凹唇壁蜂的营巢生物学研究

窦飞越，李红英，宋海涛，寇若玫，周泽扬，罗阿蓉，黄敦元*

(1. 重庆师范大学重庆市媒介昆虫重点实验室，重庆 401331；2. 中国科学院动物研究所动物进化和系统学重点实验室，北京 100101；3. 烟台必丰农业科技有限公司，山东栖霞 265300)

植物依赖动物传粉是一种重要的生态系统服务，全球约87.5%的开花植物需要动物授粉，全球75%的主要粮食作物也需要动物授粉(贾翔宇等, 2018; Bentrupetal., 2019)，其中昆虫授粉功能占据非常重要的地位(徐环李等, 2009)。据统计，2015年，仅在中国的农业系统内，昆虫对22类主要农作物的授粉服务价值就达8 860.5亿元(欧阳芳等, 2019)。近年来，由于栖息地丧失、农药过度使用以及愈加规模化和集约化的农业发展，传粉昆虫面临多种风险因素，从而导致全球授粉功能的严重下降(Pottsetal., 2010; De Palmaetal., 2017; Boyleetal., 2020)。为了维持经济作物的授粉需求，研究者开始寻找并开发具有商业化潜力的其它传粉昆虫(Ryderetal., 2020)。20世纪中期，日本和美国等多个国家开始利用壁蜂为苹果、梨等果树授粉(Parker, 1981; Torchioetal., 1987; 魏枢阁等, 1991; 徐环李等, 1994)。上个世纪90年代中期，我国也开始广泛利用熊蜂为茄子、番茄、桃和梨等多种作物授粉(吴杰等, 2006)，并尝试从国外引进苜蓿切叶蜂Megachilerotundata帮助苜蓿授粉(徐环李等, 2009)，均取得了良好的效果。

壁蜂属Osmia隶属于昆虫纲Insecta膜翅目Hymenoptera蜜蜂总科Apoidea切叶蜂科Megachilidae(徐环李等, 1994)，全世界有80余种(闫卓等, 2018)。该属多数类群喜在土壁、石洞、墙壁等洞穴中筑巢，以采集花粉(蜜)为食并完成世代繁育(袁锋等, 1992)。诸多研究表明：壁蜂属多数物种因具有易管理、低成本和高传粉效率等特点，所以常作为人工放养野生蜜蜂被广泛应用于苹果、樱桃、梨等果树的授粉(魏枢阁和赵兰英, 1995; 魏永平等, 2000; 逮彦果, 2004)。

凹唇壁蜂OsmiaexcavataAlfken隶属于壁蜂属，广泛分布于我国山东、陕西、山西、河南、河北、新疆、辽宁、江苏等地区(魏永平等, 2001)。根据刘丽等(2019)在山东烟台对凹唇壁蜂的授粉价值的研究显示，该蜂对樱桃、苹果和梨的授粉经济服务价值分别超过180、600和50亿元。另外，相比其它授粉蜜蜂，凹唇壁蜂具有耐低温、日活动时间长、访花效率高、授粉范围集中及管理简单等优点(魏永平和袁锋, 1997)，因此，该蜂被认为是一种优良且可以规模化放养的野生传粉昆虫，在未来农业领域具有较大的应用前景(何伟志和周伟儒, 2009)。

人工巢穴技术(Trap-nesting)是根据诱集对象(包括野生蜜蜂和胡蜂类群)的筑巢习性，人为利用木头、竹子、纸筒或塑料管等中空材料来收集独栖性蜂类的一种方法(黄敦元等, 2012)。该技术可用于独栖性蜂的标本采集和生物学特性观察(黄敦元等, 2013)，也常用于生物多样性的分析(郭鹏飞等, 2018)及子代性别分配和亲本投资机制的研究(Staabetal., 2018; Gonçalves & da Costa, 2019)。本文利用人工巢穴技术在山东烟台、江西赣州和重庆沙坪坝地区收集放养的凹唇壁蜂，并对其营巢生物学进行系统的研究，旨在进一步明确其巢穴结构和营巢习性，为该蜂的科学管理和规模化利用作为依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

本研究野外试验于2020年3月至5月在山东烟台栖霞市(37°17′12″N，120°49′53″E；海拔180 m)、江西省赣州市赣县五云镇(25°59′36″N，114°49′41″E；海拔142 m)和重庆市沙坪坝区(29°36′56″N，106°17′46″E；海拔292 m)进行，其中该蜂的生活史研究主要在重庆市沙坪坝样地完成。

1.2 研究材料

本试验所用凹唇壁蜂蜂茧由烟台必丰农业科技有限公司提供。于2019年6月购买并存放在重庆师范大学媒介昆虫重点实验室冰箱中低温保存(4℃)。在野外试验开始前1周从冰箱中取出常温保存。

