潞江坝干热河谷区5种常见作物田的昆虫群落特征
Insect Community Characteristics of Five Common Crop Fields in Dry-hot Valley Area of Lujiangba
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Keywords:
- pest /
- natural enemy /
- community composition /
- community characteristics /
- dry-hot valley
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化感作用指植物(含微生物)释放化学物质到周围环境，进而影响其他生物(包括植物和微生物)生长发育的现象，是生物入侵成功的重要原因，也是入侵植物造成生态危害和经济损失的重要原因之一[1]；同时，它也是植物在长期进化过程中形成的一种适应机制，被称为生物入侵的新武器，有利于保持本物种在空间和资源竞争中的优势[1]。化感作用对受体植物的影响表现为促进和抑制2种不同的效果，一般表现为低促高抑的现象。在农业生产上，豆科作物残茬和秸秆分解物能够促进禾本科和茄科作物的生长，如大豆残茬覆盖可提高玉米的苗高和生物量，苜蓿秸秆覆盖可促进马铃薯、黄瓜和莴苣等作物的生长[2]；而高浓度的化感物质会对受体植物产生抑制作用，且抑制效果随浓度的升高而增强。
紫茎泽兰(Eupatorium adenophora Spreng.)是云南常见的入侵植物，在2003年发布的《第一批外来物种入侵物种名单》中排列第一[3-4]。紫茎泽兰入侵定植后，会通过化感作用影响农作物和本土植物生长，影响农业生产，破坏生态平衡，对农牧业和林业的危害极大[5]，对田间杂草和其他一些入侵植物的种子萌发和幼苗生长也有抑制效应[6-7]。水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一，它构成了世界亿万人的基本营养来源。随着全球人口的不断增长，水稻增产也成为当今世界农业的重要课题。水稻育种和种植管理是提高水稻产量的2个重要方面，通过生态安全性手段提高产量是当前农业生产和环境保护的趋势，特别是随着水稻山地种植面积不断增加，杂草的控制变得尤为重要[3, 8-9]。
随着水稻旱种模式的推广，研究水稻化感效应可在一定程度上减少入侵杂草对水稻生产的危害。魏聪等[10]研究发现：五爪金龙的水浸液和腐化液可抑制水稻种子发芽和生长，表明在水稻生产中应尽量避免五爪金龙在稻田及其周边的出现和腐烂。蒋芝华等[11]研究表明：入侵植物刺苋的化感物质通过影响丙二醛和氧离子的含量阻碍抗氧化代谢能力，从而抑制水稻种子萌发和幼苗生长。甄伟伟[12]认为：空心莲子草经过水浸后产生的化感物质可通过向土壤或水体释放化感物质影响水稻生长，为水稻生产中入侵空心莲子草的防治提供依据。本研究采用紫茎泽兰不同组织水浸提取液对2个云南水稻品种的种子进行处理，以期为防治和减轻紫茎泽兰对水稻生产的危害提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料
新鲜紫茎泽兰采自云南省西双版纳傣族自治州勐腊县象明彝族乡境内孔明山。水稻云陆142为滇东南主要种植的陆稻品种，由云南寸土丰农业科技公司提供；傣家稻为西双版纳当地种植的主要品种，购自西双版纳傣族自治州勐腊县勐仑镇市场。
1.2 水浸提取液的制备
野外分别采集新鲜紫茎泽兰的根、茎和叶片，带回室内烘干、粉碎。称取干叶片粉末20 g，加超纯水200 mL，搅拌均匀，置于摇床上振荡24 h，4 ℃低温离心15 min，取上清液得到质量浓度为0.10 g/mL的叶片提取母液；再用超纯水将其配置成0.02、0.04、0.06、0.08和0.10 g/mL水提取液，置于4 ℃冰箱保存备用，保存期不超过1周。根和茎的提取液制备方法与此相同。
1.3 试验方法
挑选籽粒饱满、大小均匀的水稻种子，用0.1% NaClO溶液表面消毒10 min，蒸馏水冲洗3次，室内晾干备用。
采用培养皿纸上发芽法进行种子萌发试验，测定化感活性[13]。取50粒种子置于培养皿中，加测试溶液2.5 mL湿润发芽纸，每处理的6次重复置于同一个自封袋内，以减少水分损失；将培养皿置于30 ℃、湿度50%的恒温光照培养箱中培养，隔天观测，记录种子萌发情况并更换滤纸和测试溶液。以根长超过种子长度、芽长超过种子1/2长度为萌发标准，连续3 d种子发芽数保持不变时结束试验。试验结束时，每皿随机选取15株幼苗测量幼苗苗高和根长[14]，并用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[15]。
