土壤添加生物质炭对黏虫生长发育和生殖的影响

张 婧，李保平，孟 玲

(南京农业大学植物保护学院/农作物生物灾害综合治理教育部重点实验室，江苏南京 210095)

土壤添加生物质炭对黏虫生长发育和生殖的影响

张 婧，李保平，孟 玲

(南京农业大学植物保护学院/农作物生物灾害综合治理教育部重点实验室，江苏南京 210095)

为探究土壤添加生物质炭对植食性咀嚼式口器害虫的影响，选用黏虫为研究对象，设0、15、30和50 g·kg-1四个土壤添加生物质炭处理，对盆栽种植的麦苗接初孵黏虫幼虫，观察和分析幼虫生长发育和成虫生殖力的变化。结果表明，随生物质炭施用量的增大，黏虫幼虫发育历期呈线性缩短趋势，50 g·kg-1生物质炭处理下幼虫发育历期为19.0 d，较不添加生物质炭处理下降6.5%。黏虫蛹鲜重随生物质炭添加量增大呈线性减小趋势，其中50 g·kg-1生物质炭处理下雌虫蛹鲜重为0.28 g，较不添加生物质炭处理下降12.5%。施加生物质炭对黏虫的化蛹率(平均69.89%)和羽化率(92.08%)无显著影响。但随生物质炭施用量的增大，黏虫产卵量呈线性增大的趋势，50 g·kg-1生物质炭处理产卵量为605粒，较不添加生物质炭处理下增加近3.3倍。以上结果说明，施用生物质炭有提高黏虫生殖潜力的作用。

生物质炭；小麦；黏虫；咀嚼式口器昆虫；害虫治理

生物质炭是指由生物质在限氧或无氧条件下低温热解而得到的一种细粒度、多孔性的富碳材料。近年来，生物质炭作为一类新型环境功能材料，在土壤改良、保持土壤肥力、提高作物产量等诸多方面[1-4]，以及在温室气体减排和环境污染修复等方面都展现出应用潜力[5-6]，已成为当前的研究热点。

生物质炭对土壤以及部分作物性状会产生影响。生物质炭大多呈碱性，施用至土壤后，可以降低土壤酸性，并提高部分养分的有效性[7-9]。生物质炭富含碳，因而施用到土壤中可以提高土壤有机碳含量。相对于其他传统有机肥，生物质炭能够更加稳定、显著地提高土壤中有机碳的含量[10-13]。阳离子转换量可从侧面反映土壤肥力[14]，生物质炭有显著增加土壤阳离子交换量的作用[15]。施用适量的生物质炭对作物株高有一定的增高作用，可促进水稻茎、叶干物质积累，其中低施炭量对茎秆干物质积累的促进作用相对明显[16]，叶片叶绿素含量随着生物质炭用量的增加而递增[17]。

基于生物质炭可以改进土壤理化性质、微生物组成以及改变植物中关键营养等众多研究结果，本研究推测生物质炭可能间接影响植物病原物和植食性害虫。然而迄今有关生物质炭对植物害虫影响的研究很少。有研究发现，生物质炭对病原菌有抑制作用，可减轻土传病菌镰刀菌(Fusarium)[18-19]和辣椒疫霉菌(PhytophthoracapsiciLeonian)[20]的侵染；生物质炭可减少番茄上螨虫的侵害[21]，抑制稻飞虱的发育和生殖力[22]。但迄今尚未见有关土壤添加生物质炭对咀嚼式口器植食性害虫影响的研究报道。

黏虫具有季节迁飞习性，食性广泛，危害小麦、玉米等一百多种农作物[23]，其对作物造成的危害较大，具有短时间内暴发性危害的特点。现阶段常采取低龄幼虫期喷洒药剂与物理诱杀成虫相结合对其进行防治[24]。随着生物质炭的大规模施用，土壤和作物性状也在发生着改变。因此，有必要研究生物质炭对黏虫生活史特征的影响。本研究以黏虫Mythimnaseparata(Walker)(鳞翅目Lepidoptera、夜蛾科Noctuidae)为研究对象，观察土壤添加生物质炭处理下其取食小麦后发育和生殖力的变化，探究土壤添加生物质炭对植食性咀嚼式口器害虫的影响，以期为此类害虫的防治提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试土壤取自南京市东郊一块闲置农田，为红棕壤，采样深度0～15 cm。土壤pH值为7.30，全氮含量为0.09%，有机碳含量为1.17%。将土壤自然风干、粉碎，过2 mm网筛备用。供试生物质炭原料为玉米秸秆(南京勤丰秸秆研发有限公司生产)。供试小麦品种为南农0686(南京农业大学细胞遗传研究所提供)。供试黏虫由河北省农科院植物保护研究所提供，在25±1 ℃、相对湿度60%±10%和光暗时间14 h/10 h的养虫室内饲养，用主要成分为玉米叶粉等制成的半人工饲料[25]饲喂幼虫，以10%的蜂蜜水供成虫补充营养，室内繁殖多代，选用初孵幼虫用于试验。