1.3 研究方法

1.3.1凹唇壁蜂释放和巢管安装

2020年3月至5月，分别在3个试验样地人工放养2 000头凹唇壁蜂滞育成虫，同时在每个样地内各安置3个人工巢箱(每个巢箱1 500根巢管)，人工巢箱的制作和安装参考Staab等(2014)。

1.3.2巢室分析

从3个试验样地收集凹唇壁蜂的筑巢巢管并带回实验室，使用解剖刀剖开约1/3的巢管，观察巢管内部结构，记录虫室数量，同时使用电子游标卡尺测量虫室长度、前庭长度、空室长度、间室长度及巢管内径(图1)。

1.3.3筑巢和访花行为的观察

野外对重庆沙坪坝样地内的凹唇壁蜂巢管进行不同颜色标记(n=10)，采取目测、追踪和摄像相结合的方法对刚开始筑巢的雌性个体进行连续4 d的野外观察，每天观察时间段为7 ∶00-18 ∶00，主要观察以及记录的数据有：环境的温度、雌蜂清理巢管的时间、采集筑巢材料的时间、携(粉)蜜回巢的时间及巢管内滞留的时间。另外，记录雌蜂到访(粉)蜜源植物的种类，同时摄像记录该蜂访花行为。

1.3.4幼虫发育观察

将已解剖的重庆沙坪坝样地内的凹唇壁蜂巢管置于试管内，用脱脂棉堵塞试管口，对巢管内的各虫态发育过程及行为习性进行记录，包括卵期、幼虫期和蛹期的发育时间以及各个阶段的形态特征等。

1.4 数据统计分析

实验数据储存和图形制作采用Excel 2016软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 生活史

凹唇壁蜂营独栖生活，在重庆沙坪坝地区1年发生1代，以成虫在茧内越冬。翌年的3月下旬，成虫陆续破茧出巢(雄蜂一般早于雌蜂1～2 d出巢)，在巢穴附近寻找(粉)蜜源植物，吸食花(粉)蜜补充营养并完成巡飞婚配。交配完成的部分雌蜂会飞回最初被释放的地点，选择并标记适合的巢管进行筑巢，采集花(粉)蜜制作蜂粮并完成产卵繁殖后代。重庆沙坪坝地区的雌蜂成虫活动期为30～45 d，卵期3～4 d、幼虫期20～25 d、蛹期25～30 d。幼虫取食完花粉团后便结茧化蛹进入前蛹期，8月到9月开始在茧内羽化成虫并开始越冬(表1)。

表1 凹唇壁蜂的生活史(重庆沙坪坝)

卵(图2-A)：呈乳白色半透明，月牙状形，微弯曲，表面光滑，长3.47±0.11 mm(n=10)，伏在蜂粮表面。随着日龄的增加，卵内卵黄蛋白等物质清晰可见，体表逐渐褶皱。3～4 d后，幼虫的形态基本形成，头部先破壳而出，并通过身体不断蠕动使卵壳逐渐脱落至尾端，等到幼虫发育至2龄时卵壳完全脱离。

幼虫(图2-A)：初孵幼虫体型跟卵粒一般大小，乳白色，咀嚼式口器，基本无移动能力，依靠深入蜂粮内的口器取食。随着日龄增大，幼虫体表呈淡黄色，部分为砖红色或淡灰色。到了3龄左右，幼虫围绕蜂粮呈“C”字形，后肠内的虫粪清晰可见，此时幼虫的进食行为和排泄行为可以同步进行。历经20～25 d取食完蜂粮后，幼虫通过身体运动将虫粪清理至虫室一端开始结茧进入前蛹期，并在之后的发育过程中始终保持头部朝向巢管出口。

蛹期(图2-B)：被蛹，结茧过程需2～3 d。初茧为白色后渐变为红褐色，外被一层具有固定作用的白色丝质膜粘附在管壁上，茧前端有一突起为茧封闭处。茧形状为椭圆形，长度8.06±0.10 mm(n=10)，茧直径与巢管内径基本一致。茧内初蛹呈乳白色，体粗肥，然后渐变为淡黄色再到黑褐色并进入前蛹期。8～9月幼虫陆续羽化，成虫在茧内以专性滞育状态越冬，翌年3月下旬成虫陆续破茧出巢。

