作物景观结构对旋幽夜蛾种群动态的影响

徐养诚, 王明全, 顾世民, 张 鑫, 冯丽凯, 王 鑫,谢宗铭, 王登元, 吕昭智*

(1. 新疆农业大学农学院, 乌鲁木齐 830000; 2. 中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011; 3. 新疆农垦科学院植物保护研究所, 石河子 832000; 4. 中华全国供销合作总社天津再生资源研究所, 天津 300191); 5. 新疆农垦科学院生物技术研究所, 石河子 832000)

研究报告
ResearchReports

作物景观结构对旋幽夜蛾种群动态的影响

徐养诚1,2#, 王明全1,2#, 顾世民2, 张 鑫2, 冯丽凯3, 王 鑫4,谢宗铭5, 王登元1, 吕昭智2*

(1. 新疆农业大学农学院, 乌鲁木齐 830000; 2. 中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011; 3. 新疆农垦科学院植物保护研究所, 石河子 832000; 4. 中华全国供销合作总社天津再生资源研究所, 天津 300191); 5. 新疆农垦科学院生物技术研究所, 石河子 832000)

农业景观复杂性对昆虫种群的影响是目前昆虫生态学研究的热点。新疆兵团和地方在土地利用模式及作物景观上存在着明显的差异,这可能影响昆虫种群动态及其管理策略。在兵团和地方的不同试验点,应用智能测报灯、杀虫灯诱集监测在地区尺度和区域尺度旋幽夜蛾Scotogrammatrifolii种群动态,结合各样点作物种类及面积调查,分析旋幽夜蛾种群动态与景观复杂性之间的关系,研究结果表明:(1)在地区尺度上,简单景观条件下旋幽夜蛾诱集量小于复杂景观,不同调查半径下旋幽夜蛾诱集量与景观多样性指数(Shannon-Wiener)呈显著正相关(P<0.05);(2)在区域尺度上, 兵团作物体系内,南疆的旋幽夜蛾诱集量小于北疆,并且存在显著性差异;地方作物体系内南疆的旋幽夜蛾诱集量大于北疆,同样存在显著性差异;在南疆地区,兵团和对应地方的诱蛾量均呈现显著性差异(P<0.05),在北疆地区,兵团与对应的地方之间无显著性差异(P>0.05),这可能与北疆地区兵团和地方在土地利用模式及其作物布局趋于一致有关。

作物景观结构; 旋幽夜蛾; 种群动态

作物景观的空间结构显著影响了昆虫的分布和多样性,其原因主要是基于嵌入型的非作物区域具有昆虫庇护所作用,并致使昆虫在不同生境即异质性景观下来回迁移[1-3]。管理作物和非作物庇护所在景观水平上的空间布局能有效减轻害虫的危害[4],但有些研究也表明多样性的作物景观增加了一些多食性害虫的数量和危害[5-7]。

大多数研究认为多食性昆虫在多样性景观中种群数量高于简单景观,原因在于随着季节的变化,多样性景观能够为多食性昆虫提供更多的花粉等食物来源[8-11],这更有利于草食性昆虫的繁殖和生存。Andow等发现作物种类多的地区,食草节肢动物的种类和同一种类的密度均高于单一作物种植区[12]。

旋幽夜蛾ScotogrammatrifoliiRottemberg属鳞翅目,夜蛾科,又叫车轴草切根虫(clover cutworm)、三叶草夜蛾等,是世界性农业害虫,食性杂,具有间歇性局部暴发、迁飞等特性[13],寄主作物有棉花、小麦、玉米等共8 科 40 多种,其中作物 20 多种、杂草 20 多种[14-15],在我国新疆、西藏、青海、河北等省、自治区均有分布[16-17]。旋幽夜蛾的多食性和迁飞性加深了与农业景观之间关系的密切程度,探索农业景观复杂性与害虫种群动态的关系对制定IPM相应对策有重要帮助[18-20]。

新疆地处西北边陲,由于历史原因兵团和地方独立的行政单元存在,导致在土地利用模式、作物景观等方面存在显著差异。但兵团和地方作物景观差异可能导致害虫种群数量变化等方面的科学问题一直没有得到足够的关注。因此,以旋幽夜蛾为例分析景观复杂性与害虫种群动态关系,以期为基于景观尺度下的害虫综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

