不同调查方法对转基因棉田节肢动物群落构成及生物多样性的影响

雒珺瑜， 张 帅， 张开心， 姬继超， 朱香镇， 王春义， 张利娟， 王 丽， 李春花， 崔金杰中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000

转基因作物的安全性评价是生物技术在农业上应用的保证。因此，转基因棉花在商业化种植之前，必须评价其环境安全性(路献勇等，2017; 雒珺瑜等，2017)。其中新型棉田节肢动物群落构成和生物多样性是评价的重要内容(雒珺瑜等，2014a，2014b，2016)。棉花生育期长、棉田物种丰富、种类多，尚没有仪器能准确识别物种及其数量。在劳动力资源低、机械化程度低的大环境下，要尽可能准确地调查整个生育期棉田物种结构及生物多样性，是非常困难、费时、费工的任务。系统研究转基因棉花对生物多样性的影响，调查时期的选择也是非常重要的因素。调查时间间隔太长，某些昆虫的种群指标会发生遗漏，不能反映棉田真实情况；间隔时间太短，有些昆虫会被重复性调查，也不能反映田间真实情况，且增加了劳动量(雒珺瑜等，2013)。在以往进行棉田昆虫群落结构和组成分析时，棉田昆虫群落调查没有具体时间间隔，有的间隔 1 d(潘启明等，2002)、3 d(董文霞等，2001)、5 d(崔金杰等，2005； 雒珺瑜等，2013; 吕文彦等，2009)、15 d(夏敬源等，1995)或更长时间(雒珺瑜等，2013)调查一次，得出的结论也不尽相同。而对棉田以棉花生育期、棉铃虫发生期为调查时间点进行调查，尚没有人研究比较。

本文为明确不同间隔时间调查方法在时间、品种方面对棉田物种结构和生物多样性的影响程度，同时还能尽可能在接近实际情况下完成转基因棉花环境安全研究，于2016—2017年选择2对不同性状的新型转基因棉花，对不同棉田昆虫群落进行不同生育期种群数量的系统调查和分析，以期为棉田昆虫群落调查和转基因棉花环境安全评价积累科学数据，同时或可为其他转基因作物的环境评价提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料 转抗除草剂基因棉花材料GGK2及其亲本非转基因棉花材料K312，由中国农业科学院生物技术研究所提供；转基因抗虫棉花材料N15-5及其亲本非转基因棉花材料J14，由创世纪种业有限公司提供。

1.1.2 试验地点 试验于2016—2017年在位于河南省安阳市的中国农业科学院棉花研究所东场进行(东经114°31′47.19″，北纬36°5′34.8″)，采用随机区组试验，重复3次，小区面积65 m2，行长8 m，株距25 cm，行距80 cm。每年在4月28—30日播种，常规管理，所有小区的整个生长周期均不使用化学农药。

1.2 棉田昆虫种类及数量调查方法

田间调查时间：每年从5月上旬—9月中下旬。

调查方法根据调查间隔时间分为3类：(1)从棉花出苗至9月中下旬，每7 d调查一次(简称“全生育期调查方式”)；(2)在棉花生长的主要生育期苗期(5月中旬)、蕾期(6月中旬)、花蕾期(7月中旬)、花铃期(8月中旬)和收获期(9月中旬)调查(简称“关键生育期调查方式”)；(3)以亲本对照棉田棉铃虫幼虫发生盛期(高峰日)为准调查，二代棉铃虫发生高峰在6月15—20日，三四代棉铃虫发生高峰在分别在7月15—20日和8月15—20日(简称“棉铃虫发生期调查方式”)。

试验采用对角线5点取样方法(Deguineetal., 2008)，每次主要调查样本范围内棉株上害虫及其天敌的种群数量。每小区每次调查5个样点，每点随机顺行连续调查5株棉花。详细调查取样范围内地面和植株上节肢动物的种类和数量。棉田节肢动物参照雒珺瑜等(2013)和王向阳等(2005)进行分类，并统计分析各棉田昆虫群落的结构与组成(科、目、种和个体数量)；个体总数用N表示，N=∑Ni，其中Ni表示第i个物种的总数；多样性指数(H)用Shannon-Wiener多样性指数表示：H=-∑PilnPi，式中Pi为第i种物种个体数占群落个体数的比例；均匀性指数(J)，J=H/lnS，H为实际观察的物种多样性指数，S为群落中总物种数；优势集中性指数C=∑Pi2。