1.4 数据处理与统计分析
根据水稻种子发芽数计算种子发芽率(germinating rate，GR)、化感效应敏感指数(response index，RI)和抑制率[16]。计算公式为：
$$ {\rm{GR}}=(\text{发芽种子总数/供试种子总数})\times 100 {\text{%}} {\text{；}} $$ $$ {\rm{RI}}=1-C/T\text{；} $$ $$ \text{抑制率} = (C_{\text{根长或株高}} - T_{\text{根长或株高}})/C_{\text{根长或株高}} \times 100{\text{%}}。 $$ 式中：C为对照值；T为处理值；RI表示化感作用强度，RI>0表示促进，RI<0表示抑制，绝对值的大小与化感作用强度一致。
使用SPASS 20.0对数据进行方差分析和LSD多重比较分析；使用Excel 2010进行数据统计分析并作图。试验数据表述为6次重复的平均值。
2. 结果与分析
2.1 紫茎泽兰水浸提取液对水稻种子萌发的影响
由表1可知：紫茎泽兰提取液处理云陆142和傣家稻2个水稻品种种子后，发芽率均降低，且随着提取液质量浓度的增加，降低幅度增大；不同部位的提取液处理种子后，发芽率开始显著下降的质量浓度各不相同。对云陆142种子而言，发芽率显著下降的叶片提取液质量浓度为0.02 g/mL，根提取液为0.04 g/mL，而茎提取液为0.06 g/mL；当叶提取液质量浓度增加至0.10 g/mL时，种子发芽率仅为1.67%，几乎不发芽，此时其发芽率化感效应敏感指数为−54.40，种子受到严重的抑制作用。对傣家稻种子而言，发芽率显著下降的叶提取液质量浓度为0.02 g/mL，根和茎的提取液质量浓度为0.06 g/mL；当叶提取液质量浓度升至0.10 g/mL时，傣家稻种子发芽率为0，种子完全不发芽；此质量浓度的根和茎提取液处理种子后，发芽率也仅为12.00%和8.33%。
表 1 紫茎泽兰提取液对水稻种子萌发的影响Table 1. Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the germination of rice seeds植物组织
plant tissueρ/(g·mL−1) 发芽率/%
germination rate化感效应敏感指数
response index of
allelopathic effect云陆142
Yunlu142傣家稻
Daijia rice云陆142
Yunlu142傣家稻
Daijia rice根
rootCK 92.34 a 74.00 a — — 0.02 90.00 ab 79.00 a −0.03 0.06 0.04 83.67 bc 76.00 a −0.10 0.03 0.06 79.67 bc 62.00 b −0.16 −0.19 0.08 76.67 cd 32.00 c −0.20 −1.31 0.10 76.00 d 12.00 d −0.22 −5.17 茎
stemCK 92.13 a 74.00 a — — 0.02 91.67 ab 76.00 a −0.01 0.03 0.04 89.00 ab 74.00 a −0.04 0.00 0.06 83.67 bc 56.00 b −0.10 −0.32 0.08 76.34 c 28.00 c −0.21 −1.64 0.10 59.00 d 8.33 d −0.56 −7.88 叶
leafCK 92.00 a 74.00 a — — 0.02 86.00 b 65.00 b −0.08 −0.19 0.04 83.00 b 55.00 c −0.11 −0.35 0.06 57.00 c 42.83 d −0.62 −0.72 0.08 10.33 d 23.00 e −7.94 −2.22 0.10 1.67 e 0.00 f −54.40 — 注：同列数据不同小写字母表示差异显著 (P<0.05)。
Note: In the same column, different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).2.2 紫茎泽兰水浸提取液对水稻幼苗生长的影响
2.2.1 对云陆142水稻幼苗的影响
