红褐林蚁（Formica polyctena）巢穴表面聚群行为的环境驱动因素及其对巢温调节的生态意义

这篇研究通过自动摄像和温度监测系统，揭示了红褐林蚁（Formica polyctena）春季巢表聚群行为（sunning clusters）的时空分布规律及其与巢内温度（internal temperature）、光照时长（photoperiod）和气温的关联。研究发现聚群行为呈单峰分布，在巢温7.04℃和光照12.68小时时达到峰值，且低温条件下与气温正相关，高温时转为负相关。该成果为理解社会性昆虫的集体温控策略（thermoregulation）提供了新视角，对仿生算法优化具有潜在价值。

　　

摘要

红褐林蚁（Formica polyctena）在春季巢表形成密集的工蚁聚群（sunning clusters），这一行为被认为对巢穴快速升温至关重要。研究通过19个巢穴的自动摄像（每20分钟拍摄）和温度监测（3-6月），分析57,000余张照片后发现：所有巢穴均出现聚群，但频率差异显著（3-54%观测日）。聚群日出现率与单日观测次数呈正相关，且呈现单峰分布——随巢温（breaking point 7.04℃）和光照时长（13小时24分钟）增加先升后降。低温时聚群与气温正相关，而巢温>20℃时转为负相关，表明聚群行为随巢温升高逐渐减弱且对热源吸引力降低。

引言

温度是影响昆虫生态生理的核心因子。红褐林蚁作为温带森林关键种，通过巢体结构和行为调控维持巢温（20℃以上），加速幼虫发育。聚群行为通过降低体表体积比（surface-volume ratio）提升加热效率，但此前缺乏系统性观测数据。本研究假设：(1)聚群具普遍性；(2)呈春季单峰分布；(3)低温时集中于正午高温时段。

材料与方法

在捷克两处云杉林设置19巢观测点（海拔724-914米），分阳光/遮荫区域。采用红外相机（7:00-20:00拍摄）和温度记录仪（巢内20cm深处），测量巢体积、光照时长等参数。聚群定义为≥100 cm²
的密集蚁群。通过分段线性回归（segmented regression）分析环境因子与聚群频率的关系。

结果

• 普遍性与变异性：聚群平均出现于26%观测日，单日频率32%。巢体积和遮荫程度无显著影响，但1 m³
  巢穴频率较高（图2）。
• 环境驱动：聚群频率在巢温4.68℃和光照12.68小时时达峰（表1，图3）。低温巢（<10℃）聚群集中于上午（χ²
  检验p<0.0001），而高温巢（>20℃）无规律且频率降低（t检验p<0.001，图5）。
• 温度关联反转：巢温<10℃时聚群与气温正相关（r=0.64），>20℃时转为负相关（图4），暗示行为模式转变。

讨论

聚群行为由巢温和光周期共同驱动，其单峰分布反映越冬工蚁的空间异质性——表层个体先苏醒参与聚群。与Kadochová等（2019）不同，本研究未观察到20℃时的行为骤停，而是渐变衰退。高温期的"非日照聚群"可能通过减少热流失（heat loss）维持体温，提示该行为具有双重功能：低温时吸热，高温时保温。这一发现为昆虫集体温控算法（如"低温聚集"规则）提供了实证支持，对理解社会性昆虫的生态适应性和仿生设计具启示意义。