新疆典型荒漠区单食性天花吉丁虫磷元素含量对环境的响应

王 晶，吕昭智，宋 菁

(1.喀什师范学院化学与环境科学系，喀什 844006;2.中国科学院新疆生态与地理研究所，中国科学院干旱区生物地理与生物资源重点实验室，乌鲁木齐 830011;3.沈阳大学，城市有害生物治理与生态安全辽宁省重点实验室，沈阳 110044)

生态化学计量学是以生物学、化学、物理学等为基础，将不同尺度、不同生物群系和不同研究领域的生物有机联系，研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是C、N、P)平衡的科学，其中动态平衡原理和生长速率理论是该学科最重要理论［1-2］。生长速率理论(GRH)认为有机体C∶N∶P的变化主要是由生物体P含量的变化决定的［3］;生物体P的变化至少部分受不同生长或发育速率的有机体rRNA中P含量变化的影响［4-6］。

生态化学计量学的理论提出以来，国内外学者通过大量的实验研究进一步阐述了其在生态系统中，特别是在生物与环境中P元素关系中的重要意义。国内外学者通过对P元素的限制性研究，表明了P元素与生物体的生长及RNA含量存在密切关系，进而影响种群动态［1-2］。在一定条件下当环境食物供应量不足时，特别是P元素缺乏时，生物体内RNA含量及种群动态与P元素之间的关系更为密切［7-8］。大量的研究表明，以不同比值的C∶N∶P的食物饲养水蚤、轮虫等低等生物的实验中，都显示在供应的食物P元素低于正常的条件下，生物个体RNA含量及生长速率随着P的增加而提高，并且生物个体P含量，RNA∶DNA与其食物的P含量呈正相关［9-11］。

迄今生态化学计量学理论已被普遍认同，近几年我国学者在化学计量学方面也做了大量的研究，但仅限于宏观尺度，主要集中在C、N、P含量及C∶N∶P关系，缺乏分子水平的机理研究。同时，对生长速率理论的验证和发展多数是营养结构比较简单的水生生态系统和实验室可控条件下单个个体生长的研究［12-14］，而该理论在自然条件下昆虫群体中的研究较少。

本研究正是基于对生态化学计量学理论在自然条件下对新疆荒漠区生态系统中土壤-梭梭Haloxylon ammodendron-天花吉丁虫Julodis varioloris Pall P元素含量和天花吉丁虫RNA含量之间的关系做了较为详细的比较分析和研究。同时讨论了三者之间的P元素变化关系，为研究自然条件下，昆虫体内P元素及RNA变化趋势与种群动态之间的关系在微观领域探索提供更有效的方法。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于新疆北部准噶尔盆地南缘，北与古尔班通古特沙漠相邻，南接博格达山，属于绿洲与荒漠之间的过渡区，北纬 44°12′37″—44°21′53″，东经 87°50′24″—87°54′06″。研究区南部为山前冲积平原，北部为沙漠边缘，地势平坦，海拔高度为450—500 m，降水量变化很大，南部平原年降水量130—150 mm，北部至沙漠区少于130 mm，属温带荒漠气候。土壤基本为碱化漠钙土或盐化草甸土。主要植被类型是以低矮的灌木、半灌木为主，除了短命植物和1年生植物以外，几乎全为旱生、超旱生植物，形成稀疏的植物群落。主要群落类型有红砂(Reaumuriasoongorica)群落，梭梭(Haloxylon ammodendron)群落，盐爪爪(Kalidium foliatum)群落，碱蓬(Suaedaacuminata)群落等。植物种类总体稀少，覆盖度相对较低，植物种类组成单调和旱生性是当地植被的主要特征。

1.2 样品采集

样品采集按时间顺序每隔20d调查1次，分别于2007年5月21日、6月11日、7月1日、7月21日进行采集。

土壤样品选择天花吉丁虫活动的梭梭密集区，随机选择12株梭梭，采集距离梭梭0.5m处土壤，采样深度为0—10cm和10—30cm，每个样点3个重复，共计72个样本。

梭梭样本选择捕获到天花吉丁虫的植株，每个样点采集5株，共采集9个样本。

天花吉丁虫采用手捕法采集梭梭上固定或很少活动的成虫个体，样点布设采用棋盘式，以10株为1个样点单位，每个样点相距20m左右，在100株梭梭上绕植株一周随机采集天花吉丁虫，记录种群数据，并将捕获的昆虫放入实验箱带回室内。

1.3 样品处理

土壤样品带回实验室风干，过筛。

土壤有效磷的测定:0.5mol NaHCO3浸提钼锑抗比色法［15］(土壤农化分析)。

梭梭样品60℃烘干48h后粉碎测元素含量:梭梭有机碳测定采用土壤碳重铬酸钾容量法-外加热法测定［15］;梭梭叶片磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定［15］;分光光度计为 UV-120-01，TARC JAPAN。

