间作薄荷对苹果园节肢动物群落的调控作用

黄丹丹，孙梦潇，张 杰，姚允聪

(北京农学院植物科学技术学院/农业应用新技术北京市重点实验室/北京林果业生态环境功能提升协同中心，北京 102206)

随着伴生植物在田间的应用与研究，在农业生态系统中间作植物来调节农业生态结构已经逐渐成为基于自下而上的农作物-害虫-天敌调控系统[1]。间作，作为农业生态学的一项重要战略丰富了农业生态系统中植物种类、植物结构、生态环境和化学物质在内的植物多样性，为生态群落提供更多的生存空间和生态位等生态服务；通过运用时间和空间上的合理配置，使得特定生态系统中形成支持自身植物保护的农业生态系统，这对形成具有自我调节能力的可持续生态系统具有重要意义[2]。通过设计与改善农业系统中的种植结构，可以改变节肢动物群落的分布、组成和结构等多样性，从而调节农业生态系统，如植物授粉、生物调控和农作物生产经营等方面的生态功能[3]。果园间作的研究主要集中在间作对果园生态系统节肢动物群落的影响。然而，间作对果园害虫防治的影响机制尚不清楚。

植物挥发性物质，是植物次生代谢产生的一类小分子化合物[4]，是植物特定的化学指纹图谱，主要包括萜烯类、醇类、醛类、酯类以及芳香类等化合物[5]。植物挥发性物质在植物化学防御中有着重要作用，是植物-植物、植物-昆虫等信息通讯的媒介[6]。植物挥发性物质参与植食性昆虫寄主选择和定位过程[7]。此外，在昆虫产卵繁殖、害虫诱捕以及天敌昆虫捕食定位等过程中有着直接或间接的影响[8]。研究间作植物化学物质多样性与节肢动物群落的关系，将有助于揭示间作植物对节肢动物群落的调节机制。

薄荷(MenthahaplocalyxBriq.)广泛应用于医药、食品、香料等工业，在抗氧化、抗菌等方面有很大的功效[9]，近年来随着深入研究薄荷逐渐应用于果园间作，对增加果园植被多样性，调节果园生态系统中节肢动物群落有一定的影响，然而果园植物多样性对节肢动物群落影响的化学机制尚不清楚。本研究旨在研究间作薄荷的挥发性物质对苹果园微环境下节肢动物群落的分布及多样性变化的影响，为揭示苹果园害虫的生态调控机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

以北京市昌平区王家园有机观光苹果园为控制试验样地，该苹果园种植土属沙质壤土，主要的苹果品种是富士(Malusdomesticacv. ‘Fuji’/Malusprunifolia(Willd.) Borkh)，株行距为5 m×6 m，供试植物具有相同的生长状态，苹果园的有害生物管理严格按照有机认证的要求进行。

1.2 试验材料与设计

选用香薄荷(MenthaspicataL.)作为间作种植植物。

在试验样地内设置3个处理区，分别为清耕处理区(Tr1)、自然生草区(Tr2)、薄荷间作区(Tr3)，试验采用随机区组设计，设置3次重复，试验小区面积为18 m×40 m，每个供试小区间的间隔为12 m，间作种植植物薄荷于3月下旬播种，播种后覆盖白色地膜，当薄荷长到约10 cm时，为了保证一定的播种密度，采用人工间苗移栽，保持株行距0.2 m×0.4 m。清耕处理区和薄荷间作区采用中耕除草，以确保无杂草。

1.3 节肢动物取样调查

于每年4月到11月开展试验。节肢动物调查分为2个空间层次，分别是上层空间(苹果树的树冠)和下层空间(间作物)，在调查期间每15 d调查一次节肢动物的种类和数量。

上层空间节肢动物的调查方法：在每个处理区用五点取样法选取长势相同的5株苹果树，采用目测法记录上面节肢动物的种类和数量，对调查树木进行挂牌标记。并在树木上选取12个30 cm长的一年生枝条，分别位于东、西、南、北四个方位树木的上层、中层和下层三层，记录上面所有节肢动物的种类和数量。

