半干旱沙地小叶锦鸡儿种子虫害及其对种子质量的影响

2022-03-05胡鸿姣刘新平刘伟春林会全杨春宇张铜会何玉惠孙姗姗徐远志

草业科学 2022年1期

胡鸿姣，刘新平，刘伟春，林会全，杨春宇，张铜会，何玉惠，孙姗姗，程莉，徐远志

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院奈曼沙漠化研究站,甘肃兰州 730000；2.中国科学院大学,北京 100049；3.通辽市库伦旗农业技术推广中心,内蒙古库伦 028200；4.通辽市奈曼旗大柳树国有治沙林场,内蒙古奈曼 028300；5.中国科学院西北生态环境资源研究院皋兰生态与农业综合研究站,甘肃兰州 73000）

随着可持续发展的推进和退耕还林还草工程的实施，以及由此引发的畜牧业生产方式的重大变革，我国北方积极开展灌木造林和产业化利用工作[1]。其中，饲用灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)因防风固沙和水土保持性能优良[2]，以及营养价值和适口性较高[1]而倍受推崇，目前已成为我国干旱、半干旱地区的重要生态建设树种。小叶锦鸡儿种植面积的不断扩增使其种子产业日渐壮大，但随即而来的种子虫害问题也日益严重。例如在内蒙古自治区，各锦鸡儿属灌木产区的种子害虫危害程度均在++以上，虫株率达100%[3]；在宁夏荒漠地区，锦鸡儿属灌木种子害虫株害率为100%，豆荚受害率为34.2%[4]。前人研究表明，虫害造成的种子产量和品质严重下降，不仅影响小叶锦鸡儿的种植扩张及其种子的产业化生产[5]，还影响小叶锦鸡儿种群的自然更新及其固沙保土能力的发挥[6]。因此，种子虫害治理已成为提高小叶锦鸡儿生态效益和经济价值的首要任务。

已有研究发现，种子害虫主要通过寄生植株和利用寄主植物短暂的生育期完成其重要生长发育过程，从而造成种子籽粒不饱满，营养物质不足，表现为千粒重和发芽率等表征种子质量的重要指标下降[7]。此外，植株的繁殖资源分配格局和位置效应会影响植株不同部位的种子质量、形态、和数量等。例如，Triticum dicoccoide小穗不同部分的种子大小存在差异[8]；Peucedanumoreoselinum植株不同位置的种子质量不同[9]。这可能会影响害虫对植株寄生部位的选择。目前，我国控制锦鸡儿属灌木种子害虫蔓延的措施以种子检疫和平茬更新为主，但效果较差且费时费工[10]。国内外关于小叶锦鸡儿种子害虫的报道较少，并且多限于其危害程度的调查和杀虫剂种类的筛选，缺乏根据害虫侵害机理制定专向防治机制的研究[7]。因此，了解小叶锦鸡儿种子虫害在时间和空间上的发生、发展规律，探究其对种子质量的影响，进而对其进行综合治理，显得更加切实有效。

本研究以半干旱沙地小叶锦鸡儿为研究对象，探索种子虫害在小叶锦鸡儿结实期不同阶段和植株不同部位的发生率，统计虫害对小叶锦鸡儿种子质量的影响，以期为锦鸡儿属灌木种子害虫危害机理的研究及综合治理方案的制定提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地东南部奈曼旗境内(42°55′N、120°42′E)，海拔约为360 m，属于北温带半干旱大陆性季风气候。年均气温5.8～6.4 ℃，一年中5月 -9月是日均气温≥10 ℃最集中的时期。年降水量一般在310～500 mm，6月 -8月降水可占全年降水的70%以上。土壤属风沙土，有机质含量低，土壤肥力低下[11]。优势植物以多年生灌木小叶锦鸡儿、半灌木差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)以及多年生草本黄蒿(A.scoparia)等沙生植物为主[12]。

1.2 供试材料与试验设计

供试荚果采自内蒙古奈曼农田生态系统国家野外科学观测研究站周边沙地的结实期(6月初 -7月初)小叶锦鸡儿。共选取5 块标准样地，每块面积约2 亩(1 333.33 m2)，样地间隔5～10 km。采用平行线跳跃式取样法，每块标准样地取5 点，每点选择标准树5 株。分别于2020年6月9日(结实前期)、18日(结实中期)、27日(结实后期)和7月6日(结实末期)，在每株的东、南、西、北4 个方位各随机均匀采集荚果30 枚(兼顾植株的上、中、下3 个层次)，用于虫害率统计。7月上旬，小叶锦鸡儿种子已成熟[13]，故将7月6日采集的成熟荚果(果荚裂开但种子未掉落)同时用于测定的种子千粒重、发芽率、发芽势和出苗率。

