西双版纳入侵长足捷蚁与土著黄猄蚁的种间竞争

吕晓艳, 刘 霞, 张 媛,*

(1. 西南林业大学云南生物多样性研究院, 昆明 650224; 2. 西南林业大学生物多样性保护学院, 昆明 650224)

生物入侵作为当今世界最为棘手的生态难题之一，直接影响着国际贸易、农业生产、生态环境及生物多样性等问题(Earlyetal., 2016; Wan and Yang, 2016)。近年来，由于世界范围内贸易和旅游业的快速发展，外来入侵物种的传播途径显著增加，传入的风险也急剧上升，因为外来生物入侵而引发的环境及生态问题也日趋严峻(Linetal., 2011)。入侵物种能够通过竞争减少本地物种的个体数量，甚至导致其消失，从而破坏生物多样性。目前国内外已开展了一些针对外来入侵物种对本地物种影响的研究，结果表明：外来物种可以通过多种途径影响土著物种，入侵物种往往凭借行为和个体数量的优势来取代本地物种，并对本地群落的变化起重要作用(Abbott, 2005; Dunham and Mikheyev, 2010)。这已成为一些地区群落多样性丧失的最主要原因之一(Wilcoveetal., 1998)。入侵昆虫作为外来入侵物种的重要组成部分，因其强大的繁殖能力和扩散适应能力，入侵的成功率较高(李红梅等, 2005)，造成严重经济损失及生态灾难的几率也更高。在众多的入侵昆虫中，蚂蚁被认为是造成生物多样性显著下降的代表性类群，会对入侵区域的生物多样性构成严重威胁(Wetterer, 1997; Christian, 2001)。它的影响作用有很多方面，如通过竞争和捕食影响其他地表节肢动物，在多级营养水平上破坏本地蚂蚁群落的动态和结构，以及破坏本土蚂蚁与植物之间已经形成的稳定的互利共生关系等(Holwayetal., 2002; Nieetal., 2019; 王亮等, 2020)。例如在很多地方形成较大危害的红火蚁Solenopsisinvicta，通过更强的种间竞争，导致本地蚂蚁减少甚至消失(Stiles and Jones, 1998)。

在我国热带和亚热带地区(如云南、广西、海南、广东、福建等地)，由于适宜的自然环境和气候因素，为外来入侵物种的定殖、扩散和暴发提供了适宜的气候和食物条件，是外来入侵物种发生与危害的重灾区(齐国君和吕利华, 2018)，近年来外来有害昆虫入侵所引发的生物灾害及生态安全问题日趋严峻(齐艳红等, 2004; 丁晖等, 2011)。在云南西双版纳地区，我们发现在其他地区已经形成严重入侵的长足捷蚁Anoplolepisgracilipes分布逐渐扩大，在一些植物上，甚至逐渐超过了优势种黄猄蚁Oecophyllasmaragdina的个体数量。长足捷蚁Anoplolepisgracilipes，隶属于膜翅目(Hymenoptera)蚁科(Formicidae)蚁亚科(Formicinae)捷蚁属Anoplolepis，在IUCN收录的全球100种最具破坏力的入侵生物名录中，包括5种蚂蚁，长足捷蚁是其中的一种(Loweetal., 2000)，其食性杂、攻击力强，不仅能捕食其他蚂蚁种类，还能取食或杀死蜗牛、螃蟹、鸟类等无脊椎动物和脊椎动物，导致入侵地区生物多样性显著降低(Hilletal., 2003; O′Dowdetal., 2003; Matsuietal., 2009)。在长足捷蚁严重入侵的夏威群岛、塞舌尔群岛(Brühl and Eltz, 2010)等地，不仅给这些地区造成了严重的生态影响，还大大降低了这些地区的生物多样性，被公认为严重的生态环境入侵种(徐梅等, 2007)。此外，长足捷蚁能与分泌蜜露的昆虫发生种间互作，引起农业害虫蚜虫(Aphidoidea)、蚧壳虫(Coccoidea)等种群密度升高，间接加重农业病虫害(Greenetal., 2011)。研究发现，长足捷蚁喜在人工种植的橡胶林发生，影响橡胶林的产量，而且蚁酸能够引起胶农皮肤红肿等症状，危害胶农健康(钟卫华和冯旭祥, 2007; 白建相等, 2012)。目前我国学者对入侵蚂蚁的研究，主要是针对入侵较为严重的红火蚁开展，而对IUCN收录的全球最具破坏的5种蚂蚁之一的长足捷蚁仅有少量报道(徐梅等, 2007; 钟卫华和冯旭祥, 2007; 张彦静等, 2018a; Nieetal., 2019)，对其行为学、生物学及生态学等特征的研究也基本是空白。