由图1可知：经不同质量浓度的紫茎泽兰提取液处理云陆142种子后，水稻幼苗的生长均受到抑制，其苗高均显著低于CK处理(5.48 cm)；随着提取液质量浓度的升高，其抑制作用加强；且紫茎泽兰不同组织的抑制强度呈现为叶>茎>根。当提取液质量浓度为0.10 g/mL时，紫茎泽兰叶、茎、根提取液对云陆142幼苗苗高的抑制率均达到最大值，其中叶提取液的抑制率最高，为73.84%，根和茎提取液的抑制率分别为57.91%和72.14%。此外，紫茎泽兰提取液处理后，水稻幼苗根长也均显著低于CK处理(9.51 cm)，且抑制作用强于对苗高的抑制。根提取液为0.04和0.06 g/mL时，水稻幼苗根长无显著差异，但与其他质量浓度提取液处理间呈显著差异；当提取液质量浓度增大到0.10 g/mL时，叶提取液处理后水稻种子根长为0，对应的抑制率为100%，完全抑制了根的生长，此时根提取液处理种子后的根长也仅为0.20 cm，几乎不生长。
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图 1 紫茎泽兰水浸提取液对云陆142水稻种子幼苗生长的影响注：相同组织不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05)；下同。Figure 1. Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the seedling growth of Yunlu142 seedsNote: In the same tissue, different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05); the same as below.2.2.2 对傣家稻幼苗的影响
由图2可知：紫茎泽兰提取液处理傣家稻种子后，其幼苗的苗高和根长均低于CK处理。当提取液质量浓度为0.02 g/mL时，根和茎提取液处理的傣家稻幼苗苗高分别为4.48和4.72 cm，显著低于CK处理(5.14 cm)；当提取液质量浓度增至为0.10 g/mL时，茎和叶提取液处理幼苗的苗高均为0，抑制率达到100%，完全抑制了幼苗生长，此时根提取液处理幼苗的抑制率达到62.11%。此外，紫茎泽兰提取液对傣家稻幼苗根的抑制作用高于对苗的影响，且随着提取液质量浓度的增加，幼苗的根长均减小。当提取液质量浓度为0.02 g/mL时，茎和叶提取液处理傣家稻幼苗的根长显著低于CK处理；当提取液质量浓度为0.10 g/mL时，茎和叶提取液处理傣家稻幼苗的根长均为0，完全抑制了根的生长，此时根提取液处理幼苗根长抑制率为95.17%，高于对苗高的抑制率，说明水稻根长对紫茎泽兰提取液更敏感。
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图 2 紫茎泽兰水浸提取液对傣家稻种子幼苗生长的影响Figure 2. Effects of E. adenophorum extract on the seedling growth of Daijia rice seeds2.3 紫茎泽兰水浸提取液对水稻幼苗丙二醛含量的影响
由图3可知：2个水稻品种幼苗的丙二醛含量随着紫茎泽兰提取液质量浓度的升高而增加。在相同质量浓度下，叶提取液处理的水稻幼苗丙二醛含量最高。当提取液质量浓度为0.02 g/mL时，叶提取液处理的云陆142幼苗丙二醛含量(27.73 nmoL/g)显著高于CK处理(24.49 nmoL/g)；0.04和0.06 g/mL茎提取液处理幼苗的丙二醛含量显著低于0.08和0.10 g/mL茎提取液处理；0.06、0.08和0.10 g/mL叶提取液处理傣家稻的幼苗丙二醛含量均显著高于CK、0.02和0.04 g/mL叶提取液处理。
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图 3 紫茎泽兰提取液对云陆142 (a)和傣家稻(b)幼苗丙二醛含量的影响Figure 3. Effects of E. adenophorum extract on the malondialdehyde (MDA) content in Yunlu142 (a) and Daijia (b)3. 讨论
化感作用是外来生物取得成功入侵的重要手段。种子萌发是植物生活史和农业生产的开端，也是较为脆弱和敏感的阶段。衡量入侵植物的化感作用除考察其对受体植物种子萌发的影响外，通常也将幼苗的株高和根长作为重要评价指标[17]。