采集的天花吉丁虫在室内常温饥饿24h后，分为两组，一组-70℃保存，提取总RNA;另一组在烘箱中70℃烘干72h，称重，粉碎测定个体磷含量。天花吉丁虫总RNA提取用试剂盒EZ Spin Column Total RNA Isolation Kit(Bio Basic Inc，Canada)，紫外分光光度计测定RNA含量。天花吉丁虫个体磷含量测定采用酸溶-钼锑抗比色法［15］。

1.4 数据分析

土壤有效P、植物P、昆虫RNA及昆虫个体P含量不同时间段之间差异性比较采用单因素方差分析(ANOVA)的Bonferron法进行比较(P＜0.05)，土壤有效P，梭梭P和C/P，天花吉丁虫RNA及P含量之间的相关关系采用线性回归。统计软件使用Origin 7.5。

2 结果与分析

2.1 不同时间土壤、梭梭、天花吉丁虫P元素的化学计量组成

2.1.1 不同时间土壤有效P含量

不同时间段的土壤有效P含量表现出了一定的差异性，如图1所示在6月与7月间土壤有效P含量差异显著(P＜0.05)，同时从5月下旬到6月上旬土壤有效P含量呈一定的增长趋势，6月中旬到7月上旬含量明显降低，7月下旬有微弱增长，在监测时段内6月11日测得土壤有效P的最大值为25.1908 mg/g。

图1 不同时间土壤有效P含量Fig.1 Soil P availability in different time

2.1.2 不同时间梭梭叶片P含量与C/P的变化

梭梭叶片P含量与土壤效P含量表现出了一定的趋同性，梭梭叶片P含量在6月与7月间差异显著(P＜0.05)(图2)，在6月11日达到最大值，叶片中的P含量为1.61mg/g，高于其它调查时间;梭梭叶片C/P在6月11日最小，与5月和7月存在显著差异(P＜0.05)，表明梭梭在6月上旬是生长最快的时期［16］。

图2 不同时间梭梭叶片P含量与C/PFig.2 Content of Haloxylon ammodendron P and leaf C/P in different time

图3 梭梭叶片P含量与C/P比的关系Fig.3 Relationship between P in Haloxylon ammodendron and C/P in leaf

比较不同时间梭梭叶片P含量与C/P的关系发现，不同时间梭梭个体P含量与C/P之间存在显著的线性负相关关系。同时，通过对梭梭有机碳含量的测定，发现在不同时期内梭梭有机碳含量相对稳定，含量在20.8—24.2g/kg之间，表明梭梭C/P的变化在不同时间段内主要受梭梭叶片P含量变化的影响。

2.1.3 不同时间天花吉丁虫个体P与RNA含量

天花吉丁虫个体P含量在6月与7月间差异显著(P＜0.05)，在其他时间差异不显著(P＞0.05)，基本维持稳定水平(图4)。但6月初吉丁虫个体P含量出现最大值，明显高于其它时间，这与梭梭叶片磷含量表现了一致性。天花吉丁虫体内RNA含量除7月1日、7月21日以外在不同时期存在显著差异(P＜0.05)(图4)，且6月11日最高，7月份明显降低。同时在整个调查期内天花吉丁虫RNA含量和P含量呈正相关(图5)。

图4 不同时间天花吉丁虫个体P含量与RNA含量Fig.4 Content of P and RNA of Julodis varioloris in different time

图5 天花吉丁虫RNA与P含量关系图Fig.5 Relationship between RNA and P in Julodis varioloris

2.2 土壤-梭梭-天花吉丁虫系统P元素组成关系

2.2.1 土壤有效P含量与梭梭叶片C/P的关系

土壤有效P含量与梭梭叶片C/P之间存在显著的线性负相关(图6)。梭梭在整个调查期内5月21日至7月21日，叶片P含量随着土壤有效P的增加而增加，特别是当土壤供应的有效P最高时，梭梭叶片P含量也达到了最大值，此时梭梭叶片C/P最小，梭梭生长也最快。

2.2.2 梭梭叶片C/P比值与天花吉丁虫P及RNA含量的关系

图6 梭梭C/P与土壤有效P之间关系Fig.6 Relationship between plant leaf C/P and soil available P

梭梭叶片C/P与天花吉丁虫个体P与RNA含量都存在显著的线性负相关关系(图7)。吉丁虫个体RNA含量在一定程度上受梭梭叶片C/P影响，反应了梭梭P含量的变化引起吉丁虫P含量变化，进而导致体内RNA含量也随之发生改变。

2.2.3 土壤有效P对天花吉丁虫P含量和RNA的影响

天花吉丁虫P、RNA含量与土壤有效P之间都有正相关关系(图8)，表明天花吉丁虫个体P与RNA含量与土壤有效P含量的变化趋势一致。

3 讨论

3.1 土壤-梭梭-天花吉丁虫系统元素关系

天花吉丁虫作为新疆典型荒漠区单食性昆虫其体内P与RNA含量与梭梭叶片P元素含量及土壤有效P含量的变化之间存在一定的相关关系。从三者之间的关系来看，梭梭叶片P元素含量及C/P的变化直接受到土壤有效P含量供给的影响，而土壤有效P的含量受季节变化的影响与环境条件密切相关;梭梭叶片P元素含量直接影响取食者天花吉丁虫P与RNA含量，而土壤有效P含量通过影响天花吉丁虫食物(梭梭叶片)P元素含量间接影响其体内P与RNA含量(图9)。