作为热带和亚热带陆地和森林生态系统的优势物种，以及世界上最早的生物防治先例(Hölldobler and Wilson, 1977)，黄猄蚁在西双版纳生态系统中占据着重要的地位。黄猄蚁隶属于膜翅目(Hymenoptera)蚁科(Formicidae)蚁亚科(Formicinae)织叶蚁属Oecophylla，由于其广食性和较强的攻击性(Azumaetal., 2002)，能够捕食西双版纳地区的多种昆虫，是西双版纳地区的蚂蚁优势种，对维系该地区的生物多样性起着重要的作用(周树杰等, 2014)。长足捷蚁是否会对西双版纳地区土著优势种黄猄蚁的存活带来影响，目前还未开展研究。基于长足捷蚁对生物多样性及生态环境影响的报道(Brühl and Eltz, 2010; 张彦静等, 2018b)，以及我们观察到的西双版纳地区长足捷蚁和黄猄蚁的发展现状，本研究拟从两种蚂蚁行为、食物资源竞争以及对环境的耐受性等方面入手，研究长足捷蚁与西双版纳地区优势种蚂蚁-黄猄蚁之间的关系，以期进一步了解长足捷蚁的行为特征，并对长足捷蚁种群在西双版纳地区可能的发展趋势提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点

研究样地位于中国科学院西双版纳热带植物园内，该园位于中国云南省西双版纳傣族自治州勐腊县勐仑镇，地处印度马来热带雨林区(简称远东热带雨林)北缘(20°4′N, 101°25′E)，终年受西南季风控制，属热带季风气候，海拔570 m，年平均气温21.4℃。属北热带季风气候，热量丰富，降水量充沛，一年季节可分为旱季(11月-翌年4月)和雨季(5-10月)。其中旱季又可分为雾凉季(11月-翌年3月)和干热季(4-5月)，最热月(6月)平均气温25.7℃，最冷月(1月)平均气温16.0℃，终年无霜(刘文杰和李红梅, 1997)。

1.2 供试昆虫

室内试验所需长足捷蚁及黄猄蚁均采自中国科学院西双版纳热带植物园内。所用蚂蚁采集自具有蚁后和工蚁的种群，本研究中所有蚂蚁均为在巢穴外活动的工蚁，带回实验室放置于昆虫采集管内(直径20 mm)，用潮湿棉花堵住管口，每天喂以20%的糖水，并放置于25℃，相对湿度80%的黑暗恒温室进行保育。

1.3 两种蚂蚁工蚁体型大小比较观测

每种蚂蚁分别选择3个具有蚁后和幼虫的完整蚁群，每个蚁群之间距离至少50 m，以防止蚁群活动重叠的可能。每个蚁群随机采集巢穴外活动的工蚁10头，用软毛笔将其引入昆虫采集管中，每种蚂蚁分别采集30头。将其浸泡于75%的酒精中，滴入两滴丙三醇以防止脱水，带回实验室并在莱卡(Leica S4E)体视镜下测量两种蚂蚁的头长、头宽及体长，并计算头面积，头面积=头长×头宽。

