地熊蜂在油用牡丹凤丹上的传粉生态学研究

张凯月，贺春玲，陈玲玲，韩懂博，侯小改

(1.河南科技大学 林学院，河南 洛阳 471023； 2.河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471023)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)为芍药科(Paeoniaceae)芍药属(Paeonia)的多年生落叶灌木，是原产于我国的传统名贵花卉，具有很高的观赏价值、药用价值和油用价值[1-3]。油用牡丹是优良木本油料作物。目前栽植的油用牡丹主要有2个品种群，即凤丹牡丹(Paeoniaostii‘Fengdan’)和紫斑牡丹(Paeoniarockii)。近年来凤丹牡丹作为木本油料作物，栽植面积大、分布范围广[4]。从全国范围来看，油用牡丹的种植面积正在逐年增加，农民对油用牡丹的认识及种植积极性也越来越高，这是牡丹籽油步入食用油行列以及进入产业化生产的巨大进步。但凤丹牡丹自花授粉后单花平均结籽数仅有0.4粒，其结实率极低[5]。牡丹属于典型的虫媒植物，需要依赖传粉者授粉来提高结籽率[3,6-8]，所以解决油用牡丹的昆虫传粉问题尤为关键。

熊蜂隶属于膜翅目(Hymeoptera)蜜蜂总科(Apoidea)熊蜂属(Bombus)，是一类多食性昆虫。熊蜂个体粗壮，寿命长，浑身绒毛，有较长的吻，是多种作物的重要传粉者。熊蜂最大的优点是通过声震为作物和无花蜜植物进行有效授粉，特别是豆科、茄科等作物[9-14]。熊蜂对一些具有特殊气味的茄科作物如番茄、辣椒、茄子和深花冠作物如红三叶草(TrifoliumpratenseL.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、白三叶草(TrifoliumrepensL.)等授粉效果显著[15-16]。

已有大量研究表明，在温室大棚中熊蜂是比蜜蜂更为优良的授粉昆虫，熊蜂采集力旺盛，日工作时间长，能抵抗恶劣的环境，对低温、低光密度适应力强，熊蜂没有像蜜蜂那样灵敏的信息交流系统，能专心为温室作物授粉，很少从通气孔飞出去[13]。人工饲养野生熊蜂，利用其为温室蔬菜和果树授粉，不仅可以提高果蔬产量、降低畸形果率，而且可以改善果实品质，避免激素处理造成的化学污染。熊蜂授粉技术是设施农业(果蔬类)实现优质、安全、高效生产的重要配套技术之一，在20世纪初就有许多国家开始饲养熊蜂并获得成功。目前，在欧美的许多国家将熊蜂进行商业化规模生产，丹麦、荷兰和比利时是现今饲养熊蜂最多的国家[17-19]。地熊蜂是世界范围内商业化授粉应用最广的熊蜂种，在设施果蔬授粉方面取得了很大成功，已被欧美各国广泛推广使用，成为现代农业提高作物效益的重要手段[20-21]。目前地熊蜂是我国用于果蔬授粉的主要蜂群[20]，基于此，于2017年4—5月在河南省洛阳市伊滨区洛阳东花园油用牡丹种植基地进行了地熊蜂的传粉效率研究，以期为更好应用传粉蜂资源对油用牡丹授粉提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究地点

试验于2017年4—5月在河南省洛阳市伊滨区洛阳东花园油用牡丹基地(N 34°38′30″、E 112°39′43″，海拔125.5 m)进行。洛阳东花园地处洛阳城东隅，是洛阳伊滨区万亩牡丹园产业聚集区的重要组成部分，隶属于洛阳贞观牡丹种植有限公司。洛阳东花园种植的凤丹牡丹是洛阳市种植凤丹牡丹面积最大的园区，种植面积高达106.67 hm2。凤丹牡丹已进入盛果期，苗龄8～9 a。

1.2 研究材料

2016年3月在洛阳东花园凤丹牡丹基地搭建传粉网室。网室规格：东西长45 m、南北宽8 m、墙高2.1 m、脊高3.2 m。每个网室平均分为3个小网室(规格：15 m×8 m)，网布为尼龙网聚乙烯材料，孔径为1 mm。如图1所示，A、B、C网室为地熊蜂授粉区，每个网室内放1箱地熊蜂(工蜂约200头)；CK1为空白对照区；CK2为大田对照区。地熊蜂授粉区A、B、C及CK1、CK2的凤丹牡丹约有300株，试验田块统一管理。

