邱 佩,崔遠(yuǎn)來,羅玉峰,劉 博,韓煥豪
(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072)
節(jié)肢動物是稻田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,物種多樣性有助于稻田害蟲控制及可持續(xù)種植。水稻集約化管理、灌溉、農(nóng)藥、化肥和除草劑等過度的采用降低了生物多樣性,往往導(dǎo)致蟲害的嚴(yán)重發(fā)生[1-4]。結(jié)果不但影響作物的生長與產(chǎn)量,還會造成稻田生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為控制害蟲、保護天敵、消除環(huán)境污染等,節(jié)肢動物群落生物多樣性保護具有重要意義[5]。
目前,針對稻田節(jié)肢動物群落多樣性的研究多是有機栽培、稻鴨共作、不施用農(nóng)藥的生態(tài)管理、不同耕種方式、多種植物進(jìn)行配置種植的多作措施以及施肥等田間管理方式對稻田節(jié)肢動物群落多樣性的影響[6-11],而對節(jié)水灌溉條件下的稻田節(jié)肢動物群落的變化比較研究較少。付浩龍等[12]對控制灌溉下的稻田節(jié)肢動物群落多樣性進(jìn)行了初步的探索。本文以間歇灌溉為例,研究節(jié)水灌溉對水稻不同生育期節(jié)肢動物群落組成及物種多樣性的影響,以期為節(jié)水灌溉稻田蟲害控制及多樣性保護提供科學(xué)依據(jù)。
試驗區(qū)位于江西省灌溉試驗中心站,屬鄱陽湖流域(116°00′E、28°26′N),海拔22 m,為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū),多年平均氣溫18.1 ℃,平均降雨量1 634.3 mm,年平均日照1 720.8 h,平均蒸發(fā)量1 139.0 mm。供試土壤為粉壤土,容重1.34 g/cm3。耕層土壤含全氮1.02 g/kg,全磷0.29 g/kg,速效鉀74.8 mg/kg,有機質(zhì)17.33 g/kg,pH值6.8。
試驗區(qū)為早稻-晚稻-紫云英作物種植結(jié)構(gòu)。早稻在4月下旬至7月中旬,降雨豐富,僅需灌水1~3次。晚稻在7月末至10月中旬,氣溫炎熱,雨量少,為滿足作物需水,灌水次數(shù)可高達(dá)13次。為研究節(jié)水灌溉對節(jié)肢動物群落多樣性影響,對2014年晚稻進(jìn)行田間試驗,水稻品種為特優(yōu)923。
設(shè)置傳統(tǒng)淹水灌溉(以下簡稱淹灌)和間歇灌溉田塊小區(qū),2種處理3次重復(fù),小區(qū)面積75 m2,隨機排列并以水泥埂隔離。田間水分管理設(shè)計如表1。淹灌稻田田間長期處于有水狀態(tài),當(dāng)田面無水層時灌水[13];間歇灌溉主要采取淺水層、干露(無水層)相間的方式,即從水稻分蘗前期開始,當(dāng)田面落干至無水層后隔3 d再灌水,灌至20 mm,如遇降雨可蓄至50 mm。
表1 不同灌溉模式田間水分控制標(biāo)準(zhǔn)
兩種灌溉措施采用相同的田間管理:在水稻分蘗前期和拔節(jié)孕穗期各施用1次殺蟲劑(有苯甲·丙環(huán)唑、蘇云金桿菌、氟蟲腈)。肥料品種為含45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)純氮的復(fù)合肥,施氮量180 kg/hm2,其中基肥占50%,水稻移栽后10 d追施50%分蘗肥。兩種處理磷、鉀肥施用標(biāo)準(zhǔn)相同,其中磷肥67.5 kg/hm2(以P2O5計),品種為鈣鎂磷肥,全部作基肥施用;鉀肥150 kg/hm2(以K2O計),種類為KCl,按基肥∶穗肥=9∶11比例施用。
返青期由于節(jié)肢動物群落剛剛遷入,對其展開調(diào)查捕捉較困難,試驗從分蘗前期(8月7日)開始進(jìn)行調(diào)查,并每隔14 d對各小區(qū)水稻分蘗后期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期各調(diào)查1次,總計6次。
(1)手捕法。田間隨機5點取樣,每點取9(3×3)叢水稻植株,用面積約0.5 m2的封閉框架罩住,采用玻璃管(內(nèi)裝有75%~80%酒精)捕捉各類捕食性天敵尤其是蜘蛛類,帶回實驗室進(jìn)行種類鑒定,并記錄個體數(shù)。