1.2 方 法

参考大田生物质炭推荐施用量(20～40 t·hm-2)，设4个生物质炭添加量处理，即每千克土壤干重添加0、15、30和50 g，以不添加(添加量0 g·kg-1)为对照。将土壤与生物质炭混匀后装盆(直径6 cm，高10 cm)，小麦种子催芽后播种，置于人工智能气候箱(光周期16L/8D，相对湿度60%～70%，昼夜温度分别为26和24 ℃)内生长，每2 d浇水1次，生长8 ～11 d后接试虫。挑选同一天孵化的初孵幼虫单头移至麦苗叶片上，然后用塑料杯罩住麦苗以防治幼虫逃逸。每处理重复60次。麦苗每2 d浇水1次；每24 h观察1次。当麦苗被食约3/4后，将幼虫移至另一盆麦苗的叶片上，如此饲养至6龄幼虫钻入土中化蛹为止。幼虫化蛹后按性别单头称鲜重(Mittler XS105 Dual Range 分析天平)，然后将蛹转移至试管中等待成虫羽化，逐日观察成虫羽化情况。为测定雌虫的终身生殖力，将雌、雄蛾配对饲养于塑料杯(直径6 cm、高10 cm)中，杯口用黑色纱布覆盖，杯内悬挂塑料绳供雌虫产卵，每天提供10%的蔗糖溶液饲喂成虫，直至成虫死亡。收集塑料绳并计数卵量。

1.3 数据分析

用趋势方差分析(trend ANOVA)的正交对比法(orthogonal contrasts)分别分析各生长发育和生殖参数随生物质炭添加量增大的变化趋势(线性或二次曲线)。对比率变量分析采用二项分布误差，对整数数据用Poisson分布误差的广义线性回归模型进行分析，对连续数值变量用一般线性模型分析。数据分析使用R统计软件(R version 3.2.4)[26]。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对黏虫生长发育的影响

生物质炭处理对黏虫幼虫发育历期有显著影响(Poisson模型，似然比测验χ2= 16.57，P<0.001)，黏虫幼虫发育历期随生物质炭添加量增大呈线性缩短的趋势(t=-4.07，P<0.001)，从不添加生物质炭处理下的20.33±0.16 d缩短到添加高浓度50 g·kg-1处理下的19.00±0.20 d，下降6.5%(图1)。

生物质炭处理对黏虫蛹重具有显著影响(一般线性模型，F=13.16，P<0.001)，且与黏虫性别无关(F=0.09，P=0.77)。随生物质炭添加量的增大，黏虫蛹重呈线性缩短的趋势(t=-3.63，P<0.001)。黏虫雌性和雄性蛹重从不添加生物质炭处理的0.320±0.010和 0.323±0.011 g 分别减至高浓度50 g·kg-1处理的生物质炭处理对黏虫幼虫至成虫羽化的历期有显著影响(Poisson模型，似然比测验χ2=26.07，P=0.013)，且与黏虫性别有关(χ2=4.88，P=0.027)。黏虫发育历期随生物质炭添加量的增大呈线性缩短的趋势(t=-2.463，P=0.015)，雌、雄虫历期从不添加生物质炭处理的31.81±0.32 d和32.39±0.23 d分别缩短到高浓度50 g·kg-1处理下的30.53±0.67 和30.93± 0.44 d，分别缩短了4.02%和4.51% (图3)。黏虫的性别对历期有显著影响(t=2.209，P=0.027)，雄虫平均历期(31.73±0.20 d)比雌虫平均历期(30.83±0.32 d)延长了0.90 d。

0.278±0.017 和0.279±0.010 g，分别下降13.1%和13.6%(图2)。

菱形点代表均值，竖柄代表标准误。

Diamond point and bar are mean±standard error.