1.2.1 虫害率统计

将采集的植株不同部位荚果带回试验室剥取种子，统计各部位的种子数(即结种量)和虫害种子数，计算种子虫害率。各方位虫害率=各方位虫害种子数/结种量×100%；虫害率=4 个方位虫害率总和/4。

1.2.2 千粒重测定

虫害率统计完毕后，将植株各部位的种子分别随机均分为两份，一份剔除虫害籽粒，即为虫害发生前的完整种子，另一份不做处理，即为虫害发生后的虫害种子。每个部位共2 个处理，每个处理5 次重复，每次重复50 粒净种子(人工随机数取)。将净种子置于通风条件良好的室内自然风干至恒重后，进行千粒重测定。用精度0.000 1 g 的电子天平称量，计算各部位的种子在剔除虫害籽粒前后的千粒重。

1.2.3 发芽试验

采用培养皿纸上发芽法。将种子均匀置于直径为110 mm 的培养皿中，放入光、温、湿度自动控制的培养箱中进行发芽试验(温度25 ℃、湿度50%、2 000 lx 强度光照8 h)[14]。处理和重复的设置同千粒重测定。萌发过程中适时补充水分以保持萌发床湿润，以“露白”为萌发标准，每24 h 检测1 次，观察记录发芽数，并将已萌发幼苗和腐烂死亡种子及时除去并记载。将连续5 d 内发芽数不足供试种子总数的1%作为发芽结束时间[15]。发芽势和发芽率分别按下述公式计算[16]：

发芽势=发芽高峰期发芽的种子数/供试种子数×100%；

发芽率=正常发芽的种子数/供试种子数×100%。

1.2.4 出苗试验

将种子播种在盛有沙壤土的塑料花盆(高85 mm，口径120 mm，底部有孔)中，并放在室内避风向阳的地方。处理和重复的设置同千粒重测定。播种深度为1～2 cm，温度为室温，光照为室内自然光照。播种前充分灌水，多余水分从盆底漏出，并视天气情况补充水分。播种后每天记录出苗和死苗情况，以两片子叶出土定义为出苗。将连续7 d 内未见新生幼苗作为出苗结束时间[17]。出苗结束后，将花盆中沙壤倒出，检查并统计种子发芽数。

出苗率=正常出苗的种子数/供试种子数×100%；

发芽率=实际发芽的种子数/供试种子数×100%。

1.3 数据处理

采用Excel 2019 和SPSS 25.0 软件对数据进行统计分析。采用重复测量(repeated-measures analysis of variance)和LSD 法对结实期不同阶段小叶锦鸡儿植株不同部位的结种量和虫害率进行方差分析和多重比较(α=0.05)，用单变量(univariate analysis of variance)和Duncan 法对小叶锦鸡儿植株不同部位完整种子和虫害种子的发芽率、发芽势、千粒重和出苗率进行方差分析和多重比较(α=0.05)。利用Excel 2019 作图。图中数据为平均值 ± 标准误。

2 结果与分析

2.1 小叶锦鸡儿种子虫害率

结种量在中期、后期和末期差异不显著(P＞0.05)；虫害率后期和末期间差异不显著，在植株不同方位间均无显著性差异 (图1)。植株结种量在结实初期最高(P＜0.05)，之后略有下降，并在结实中期趋于稳定(P＞0.05)。结实初期的结种量较其他阶段的平均结种量高出10.8% (P＜0.05)，即小叶锦鸡儿的成功结种率为89.2%。小叶锦鸡儿种子虫害率的平均变化表现为结实初期最低(P＜0.05)，为7.5%，之后显著上升至结实中期(P＜0.05)，达19.3%。在结实中期之后，虫害率稍有升高(P＜0.05)，并在结实后期趋于稳定，与结实末期无显著差异(P＞0.05)，其中结实后期和结实末期较结实中期分别升高了2.7%和4.4%。

图1 结实期小叶锦鸡儿植株不同部位结种量和虫害率Figure 1 Seed-set amount and pest rate of Caragana microphylla under different orientations in different bearing phases

2.2 小叶锦鸡儿种子质量

小叶锦鸡儿植株不同部位完整种子的千粒重、发芽率和发芽势均无显著性差异(P＞0.05)；小叶锦鸡儿植株各部位虫害种子的千粒重、发芽率和发芽势均显著降低(P＜0.05)，但在不同部位间差异不显著(P＞0.05) (图2)。其中，虫害导致小叶锦鸡儿种子的千粒重、发芽率和发芽势分别平均降低了30.7%、17.2%和34.7%。出苗试验结果显示，小叶锦鸡儿植株不同部位完整种子的出苗率和发芽率均无显著性差异(P＞0.05)，且完整种子的出苗率与发芽率差异不显著(P＞0.05)。小叶锦鸡儿虫害种子的出苗率和发芽率均明显降低，但两者在植株不同部位间均无显著性差异(P＞0.05)，且虫害种子的出苗率与发芽率差异不显著(P＞0.05)。小叶锦鸡儿种子的出苗率和发芽率分别平均为58.25%和61.75%。

