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竹林占中国森林面积的6%,多分布于南方,有北松南竹之说,在地区经济和生态效益上发挥着不可替代的作用。竹林不但提供各种原材料用于饮食、建材、纺织和生物能等,也广泛应用于城市绿化、水土保持、森林固碳等[1-4],竹炭加工副产物还可制成杀虫剂和杀螨剂等[5]。不过,竹林生态系统往往由于植被成分简单,导致系统内生物多样性偏低[6]。尤其是,南方多采用林下覆盖秸秆粉末等措施来提高冬日竹林土壤温度,以便提早出笋,利于春节前销售。而覆盖物往往残留林间,危及林下植被生长,加剧林间生物多样性破坏。同时,大量高纤维的覆盖物又引发竹林土壤退化,从而进一步影响竹林的生态健康[7-8]。竹林的生态现状导致其易受到各种病虫害侵袭,其中就包括多种竹蚜。已知的竹蚜种类就有40余种,多危害竹子茎叶[9]。竹蚜的危害多体现在其种群的快速增长,大量消耗竹子营养,以及其取食过程伴生引发的植物病原传播和霉污病,导致竹林产值下降。竹蚜种群的增长跟竹蚜生殖力和环境温度等内外因具有密切的联系[10-11]。过冬复苏或迁移定殖的蚜虫凭借其发育快,行孤雌生殖,可在春季数周内形成庞大种群。竹蚜的群居特性往往有利于寄生菌在其种群内的流行,尤其是虫霉门下的30余种蚜虫专化病原真菌[12-14]。广泛分布的蚜科Aphididae专化病原菌暗孢耳霉Conidiobolus obscurus对竹蚜具有致死快、死亡率高等优势[11]。不过,以往的研究大多通过生物测定菌株毒力的实验来反映生防菌的应用潜能,很少从种群动态水平上分析生防菌对寄主种群的调控作用。本研究将针对4种危害竹叶的常见蚜虫,包括竹纵斑蚜Takecallis arundinariae,竹梢凸唇斑蚜Takecallis taiwanus,竹后粗腿蚜Metamacropodaphis bambusisucta和竹色蚜Melanaphis bambusae,利用暗孢耳霉在不同温度和光周期处理下对该4种竹蚜种群动态发生的影响,通过筛选拟合度高的生物模型评估其控蚜作用和生防潜能。
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20~28 ℃(12~15 h光照)温光处理下,观察期内4种竹蚜种群均呈现显著增长。接种暗孢耳霉的竹蚜和对照组(未接菌)的种群增长趋势存在明显差异。通过模型分析,健康组(表 1)拟合Logistic方程(0.861≤R2≤0.992),显示4种竹蚜种群呈爆发式增长,种群密度最高值是起始虫口密度的18.4~139.2倍。24~28 ℃下,除竹后粗腿蚜外,其余3种竹蚜种群密度增长1.0倍所需天数均小于1.0 d,增长10.0倍仅需3.1~5.4 d。20 ℃下增长速率有所下降,除竹梢凸唇斑蚜外,其余3种种群增长10.0倍所需天数都超过了10.0 d。
蚜虫种类 温度和光周期 Logistic模型 拟合度 种群密度倍增天数/d c1 c3 c3 F2, 14 R2 2.0倍 10.0倍 竹后粗腿蚜 20 ℃, 12 h L 2.14 0.03 -0.18 85.5 0.924 2.6 15.2 24 ℃, 14 h L 2.80 0.36 -0.12 180.1 0.958 1.7 10.2 28 ℃, 15 h L 2.36 -0.05 -0.18 76.6 0.911 0.9 9.2 竹梢凸唇斑蚜 20 ℃, 12 h L 2.68 0.21 -0.29 211.8 0.968 0.5 4.4 24 ℃, 14 h L 2.90 0.43 -0.26 169.6 0.955 0.9 4.8 28 ℃, 15 h L 2.45 -0.15 -0.28 46.5 0.861 0.1 4.7 竹色蚜 20 ℃, 12 h L 2.39 7.94 -0.05 840.7 0.992 5.0 13.5 24 ℃, 14 h L 3.18 0.61 -0.25 187.0 0.959 1.0 4.5 28 ℃, 15 h L 3.08 0.14 -0.16 60.9 0.890 0.1 4.7 竹纵斑蚜 20 ℃, 12 h L 2.00 0.05 -0.37 151.2 0.965 1.8 16.3 24 ℃, 14 h L 2.58 0.15 -0.44 66.5 0.893 0.4 3.1 28 ℃, 15 h L 2.54 0.07 -0.26 86.6 0.920 0.5 5.4 说明:光周期仅列出24 h内的光照(L)时长(h); 模型拟合方程y=c1/[1+exp(c2+c3 t)], 各参数经Student's t test检验(P < 0.05)。 Table 1. Modeling analysis of population dynamics of the four species of healthy bamboo foliar aphids
从各温光组合下的种群增长速率来看,竹梢凸唇斑蚜种群爆发的潜能最大。从模型参数c1中计算理论种群密度上限,不同温光处理下4种竹蚜的种群密度上限值各有不同,最低的为竹纵斑蚜在20 ℃下为100.0头·dm-2,最高的为竹色蚜,在24 ℃下为1 513.0头·dm-2。