A、B、C区域为地熊蜂传粉网室；CK1为空白对照网室；CK2为大田对照区域

地熊蜂由北京农之艺养蜂场提供，当网室内有1朵牡丹花开放时，将地熊蜂的蜂箱放入A、B、C传粉区，在蜂箱旁放置喂糖器，每天更换50%的蔗糖水供地熊蜂采食。

在传粉网室内对花苞做套袋处理，袋子规格：35 cm×20 cm的硫酸纸袋和35 cm×20 cm、孔径为1 mm的尼龙网袋。

1.3 研究方法

1.3.1 访花行为的测定 采用目测、拍照和录像的方法，观察地熊蜂在凤丹牡丹上的访花特点。采用秒表计数的方法，观测地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花时间、单次访花间隔时间、单花访问时间、访花间隔时间、单花访问次数、访花频率以及访问柱头次数。

单次访花时间：地熊蜂从落到花上到离开花所需要的时间。单次访花间隔时间：地熊蜂从花上离开到再次落入花上的时间。单花访问时间：地熊蜂访问一朵花所需要的总时间，即地熊蜂从落到花上开始采集花粉到离开花的时间。访花间隔时间：地熊蜂从一朵花到另一朵花上所需要的时间。单花访问次数：地熊蜂在一朵花上的访问总次数。访花频率：每头地熊蜂在1 min内采访的花朵数。访问柱头次数：地熊蜂访问牡丹花的过程中访问柱头的次数。

1.3.2 日活动规律的观察 于2017年4月18—21日连续观察4 d，每天5:30—19:00，在地熊蜂传粉网室放置蜂箱处，连续观察记录地熊蜂在10 min内的进出巢数量以及携带花粉的地熊蜂的数量。观察10 min之后，再紧接着观察下一个10 min内地熊蜂的进出巢以及携带花粉的地熊蜂的数量，直至地熊蜂回巢不再进行采集活动。同时用手持气候仪记录测定时段的温度。

1.3.3 授粉效果的试验设计 牡丹花苞期，在A、B和C地熊蜂传粉网室内，分别随机选择50株同期开放的牡丹，再分别在每1株上选择3个大小、开放状态基本一致的花苞进行处理。其中，1个花苞用硫酸纸袋套袋让其自花授粉(自交传粉)，1个花苞用尼龙网袋套袋让其进行风力授粉(自交+风力传粉)，1个花苞不套袋让其进行地熊蜂授粉(自交+风力+地熊蜂传粉)。3个地熊蜂传粉的网室内共标记150株450朵花苞，花期结束15 d后摘除所有的纸袋和网袋。

于2017年5月10日在3个地熊蜂传粉网室分别随机选取3组幼果，用于统计不同授粉方式牡丹蓇葖果的结籽率。同时在3个地熊蜂传粉网室分别随机选取5个幼果(未经套袋处理的植株)，在空白对照网室CK1内随机取15个幼果，在大田对照区域CK2随机取15个幼果，用于统计不同授粉区域牡丹蓇葖果的结籽率。统计每个聚合蓇葖果的单个蓇葖中的胚珠数、胚珠发育成的种子数，计算结籽率。结籽率是指单果的种子数占胚珠数的百分数。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2016进行处理，采用SPSS 20.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 地熊蜂在凤丹牡丹上的访花特点

凤丹牡丹花的花粉量大，无蜜腺。地熊蜂在凤丹牡丹上主要是采集花粉。从牡丹初花期到末花期地熊蜂均进行采访。地熊蜂在单花上采集花粉时间较长，并且采集1次后，会飞起在空中收集花粉，接着继续落在花上进行第2次采集；单花往返采集多次后，离开花朵到下一朵花上进行采访。地熊蜂在采集牡丹花粉时，从雄蕊的外轮向内部不断采集，或沿雄蕊外轮周缘采集，或从雄蕊的内轮开始采集；地熊蜂在单花上采集花粉时，会爬上柱头；同时在单次采集后，在花的正上方收集花粉；不断收集花粉的动作使地熊蜂体表的花粉会再次落上柱头。在同一朵花上，会有多只地熊蜂同时采访，它们相遇后会相互驱逐(图2)。