图7 梭梭P含量与昆虫RNA，昆虫个体P含量关系Fig.7 Relationship between plant P and beetle RNA，P in different time

3.2 天花吉丁虫P元素和RNA含量在一定程度上反映种群动态

P元素是生物体内膜磷脂、蛋白以及能量分子ATP、ADP等的重要组成元素［17］，RNA是重要的磷库，与有机体维持生命的新陈代谢息息相关，RNA的含量直接影响到有机体的P含量［18］。生长快速的有机体，对核糖体和蛋白质的需求越高，从而增加RNA的含量，同时对P元素的需求也增加，迫使环境供应更多的P元素［19］。当供应的P元素在有机体需求的临界点以下时，不断增加P元素的供应量，RNA含量与生长速率也随之增长［9-20］。而当P元素增加到能够满足有机体的需求时，这种关系就不存在了。天花吉丁虫体内P含量的变化受到土壤有效P和植物叶片C/P的影响，这种变化关系符合生态化学计量学中的生长速率理论(GRH)。

食物的C/P反应对C、P元素对生物体的供给关系，当C/P小于50时，P元素就能满足消费者的需求［16］。土壤-梭梭-天花吉丁虫系统中土壤有效P、梭梭P元素呈现时间变化趋势，但天花吉丁虫个体P含量相对稳定。同时，梭梭C/P最大值为24.054，因此认为土壤和梭梭对天花吉丁虫P的供应是充足的，而昆虫保持体内元素平衡的适应能力可能与个体体内机制相关［20］。

图8 土壤有效P与天花吉丁虫P、RNA含量的关系Fig.8 Relationship between soil avalibility P and Julodis P，RNA

图9 土壤-植物-昆虫三者关系图Fig.9 Relationship in soil-plant-beetle system

本研究在探讨昆虫生长速率与环境之间的时空动态变化关系方面，通过对天花吉丁虫个体P含量的研究发现，其个体P含量除在6月与7月间存在差异外，在其整个生长周期内比较稳定，在一定程度上不能够显著地反映生长速率的变化趋势，而天花吉丁虫体内的RNA在其他整个生长周期内更能敏感地判断环境对生物个体生长与群体变化的影响。根据实验调查，5月下旬天花吉丁虫个体开始出现，6月上旬数量增多，7月上旬调查试验区天花吉丁虫数量减少。天花吉丁虫RNA含量在调查时期内变化很大，并且与天花吉丁虫种群数量变化趋势一致，由此推断，在适宜的环境条件下，当外界P元素供应充足，昆虫体内RNA含量的变化在一定程度上能够表明种群变化趋势。天花吉丁虫种群动态变化可以通过自然环境中磷元素的变化来评估，这可能是一个从微观角度研究天花吉丁虫种群变化的新方法。这与生态化学计量学认为的有机体内元素和RNA含量的变化反映生长速率的理论一致。

3.3 生态化学计量学在陆地生态系统中的应用

陆地生态系统相对于水生生态系统营养结构关系要复杂得多，研究起来比较困难。而且，生态化学计量学理论的形成和其发展与丰富主要基于对营养结构关系相对简单的浮游水生生态系统的研究。而自然群落动态受到食物质量(营养成分含量)的限制，食物质量决定生物在其生存环境中的成功存活，高品质食物丰富时，群落内各种生物都大量的发展起来;营养条件恶化时，耐受性差的物种或个体大量死亡，使种群动态发生变化［21］。本文在自然环境条件相对稳定的新疆典型荒漠区研究了特有物种单食性天花吉丁虫-梭梭-土壤之间的生态化学计量关系，在一定程度上表明了食物质量对昆虫个体P和RNA含量及种群动态的影响，使生态化学计量学理论在陆地生态系统中得到验证，为新疆脆弱生态环境的变化对生物种群及多样性的影响提供了新的研究途径。

4 结论

(1)土壤有效P、梭梭P及C/P、天花吉丁虫P与RNA含量随着时间的推移发生变化，三者的变化存在一定的相关性。

(2)在研究土壤-梭梭-天花吉丁虫三者之间的关系中发现，天花吉丁虫P元素与RNA含量直接受植物P元素影响，受土壤有效P间接影响，土壤-梭梭-天花吉丁虫的三者之间呈线性正相关关系。

(3)天花吉丁虫RNA含量与吉丁虫种群数量变化趋势一致，在一定的环境条件下，当外界P元素供应充足，昆虫体内RNA含量的变化在一定程度上能够表明种群变化趋势。

(4)通过研究土壤有效P、梭梭P及C/P、天花吉丁虫P与RNA之间的生态化学计量关系，使生态化学计量学理论在陆地生态系统中得到应用和验证。

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