1.4 两种蚂蚁觅食活动规律调查

为研究两种蚂蚁在不同降水量和温度下，在巢穴外的觅食活动规律，分别在雨季(6月)和旱季中的雾凉季(1月)，在中国科学院西双版纳热带植物园内选取50 m×50 m样地两块，每块样地内，每隔5 m左右选择一株试验用树，采用直接抽样法，在每天8∶00-20∶00，每间隔2 h观察一次，采用目光搜寻法，记录目光搜寻到的两种蚂蚁的种类和个体数量。每次10 min，若第1天观察到黄猄蚁或长足捷蚁中的至少其中一种，则作为试验用树，若两种蚂蚁均未观察到，则不再作为试验用树。对试验用树，连续观测5 d，采用目光搜寻的方法调查蚂蚁群落，调查时两人面对面站立，记录观察到的黄猄蚁和长足捷蚁的个体数量。

1.5 两种蚂蚁对食物资源竞争能力比较

将3个杯口直径为8 cm的一次性塑料杯剪掉杯体，留下深1 cm左右杯底，将约25 g的苹果切块、火腿肠切片，以及10 mL 50%的蜂蜜水分别放置于杯底，对长足捷蚁和黄猄蚁进行了诱集，将准备好的诱饵放在存在长足捷蚁和黄猄蚁树周围，选择每种蚂蚁栖息树各3株，3种诱饵摆放在距离树干2 m处，食物诱饵间约相距2 m。放置诱饵后肉眼持续观察，直到观察两种蚂蚁最快搜寻到食物的时间。诱集工蚁数统计方法为：放置诱饵后，每30 min肉眼观察并统计一次工蚁数量，共观察2 h，取最多的一次工蚁数量作为召集的最大工蚁数。每天上午9∶00-11∶00诱集，每隔5 d诱集一次，总共诱集5次，每种处理共15次重复。

1.6 两种蚂蚁的攻击行为观测

收集长足捷蚁和黄猄蚁，为避免同种间打斗，每次采集的同一种蚂蚁均来自同一巢穴，选取体型大小相近的工蚁，每一头单独放置于干净的昆虫采集管内(直径20 mm)，带回实验室，将其放入-5℃冰箱中8 min使其昏迷，然后用软镊子将其快速放置于干净培养皿(直径110 mm)，一般20 s左右蚂蚁会醒过来，若不能醒来的蚂蚁则弃用。培养皿中的蚂蚁共设计3种组合：1头长足捷蚁和1头黄猄蚁(组合1)，5头长足捷蚁和1头黄猄蚁(组合2)，1头长足捷蚁和5头黄猄蚁(组合3)，每个试验设计均采集3批蚂蚁，每批蚂蚁来自同一个蚁群，共3个蚁群。每批蚂蚁进行10次重复，每种组合均为30次重复。从蚂蚁放入培养皿开始观察，记录是否打斗，30 min内无打斗行为的记录为不打斗。若产生打斗，按以下4个级别(Grangieretal., 2007)划分攻击强度：Ⅰ级，短时间(<1 s)触角接触；Ⅱ级，长时间(>1 s)触角接触；Ⅲ级，举起腹部并张开上颚，或者迅速爬到另一方背部；Ⅳ级，互相攻击纠缠在一起或者一方强烈攻击另一方(用上颚颊)。30 min后，记录每个种的死亡个体数并计算死亡率。蚂蚁死亡的判断标准为：镊子碰触后不动的，或身体严重弯曲不能站立的个体定为死亡个体。

1.7 两种蚂蚁的饥饿耐受性测定

收集中等大小的，在巢穴外觅食的长足捷蚁和黄猄蚁工蚁，为防止蚂蚁间互相干扰影响其存活时间，将每头蚂蚁放置于一个单独的洁净的昆虫采集管内(直径20 mm)，管口用无菌棉塞住保持透气。每种蚂蚁设计5组试验，每组蚂蚁均来自同一蚁群，共5个蚁群。每组试验均为10头工蚁，共50个重复。将装有蚂蚁的指形管放置于人工气候箱内(赛福PRX-350C)，人工气候箱设置为25℃，光周期为12L∶12D，相对湿度为80%。每天8∶00, 16∶00及24∶00分别对蚂蚁的存活情况进行检查，以镊子碰触后不动的记录为死亡，持续记录直到所有蚂蚁死亡。

