《Animal - Open Space》：The analysis of the perching behavior of layer chicks and pullets using mechanistic modeling
编辑推荐：
本研究为深入理解非笼养系统中蛋鸡雏鸡与青年母鸡的栖木行为，首次引入机制性建模（Mechanistic modeling）方法，通过构建隔室模型（Compartmental model）和常微分方程组，量化分析了不同发育阶段禽只在不同栖木结构（如平台L、圆形栖杆P、斜坡R等）间的移动模式。研究发现，无论高度如何，青年母鸡均明显偏好于在平台而非圆形栖杆上栖息（roost），且当平台为最高可用结构时，此偏好强度可增至约16倍。模型拟合优度指标（如CCC值在0.71-0.98之间）表明模型能有效复现观测数据，为揭示栖木行为的内在机制、优化禽舍设计以提升动物福利提供了创新的数学分析工具。
在现代化的蛋鸡养殖业中，随着养殖模式从传统的笼养向丰富化、非笼养系统转变，为禽只提供符合其天性的栖木结构已成为提升动物福利的重要环节。栖木，即禽类在夜间休息时栖息于高于地面的结构，是蛋鸡的一种高度动机性行为。然而，禽只在不同类型、不同高度的栖木结构之间如何选择与移动？其行为模式受哪些因素影响？这些问题的答案对于设计更符合蛋鸡自然习性的禽舍至关重要。尽管以往研究已观察到蛋鸡对高处结构有偏好，但对于其空间分布动态的量化描述和深层行为机制的数学解析仍较为缺乏。为此，一项发表在《Animal - Open Space》上的研究，别出心裁地将常用于营养代谢等领域的机制性建模方法引入了行为学研究，旨在精确刻画蛋鸡雏鸡与青年母鸡的栖木行为模式。
为了回答上述问题，研究人员针对两种不同的封闭饲养系统开展了建模研究。系统一针对4至18周龄的青年母鸡，系统二针对0至3周龄的雏鸡。研究主要运用了视频记录与瞬时扫描取样法采集原始行为数据，并基于隔室模型框架，使用常微分方程组（Ordinary differential equations）和一级动力学方程描述禽只在各“隔室”（即不同空间位置，如地板、栖杆、平台、斜坡等）间的流入与流出。模型参数通过假设系统处于稳态（steady state）并结合Excel求解器与Python（V3.10）中的差分进化算法（differential evolution algorithm）进行估算和优化。模型拟合度通过一致性相关系数、残差平方和及均方预测误差等指标进行评估。
研究结果
- •
系统1模型构建与验证：研究将青年母鸡的可用位置划分为地板、斜坡、平台和圆形栖杆四个隔室，并建立了描述其数量变化的微分方程组。模型成功复现了观察到的禽只分布数据，各位置的一致性相关系数值在0.71至0.98之间，表明模型拟合良好。稳态分析推导出的参数比值（如L:R和P:R）显示，无论平台是否处于最高位置，青年母鸡都更偏好于在平台而非圆形栖杆上栖息，且当平台是最高的可用栖息结构时，这种偏好强度（约为16:1）远高于栖杆为最高结构时的偏好强度（约1.2:1）。
- •
系统2模型与行为节律：针对雏鸡的系统模型包含了地面、饲喂栖杆、水线栖杆、平台栖杆和高栖杆五个隔室。模型再现了雏鸡在各栖位点周期性的栖息行为。研究发现，雏鸡在饲喂栖杆上的使用在黑暗期达到峰值，而在水线栖杆和平台栖杆上的使用则在光照期增加。然而，模型预测的峰值时间与观测值存在延迟，表明雏鸡在光照转换前已出现 anticipatory behavior（预期行为），提示未来模型迭代应更关注黎明和黄昏时段，而非简单划分明暗期。
- •
行为学见解与模型表现：高一致性相关系数值表明，禽只行为的大部分变异可由光照到黑暗的参数值切换这一确定性因素解释。未解释的变异可能涉及禽只在白天的探索性行为，例如观察到的平台使用量在白天（特别是12周龄后）逐渐上升随后在傍晚下降的模式，这可能与理毛等行为在更宽敞的平台结构上更易进行有关。
研究结论与讨论
本研究成功地将机制性建模应用于蛋鸡栖木行为分析，创建了能够准确复现雏鸡和青年母鸡在两种不同饲养系统内移动与栖息模式的数学模型。核心结论是，青年母鸡显著偏爱在平台结构上栖息，且当平台是最高可用结构时，该偏好极度增强。这为之前观察到的行为偏好提供了数学证据支持。研究不仅验证了模型方法的有效性，也揭示了现有模型的局限与未来方向：例如，系统2中预测与观测的峰值偏移提示需聚焦于黎明和黄昏的光照过渡期来刻画 anticipatory movement（预期性移动）；当前模型假设参数随时间线性增长，未来或需考虑逻辑增长等更符合学习或行为平台期的生物机制；此外，引入年龄、栖木高度、品种以及更多环境因子作为变量，将能更精细地解析各因素对栖息行为的具体影响。
这项研究的意义在于，它首次将机制性建模这一强有力的数学工具系统性地应用于家禽行为学的定量研究，将行为观察转化为可分析、可预测的数学关系。这不仅深化了对蛋鸡栖木行为内在机制的理解，也为基于科学证据优化禽舍设计、提升蛋鸡的终身福利提供了新的方法论和洞见。通过数学模型揭示的行为偏好，可以直接指导养殖实践，例如在非笼养系统中优先配置平台式栖木，尤其是在垂直空间的关键位置，从而更好地满足蛋鸡的行为需求。