下层空间节肢动物的调查方法：在每个处理区的中心随机选择6 m作为采样点，采用扫网法，用直径30 cm，深30 cm的白色亚麻布制的捕虫网进行扫网，每次均匀移动距离2 m，每个采样点扫网次数3次，将收集到的节肢动物带回实验室，根据其形态学特征进行分类和鉴定，并记录其种类和数量。

1.4 植物挥发性有机化合物收集及检测

挥发性有机化合物的测定：采用动态顶空采集法[10]，用无味透明的PVC管连接QC-1S型大气采样仪、干燥塔、Reynolds微波炉采样袋和吸附管成闭合通路，将健康完整芳香植物套在采样袋里进行气体采集，通过调节大气采样仪进出气管的连接顺序，对采集袋中的气体进行抽吸，每次抽吸进行3次，抽吸时间为20 min。

挥发性有机化合物的鉴定：测定完成的植物挥发性有机化合物用Turbo Mass Ver 5.4.2软件进行分析，通过与NIST/WIELY标准谱图库中的谱图进行比对，热脱附气相色谱质谱联用技术得到挥发性有机化合物成分离子流图，分析挥发性有机化合物的CAS号，在https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pccompound查找挥发性有机化合物的结构式、分子式、名称；通过计算离子强度计算所含挥发性有机化合物的相对含量。

1.5 分析方法

本试验的样本数据采用Microsoft Excel 2019处理，Data Processing System 7.05分析植物挥发性有机化合物和节肢动物群落的多样性特征，用Origin Pro 18.0软件绘制图表。有关芳香植物不同种植模式下节肢动物群落多样性的数据采用SPSS 20.0软件进行分析。节肢动物按功能群落进行分类，鉴定到种。对试验不同种植模式下所产生的挥发性有机化合物检测筛选后，采用Excel2019进行定性分析，得到结果后运用面积归一法计算相对含量[10]。描述群落多样性的统计量有：

物种丰度(Species abundance)表示群落中单个物种的数量，以N表示。

物种丰富度(Species richness)表示群落中的物种数量，以S表示。

多样性指数(diversity index)[11]表示最常见的Shannon-Wiener多样性指数，它不仅衡量物种数量，还衡量群落的异质性。多样性指数越高，表示群落中的不确定性越大。

公式为H’=-ΣPilnPi，(i=1，2，3，…，S)，其中Pi=ni/N；ni表示抽取的第I个昆虫样本的个体数，N表示物种的丰度。

均匀度指数(Species evenness )[12]群落中所有物种个体数的分布，采用Pielou[13]公式计算为J=H’/Hmax=H’/lnS，其中J表示均匀度，H表示多样性指数，lnS表示物种数的自然对数。

群落优势度(Simpson’s Dominance)[14]表示多样性的对立面，它是一种集中度的度量，反映每个物种种群的变化。优势集中性指数为D=1-∑ni(ni-1)/[N(N-1)]，其中ni表示第i个昆虫样品的个体数，N表示物种丰度。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下苹果园节肢动物群落时间聚类分析

根据不同时间将三种不同种植模式下苹果园节肢动物群落聚类分析，如图1所示。各处理区分为两种类型。清耕处理区，5月—8月分为一类，其余月份归为一类。自然生草区，6月—7月分为一类，其余月份归为一类。薄荷间作区，5月—7月分为一类，其余月份归为一类。节肢动物群落在时间上的分类与苹果树生长周期相一致，4月为苹果树开花期，这个时期的节肢动物群落正处于发育期；5月到9月为果实生长期，是节肢动物群落增长的高峰期；从10月开始果树进入休眠期，相对应的节肢动物群落进入衰退阶段。薄荷间作区的聚类分析情况与清耕处理区相比，在增长期的时间上有显著不同，薄荷间作区的节肢动物群落增长高峰期有明显的缩短趋势。

注：A是清耕处理区；B是自然生草区；C是薄荷间作区。Note:A is clear tillage; B is natural grasses; C is Mentha spicata L.图1 不同种植模式下节肢动物群落时间聚类分析Fig.1 Clustering analysis of arthropod communities in different intercropping patterns