1.3 数据分析

用SPSS 17.0对不同时期不同群落转基因品种和对照品种进行0.05水平t-test；同一品种不同调查方式及其之间交互作用进行0.05水平多因素差异分析。

2 结果与分析

2.1 全生育期调查方式棉田节肢动物群落构成及生物多样性

棉花生长的整个生育期每7 d调查一次棉田主要害虫及其天敌种群数量见表1。与其亲本对照棉田相比，2016年转抗除草剂基因棉田物种个体总数在各群落间分别减少44.0%、22.4%和45.8%(p<0.01)；物种丰富度无显著差异，多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数在转基因棉田和非转基因棉田差异均达显著或极显著水平；而2016年转抗虫基因棉花(除节肢动物群落多样性指数和均匀性指数、害虫亚群落均匀性指数外)、2017年转抗除草剂基因棉花及转抗虫基因棉花均与其亲本棉田在物种个体总数、物种丰富度、多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数方面均无显著差异。

表1 全生育期每隔7 d调查后的棉田节肢动物群落构成及生物多样性Table 1 Composition and diversity of arthropod communities in cotton fields investigated every 7 days during the whole growth period

数据为平均值±标准差；*和**分别表示转基因棉与其亲本对照在p<0.05和p<0.01水平上差异显著。

Data are means±SE.*and**represent significant differences between transgenic cotton and the parental cotton atp<0.05 andp<0.01 level, respectively (t-test).

2.2 关键生育期调查棉田节肢动物群落构成及生物多样性

关键生育期调查棉田节肢动物群落构成及生物多样性结果见表2。与其亲本对照棉田相比，2016年转抗除草剂基因棉田物种个体总数在节肢动物群落和害虫亚群落分别减少52.6%和53.9%(p<0.01)，物种丰富度分别减少16.1%和22.4%(p<0.05)，均匀性指数分别增加23.5%和25.0%(p<0.05)，多样性指数在节肢动物群落营养层增加16.8%(p<0.05)，优势集中性指数在天敌亚群落营养层增加28.6%(p<0.05)；转基因抗虫棉与其对照棉田相比在节肢动物群落、天敌亚群落和害虫亚群落各参数均无显著差异。2017年转基因抗除草剂棉田及其亲本棉田(除节肢动物群落和害虫亚群落优势集中性指数外)、转抗虫基因棉田与其亲本棉田(除害虫亚群落均匀性指数外)在节肢动物群落、天敌亚群落和害虫亚群落的各参数均无显著差异。

2.3 棉铃虫发生期调查棉田节肢动物群落构成及生物多样性

棉铃虫发生期调查棉田节肢动物群落构成及生物多样性结果见表3。与其亲本对照棉田相比，2016年转抗除草剂基因棉田物种个体总数在节肢动物群落和害虫亚群落分别减少53.0%和56.0%(p<0.05)，物种丰富度和均匀性指数均无显著差异；天敌亚群落多样性指数减少9.3%(p<0.05)，优势集中性指数增加25.0%(p<0.05)。2016年转基因抗虫棉及其亲本、2017年转基因抗除草剂基因棉及其亲本棉田和转基因抗虫棉及其亲本棉田在3个群落上物种个体总数、物种丰富度、多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数方面均无显著差异。

2.4 不同生育期调查对转基因棉田生物多样性的互作效应

对不同调查年份、2种转基因棉及其亲本棉田、3种不同生育期调查在物种个体总数、物种丰富度、多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数方面做了多个因素的互作效应分析。分析结果表明，年份、品种、年份×品种、品种×调查时期和年份×品种×调查时期对物种个体总数、物种丰富度、多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数均无显著影响，而调查时期对物种个体总数和物种丰富度有显著影响(虽然转抗除草剂基因棉田与其亲本在物种丰富度无显著差异，但很接近差异显著)，多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数均无显著影响。结果表明，如果要重点观察转基因棉田及其亲本棉田在物种个体总数和物种丰富度方面的差异，应对调查间隔时期进行选择，如果只观察多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数，则根据试验时间在3种调查方式中均可选择。