(2)網(wǎng)捕法。采用平行跳躍式隨機取樣法取樣,主要捕捉飛行的寄生性天敵、部分植食性昆蟲,以及在葉片上活動的寄生性昆蟲和部分蜘蛛類(以肖蛸類居多)。每小區(qū)各取10網(wǎng)(一個來回算一網(wǎng)),其中掃網(wǎng)直徑35 cm,網(wǎng)深60 cm,柄長1 m,實驗室進(jìn)行鑒定,并記錄各物種的個體數(shù)和種類。未知物種鑒定均參考專業(yè)文獻(xiàn)[14-16]。
節(jié)肢動物群落的研究分析主要取決于其有關(guān)的多樣性指標(biāo),多樣性指標(biāo)能夠很好地反映群落的組成、結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化,通過運用Margalef物種豐富度指數(shù)(DMG)、Shannon-Wienner多樣性指數(shù)(H′)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(S)、Pielou物種均勻度指數(shù)(E)來對節(jié)肢動物群落進(jìn)行多樣性分析,其測度公式為[17,18]:
Pi=Ni/N
(1)
DMG=(K-1)/lnN
(2)
H′=-∑PilnPi
(3)
S=1-∑P2i
(4)
E=H′/lnK
(5)
式中:Pi為第i種個體數(shù)量(Ni)在群落個體總數(shù)(N)中所占比例;K為各小區(qū)中物種數(shù)目。
在試驗田各生育期采集到的節(jié)肢動物種類有3綱10目33科共52種,由表2所示,間歇灌溉和淹灌稻田節(jié)肢動物種類分別有10目30科40種、10目27科40種。2種灌溉模式下目的組成相同,均為蜻蜓目、同翅目、鞘翅目、雙翅目、膜翅目、半翅目、直翅目、蜘蛛目、鱗翅目以及彈尾目,隸屬于昆蟲綱、蛛形綱和內(nèi)口綱。不同灌溉模式下,雖全生育期節(jié)肢動物群落目數(shù)和種數(shù)一致,影響只在科數(shù)的級別上,但除分蘗前期外,在其余生育期,間歇灌溉節(jié)肢動物群落科數(shù)和種數(shù)均高于淹灌,并保持長期穩(wěn)定,全生育期物種科數(shù)平均增加25.4%,種數(shù)平均增加17.4%。分蘗前期出現(xiàn)相反趨勢,可能由于稻田初始斷水,打破了節(jié)肢動物群落原有的穩(wěn)定性,由于后期節(jié)肢動物已適應(yīng),
表2 不同灌溉模式下稻田節(jié)肢動物群落物種數(shù)
以致在其后各生育期稻田間歇灌溉模式節(jié)肢動物群落都表現(xiàn)出優(yōu)勢。
水稻、害蟲和天敵同田間管理措施相互依賴、相互制約[19]。依據(jù)調(diào)查的結(jié)果和物種的取食習(xí)性,對節(jié)肢動物進(jìn)行類群劃分,分為天敵類群和害蟲類群,天敵類群包括所有的蜘蛛種類、捕食性瓢蟲、捕食性蝽類、寄生蠅類、寄生蜂類、食蚜蠅類和蜻蜓類等節(jié)肢動物,害蟲類群包括危害水稻的植食性物種如飛虱類、葉嬋類、蝗類和蝽類等節(jié)肢動物。在不同灌溉模式下,天敵、害蟲類群2大功能群種類和數(shù)量及其比例顯示如表3和表4。
除分蘗前期外,間歇灌溉稻田天敵類群種類數(shù)和數(shù)量均高于淹灌稻田,在水稻拔節(jié)孕穗期,天敵類群種類數(shù)和數(shù)量增加率均達(dá)到最高,種類數(shù)高于淹灌125.0%,數(shù)量高于淹灌50.0%,全生育期種類數(shù)平均增加24.4%,數(shù)量平均增加26.2%。2種灌溉模式下害蟲類群種類相對穩(wěn)定,但害蟲數(shù)量間歇灌溉較之于淹灌全生育期增加24.0%。
表3 不同灌溉模式下稻田害蟲、天敵類群種類數(shù) 種數(shù):個;比例:%
表4 不同灌溉模式下稻田害蟲、天敵類群數(shù)量 種數(shù):個;比例:%
兩類生境稻田的天敵類群種類變化趨勢基本一致,均隨水稻的生長大致呈增加趨勢。數(shù)量方面,水稻分蘗前期,稻田中天敵類群數(shù)量較少,隨著水稻的生長發(fā)育,在分蘗后期,由于后期曬田導(dǎo)致土壤水分狀況差異明顯,害蟲類群數(shù)量銳減,稻田天敵類群數(shù)量迅速增加,達(dá)到最高值,而后天敵類群數(shù)量呈下降并保持穩(wěn)定,乳熟期數(shù)量有所下降,但黃熟期數(shù)量回升。
表4可見,除間歇灌溉黃熟期天敵類群與害蟲類群數(shù)量增長外,2種灌溉模式其余各生育期,天敵類群和害蟲類群此消彼長,天敵類群數(shù)量增加時,害蟲類群數(shù)量降低。在分蘗前期到分蘗后期,拔節(jié)孕穗期到乳熟期,害蟲數(shù)量兩次出現(xiàn)降低,與此時田間噴施農(nóng)藥有關(guān)。