本研究由阿克苏地区3个点地区试验(地区尺度试验)和南北疆12个点区域试验(区域尺度试验)两部分组成。

1.1 地区尺度试验

本研究在位于阿克苏绿洲地区的阿克苏市(地方)、阿瓦提县(地方)和阿拉尔市(兵团)进行。该地区属暖温带干旱气候地区,东经79°40′～ 82°00′,北纬39°30′～ 41°20′,面积约318万hm2,地势平坦、土层深厚、水源充足、昼夜温差大、适宜多种作物种植[21]。其中,复杂农业景观A是转基因棉花种植区域,转基因棉花种植面积占调查面积的28%;复杂农业景观B是长绒棉种植区域,长绒棉种植面积占调查面积的37%;简单农业景观的长绒棉种植面积占调查面积的68%。本试验的灯光陷阱布设点详细情况见表1。

1.2 区域尺度试验

研究在自治区的地方县区和兵团相对应各选6个样点,分别为阿瓦提县(3团)、阿克苏市(6团)、麦盖提县(43团)、精河县(83团)、乌苏市(125团)和玛纳斯县(147团)。

图1 研究区域示意图Fig.1 Illustration of the study area

灯号Lightno.GPS位置GPSposition研究地点Site基地类型(景观类型)Landscapetype作物(植被)类型Croptaxon141°1'34″N,80°16'36″E阿克苏市四区设施农业基地复杂作物景观A陆地棉、长绒棉、玉米、枣树(间作棉花)、核桃树、苹果、菜地、林带、荒滩241°18'10″N,80°6'3″E阿克苏市三区设施农业基地复杂作物景观A陆地棉、长绒棉、玉米、枣树(间作棉花)、核桃树、苹果、菜地、林带、荒滩341°8'20″N,80°16'54″E阿克苏市良种场设施农业基地复杂作物景观A陆地棉、长绒棉、玉米、小麦、番茄、枣树(间作棉花)、核桃树、苹果、菜地、林带、荒滩、设施农业440°48'36″N,80°22'43″E阿瓦提县拜什艾日克镇粮棉基地复杂作物景观B陆地棉、长绒棉、玉米、小麦、番茄、核桃、枣树(间作棉花)、菜地、林带、荒滩540°39'33″N,80°18'12″E阿瓦提县塔木托格拉克乡粮棉基地复杂作物景观B陆地棉、长绒棉、玉米、小麦、番茄、核桃、枣树(间作棉花)、菜地、苹果、林带、荒滩640°34'42″N,80°23'42″E阿瓦提县阿依巴格乡粮棉基地复杂作物景观B陆地棉、长绒棉、玉米、小麦、番茄、核桃、枣树(间作棉花)、菜地、葡萄、林带、荒滩740°30'59″N,80°50'59″E阿拉尔市16团场棉花基地简单作物景观陆地棉、长绒棉、枣树、水稻、甘草、林带、荒滩840°36'56″N,81°17'30″E阿拉尔市13团场棉花基地简单作物景观陆地棉、枣树、水稻、菜地、林带940°36'45″N,81°20'16″E阿拉尔市10团场棉花基地简单作物景观陆地棉、长绒棉、枣树、水稻、苹果、林带、荒滩

2 材料与方法

2.1 试验设计

地区尺度试验:每个试验点设置1台佳多牌智能测报灯(型号为JDA0-III)作为灯诱陷阱,9个试验点,共设置27台,两两之间的距离大于3 km。使用测报灯自带光控开关控制灯管的开启和关闭。

旋幽夜蛾种群的收集方法:6月5日开始至9月5日每月5、15、25日开灯,于次日清晨收集前1天晚上诱集到的所有昆虫,统计其中旋幽夜蛾成虫数量。

区域尺度试验:每个观测点(县区/团场)设置27个灯光陷阱(佳多牌频振式杀虫灯,型号PS-15-2)。其中9个设置在棉花种植较少的区域(以陷阱为中心,半径200 m内棉花种植面积为25%及以下);9个设置在棉花种植较多的区域(以陷阱为中心,半径200 m内棉花种植面积为50%左右);9个设置在棉花种植最多的区域(以陷阱为中心,半径200 m内棉花种植面积为75%及以上的区域)。12个样点共324个灯光陷阱,且布点之间距离不小于400 m。每天定时开关灯,对应的团场和县区的开关灯时间一致(晚20:00开灯,早08:00关灯)。6月到8月每月15日、25日采集2次,每次采集1天内掉入陷阱中的昆虫。每月的14日清空灯下收集袋,15日清晨收取收集袋中昆虫;24日清空灯下收集袋,25日清晨收取收集袋中昆虫,每个样点共收集6次。将收集到的蛾类昆虫装入塑封袋中,写好标签放入冰柜保存,实验室分类统计。

2.2 分析方法

2.2.1 作物群落结构调查

利用Google Earth对试验样点进行定位,结合实际调查,获得半径2 km内作物种植情况,统计每种作物所占调查面积的比例,计算物种多样性指数(Shannon-Wiener)。

多样性指数(Shannon-Wiener):