3 讨论

在种植面积不变的情况下，致力于提高棉花产量是一个世界性的重要课题。然而，在提高棉花产量的同时，棉田生态系统的可持续发展和环境安全性也是值得重视的一个方面。棉田生态系统是以物种为单元形成的群落，而群落的多样性是群落生态系统水平所特有的、可以反映群落功能的重要特征，且描述群落至少包括群落的物种数和各个物种的相对多度，而多样性指数是包含群落丰富度、均匀度以及优势集中性等的函数(Zhaoetal.,1989)，同时，改变群落的物种数和物种的相对多度均会影响群落多样性(门兴元等，2003)。

表2 关键生育期调查棉田节肢动物群落构成及生物多样性Table 2 Composition and biodiversity of arthropod community in cotton fields investigated at critical growth periods

数据表示为平均值±标准差；*和**分别表示转基因棉与其亲本对照在p<0.05和p<0.01水平上差异显著。

Data are means±SE.*and**represent significant differences between transgenic cotton and the parental cotton atp<0.05 andp<0.01 level, respectively (t-test).

表3 棉铃虫发生期调查棉田节肢动物群落构成及生物多样性Table 3 Composition and biodiversity of arthropod community in cotton field at bollworm occurrence period

数据表示为平均值±标准差；*表示转基因棉与其亲本对照在p<0.05水平上差异显著。

Data are means±SE.*in the same column represent significant differenecs atp<0.05 (t-test).

目前，对棉田生物多样性的研究因不同的调查时间、调查方法得到不同的结论。大多数研究表明，转基因抗虫棉的种植并没有降低农田的生物多样性(Carpenteretal.,2011)，但有报道转基因棉田昆虫群落发生了演替(Bjorgeetal.,1996； Wuetal.,2007)。 本文通过比较全生育期调查(每7 d调查一次，调查约19～20次)、关键生育期调查(自棉花出苗基本每1个月调查一次，仅调查5次)和棉铃虫发生期调查(6月、7月、8月仅调查3次)结果显示，全生育期调查的物种个体总数和物种丰富度与关键生育期和棉铃虫发生期调查差距较大，个体总数和物种丰富度显著高，且随着调查次数的降低，其值越小。其原因主要是由于调查间隔时间短，有些虫态被重复计数，调查间隔时间长，有些虫态短的种类会被漏查和计数(雒珺瑜等，2013)；多样性指数、均匀性指数和优势集中性指数在不同调查时期中的变化值较小，与雒珺瑜等(2013)在转Bt基因抗虫棉及其常规棉上的分析结果一致。

转基因棉花商业化前其环境安全评价是重要的内容，其中生物多样性的变化也是重要内容之一。转Bt基因棉田和常规棉田中的节肢动物群落、害虫亚群落和天敌亚群落的多样性指数在不同的棉花生长发育时期的变化、指标和数据、模型和情景是推动生物多样性与生态系统服务评估研究理论建设和方法集成的重要工具(于丹丹等，2017)。目前，尚未查阅到对全生育期、关键生育期和棉铃虫发生期进行比较调查的研究。由于新型转基因棉花的大量出现，转基因棉田的物种丰富度和生物多样性是不可或缺的安全评价的一个环节。但是如果从5月—9月底每5～7 d调查一次，且在棉花材料较多的情况下，该调查需要对节肢动物进行分类、计数，没有调查经验的人员会忽视个体较小的节肢动物，因此，调查人员、调查时间均是很大的问题。如何科学合理且运用操作简单的方法进行棉田生物多样性调查，是目前棉田节肢动物群落生物多样性获得数据来源的一个重要问题。通过本文的分析比较，在后期的调查研究中，应该根据不同的试验要求和评价目的，选择不同的间隔时间进行调查，既可以达到试验目的，还可省时省工。

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