图1黏虫幼虫发育历期随生物质炭添加量增加的变化趋势

Fig.1Trendinlarvalduration(egg-to-pupatime)ofMythimnaseparataacrosstheincreasinglevelsofbiocharapplication

菱形点代表均值，竖柄代表标准误。 Diamond point and bar are mean±standard error.

生物质炭处理对黏虫幼虫化蛹率没有影响(Logistic模型，似然比测验χ2= 4.76，P=0.19)(图4)，对黏虫羽化率也无显著影响(Logistic回归模型，似然比测验χ2= 1.11，P=0.78)(图5)。

菱形点代表均值，竖柄代表标准误。 Diamond point and bar are mean±standard error.

图4 黏虫化蛹率随生物质炭添加量增加的变化趋势

图5 黏虫羽化率随生物质炭添加量增加的变化趋势

2.2 生物质炭对黏虫产卵量的影响

生物质炭处理对黏虫产卵量有显著影响(Poisson模型，似然比测验χ2= 11.13，P<0.001)。黏虫产卵量随生物质炭添加量的增大呈线性增大趋势(t=3.258，P=0.003)，从不添加生物质炭处理下的142±45粒增加到高浓度50 g·kg-1处理下的605±68粒，增加了326.3%(图6)。

菱形点代表均值，竖柄代表标准误。

Diamond point and bar are mean±standard error.

图6黏虫终身产卵量随生物质炭添加量增加的变化趋势

Fig.6Trendinlifetimefecundity(numberofeggslaidperfemaleinalifetime)ofMythimnaseparataacrosstheincreasinglevelsofbiocharapplication

2 讨 论

本研究发现，随生物质炭添加量增大，黏虫幼虫发育历期表现出缩短的趋势，蛹重呈减轻的趋势，但雌成虫产卵量呈明显的增大趋势。这些表现与刺吸式口器昆虫稻飞虱的表现相反，后者在高水平添加生物质炭处理下幼虫生长和成虫生殖力均明显降低[22]。昆虫幼虫期是积累营养的阶段，其发育历期长短受多种因素影响而变化。从营养方面看，当食物营养质量高时，生长速率提高，发育历期缩短；当食物品质较差时，生长速率缓慢，发育历期延长。由此推测，生物质炭处理下小麦营养质量对黏虫幼虫而言得到了提高，进而缩短幼虫历期，而且这种效应随生物质炭量增大而增强。但当幼虫期面临生存风险时，昆虫会缩短发育历期，提前变态为成虫以完成生殖。例如，土壤干旱胁迫可导致黏虫发育历期缩短[27]。Elad 等[21]推测生物质炭可能诱导植物的系统抗性，故而也可能导致黏虫幼虫历期缩短。所以，若要理解为何生物质炭处理导致黏虫发育历期缩短，有必要进一步研究生物质炭影响昆虫的生理生化机理。

昆虫蛹重通常作为其适合度的正相关特征。Leuck等[28]认为，鳞翅目昆虫的蛹重是衡量其适应性的间接指标，蛹越小，昆虫的适应性越差。由此推测，随添加生物质炭量的增大，黏虫蛹重的缓慢减轻意味着生物质炭对黏虫造成微弱的不利影响，且对雌性黏虫的影响比雄性略明显。由于不同处理在重复间具有较大的变异，需进一步通过增大重复数及控制好重复间的其他干扰因素进行试验，以揭示生物质炭对黏虫蛹的影响。

本研究观察到生物质炭可促进黏虫生殖力，需引起关注。此前研究发现，稻飞虱生殖力在大量添加生物质炭处理下大幅降低，可能与生物质炭促进水稻对硅的吸收而增强抗虫性有关[22]，因为土壤添加生物质炭可提高水稻植株的硅含量[29]，而稻株硅含量的增大可阻碍飞虱对植物细胞的刺吸行为[30]。然而，本研究认为，增加生物质炭刺激黏虫发育历期缩短、成虫生殖力提高的原因有待探究。一种解释可能是由于生物质炭对植物的有益作用，从而促进了黏虫的生殖，类似施氮肥促进植食性昆虫的生殖那样[31]。许多研究发现，施用生物质炭可促进植物对多种营养元素的吸收而提高产量[32-33]。故据此推测，土壤添加生物质炭可能通过促进小麦对某种营养元素(如氮)的吸收而促进黏虫的生殖。因此，有必要进一步通过研究生物质炭对小麦营养吸收和利用的影响，进而分析对黏虫的营养代谢生理生化过程的影响。

致谢：南京农业大学资源和环境学院潘根兴、李恋卿和刘晓雨等提供生物质炭及其生产应用信息，特此致谢。

[1] HAYES M H B.Biochar and biofuels for a brighter future [J].Nature,2006,443(7108):144.