式中,Pi为种i的个体数占群落中总个体数的比例或种i的相对重要值,S为群落中种的总数。

2.2.2 景观数据的分析

实验室内用边长为1 cm的正方形将每一张作物结构调查图分成网格图,统计出所有正方形的数量和每一种作物类型占正方形的数量。采用Pearson相关系数来表征作物比例与旋幽夜蛾种群数量之间的关系,计算公式为:

式中,x为作物群落结构特征参数;y为旋幽夜蛾的种群数量的ln值。利用Microsoft Excel 2103软件对原始数据进行统计、回归分析,Origin 8.0软件绘图和SPSS 19.0 进行广义线性模型(generalized linear model)分析。

3 结果与分析

3.1 地区尺度的不同农业景观中旋幽夜蛾发生动态

不同农业景观中旋幽夜蛾的种群发生动态见图2。3种景观(景观类型见表2)中旋幽夜蛾累计诱集量:复杂景观A>复杂景观B>简单景观,但三者间差异性不显著。7月5日到8月15日,旋幽夜蛾种群数量整体较低,单灯数量在10头左右。简单景观中旋幽夜蛾种群数量在6月26日到7月5日和7月25日到8月15日之间数量极低。7月25日简单景观的旋幽夜蛾的种群数量显著少于复杂景观(P<0.05),在9月5日,复杂景观A的旋幽夜蛾的种群数量显著高于其他两种景观(P<0.05);其他日期三种景观中旋幽夜蛾的种群数量之间没有显著性差异。

表2 不同农业景观的生物多样性指数

Table 2 Biodiversity indices of different agricultural landscapes

生物多样性指标Biologicaldiversityindex多样性指数(H')Diversityindex复杂农业景观AComplexagriculturallandscapeA复杂农业景观BComplexagriculturallandscapeB简单农业景观Simpleagriculturallandscape作物种类Cropspecies141310景观多样性指数Landscapediversityindex2.181.861.11景观均匀度指数Landscapeevennessindex0.630.500.30景观生态优势度指数Landscapeecologicaldominanceindex0.280.370.73

图2 不同作物景观中旋幽夜蛾成虫的发生动态Fig.2 The clover cutworm adult population dynamics with different landscapes

3.2 地区尺度农业景观多样性指数(Shannon-Wiener)与旋幽夜蛾种群数量的关系

半径2 km内旋幽夜蛾总数与不同调查半径景观多样性指数(Shannon-Wiener)呈显著正相关。其中景观多样性指数与旋幽夜蛾诱集量在半径0.5、1和2 km呈现极显著相关关系(P<0.01),在半径1.5 km呈显著相关关系(P<0.05),如图3。

图3 不同半径景观多样性指数与旋幽夜蛾种群数量的关系Fig.3 Relationships between landscape diversity and the clover cutworm population at different radii

3.3 区域尺度不同土地利用模式下旋幽夜蛾种群动态

对南北疆兵团(S.C, N.C)与地方(S.L, N.L)的3种棉花比例的旋幽夜蛾诱集量进行Wald卡方检验,结果显示南疆兵团与地方之间呈现极显著差异(P<0.01),北疆兵团与地方没有显著性差异;南疆和北疆诱虫总量并无显著性差异(P>0.05)。如图4及表3。

图4 南北疆兵团、地方蛾量示意图Fig.4 Amounts of moths in Production and Construction Corps and local areas from southern and northern Xinjiang

区域&农场类型Area﹠farmingtype单灯诱蛾量/头AmountofmothsS.C(0.69±1.56)cS.L(2.24±1.56)aN.C(1.18±1.56)bN.L(1.30±1.56)b

1) Wald卡方检验df=3,P<0.01。 Wald Chi square test,df=3,P<0.01.

图5 不同棉花种植比例下南北疆兵团与地方合计诱虫量Fig.5 Total amounts of trapped adults in different planting proportions of cotton from corps and local areas of southern and northern Xinjiang

图5所示,南疆兵团与地方在3种棉花比例下,兵团的诱集量均少于地方的诱集量,75%、50%和25%三种棉花种植比例兵团和地方诱集量均呈现极显著性差异(P<0.01),而且在兵团和地方各次内部的不同的棉花比例下,也存在极显著性差异(P<0.01);北疆兵团与地方诱集量与棉花种植比例没有一致性的规律,并且对应的兵团与地方不存在显著性差异(P>0.05)。

4 讨论

地区尺度上,三种景观下景观复杂程度越高,旋幽夜蛾的诱集量越大,但相互之间差异不显著,简单景观的诱集量在诱集期间总体表现出波动性大于复杂景观的现象,可能与旋幽夜蛾的多食性与迁飞有关;其中6月下旬至7月上旬以及7月下旬至8月中旬简单景观下旋幽夜蛾诱集量显著少于复杂景观可能与寄主植物可获得有关。