本研究中，紫茎泽兰根、茎、叶的水浸提取液对云陆142和傣家稻2个水稻品种的种子萌发均表现出化感作用。在不同质量浓度水浸提取液处理下，紫茎泽兰对2个水稻品种种子萌发的影响效应不同，当提取液质量浓度为0.10 g/mL时，紫茎泽兰的叶提取液对2个水稻种子的萌发均表现出很强的抑制作用，发芽率几乎为0，说明高质量浓度下其化感物质对受体种子具有较强的毒性和抑制作用；提取液质量浓度降低为0.02 g/mL时，对傣家稻种子萌发抑制作用不明显。这与前人研究结果相似，如朱吉风等[14]研究表明：油菜不同器官对高粱种子的化感作用总体呈现“低促高抑”的规律；拱健婷等[18]用紫茎泽兰叶片水浸液处理鲁三3号玉米种子，发现低质量浓度(0.001和0.005 g/mL)促进种子萌发，而高质量浓度(0.025 g/mL)表现为化感抑制。
植物不同组织的化感效应也不一致。杨海艳等[19]研究发现：肿柄菊不同部位的水浸提液对水稻种子萌发和幼苗生长的抑制作用顺序为叶>花序>茎，这可能与叶片是植物释放化感物质的主要部位有关；熊勇等[20]研究表明：紫茎泽兰的根提取液对水稻种子发芽的化感效应最强；本研究中，紫茎泽兰的叶提取液对2个水稻品种种子的发芽抑制作用均表现为最强，而根提取液的抑制作用不明显，几乎可以忽略，推测这种差异可能与试验样本采集的时间和试验操作处理有关。受体植物不同部位对化感物质的反应也不同。王一峰等[21]研究发现：核桃叶片浸提液对小麦幼苗主根长的影响最强；杨海婧等[22]认为：油菜茎、叶提取液对秦艽的胚根生长具有较强的化感抑制作用。本研究中2个水稻品种种子的根长对紫茎泽兰提取液的化感效应更敏感。当提取液质量浓度为0.10 g/mL时，叶提取液对幼苗根长的抑制率为100%；而此质量浓度下，对幼苗苗高的抑制率仅约为40%。这可能是由于植物根系直接接触提取液，首先破坏了根系细胞膜，导致根生长受到严重抑制[23]。
紫茎泽兰的化感作用可以促进水稻幼苗体内丙二醛的积累，导致幼苗的膜质过氧化，破坏细胞的膜系统。袁驰等[24]研究也发现：不同基因型水稻幼苗的丙二醛含量随着处理液浓度的增加而升高。这与本研究结果相同，其中，云陆142幼苗的丙二醛含量对紫茎泽兰的化感作用响应比傣家稻更强。
4. 结论
紫茎泽兰的水浸提取液对2个水稻品种种子萌发和幼苗生长均有化感作用，其抑制强度与紫茎泽兰的组织部位、提取液质量浓度及水稻品种有关，高质量浓度的提取液对种子具有毒性。紫茎泽兰对水稻种子的化感抑制作用随着水浸提取液质量浓度的增加而增大，其不同组织部位化感抑制强度表现为叶>茎>根；随着紫茎泽兰提取液质量浓度的升高，水稻幼苗的丙二醛含量增加；云陆142水稻对紫茎泽兰化感作用的效应高于傣家稻。在农业生产中，尤其是在受紫茎泽兰入侵严重的农业用地中，应选择对其化感效应弱的品种，并及时根除入侵植物；在无法根除的情况下，需经常剪割地上部分并清除干净，也可避免或减轻因化感作用对农业产生的不利影响，减少作物产量损失。
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图 1 5种常见作物田的害虫(a)和天敌(b)物种集合韦恩图
Figure 1. Venn diagram of the pests (a) and natural enemies (b) in five common crop fields
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图 2 5种常见作物田的昆虫群落稀疏—外推曲线
Figure 2. Sparse extrapolation curves of the insect communities in five common crop fields
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图 3 5种常见作物田的害虫和天敌亚群落特征指数
注：不同小写字母表示经 Duncan’s新复极差法检验处理间在 0.05 水平上差异显著。
Figure 3. Characteristic indices of sub-community of pests and natural enemies in five common crop fields
Note: C. cucumber field, T. tomato field, B. bean field, M. mango field, J. jujube field; different lowercase letters indicate significant differences by the Duncan’s test at 0.05 level.
