研究揭示非洲“仙女圈”可能是植物之间地下资源竞争结果

非洲纳米布沙漠草地上的神秘“仙女圈”的形成有很多种解释，可是它形成的真正原因时什么呢?最新一项研究表明这些“仙女圈”可能是植物之间地下资源竞争的自然结果。

纳米布沙漠的草地最初是同质的，但稀缺的雨水和营养物质匮乏的泥土导致草类之间激烈的竞争，这项最新研究这样解释道。强劲的草吸收了泥土里所有的水和营养物质，导致它们相对弱的邻居死亡并留下一个贫瘠的缺口。

随着竞争的持续发生，这种植被缺口开始扩张，无草地区域成为营养物质和水的“蓄水池”。拥有了额外的资源，更大的草物种能够扎根在这些缺口的外围，稳定的仙女圈开始形成和发展。“这是一个非常不错的理论，它考虑了仙女圈的所有特征”，包括较高的草物种的存在，美国佛罗里达州立大学的生物学家沃尔特·奇尔盖尔(Walter Tschinkel)说道，他并没有参与这项研究。“目前还没有任何解释仙女圈的理论做到这一点。”

挥之不去的神秘

仙女圈之谜困惑了科学家长达几十年。去年，奇尔盖尔发现小型仙女圈平均只维持24年，而较大的仙女圈能够存在75年。然而，他的研究并没有确定仙女圈最初是如何形成的，或者它们为何消失。

今年早期，德国汉堡大学的生物学家诺伯特·尤尔根斯(Norbert Juergens)宣称发现了仙女圈的白蚁理论的证据。他发现沙蚁Psammotermes allocerus殖民地几乎总是位于仙女圈的中央，在那里泥土潮湿度日益增加。他推断称白蚁以草根为食，杀死了吸取泥土水分的植物，随后在干旱季节吸取产生的圆形缺口里的水分。然而奇尔盖尔对这一理论持怀疑态度，他强调尤尔根斯混淆了因果关系。

这项研究的首席研究员、南非开普敦大学的生物学家迈克尔·克雷默(Michael Cramer)也认为白蚁理论不符合常理，他的这项最新研究发表在期刊《公共图书馆·综合》上。“我认为解释仙女圈现象的理论需要克服的主要障碍是解释圆圈的规则分布，它们的环状和大小。” 克雷默说道。“白蚁为什么会导致如此大且均匀分布的圆圈的产生，这一理论并没有解释真正的原因。”

科学家之前提出仙女圈是“自我组织的植被样式”的例子，这主要源于植物之间的相互作用。2008年研究人员研发了一个数学模型显示仙女圈的植被样式取决于水资源。

激烈的竞争

为了测试这一理论，克雷默和他的同事、美国科罗拉多大学博尔德分校的尼克·巴杰(Nichole Barger)利用谷歌地图和地面调查，测量了纳米布沙漠里仙女圈的大小、密度和土地占用。他们搜集了仙女圈内外不同深度的泥土样本，分析里面的水和营养物质成分。最后，他们将这些信息以及气候数据，例如季节降雨量和温度，输入电脑模型里。

“我们发现，仙女圈的大小、占有土地的密度和程度都与可获得的资源量有关。” 克雷默说道。如果具有较丰富的资源，例如泥土营养和降水，那么仙女圈较小。这并不无道理，克雷默解释称，因为如果环境里已经有水和营养物质，那么较高的草不需要较大的资源蓄水池来存活。另一方面，如果泥土的水和营养物质较为匮乏，那么草需要较大的蓄水池维持自身。

研究人员还发现，降雨极大的决定了纳米布沙漠里仙女圈的分布，后者似乎只存在具有合适降雨量的地区(降雨既不多也不少)。如果降雨太多，大量的资源将“减缓”对资源的竞争，这些仙女圈将关闭;如果降雨太少，竞争将变得异常激烈，仙女圈也将再次消失，克雷默说道。由于仙女圈出现在这样狭窄的湿度范围内，每年降雨量的差别将导致它们忽然消失和忽然再次出现。有了这些信息，研究人员发现他们能够预测仙女圈的分布，精确度高达95%。此外，仙女圈之间规则间隔可能是圈内竞争的结果，每一个圈内的草与其它圈的草为资源而“竞争”。

实验测试

克雷默注意到仙女圈仍与白蚁有关。“产生仙女圈是植物之间的竞争。白蚁则是第二现象，它的作用是仙女圈的维修工，能够杀死在圈中央出现的草。” 南非比勒陀利亚大学的化学剂伊薇特·诺德(Yvette Naudé)认为仙女圈的非昆虫假设非常新颖，尽管她对这一理论的有效性仍有所怀疑。诺德并没有参与这项研究。

“外围的草资源竞争是如何引发一整块空缺土地里的植物突兀且同步的死亡，目前仍不清楚。” 诺德说道。她曾经研究过仙女圈。“答案仍有待我们揭晓。”为了测试这项理论是否正确，克雷默计划进行实验测试，他的研究只提供了这一竞争理论的相关证据。“如果仙女圈的确是因水和营养物质短缺而引发的，那么灌溉并施肥这些仙女圈应该能够导致仙女圈关闭并重新长出植物。”