2.2 地熊蜂在凤丹牡丹上的访花行为

2.2.1 单次访花时间和单次访花间隔时间 地熊蜂采访凤丹牡丹的单次访花时间在1.05～448.39 s，平均为(10.99±0.59)s(n=985)。其中，单次访花时间在1～5 s最多，为41.83%；单次访花时间在1～40 s的占总样本数的97.36%(图3)。单次访花时间超过40 s的，仅为2.64%。采用SPSS 20.0分别对不同日期和同一日期不同时段地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花时间进行单因素方差分析，结果表明：不同日期地熊蜂单次访花时间具有显著性差异(F=13.676，P<0.05)；不同时段地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花时间没有显著性差异(F=2.228，P>0.05)(表1)。

地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花间隔时间在0.28～41.78 s，平均为(6.25±0.17)s(n=907)，其中，单次访花间隔时间在0～4 s最多，占总样本数的39.58%；单次访花间隔时间在0～20 s的占总样本数的97.68%；单次访花间隔时间超过20 s的，仅占2.32%(图4)。采用SPSS 20.0分别对不同日期和同一日期不同时段地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花间隔时间进行单因素方差分析，结果表明，不同日期地熊蜂采访凤丹牡丹的单次访花间隔时间有显著性差异(F=14.499，P<0.05)；不同时段地熊蜂采访凤丹牡丹的单次访花间隔时间没有显著差异(F=0.577，P>0.05)(表1)。

a.采访初开花；b.采访盛开花；c.采访末期花；d.2只地熊蜂同时采访1朵花；e.地熊蜂采粉时爬上柱头；

图3 地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花时间Fig.3 The single visit time of Bombus terrestris

2.2.2 单花访问时间和访花间隔时间 地熊蜂在凤丹牡丹上的单花访问时间在1.74～744.54 s，平均为(63.51±5.92)s(n=301),其中,单花访问时间在10～20 s最多，为42.19%(图5)；单花访问时间在200 s以内的占93.02%。单花访问时间超过200 s的，仅占6.98%。采用SPSS 20.0分别对不同日期和同一日期不同时段地熊蜂在凤丹牡丹上的单花访问时间进行单因素方差分析，结果表明，不同日期地熊蜂采访凤丹牡丹的单花访问时间没有显著性差异(F=1.810,P>0.05)；不同时段地熊蜂在凤丹牡丹上的单花访问时间也没有显著性差异(F=0.655,P>0.05)(表1)。

表1 地熊蜂在凤丹牡丹上的访花行为指标Tab.1 The foraging behavior of Bombus terrestris on Paeonia ostii ‘Fengdan’

注：同行数据后不同小写字母表示不同日期或时段的差异达到差异水平(P<0.05)。

Note:The different lowercase letters after data of the same row indicate that the difference of different date or time reaches significant level(P<0.05).

由图6可知，地熊蜂在凤丹牡丹上的访花间隔时间在0.80～79.55 s，平均为(10.27±0.65)s(n=186)，其中，访花间隔时间在5～10 s最多，为31.18%；其次是0～5 s时间段，为27.42%；访花间隔时间在0～30 s的占总样本数的97.85%；访花间隔时间超过30 s的，仅为2.15%。采用SPSS 20.0对同一日期不同时段地熊蜂在凤丹牡丹上的访花间隔时间进行单因素方差分析，结果表明，不同时段地熊蜂采访凤丹牡丹的访花间隔时间没有显著性差异(F=1.091,P>0.05)。对不同日期同一时段地熊蜂在凤丹牡丹上的访花间隔时间测定结果失败(表1)。

图4 地熊蜂在凤丹牡丹上的单次访花间隔时间Fig.4 The single interval time of Bombus terrestris

图5 地熊蜂在凤丹牡丹上的单花访问时间Fig.5 The single flower access time of Bombus terrestris

图6 地熊蜂在凤丹牡丹上的访花间隔时间Fig.6 The single flower interval time of Bombus terrestris on Paeonia ostii ‘Fengdan’