1.8 数据分析

试验数据采用Excel 2010进行数据整理，采用SPSS Statistics 24.0软件进行数据分析。用独立样本t检验(independent samplest-test)分析两种蚂蚁的体型大小；采用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较两种蚂蚁的觅食时间和工蚁数量；采用行×列表卡方检验(Chi-square test)分析不同组合蚂蚁的打斗行为差异；采用Fisher氏确切概率法(Fisher’s exact test)分析不同组合蚂蚁打斗的死亡率；采用时序检验(log-rank test)比较分析两种蚂蚁的生存曲线；采用秩和检验(rank sum test)分析两种蚂蚁的平均存活时间差异。

2 结果

2.1 两种蚂蚁工蚁体型大小比较

通过独立样本t检验分析结果显示，长足捷蚁的体长显著小于黄猄蚁体长(P<0.05)，另外头长、头宽及头面积也均显著小于黄猄蚁(P<0.05)(表1)。

表1 长足捷蚁和黄猄蚁工蚁体型大小对比Table 1 Comparison of body size between Anoplolepis gracilipes and Oecophylla smaragdina workers

2.2 两种蚂蚁觅食活动规律

试验共调查了8株树上蚂蚁在巢穴外的觅食活动规律，调查结果显示：在雾凉季时，在从8∶00-20∶00之间，均有观察到两种蚂蚁的活动，但长足捷蚁从8∶00-20∶00之间，活动强度变化不大，而黄猄蚁在8∶00时活动的个体数量少，10∶00后活动的蚂蚁个体数量迅速增加，12∶00后活动的个体数量减少，直至20∶00间活动的个体数量变化不大(图1: A)。而在雨季时，两种蚂蚁在早上8∶00的活动的个体数量最多，之后逐渐下降，黄猄蚁在下午16∶00左右时活动的个体数量降到最少，而长足捷蚁在下午12∶00左右降到最少，之后两种蚂蚁活动的个体数量均缓慢上升(图1: B)。

图1 长足捷蚁和黄猄蚁在雾凉季(A)和雨季(B)的巢穴外觅食活动规律Fig. 1 Foraging activity patterns outside the nest of Anoplolepis gracilipes and Oecophylla smaragdinain cold fog season (A) and rainy season (B)

2.3 两种蚂蚁的食物资源竞争能力比较

在试验设置的3种食物诱饵中，长足捷蚁先于黄猄蚁搜寻到苹果(F1.28=85.73,P<0.01)和蜂蜜(F1.28=23.13,P<0.01)，搜寻火腿肠的时间两种蚂蚁无显著差异(F1.28=0.70,P=0.41); 召集的最大工蚁数在3种食物诱饵上也呈现不同结果，长足捷蚁在苹果(F1.28=31.38,P<0.01)和蜂蜜(F1.28=107.65,P<0.01)上召集的最大工蚁数均大于黄猄蚁，而在火腿肠上黄猄蚁召集的最大工蚁数大于长足捷蚁(F1.28=23.04,P<0.01)(表2)。

表2 长足捷蚁和黄猄蚁在觅食时间内工蚁召集数量比较Table 2 Comparison of the maximum number of recruited workers within foraging timein Anoplolepis gracilipes and Oecophylla smaragdina

2.4 两种蚂蚁的攻击行为

当培养皿中有1头黄猄蚁和1头长足捷蚁的工蚁存在时，未打斗和Ⅰ级攻击强度打斗占77.5%，而当1头长足捷蚁和5头黄猄蚁，或5头长足捷蚁和1头黄猄蚁同时存在时，主要以高级别(Ⅲ级和Ⅳ级攻击强度)的打斗为主，两种组合高级别打斗比率分别为70%和60%，卡方检验结果表明3种不同组合之间打斗行为存在显著差异(χ2=890.61,P<0.001)。观察3种组合中，两种蚂蚁均不会主动攻击对方，攻击行为均只在蚂蚁相遇时发生，同种间鲜有互相攻击(图2: A)。