[2] WOOLF D,AMONETTE J E,STREET-PERROTT F A,etal.Sustainable biochar to mitigate global climate change [J].NatureCommunications,2010,1:56.

[3] LEHMANN J,PEREIRA D A,SILVA J,STEINER C,etal.Nutrient availability and leaching in an archaeological anthrosol and a ferralsol of the central amazon basin:Fertilizer,manure and charcoal amendments [J].Plant&Soil,2003,249(2):343.

[4] ANTAL M J,GRøNLI M.The art,science,and technology of charcoal production [J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,2003,42(8):1619.

[5] JOSEPH S,LEHMANN J.Biochar for Environmental Management:Science and Technology [M].London GB:Earthscan,2009.

[6] SCHMIDT M W I.Biogeochemistry:Carbon budget in the black [J].Nature,2004,427(6972):305.

[7] VAN ZWIETEN L,KIMBER S,MORRIS S,etal.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility [J].PlantandSoil,2010,327(1-2):235.

[8] NOVAK J M,BUSSCHER W J,LAIRD D L,etal.Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil [J].SoilScience,2009,174(2):105.

[9] MASULILI A,UTOMO W H,SYECHFANI M S.Rice husk biochar for rice based cropping system in acid soil 1.The characteristics of rice husk biochar and its influence on the properties of acid sulfate soils and rice growth in West Kalimantan,Indonesia [J].JournalofAgriculturalScience,2010,2(1):39.

[10] DEENIK J L,MCCLELLAN A T,UEHARA G.Biochar volatile matter content effects on plant growth and nitrogen transformations in a tropical soil [C].Western Nutrient Management Conference,2009,8:26.

[11] KIMETU J M,LEHMANN J.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents [J].SoilResearch,2010,48(7):577.

[12] LEHMANN J,DA SILVA JR J P,RONDON M,etal.Slash-and-char:a feasible alternative for soil fertility management in the central Amazon? [C].Proceedings of the 17th World Congress of Soil Science,2002:1.

[13] TENENBAUM D.Biochar:Carbon mitigation from the ground up [J].EnvironmentalHealthPerspectives,2009,117(2):70.

[14] CHENG C H,LEHMANN J,THIES J E,etal.Oxidation of black carbon by biotic and abiotic processes [J].OrganicGeochemistry,2006,37(11):1477.

[15] GLASER B,HAUMAIER L,GUGGENBERGER G,etal.The ‘Terra Preta’ phenomenon:A model for sustainable agriculture in the humid tropics [J].TheScienceofNature,2001,88(1):37.

[16] 张伟明.生物质炭的理化性质及其在作物生产上的应用[D].沈阳:沈阳农业大学,2012:1-11.

ZHANG W M.Physical and chemical properties of biochar and its application in crop production [D].Shenyang:Shenyang Agricultural University,2012:1-11.

[17] 张园营,刘国顺,刘宏恩.施用生物质炭对烟叶石油醚提取物及致香物质的影响[J].江西农业学报,2013,25(5):96.

ZHANG Y Y,LIU G S,LIU H E.Effects of biochar application on petroleum ether extract and aroma constituent of flue-cured tobacco leaves [J].ActaAgriculturaeJiangxi,2013,25(5):96.

[18] MATSUBARA Y,HASEGAWA N,FUKUI H.Incidence ofFusariumroot rot in asparagus seedlings infected with arbuscular mycorrhizal fungus as affected by several soil amendments [J].EngeiGakkaizasshi,2002,71(3):370.

[19] ELMER W H,PIGNATELLO J J.Effect of biochar amendments on mycorrhizal associations andFusariumcrown and root rot of asparagus in replant soils [J].PlantDisease,2011,95(95):960.

[20] 王光飞,马 艳,郭德杰,等.秸秆生物炭对辣椒疫病的防控效果及机理研究[J].土壤,2015,47(6):1107.

WANG G F,MA Y,GUO D J,etal.Effect and mechanism of straw biochar on disease control ofPhytophthorablightof chilli pepper [J].Soils,2015,47(6):1107.

[21] ELAD Y,DAVID D R,HAREL Y M,etal.Induction of systemic resistance in plants by biochar,a soil-applied carbon sequestering agent [J].Phytopathology,2010,100(9):913.