图2 小叶锦鸡儿植株不同部位完整种子和虫害种子的出苗率、发芽率、千粒重和发芽势Figure 2 Seedling emergence,germination rate,thousand-grain weight,and germination potential of intact and pest-infested seeds of Caragana microphylla under different orientations

3 讨论

3.1 小叶锦鸡儿种子害虫的危害情况

在经过长期的自然选择后，部分昆虫与寄主植物在物候期(phenology)上存在相互适应性和同步性。已有研究表明，小叶锦鸡儿种子在5月下旬尚未发育，6月初出现种子生长高峰，6月中旬为结实中期，7月初种子大小基本确定[18]。小叶锦鸡儿种子的3 种主要害虫豆荚螟(Etiella zinckenella)、柠条豆象(Kytorrhinus immixtus)和柠条种子小蜂(Bruchophagus neocaraganae)的成虫期均在5月中旬至6月中旬，成虫羽化高峰期均在6月上旬，大部分幼虫均在7月上旬进入老熟阶段[19]。加之本研究发现，种子虫害率在小叶锦鸡儿结实初期至结实中期(6月9日-18日)之间急剧上升，而后在结实后期(6月27日)趋于稳定。因此得出，小叶锦鸡儿种子虫害的发生与其种子有限的生育期紧密相关，并且大部分害虫与小叶锦鸡儿种子已在生育期上达到了十分契合的程度。例如罗于洋等[3]和金花等[20]研究发现锦鸡儿属灌木种子害虫在花期便产卵，并且虫卵能够在种子萌动的时机孵化，从而充分利用种子充足的营养物质迅速生长发育，进而食害种子。此外，本研究发现小叶锦鸡儿结种量在结实初期之后稍有下降。这一方面可能是因为小叶锦鸡儿通过选择性败育淘汰不良基因型以提高后代个体适合度所形成的一种应对资源贫乏和干旱环境的生殖保障机制[21]。例如，发育初期的准噶尔无叶豆 (Eremosparton songoricum)荚果中有2～3 枚受精胚珠，但通常仅有1 枚成功发育成种子[22]。另一方面可能是由于虫害造成植株光合产物运输受阻等，从而导致结实初期的少部分种子因营养供应不足而干瘪或发育不良，最终发育失败，造成结种量降低[23]。

受地磁、阳光、风向、温度和湿度等环境因子影响[24]，同一植株不同部位的枝叶密度、形态特征和营养条件等可能存在较大差异，因而生理习性不同的昆虫会对植株不同部位表现出不同的偏好[25]。例如祁连圆柏(Sabina przewalskii)树冠南面和东面的种子受害率较高是因为圆柏大痣小蜂(Megastigmus sabinae)成虫具有趋光性，喜欢在光照较好、气温较高的枝条活动[26]；风向会影响一部分昆虫的散布[27-28]，如一种无刺蜜蜂，由于体型较小，产卵通常不到0.8 cm 长，因此对风的敏感度较高，偏好在植株的背风部位寻找花蜜或休息[29]；植株迎风部位由于食物质量、叶面蜜汁和花朵暴露在气流中，会增加蒸发和蜜汁浓度，则恰好迎合了另一部分昆虫的需求，如银合欢(Leucaena leucocephala)树冠朝北的枝条上有大量的咀嚼性食蚜虫和捕食性蚂蚁[30]。同时，也有昆虫对植株的水平部位无明显偏好。臭椿(Ailanthus altissima)和黑胡桃(Juglans nigra)树冠4 个部位(东、南、西、北)的卵块数量无显著性差异[30]；山东广翅蜡蝉(Ricania shantungensis)在栗树(Castanea mollissima)内4 个主要部位(东、南、西、北)的产卵偏好不显著[31]；以及本研究中，小叶锦鸡儿种子虫害率在植株不同方位(东、南、西、北)间差异不显著。本研究结果其一是由于灌丛的“沃岛效应”，单株小叶锦鸡儿四周不易受到其他植株的遮阴作用，从而植株水平位置的光照等外界条件一致，同一植株不同部位种子发育程度一致，进而害虫对不同部位种子无明显偏好，以及另一发现同一植株不同部位的结种量差异不显著。因此，植株不同水平位置的种子对害虫的吸引力一致，表现为植株不同部位的害虫危害程度差异不显著。其二，生境资源的限制会导致不同种类的小叶锦鸡儿种子害虫在同一植株内存在生态位的分离和生态位宽度的差异，表现为害虫对植株不同部位种子的取食情况或偏好不同。例如在对柠条(Caragana)主要害虫豆荚螟的寄生适应性进行研究时发现其在柠条东、南、西和北4 个部位中，均以南部聚集度最大、密度最高[32]；在调查柠条种实害虫的空间生态位时发现柠条豆象、豆荚螟和柠条种子小蜂在东、南、西、北4 个空间资源序列上的水平生态位宽度差异较大[19]。同时，物种间会通过降低生态位重叠或扩大生态位宽度以减少竞争。因此，结合自然选择学说和竞争排斥原理，笔者认为各种小叶锦鸡儿种子害虫的取食偏好在整个植株内可能恰好互补，所以本研究中植株不同部位的种子虫害率无显著性差异。