图2 长足捷蚁和黄猄蚁工蚁不同打斗组合的攻击强度(A)和死亡率(B)Fig. 2 Attack intensity (A) and mortality (B) in different fighting combinations of Anoplolepis gracilipesand Oecophylla Smaragdina workers组合1 Combination 1: 1头长足捷蚁和1头黄猄蚁One individual of A. gracilipes and one individual of O. smaragdina; 组合2 Combination 2: 5头长足捷蚁和1头黄猄蚁Five individuals of A. gracilipes and one individual of O. smaragdina; 组合3 Combination 3: 1头长足捷蚁和5头黄猄蚁One individual of A. gracilipes and five individuals of O. smaragdina.攻击强度等级划分参见Grangier等(2007)。For the categories of attack intensity, refer to Grangier et al. (2007).

在不同种蚂蚁个体数量的组合中，死亡率也存在差异，当1头长足捷蚁和1头黄猄蚁存在时，半小时内长足捷蚁和黄猄蚁的死亡率分别为7.5%和0，黄猄蚁死亡率小于长足捷蚁(P<0.001)；当5头长足捷蚁和1头黄猄蚁存在时，长足捷蚁和黄猄蚁的死亡率分别为4.5%和32.5%(P<0.001)；而当1头长足捷蚁和5头黄猄蚁同时存在时，长足捷蚁和黄猄蚁死亡率分别为40.0%和4.0%(P<0.001) (图2: B)，说明两种蚂蚁均存在种内协作行为。

2.5 两种蚂蚁工蚁饥渴状态下的存活时间对比

在不饲喂水和食物的情况下，Wilcoxon秩和检验分析二者的平均存活时间，结果表明长足捷蚁与黄猄蚁平均存活时间差异不显著(Z=-1.30,P=0.19) (图3: A)。Log-rank时序检验对生存曲线进行分析也表明，长足捷蚁的存活情况与黄猄蚁差异不显著(χ2=2.66,P=0.10) (图3: B)，但长足捷蚁在饥渴状态下，最长可存活120 h，而黄猄蚁最长可存活96 h，长足捷蚁具有更大的种内变异。

图3 饥渴状态下长足捷蚁和黄猄蚁工蚁的平均存活时间(A)和存活率随存活时间的变化(B)Fig. 3 The average survival time (A) and change of the survival rate along survival time (B)of Anoplolepis gracilipes and Oecophylla smaragdina workers without food and water supplied

3 讨论

我们的研究首次选取分布在云南西双版纳地区的长足捷蚁，研究其与本地优势种蚂蚁黄猄蚁之间的竞争，结果发现，在温度较低的雾凉季，在每天早8∶00-20∶00，长足捷蚁的觅食活动强度差异不大(图1)。结果说明至少在这一时间段内，长足捷蚁能够持续不断地活动和搜寻食物，而黄猄蚁在早上10∶00为活动高峰，其他温度较低或较高的时段，黄猄蚁的活动明显减少，也说明长足捷蚁可能具有更强的适应温度的能力。前人在印尼爪哇岛开展的研究也表明，长足捷蚁活动能力强，能昼夜不停地搜索食物，适生性强(Abbott, 2005)。长足捷蚁除了搜寻食物时间较长外，搜寻食物的速度也更快：其搜寻苹果和蜂蜜的时间显著快于黄猄蚁，且从召集工蚁数量来看，长足捷蚁的食性更广(表2)。入侵蚂蚁要形成入侵，需要具备两项特征，即广食性以及较低的种内竞争(Holwayetal., 1998)，而对含糖物质的争夺也可能是促进蚂蚁入侵的条件之一(Lach, 2003)。已有研究表明，糖类物质可直接激发红火蚁工蚁争夺蛋白质以及保卫领地和建立种群等的能力(Nessetal., 2009; Wilderetal., 2011; Rudolph and Palmer, 2013)。从3种食物诱集到的工蚁数来看，在苹果和蜂蜜上，诱集到的长足捷蚁工蚁数大于黄猄蚁工蚁(表2)，说明在这两种食物上，长足捷蚁具有较高效的召集同伴捕食的能力。在蚂蚁类群中，种间竞争能力往往取决于对食物资源的竞争(Wilderetal., 2011)，已有的一些研究也证实了入侵蚂蚁能够通过占据更多的食物资源成功定殖并取代本地蚂蚁(Human and Gordon, 1996; Holwayetal., 2002)。我们的研究结果暗示长足捷蚁也可能具有相较于黄猄蚁更强的竞争食物资源的能力，从而为其种群的快速发展提供可能。