表 1 5种常见作物田的昆虫群落组成
Table 1 Insect community composition in five common crop fields
样地
plots目 order 科 family 种 species 个体 individual 数量
number占比/%
proportion数量
number占比/%
proportion数量
number占比/%
proportion数量
number占比/%
proportion黄瓜地
cucumber field7 58.33 16 25.00 20 17.54 895 14.19 番茄地
tomato field9 75.00 21 32.81 26 22.81 938 14.87 菜豆地
bean field9 75.00 28 43.75 35 30.70 796 12.62 芒果地
mango field12 100.00 47 73.44 66 57.89 2334 37.01 青枣地
jujube field9 75.00 39 60.94 50 43.86 1344 21.31 
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表 2 5种常见作物田的昆虫群落多样性特征
Table 2 Characteristics of insect communities diversity in five common crop fields
样地
plots物种丰富度指数
Margalef index多样性指数
Shannon-Wiener index优势集中性指数
Simpson index均匀度指数
Pielou index黄瓜地
cucumber field20.00±4.60 d 3.12±0.14 c 2.38±0.05 c 1.04±0.05 c 番茄地
tomato field26.00±8.35 d 3.33±0.15 c 2.31±0.07 c 1.02±0.05 c 菜豆地
bean field35.00±13.89 c 3.58±0.22 c 2.09±0.08 d 1.01±0.06 c 芒果地
mango field66.00±26.29 a 8.62±0.29 a 4.72±0.14 a 2.06±0.07 a 青枣地
jujube field50.00±10.25 b 7.07±0.31 b 4.38±0.13 b 1.81±0.08 b 注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).
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表 3 5种常见作物田的昆虫群落稳定性分析
Table 3 Stability analysis of insect community in five common crop fields
样地 plots Sa/Sb ds/dm 黄瓜地 cucumber field 0.0431 0.0449 番茄地 tomato field 0.0983 0.0450 菜豆地 bean field 0.0771 0.0615 芒果地 mango field 0.2705 0.0336 青枣地 jujube field 0.1332 0.0438
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表 4 5种常见作物田的昆虫群落相似性分析
Table 4 Similarity analysis of insect communities in five common crop fields
样地
plots黄瓜地
cucumber field番茄地
tomato field菜豆地
bean field芒果地
mango field青枣地
jujube field黄瓜地
cucumber field1.0000 番茄地
tomato field0.3529 1.0000 菜豆地
bean field0.1702 0.2449 1.0000 芒果地
mango field0.1781 0.2307 0.2169 1.0000 青枣地
jujube field0.1864 0.2466 0.2400 0.3034 1.0000
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