2.2 间作薄荷对苹果园节肢动物群落的影响

2.2.1 节肢动物群落多样性特征 群落多样性是影响群落结构组成和稳定性的特征之一。在不同的种植模式下，苹果园节肢动物群落的多样性特征不同，见表1。自然生草区节肢动物群落显著高于其他处理。与清耕处理区和自然生草区相比，薄荷间作区节肢动物丰富度有所减少，丰度显著减少，优势度的变化并不显著，多样性和均匀度显著降低。说明间作薄荷能有效降低苹果园节肢动物群落的数量，对群落丰富度有一定的影响。同时，由于薄荷的间作降低了苹果园内节肢动物群落的多样性和均匀度。

2.2.2 不同种植模式下害虫与天敌的相关性分析 不同种植模式对苹果园中害虫与天敌的相互关系有影响，见图2。不同种植模式下害虫与天敌均呈正相关关系，天敌的数量随着害虫的增加而增加。清耕处理区(图2A)和自然生草区(图2 B)种植模式下，天敌和害虫的数量增长趋势相似。与清耕处理区和自然生草区相比，薄荷间作区(图2 C)的天敌和害虫的数量增长趋势更快。表明间作薄荷可以调节天敌和害虫的增长关系，薄荷间作天敌对害虫的控制效果更好。

表1 间作薄荷的苹果园节肢动物群落多样性特征Tab.1 Diversity characteristics of arthropod community in intercropping Mentha spicata L. apple orchard

注：小写字母为Tukey检验P<0.05。

Note: Small letters indicated significance ofP<0.05 by Tukey test.

注：A是清耕处理区；B是自然生草区；C是薄荷间作区。Note:A is clear tillage; B is natural grasses; C is Mentha spicata L .图2 不同种植模式下害虫与天敌的关系Fig.2 Relationship between pests and natural enemies under different intercropping patterns

2.2.3 不同种植模式下的群落主成分变化 利用群落多样性进行主成分分析，探究不同种植模式下节肢动物群落的组成差异，见图3。节肢动物群落及其害虫-天敌亚群落在群落的组成上有差异。节肢动物群落(图3A)在不同种植模式下，主要分为三个成分，清耕处理区和自然生草区的节肢动物群落组成具有相似性；薄荷间作区与清耕处理区和自然生草区分离，在组成上具有差异性。害虫亚群落(图3 B)和天敌亚群落(图3 C)的主成分情况与总群落相似。表明间作薄荷改变苹果园节肢动物群落以及害虫-天敌亚群落的组成结构。

注： A是节肢动物群落；B是害虫亚群落；C是天敌亚群落。Note: A is arthropod community; B is arthropod pest sub community; C is arthropod natural enemy sub community.图3 不同种植模式下节肢动物群落的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of arthropod community under different intercropping patterns

2.3 不同种植模式下植物化学物质多样性与节肢动物群落多样性的关系

为了探究间作薄荷对节肢动物群落变化的影响，分析不同种植模式下挥发性有机化合物的多样性与节肢动物群落的关系。三种不同种植模式下挥发性有机化合物的多样性排序为：薄荷间作区>清耕处理区>自然生草区，薄荷间作区的挥发性有机化合物种类最丰度，且主要以单萜类物质为主。三种不同种植模式下挥发性有机化合物的多样性与节肢动物群落(图4 A)和节肢动物冠层-林下群落(图4 B)的冗余分析具有相似性。节肢动物群落的丰度、优势度、均匀度与多样性之间呈正相关。三种不同种植模式下的挥发性有机化合物的多样性、优势度和均匀度与节肢动物群落的优势度、多样性、均匀度呈负相关，说明随着挥发性有机化合物的增多，节肢动物群落多样性降低。