人工控制试验还表明，当1头长足捷蚁和1头黄猄蚁共存时，攻击强度弱。而当1头黄猄蚁和5头长足捷蚁同时存在时，两种蚂蚁的相互攻击强度增加，同样的现象也发生在1头长足捷蚁和5头黄猄蚁同时存在时，且这两种组合的攻击强度基本一致，死亡率也无显著差异(图2)。结果暗示，在局限的空间中，长足捷蚁的攻击能力与黄猄蚁相当。在1对1打斗试验中长足捷蚁打斗能力较弱，这可能是由于该种蚂蚁在个体试验中倾向于避免对抗，而在群体攻击试验中打斗能力增强，暗示长足捷蚁具有种内合作的行为，可能是一种行为适应机制(Nieetal., 2019)。在自然界，根据我们的观察，西双版纳地区长足捷蚁的移动速度相较黄猄蚁更快，已有研究通过对比红火蚁、长足捷蚁等6种蚂蚁后发现长足捷蚁的运动速度远快于包括红火蚁在内的其他5种蚂蚁(Nieetal., 2019)，暗示长足捷蚁在自然状态下，当打斗处于劣势时，可能具有较快的逃逸速度。我们的研究还表明，长足捷蚁工蚁的体型大小显著小于黄猄蚁(表1)，但在饥渴状态下其存活时间与黄猄蚁差异不大(图3: A)。在人为创造的极端情况下，缺乏统一指挥和种间协作，寿命可能受到影响，在自然状态下，长足捷蚁的寿命可能比实验室环境下更长。虽然长足捷蚁的体型大小较小，但却具有与西双版纳优势种黄猄蚁相似的寿命，对于长足捷蚁的寿命前人还未开展过深入研究，今后可以从更多角度研究长足捷蚁的寿命及其适应机制。

作为西双版纳地区土著蚂蚁，黄猄蚁在西双版纳蚂蚁群落中占据着重要地位，个体大，食性广，种群个体数量大(孟令曾和高秀霞, 2007)，攻击性强(陈发军和李建军, 2012)，可以捕食西双版纳地区的多种昆虫(周树杰等, 2014)，也被用做重要的生防昆虫。我们的研究表明，西双版纳地区的长足捷蚁，每天的觅食活动时间相较于黄猄蚁更长，且具有比黄猄蚁更快的运动速度和同伴召集能力，以及较广的食性，可能有利于其在种间争夺食物资源的能力(Pearce-Duvetetal., 2011)，而在存活时间、攻击能力等方面，与西双版纳优势种黄猄蚁相近，说明西双版纳地区的长足捷蚁可能具有较强的适应能力和生态竞争力，长足捷蚁的这些特征可能是其广泛分布的原因。而与黄猄蚁的生态竞争研究结果也暗示，长足捷蚁在西双版纳地区，有种群进一步扩大的可能。除了直接对土著蚂蚁的影响之外，长足捷蚁因为在植物下筑巢，破坏植物根系, 导致树势衰弱甚至死亡(O′Dowdetal., 2003)，故长足捷蚁可能通过更多途径对生物多样性带来负面影响。在世界上一些地区，例如夏威夷群岛、塞舌尔群岛等地区，已经发现长足捷蚁给当地带来了较大的生态危害(Brühl and Eltz, 2010)。目前在我国，关于长足捷蚁生态危害的研究开展得较少。本研究对进一步认识长足捷蚁与西双版纳优势种蚂蚁之间的物种关系，以及长足捷蚁的扩散潜力提供了科学依据。我们的研究说明长足捷蚁具有较强的生态竞争能力，未来有必要开展更多的长足捷蚁和其他蚂蚁之间竞争的研究，以便弄清其生态行为特征，从而为下一步的预测和防治提供科学依据。