旋幽夜蛾是典型的多食性昆虫,吕昭智等[24]研究表明多食性的棉铃虫种群数量与作物景观多样性呈正相关,多样性的作物结构更有利于多食性的昆虫种群的增长。本研究在半径在0.5～2 km 范围旋幽夜蛾诱集量与作物景观多样性均呈正相关;表明景观复杂程度越高,越有助于多食性昆虫种群的繁殖力提高和种群数量的增加[25]。

区域尺度上,南疆兵团与对应地方样点间诱集量差异显著;而北疆兵团与对应地方样点间诱集量差异不显著。这一结果可能与南北疆兵团与地方之间农业种植结构和管理模式有关[26],说明北疆兵团和地方农业中土地利用模式和作物景观趋于一致,但南疆兵团和地方的作物景观差异十分明显。从景观进化角度讲,北疆农业模式特别是地方性小户农场的农业景观结构更接近于兵团连片种植、分区栽培的作物种植模式,使得北疆地区的农业景观结构显得更加简单和统一,导致北疆地区旋幽夜蛾诱集量少于南疆地方。因此在害虫防治中应认识到农业景观异质及其进化对害虫防治的影响。

在新疆其他多食性害虫如棉铃虫、地老虎等在地方和兵团也存在类似现象,共性的因素是景观多样性的增加,在时间和空间尺度上为这些多食性的害虫提供了连续的食物谱,有利于这些害虫的繁殖和为害。所以在新疆兵团和地方在制定害虫综合治理策略需要考虑兵团和地方的作物景观差异对害虫种群动态的影响。

通过对地区尺度不同景观复杂度条件下旋幽夜蛾诱集量的调查可知,复杂景观条件下旋幽夜蛾的诱集量要大于简单景观,旋幽夜蛾诱集量与景观多样性指数呈显著正相关。区域尺度上,南疆与北疆总体呈现显著性差异;南疆种群数量无论在兵团还是地方均大于北疆,因此需要加强在南疆地区旋幽夜蛾的种群监测和综合治理。

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(责任编辑：田 喆)

Effects of crop landscape structure on the population dynamics of the clover cutwormScotogrammatrifolii

Xu Yangcheng1,2, Wang Mingquan1,2, Gu Shimin2, Zhang Xin2, Feng Likai3, Wang Xin4,Xie Zongming5, Wang Dengyuan1, Lü Zhaozhi2

(1.CollegeofAgronomy,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830000,China; 2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 3.InstituteofPlantProtection,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationSciences,Shihezi832000,China; 4.TianjinRecyclableResourcesInstitute,All-ChinaFederationofSupplyandMarketingCooperatives,Tianjin300191,China; 5.BiotechnologyResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationSciences,Shihezi832000,China)

The effect of the complexity of the agricultural landscape on insect population is the focus of insect ecology at present. There are contrasting difference in the agricultural landscape and crop planting structure between Xinjiang Production and Construction Corps (broad-acre farming) and Local agriculture (small-holder farming), which may influence the population dynamics of insect pests. The population of the clover cutwormScotogrammatrifoliiin different collection scales (region scale and district scale) in both farming systems were monitored by the intelligent monitoring lamps. Moreover, crop type and area investigations in each sampling sites were surveyed, and our results showed that: (1) At the region scale, moths trapped in simple landscape were less than in complex landscape; the amount of clover cutworm had a significant positive correlation with the landscape diversity index (Shannon-Wiener) (P<0.05) at different radii surrounding the survey sites; (2) At the district scale in broad-acre farming, the abundance of moths in southern Xinjiang was less than that in northern Xinjiang, and there was a significant difference between southern and northern Xinjiang. At the same time, there had a significant difference within small-holder farms (southern Xinjiang and northern Xinjiang), but the abundance of moths in southern Xinjiang was larger than that in northern Xinjiang. The amount of moths showed a significant difference (P<0.05) between corresponding broad-acre farming and small-holder farming at the same area in southern Xinjiang, while northern Xinjiang had no significant difference (P>0.05) between the corresponding broad-acre farming and small-holder farming at the same area, which may be related to the fact that there was a a relatively consistent land use pattern and crop distribution between broad-acre farming and small-holder farming in northern Xinjiang.

crop landscape; clover cutworm; population dynamics

2016-03-10

2016-03-29

国际科技合作项目(2011DFA32170)；国家国际合作课题(Y266021001)

Q 968

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2017.01.005

* 通信作者 E-mail: zhaozhi@ms.xjb.ac.cn

#并列第一作者