注：A是节肢动物群落；B是冠层-林下节肢动物群落。图中字母：I-Richness(昆虫丰度)，I-Shannon(昆虫多样性)，I-Simpson(昆虫优势度)，I-Evenness(昆虫均匀度)，G-Simpson(气体优势度)，G-Shannon(气体多样性)，G-Evenness(气体均匀度)；Z-T-D(冠层群落丰度)，Z-T-S(冠层群落优势度)，Z-T-H(冠层群落多样性)，Z-T-E(冠层群落均匀度)，Z-A-D(林下群落丰度)，Z-A-S(林下群落优势度)，Z-A-H(林下群落多样性)，Z-A-E(林下群落均匀度)。Note:A is arthropod community; B is canopy-understory-arthropod community. Letters in the picture：I-Richness (Insect Richness), I-Shannon (Insect Shannon), I-Simpson (Insect Simpson), I-Evenness (Insect Evenness), G-Simpson (Gas Simpson), G-Shannon (Gas Shannon), G-Evenness (Gas Evenness); Z-T-D (Total canopy community abundance), Z-T-S (Dominance of total canopy community), Z-T-H (Canopy total community diversity), Z-T-E (Canopy total community uniformity), Z-A-D (Total community abundance under the tree), Z-A-S (Dominance of total community under the tree), Z-A-H (Diversity of total community under the tree), Z-A-E (Uniformity of total community under the tree).图4 不同种植模式下挥发性有机化合物多样性与节肢动物群落冗余分析Fig.4 RDA of VOCs diversity and arthropod community in different intercropping patterns

3 讨 论

植物挥发物是草食性昆虫与寄主植物沟通联系的重要化学信号[15]。一个昆虫的寄主植物和非寄主植物可能共享共同的挥发性有机化合物，这为昆虫适应寄主植物提供参与条件[16]。为了探究间作薄荷改变苹果园节肢动物群落的机制，对不同处理下的植物挥发性有机化合物的组成和多样性进行研究。不同种植模式下挥发性有机化合物的组成和多样性对节肢动物群落的组成结构有显著影响。与清耕处理区和自然生草区相比，薄荷间作区增加挥发性有机化合物的多样性，从而减少害虫亚群落的丰度。

利用植物化学信息素来调控天敌-害虫相互作用，是进行害虫生物防治的一种有效措施[17]。在昆虫与植物的信息交流中，萜类化合物具有很强的生态学作用[8]。例如，月桂烯对西部松小蠹(Dendroctonusbrevicomis)的产卵有促进作用[18]。天牛科、小蠹科的昆虫会被松树针叶的挥发物吸引，如α-蒎烯、β蒎烯[19]。果树释放的挥发物中含有的法尼烯对苹果蠹蛾(Cydiapomonella)的引诱作用较强[20]。在本研究中，间作薄荷释放的α-蒎烯、β-蒎烯、(+)-柠檬烯等萜烯类化合物就是植物诱导抗性中起关键作用的一类化合物。

芳香植物挥发性有机化合物具有趋避特性，通过趋避特性减少优势害虫的取食频率[21]，干扰害虫对生境的选择行为，降低害虫的产卵率和幼虫的成活率，从而使害虫的发生数量在整体上降低[22]。薄荷间作区和自然生草区对害虫亚群落与天敌亚群落有显著影响。苹果园植物多样性增加使整个节肢动物维持相对稳定，有效控制优势害虫爆发。芳香植物挥发性有机化合物的扩散范围和程度相关，而且不同的植物挥发性有机化合物与不同的害虫或天敌相互关系也不同[23]。关于具体种类的害虫或天敌对挥发性有机化合物的响应效果和机制仍需进一步的研究。

本研究从植物化学生态学的角度探究间作薄荷对苹果园微域环境下节肢动物群落的影响机制，植物挥发性有机化合物的释放是一个复杂的过程，其产生和排放受许多环境因素的影响。为了进一步研究，有必要验证芳香植物释放的不同挥发性成分的影响，合成植物挥发性物质的相同混合物对昆虫行为进行测试将有助于揭示间作植物影响昆虫分布的机制。在苹果园生态系统中对节肢动物群落的探索将大大改善虫害综合防治策略。