已有大量研究表明，在生产实践中，防治虫害的关键是选择正确的喷药时间，其次是喷施方法等。因此探明害虫与寄主植物在时间和空间上的契合点，有助于确定适宜防治时期，制定专向防治措施，同时为提高田间防治效果提供依据。本研究样地中，小叶锦鸡儿种子虫害率最高时达23.7%，与金花等[20]在2007年调查的内蒙古自治区各地锦鸡儿属植物种子虫害率平均为26.5%的结果相仿。可见，该地区锦鸡儿属植物种子害虫的危害情况依然十分严峻，急需采取积极有效的防治措施。本研究认为，可利用小叶锦鸡儿物侯期对其种子害虫进行短期预测，并在虫害程度达到高峰前(结实初期-结实中期)进行全株防治。应以在虫害程度达到高峰前进行田间药效防治为宜，即在结实初期至结实中期之间(6月9日-18日)。空中喷洒杀虫剂时应不管植株水平位置，彻底施用，同时杀虫剂的选择可倾向于专向灭杀幼虫或虫卵的类型。

3.2 小叶锦鸡儿种子虫害对种子质量的影响

种子萌发与幼苗建植是植物生活史中最关键也是最脆弱的阶段，对荒漠地区的植物种群更新和植被恢复具有重要意义[33]。种子质量是决定这两个过程成功与否的重要因素之一，是由种子的不同特性综合而成的一种概念，在农业上常用千粒重、发芽率和种子活力等指标表示。本研究发现，在未遭受虫害的情况下，小叶锦鸡儿植株不同部位的种子质量(出苗率、发芽率、千粒重和发芽势)均差异不显著。植株不同部位虫害种子的种子质量虽均显著下降，但在不同部位间仍差异不显著。笔者认为，导致这一现象的原因与前面导致小叶锦鸡儿植株不同部位种子虫害率差异不显著的类似，并且进一步验证了种子害虫对小叶锦鸡儿植株水平部位无明显偏好的结论。小叶锦鸡儿完整种子的出苗率和发芽率分别仅为81.25%和87.25%。此外，结实末期小叶锦鸡儿种子的虫害率为23.7%，则小叶锦鸡儿虫害种子的预期发芽率和出苗率应约为76.3%，而实际发芽率和出苗率较低，分别为58.25%和61.75%。结合试验观察，我们推测这部分完整却未发芽的种子主要是硬实种子或新鲜未发芽种子，以及少数受精未成功的干瘪种子[34]。

在遭受虫害后，小叶锦鸡儿种子的发芽率和发芽势分别显著降低了17.2%和34.7%，严重影响了种子的发芽能力以及种子发芽的快慢和整齐度[35]。此外，《林木种子质量分级》国家标准规定，Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级的小叶锦鸡儿种子的发芽率应分别不低于75%、65%和55%[36]。本研究中，小叶锦鸡儿虫害种子的发芽率较完整种子的降低了17.2%，仅为68.8%，可见虫害明显降低了当地小叶锦鸡儿的种子质量。同时，由于害虫食害小叶锦鸡儿种子造成籽粒不饱满[37]，千粒重平均降低了30.7%，将导致每亩地平均损失97.16～118.69 元(目前每斤锦鸡儿种子的市场价格稳定在55～70 元，小叶锦鸡儿种子的平均产量为43.03 kg·hm-2)。目前，仅我国西北地区的锦鸡儿属植物的自然分布和人工栽培面积已达数百万公顷以上[38]。可见，种子虫害将造成巨大的经济损失。

本研究将结实末期采集的成熟种子同时用于出苗试验，发现在未遭受虫害时，完整种子的发芽率与出苗率差异不显著，证明本研究采用的出苗条件较好，即气候条件(如温度[39])和种子自身条件(如顶土能力[35])等不影响小叶锦鸡儿种子的正常出苗。小叶锦鸡儿虫害种子的发芽率和出苗率仍差异不显著，但植株不同部位虫害种子的发芽率均稍高于出苗率。证明小叶锦鸡儿种子在遭受虫害后，若种子胚未被完全取食或破坏[40]，仍可能正常发芽，但由于虫害种子的胚乳营养物质不足，则可能无法正常出苗。