭示了蚂蚁在农业生态系统中的复杂行为模式及其与环境因素之间的关系。通过结合现代技术手段，研究人员能够更精确地分析蚂蚁的资源利用策略，并发现其生态适应性可能因物种特性和环境条件而异。这一发现不仅有助于理解蚂蚁在简化生态系统中的共存机制，也为未来在农业生态系统中研究其他昆虫群落提供了重要的参考。