[22] HOU X,MENG L,LI L,etal.Biochar amendment to soils impairs developmental and reproductive performances of a major rice pestNilaparvatalugens(Homopera:Delphacidae) [J].JournalofAppliedEntomology,2015,139(10):727.

[23] 洪晓月,丁锦华.农业昆虫学[M].北京:中国农业出版社,2007:122-123.

HONG X Y,DING J H.Agricultural Entomology [M].Beijing:China Agriculture Press,2007:122-123.

[24] LI J H.Occurrence law of armyworm in China and its identification and prevention [J].PlantDiseases&Pests,2010,1(3):31.

[25] 李建成.中红侧沟茧蜂的扩繁与应用技术//曾繁荣,陈红印 主编.天敌昆虫饲养系统工程[M].北京:中国农业科学技术出版社.2009:209-221.

LI J C.Mass rearing and application of Microplitis mediato[M]//ZENG F R,CHEN H Y.The System Engineering for Rearing Insect Natural Enemies.Beijing:China Agricultural Science and Technology Press,2009:209-221.

[26] R Development Core Team,A language and environment for statistical computing [R]//R Foundation for Statistical Computing,Vienna,Austria,URL http://www.R-project.org/,2016.

[27] 侯佳丽,李保平,孟 玲.小麦干旱胁迫对黏虫取食及食物利用效率的影响[J].麦类作物学报,2015,35(1):138.

HOU J L,LI B P,MENG L.Effects of drought stress in wheat on consumption and utilization of wheat as food for the oriental armywormMythimnaseperata(Lepidoptera:Noctuidae) [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(1):138.

[28] LEUCK D B,PERKINS W D.A method of estimating fall armyworm progeny reduction when evaluating control achieved by host-plant resistance [J].JournalofEconomicEntomology,1972,65(2):482.

[29] LIU X,LI L,BIAN R,etal.Effect of biochar amendment on soil-silicon availability and rice uptake [J].JournalofPlantNutrition&SoilScience,2014,177(1):91.

[30] SOGAWA K.The rice brown planthopper:Feeding physiology and host plant interactions [J].AnnualReviewofEntomology,1982,27(1):49.

[31] SCHOONHOVEN L M,VAN LOON J J A,DICKE M.Insect-Plant Biology [M].Oxford:Oxford University Press,2005.

[32] ATKINSON C J,FITZGERALD J D,HIPPS N A.Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils:A review [J].PlantandSoil,2010,337(1):1-18.

[33] BIEDERMAN L A,HARPOLE W S.Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling:A meta-analysis [J].GlobalChangeBiologyBioenergy,2013,5(2):202.

EffectsofBiocharAmendmenttoSoilsonImmatureGrowthandAdultReproductionoftheOrientalArmywormMythimnaseparata(Lepidoptera:Noctuidae)

ZHANGJing,LIBaoping,MENGLing

(College of Plant Protection/Key Laboratory of Integrated Management of Crop Diseases and Insect Pest, Ministry of Education, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095, China)

To explore the potential of biochar amendment to soils in influencing chewing insect pests, laboratory experiments were conducted using the oriental armywormMythimnaseparata(Lepidoptera: Noctuidae) as a model species. Biochar was added at the levels of 0, 15, 30 and 50 g·kg-1to soils in the pots planted with wheat. Neonate larvae were individually transferred onto potted wheat seedlings and observed throughout their development. Larval duration showed a linear downward trend across the increasing levels of biochar application, with a decrease rate of 6.5% to 19.0 d at the highest biochar-added level. Additionally, pupal weight showed a linear downward trend across the increasing levels of biochar application, from 0.32 g in the control by a decrease rate of 12.5% to 0.28 g at the highest biochar-added level. Larval pupation rate(92.08%) and adult eclosion rate(69.89%) did not change across the biochar amendment levels. However, lifetime fecundity demonstrated a linear upward trend across the increasing levels of biochar application, from 142 eggs laid per female in the control to 605 eggs at the highest biochar-added level. It is suggested that biochar amendment to soils may improve the reproduction ofM.separata.

Biocharcol; Wheat;Mythimnaseparata; Chewing insects; Pest control

时间：2017-11-14

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1028.030.html

2017-03-29

2017-05-24

国际重点研发计划资助(编号2017YFD0201000)

E-mail：2014102073@njau.edu.cn

孟 玲(E-mail：ml@njau.edu.cn)

S512.1；S435.122

A

1009-1041(2017)11-1512-06