2.3 地熊蜂在凤丹牡丹上的访花率

2.3.1 访花频率 地熊蜂每分钟在凤丹牡丹上的访花朵数为1～4朵，平均每分钟访花朵数为(1.00±0.79)朵(n=82)，其中,每分钟访花朵数为1朵的占总样本数的57.32%，每分钟访花朵数为2朵的占总样本数的25.61%，每分钟访4朵花的仅占总样本数的2.44%。

2.3.2 单花访问次数 地熊蜂在凤丹牡丹上单花往返访问多次。对262只地熊蜂在凤丹牡丹上单花访问次数的测定结果表明，其单花访问次数为1～46次，平均为(4±0.33)次，访问1～3次的最多，占总样本数的72.91%，15次以上的极少，为3.44%(图7)。

图7 地熊蜂在凤丹牡丹上的单花访问次数Fig.7 The number of single flower visits of Bombus terrestris

2.3.3 访问柱头次数 地熊蜂在采访凤丹牡丹花粉时，不时会爬上柱头。地熊蜂采访的138朵花中，上柱头的有61朵，上柱头的概率为44.20%。对地熊蜂的访花朵数和上柱头的次数进行Pearson(皮尔森)相关系数法分析，结果表明，访花朵数越多其上柱头的次数越多，两者有极显著相关性(r=0.630**，P<0.001)。

2.4 地熊蜂的日活动规律

通过对一天内不同时段地熊蜂在10 min内进出巢的数量以及携带花粉回巢的采粉蜂数量的观察，结果表明：地熊蜂开始访花的时间为6:30—6:40，开始访花的温度为11.2～12.8 ℃，8:00—9:00时间段为地熊蜂出巢采集花粉的高峰期，10:30以后的时段，地熊蜂有效工作的数量普遍减少(图8)。对不同时段3个地熊蜂传粉网室中每10 min工作的地熊蜂与温度之间的相关性测定结果表明：地熊蜂在8:30到达日活动高峰期，此时温度为18.9 ℃；7:30—9:00，温度为15.0～20.0 ℃时，地熊蜂较活跃，每10 min平均有5.00～6.67头工作；10:30以后温度高于26.1 ℃，平均每10 min仅有1.00～1.33头地熊蜂在工作。在一天内，地熊蜂在凤丹牡丹上的采粉花朵有选择性。上午地熊蜂主要采集牡丹上不开放的花朵。中午以后，地熊蜂在牡丹下部穿梭飞行，采集牡丹下部开放的花朵。6:00—7:00，地熊蜂会采集叶片、花瓣上的露水。

图8 地熊蜂在凤丹牡丹上的日活动规律Fig.8 The daily activity of Bombus terrestris on Paeonia ostii ‘Fengdan’

2.5 地熊蜂传粉对凤丹牡丹结实的影响

地熊蜂传粉网室内对凤丹牡丹采取套硫酸纸袋、尼龙网袋和不套袋3种处理后，对凤丹牡丹单个蓇葖果的结籽率测定结果表明，自花授粉(套硫酸纸袋)的平均结籽率为(1.68±0.63)%(n=50)，风力授粉(尼龙网套袋)的平均结籽率为(12.46±2.43)%(n=46)，地熊蜂授粉(不套袋)的平均结籽率为(43.07±4.20)%(n=48)(图9)。对3组数据进行单因素方差分析及多重比较，结果表明，地熊蜂授粉的结籽率显著高于风力授粉的结籽率和自花授粉的结籽率，风力授粉的结籽率显著高于自花授粉的结籽率。

对空白对照CK1、大田对照CK2和地熊蜂传粉网室中的凤丹牡丹单个蓇葖果的结籽率测定结果表明，CK1中单个蓇葖果结籽率平均为(27.99±2.70)%；CK2中单个蓇葖果结籽率平均为(52.45±3.25)%；地熊蜂传粉网室中单个蓇葖果结籽率平均为(54.67±3.25)%(图10)。对3组数据进行单因素方差分析及多重比较，结果表明：CK1的结籽率与CK2、地熊蜂传粉网室的结籽率有显著差异，CK2与地熊蜂传粉网室的结籽率无显著差异。

不同小写字母表示处理间的差异达到显著水平(P<0.05)，下同

图10 不同传粉区域凤丹牡丹结籽率比较Fig.10 Comparison of seed setting rate of of Paeonia ostii ‘Fengdan’ in different pollination areas