接菌组竹蚜种群增长受暗孢耳霉抑制影响明显,增长趋势呈现先抑后扬。数据拟合Log-logistic方程(0.835≤R2≤0.991),经参数(表 2)计算种群密度增长1.0倍所需天数在1.4~14.3 d,比对照组所需天数大多延长10.0倍以上,其中竹梢凸唇斑蚜在28 ℃下比对照组延长了58.0倍,从0.1 d到5.9 d。种群增长10.0倍所需天数与对照组差异缩小,延长1.0~4.1倍不等。结果表明:暗孢耳霉在种群发育初期作用明显,可显著抑制种群的增长,但后期影响减退。
蚜虫种类 温度和光周期 Logistic模型 拟合度 种群密度倍增天数/d c1 c3 c3 F2, 14 R2 2.0倍 10.0倍 竹后粗腿蚜 20 ℃, 12 h L 0.92 -0.005 -0.29 163.9 0.959 14.3 19.7 24 ℃, 14 h L 3.09 8.83 0.1 159 0.952 6 15.6 28 ℃, 15 h L 0.45 -0.23 -0.07 37.9 0.835 12.9 17.3 竹梢凸唇斑蚜 20 ℃, 12 h L -7.01 -1 -0.002 165.4 0.959 6.1 13 24 ℃, 14 h L 8.98 4 881.000 0.1 50.9 0.895 7.9 14.7 28 ℃, 15 h L 9.61 8 376.000 0.12 122.1 0.942 5.9 11.6 竹色蚜 20 ℃, 12 h L -1.27 -0.9 -0.005 736 0.991 5 13.2 24 ℃, 14 h L 3.4 9.2 0.17 340.1 0.977 1.4 6.3 28 ℃, 15 h L 5.71 114.6 0.12 667.6 0.989 3 9 竹纵斑蚜 20 ℃, 12 h L 0.05 -0.51 -0.04 70.8 0.91 9.3 14.4 24 ℃, 14 h L 9.7 12 054.000 0.13 87.8 0.917 7.5 12.8 28 ℃, 15 h L 10.84 23 779.000 0.11 89.8 0.937 4.9 11.4 说明:光周期仅列出24 h内的光照(L)时长(h); 模型拟合方程y=c1-ln[1+c2 exp(-c3 t)]。 Table 2. Modeling analysis of the influence of C. obscurus on the population development of the four species of bamboo aphids
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图 1所示:20 ℃(光照12 h)条件下,4种竹蚜在观察后期均可达到各自理论上最高的种群密度。除竹色蚜外,其余3种竹蚜种群变化趋势上,接菌组和对照组拟合曲线都有明显差异,对照组先扬后平,接菌组则先平后扬,显示出病原菌对寄主种群增长的调控作用。暗孢耳霉的控蚜作用还体现在发育历期上,接菌组均出现延迟。如竹梢凸唇斑蚜对照组只需8.0 d发育至成虫,而接菌组新生成虫出现时间要晚2.0 d。种群内若虫与成虫比例也反映出种群增长趋势,如竹梢凸唇斑蚜对照组中若成虫比在第3~8天维持在12.2~43.1的高位,伴随种群迅速扩张,而接菌组在第6~9天出现一个小高峰(11.6~27.8)。接菌组后期种群大幅攀升,除了病原菌影响消退外,新增成虫大量孤雌生殖使若成虫比在第14~16天再次出现小高峰(11.0~20.7),同时接菌组早期占用竹叶少,给后期种群爆发提供了空间,而对照组因生长空间受限进入到平稳期,有些甚至开始进入种群消亡,如竹纵斑蚜。从图 1中可以看出:竹色蚜在此温光条件下与对照组的模拟曲线高度重合,无明显差异。
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图 2所示:24 ℃(光照14 h)条件下,4种竹蚜的增长曲线与20 ℃条件下的相比有所不同,对照组仍呈先扬后平的趋势,而接菌组近似线型。从种群动态上看,对照组始终高于接菌组,说明暗孢耳霉仍发挥调控竹蚜种群增长的作用。温度的提升缩短了竹蚜的发育历期,使得种群增长速率有所加快,最高的种群密度也有所抬升。如竹纵斑蚜只需7.0 d发育至成虫,比20 ℃条件下减少了2.0 d,第10天就达到了理论最高种群密度(380.0头·dm-2)。接菌组线型增长表明该温光条件下,暗孢耳霉对竹蚜种群的抑制影响不如20 ℃条件下明显,主要可能是该温度利于竹蚜生长发育和繁殖,抵消了部分病原菌的控制作用。从控蚜效果来看,暗孢耳霉对竹梢凸唇斑蚜和竹纵斑蚜的控制比其他2种竹蚜显著,得利于暗孢耳霉对该2种竹蚜的致死快,在观察期3.0 d内初始10头母蚜均死亡。
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图 3所示:28 ℃(光照15 h)条件下,除竹后粗腿蚜外,其他3种竹蚜种群动态类似于24 ℃条件,暗孢耳霉对4种竹蚜种群增长都起到了抑制作用。该温光条件下4种竹蚜的种群增长速率和最高种群密度都较24 ℃条件下有所下降,如竹梢凸唇斑蚜理论上最高种群密度仅281.8头·dm-2,明显低于24 ℃条件下的794.0头·dm-2,与实际观察虫数一致。暗孢耳霉对于竹色蚜的控制作用有所提升,比20 ℃和24 ℃条件下与对照组差异有所扩大,可能较高温对竹蚜的负面影响大于对暗孢耳霉的影响。