2.2 雌蜂筑巢行为

2.2.1巢管选择及巢室结构

交配后的雌蜂一般回到羽化附近选择巢箱筑巢，通过多次进出巢管的方式，选择合适的巢管进行筑巢并繁殖后代。根据室内对筑巢巢管的解剖和测量发现，雌蜂偏好选择的巢管长度为25.66～209.69 mm，平均长度为121.86±48.44 mm(n=110)，选择的巢管内径范围为5.06～11.88 mm，平均内径为8.01±1.42 mm(n=110)。该蜂巢管内的巢室结构主要包括前庭(Vestibular cell)、虫室(Brood cells/provisioned cells)、间室(Intercalary cells)和空室(Empty cell)四个部分(图1)，长度范围分别为8.26～31.71 mm，6.13～23.85 mm，11.36～37.61 mm，5.28～21.47 mm，平均长度分别为18.24±7.24 mm(n=62)，12.84±2.72 mm(n=565)，20.92±8.88 mm(n=18)，11.64±5.39 mm(n=20)(表2)。

表2 凹唇壁蜂巢管的相关特性

2.2.2巢管清理

筑巢巢管确定后，雌蜂开始对巢内的芦苇芯等杂物进行清理，清理行为主要有3种：芦苇芯较小时，雌蜂会直接用上颚将其咬碎带出巢外；芦苇芯较大时，雌蜂会用前足将其抱住再带出巢外；芦苇芯较多时，雌蜂会将其先聚集到巢口，最后用腹部推出。整个清理过程需要20～35次完成，收集杂物时间范围在5～106 s，平均时间为38.73±19.75 s(n=92)(图3-A)，出巢处理杂物时间范围为2～54 s，平均时间为10.58±6.05 s(n=92)(图3-B)。

图3 凹唇壁蜂收集杂物时间(A)和出巢处理杂物时间(B)Fig.3 Time spent in collecting debris(A)and dealing with debris(B)of Osmia excavata

2.2.3筑巢材料采集

清理巢管结束后，雌蜂开始出巢挖掘附近新鲜的泥土并带回巢穴中构建巢室。首先雌蜂用上颚挖取泥团，然后带回巢穴，为避免材料凝固，雌蜂会立即开始筑巢。筑巢时雌蜂先构建巢管底部的隔板，通过上颚不断咬合沿巢管内壁向中心塑形(图2-D)。一块完整的隔板需要泥团数量为12～27个，雌蜂外出采集筑巢材料的单次时间为33～179 s，平均时间67.33±21.32 s(n=68)(图4-A)，巢内的滞留时间为22～211 s，平均时间58.08±18.90 s(n=68)(图4-B)。

图4 凹唇壁蜂采集筑巢材料时间(A)和携筑巢材料回巢滞留时间(B)Fig.4 Time spent in collecting nesting material(A)and duration of staying in the nest per material(B)of Osmia excavata

2.2.4蜂粮制作及产卵

当虫室隔板构筑完成后，雌蜂出巢采集花粉和花蜜。回巢后雌蜂会将蜜囊中的花蜜吐出，用后足卸下腹部的花粉，将花粉和花蜜混合一起制作蜂粮(图2-E)，一枚完整的蜂粮需要收集15～29次。蜂粮制作完成后，雌蜂在蜂粮表面产卵后用泥块封闭虫室并进入下一个虫室的构筑。雌蜂单次采集花粉和花蜜时间为125～1 234 s，平均为371.00±152.06 s(n=78)(图5-A)，处理花粉的时间为36～446 s，平均时间为104.39±37.58 s(n=78)(图5-B)。

图5 凹唇壁蜂采集(粉)蜜时间(A)和携(粉)蜜回巢滞留时间(B)Fig.5 Time spent in the pollen and nectar(A)and duration of staying in the nest each pollen and nectar(B)of Osmia excavata

2.3 访花习性与寄生天敌

凹唇壁蜂访花方式为顶采式，即访花时直接落在花朵雄蕊上，腹毛刷紧贴雄蕊并通过腹部运动采集花粉，或是用头部吸取花蜜(图2-F，G)。经过野外调查，发现凹唇壁蜂访问的野生(粉)蜜源植物主要有风轮菜Clinopodiumchinens、女贞Ligustrumlucidume、酢浆草Oxaliscorniculata，经济作物主要有苹果MaluspumilaMill、梨Pyursspp.、樱桃Cerasuspseudocerasus等。

通过野外观察和室内解剖发现，在雌蜂出巢收集花粉时，叉唇寡毛土蜂Sapygacoma会潜入已筑巢的巢管内部，并在蜂粮上产下自己卵(图2-H)。

2.4 雌蜂日采(粉)蜜活动规律

为探究雌蜂的访花规律，在重庆沙坪坝地区，对同一根已筑巢的巢管进行标记，跟踪该巢管内雌蜂的访花行为，记录其在不同天气下每2 h出巢采集粉(蜜)的次数，同时每2 h记录环境的温度。结果如图5显示，雌蜂采集花(粉)蜜的活动时间段为7 ∶00-19 ∶00，全天活动时间达到12 h，其中11 ∶00-15 ∶00期间为活动高峰期，17 ∶00-19 ∶00期间雌蜂随着气温下降以及傍晚的临近其活动频率骤然下降，在18 ∶00之后，雌蜂一般回巢准备过夜。在不同天气下(晴天和阴天)都显示出，雌蜂在7 ∶00-13 ∶00期间的活动频率随着气温的上升而在加快，但在晴天时的活动频率明显比在阴天时的活动频率高，当气温超过35℃时(13 ∶00)，雌蜂活动频率显示出下降趋势。

图6 雌蜂的日采(粉)蜜活动规律Fig.6 Daily pollen and nectar collection activities of the female注：A，晴天；B，阴天。Note: A, sunshine; B, cloudy.