3 结论与讨论

地熊蜂是一种重要的经济授粉昆虫，具有独特的传粉生物学特性，能够为多种农作物授粉且能提高作物的产量和品质[22-24]。熊蜂在为温室果蔬如西红柿、辣椒、茄子、黄瓜、冬瓜、草莓、桃等授粉时，其授粉的坐果率、单果质量都比人工授粉高，产量和品质更高[25-27]。在河南省洛阳地区有大量的油用牡丹栽植基地，笔者经调查发现，由于传粉昆虫的不足，导致大量油用牡丹的结实率偏低，农民的收入也随之降低，本试验通过增加地熊蜂授粉可以有效地提高油用牡丹的产量。

本试验研究结果显示，地熊蜂在访问牡丹花时，会连续采访多朵花，且在同一朵花的雄蕊群上多次起落采访使得沉降在柱头上的花粉量增加，同时地熊蜂强大的携粉能力也增大了柱头的异花受精概率。地熊蜂在采集时会根据牡丹花的花粉状态选择性采集花粉，这就拉长了地熊蜂采集的距离，增加了异花授粉的机会。这与前人的研究结果相似，即熊蜂偏向于采集花粉活力较强的花，能在花粉活力较强的时候完成授粉，提高坐果率[28]，地熊蜂在油用牡丹上选择性的采集行为还有待进一步研究。

蜜蜂出巢进行采集活动与温度、湿度以及光照等多种因素密切相关，且温度的影响远远大于光照和风速等因素[29-31]。对地熊蜂在油用牡丹上的访花行为分析结果表明，地熊蜂开始出巢进行采集活动的时间为6:30—6:40，温度为11.2～12.8℃，在8:30的时候到达访花高峰期，此时的温度为18.9 ℃，在10:30以后(温度高于26.1 ℃)地熊蜂开始陆续回巢。此外，在研究中还发现，在环境温度逐渐升高的过程中，地熊蜂开始采集处于较阴凉处的油用牡丹的下层花。杨佳林等[32]在研究地熊蜂为番茄授粉的访花行为时得出地熊蜂的出巢温度为8 ℃，采粉温度为9 ℃，在13:00左右，温度达到38 ℃时，地熊蜂达到访花高峰期；李继莲等[33]在研究明亮熊蜂为草莓授粉的访花行为时得出，明亮熊蜂开始出巢采集的最低温度为12～13 ℃，开始访花时间为8:00—9:00，停止访花时间为15:55—16:05。本研究的结果与前人研究结果不同的原因可能是作物的花期不同、生长地域的不同和授粉蜂种不同。

本试验不仅得出地熊蜂的访花时间、访花间隔时间、日活动规律以及访花率会影响地熊蜂的传粉效率，而且得出地熊蜂在访花过程中上柱头的次数也是影响地熊蜂传粉效率的重要因素，地熊蜂的访花次数与上柱头的次数呈极显著相关，上柱头的概率为44.20%。这就提高了柱头的授精率和花粉的沉降量。传粉者对植物花粉的移除数量和沉降在柱头上的花粉量也是评估传粉效率的指标[34]，但由于地熊蜂在采访油用牡丹时在一朵花上采集次数多、采集时间长，在每次采集后均会在柱头的上方梳理收集花粉，本研究认为在梳理收集花粉的过程中也会有大量的花粉落入柱头起到传粉作用，具体精确的柱头上花粉沉降量还有待进一步研究。

作物授粉的结实率或结籽率是衡量授粉是否成功的重要依据。本研究在油用牡丹作物区增加地熊蜂授粉极大地弥补了凤丹牡丹自花授粉结实率低甚至不结实的缺陷[5,35]。地熊蜂授粉的结籽率显著高于空白对照的结籽率，在同株油用牡丹上地熊蜂授粉的结籽率显著高于风力授粉和自花授粉的结籽率，地熊蜂授粉可以显著提高油用牡丹蓇葖果的结籽率，这与前人研究熊蜂授粉能提高作物结实率的结果基本一致[36-37]。本研究结果表明，通过地熊蜂传粉的油用牡丹结实率显著提高，通过地熊蜂是油用牡丹有效的传粉者。但地熊蜂传粉对牡丹籽产量和籽油品质的影响有待进一步研究。