3 结论与讨论

叉壁蜂OsmiapedicornisCockerell、角额壁蜂OsmiacornifronsRadoszkowski和紫壁蜂Osmiaexcanata等壁蜂属物种在我国均1年1代，成蜂在春季果树开花前后破茧出巢(袁锋等, 1992)。本研究发现凹唇壁蜂在重庆沙坪坝地区也是1年1代，3月下旬成蜂出巢活动，选择合适的巢管筑巢，采集花粉(蜜)制作蜂粮并繁殖后代。研究发现凹唇壁蜂在黑龙江地区的卵期通常为6～10 d，幼虫期15～20 d，蛹期25～30 d(刘畅等, 2015)，而该蜂在重庆沙坪坝地区的卵期只有3～4 d、幼虫期延长为20～25 d、蛹期为25～30 d，这一差异的结果可能与两地气候因素有关。温度在昆虫的生长和发育中起着重要作用，具体体现在温度对幼虫发育速度、神经发育及免疫系统的影响(McKinneyetal., 2017)。在早春的同一时期，南方的温度通常比北方高，更适合凹唇壁蜂发育，促进了卵期的发育过程，随着时间往后，南方的温度不断上升，超过了凹唇壁蜂发育的最适温度，延长了幼虫期的发育过程。

地上筑巢的独居蜂依赖于自然界现存的孔穴筑巢如石缝、枯木中的虫洞甚至蜗牛壳等(Seidelmannetal., 2016)，对这类独居性蜂而言，选择适宜的筑巢空穴对其后代的生存和发育至关重要。研究表明，巢管内径大小可以影响独居蜂后代性比及体型，通常在内径较小的巢管中，其后代性比偏向雄性且体型较小，而在内径较大的巢管中，其后代性比偏向雌性且体型较大(Polidorietal., 2011; 王丽娜等, 2018)。凹唇壁蜂也是典型的利用自然界现存空穴筑巢的物种，在人工提供的芦苇管下，凹唇壁蜂会在巢管内筑巢并且其行为会受到选择的巢管大小影响，该蜂选择的巢管内径与其体型一般大小时，会限制该蜂在巢管内的活动范围，特别是在携花粉回巢时，雌蜂需要多次进出巢管以便将身上的花粉完全卸掉，而该蜂选择的巢管内径过大时，又会增加修筑单个隔板所花费的时间。

独居性蜂的巢室由空室(Empty cell)、虫室(Brood cells/provisioned cells)、间室(Intercalary cell)、前庭(Vestibular cell)共4部分组成(Gonçalves and da Costa, 2019)。室内解剖巢管发现，凹唇壁蜂的巢内也具有这类结构(图2-I)，但其中间室、空室及前庭部分并非所有的筑巢巢管都具有。在Natalie等(2019)对另一种壁蜂属Osmialignari的研究中，该蜂的巢管结构与凹唇壁蜂一致。有趣的是，凹唇壁蜂和Osmialignari都表现出减少甚至去除间室、前庭和空室部分，以获得更多的空间而用于虫室的构建。这种营巢策略相比其它蜾蠃类群的独居蜂有很大的差异。在关于蜾蠃类群的相关研究中可以发现，这类蜂的筑巢巢管内具有多个间室和虫室，通常一个虫室紧连着一个间室(黄敦元等, 2013; Gonçalves and da Costa, 2019)。但对于凹唇壁蜂而言，其间室仅有一个甚至没有，研究表明，在(粉)蜜源充足、天气较好的晴天，凹唇壁蜂单个巢管内可建8～12个巢室(徐环李等, 1994)。

蜜蜂的营养需要花粉、花蜜和水来提供，(粉)蜜源植物多样性和数量影响蜜蜂的抗病性和寿命(Brodschneider & Crailsheim, 2010; Degrandi-Hoffman & Chen, 2015)。本研究观察到凹唇壁蜂授粉的经济作物有苹果、梨和樱桃等果树，而授粉的野生植物有风轮菜、女贞和酢浆草等。为了更多的掌握凹唇壁蜂的觅食偏好，还需要后续进一步的研究。