根據(jù)間歇灌溉稻田和淹灌稻田節(jié)肢動物個體的調(diào)查數(shù)據(jù),計算節(jié)肢動物天敵、害蟲類群多樣性指數(shù)。2種灌溉模式下,Margalef物種豐富度指數(shù)(DMG)、Shannon-Wienner多樣性指數(shù)(H′)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(S)和Pielou均勻度指數(shù)(E)隨生育期動態(tài)變化結(jié)果如圖1。
水稻進(jìn)入分蘗前期,群落多樣性隨時間出現(xiàn)規(guī)律性變化。不同灌溉模式下,淹灌稻田節(jié)肢動物害蟲、天敵類群DMG、H′、S和E的波動幅度均大于間歇灌溉模式稻田,說明間歇灌溉田間管理對害蟲、天敵類群影響小,兩類群在間歇灌溉水管理下更具有穩(wěn)定性;間歇灌溉天敵類群各多樣性指數(shù)普遍高于淹灌,除黃熟期外,害蟲類群各多樣性指數(shù)而較淹灌低。在黃熟期,間歇灌溉稻田害蟲類群各多樣性指數(shù)有明顯增加的趨勢,可能與此時水稻趨于成熟、稻田環(huán)境惡化有關(guān),致使害蟲類群多樣性指數(shù)升高。
兩種灌溉模式下,害蟲和天敵類群多樣性指數(shù)的消長基本一致。天敵升高時,害蟲降低;害蟲升高時,天敵降低。害蟲和天敵類群Shannon-Wienner多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)趨勢也一致。天敵類群先下降后回升、之后趨于穩(wěn)定,間歇灌溉拐點在分蘗后期,淹灌在拔節(jié)孕穗期;而害蟲類群隨著水稻的生長降升相同。這可能與水稻在分蘗前期和拔節(jié)孕穗期各噴施了一次農(nóng)藥而導(dǎo)致兩種灌溉措施下稻田天敵和害蟲類群受農(nóng)藥的影響不同有關(guān)。
Pielou均勻度指數(shù)變化表明,害蟲類群較天敵類群在水稻各生育期變化較小,2種灌溉模式對節(jié)肢動物群落均勻度影響不大,天敵與害蟲群落分布隨生育期整體具有穩(wěn)定性。
間歇灌溉有效地提高了天敵類群種類和數(shù)量。稻田干濕交替,導(dǎo)致作物生境多樣化,馬國勝[20]、程寶玉[21]研究表明增加作物生境及其雜草多樣性,能增加天敵的種群和數(shù)量。王凱學(xué)[8]指出稻田生境多樣性有助于稻田節(jié)肢動物天敵群落的建立,越復(fù)雜生境,節(jié)肢動物種類就越豐富。
間歇灌溉稻田全生育期增加害蟲類群數(shù)量24.0%。試驗結(jié)果與前人研究相悖,李道西[22]指出節(jié)水灌溉條件下,干濕交替的水分狀況能夠改變田間小氣候、降低株間空氣濕度以及加大晝夜溫差,從而起到抑制病原菌的繁殖與傳播、減少水稻病蟲害的功能。出現(xiàn)此結(jié)果可能由于,整個試驗是在人為管理的試驗站中進(jìn)行,本身病蟲害較自然開放系統(tǒng)的少,并且試驗中取樣網(wǎng)數(shù)偏少,導(dǎo)致2種灌溉模式下害蟲數(shù)量皆少,數(shù)據(jù)結(jié)果不一定具有代表性。
注:ET分蘗前期;LT分蘗后期;JB拔節(jié)孕穗期;HF抽穗開花期;MK乳熟期;YR黃熟期圖1 不同灌溉模式下稻田節(jié)肢動物多樣性指數(shù)
間歇灌溉能夠提高稻田節(jié)肢動物天敵群落多樣性,降低害蟲群落多樣性。龐冬輝[23]指出生物多樣性是茶園害蟲生態(tài)控制的重要基礎(chǔ),李正躍[24]披露生物多樣性是通過干擾害蟲的繁殖行為方式而達(dá)到阻止害蟲繁殖的目的。由于田間干濕交替,稻田害蟲及天敵的數(shù)量動態(tài)均受到明顯的影響,Hesler[25]等研究發(fā)現(xiàn)稻田短期排水與連續(xù)灌水不影響節(jié)肢動物群落的物種組成和豐富度,但孟國玲等[26]在研究澇漬田、澇漬改良田昆蟲群落時發(fā)現(xiàn),改良田昆蟲群落H′和E都有上升,并且天敵數(shù)量有明顯增加。以上結(jié)果說明有效的人為管理措施,對于節(jié)肢動物群落多樣性的提高具有現(xiàn)實意義。
本文的研究結(jié)果對探索我國稻作區(qū)科學(xué)合理灌溉具有重要意義,可為制定兼顧控制病蟲害和保護節(jié)肢動物多樣性的節(jié)水灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)。
本文僅做了1年的試驗,缺乏年際對比驗證,另外條件允許下,研究節(jié)肢動物群落多樣性時宜進(jìn)行不施農(nóng)藥的田間對比試驗。由于試驗取樣過少,導(dǎo)致害蟲、天敵類群種類數(shù)量皆相對較少,對兩種灌溉模式下稻田害蟲發(fā)生規(guī)律以及天敵在兩類稻田生態(tài)系統(tǒng)控害作用比較,還需進(jìn)一步研究。
(1)間歇灌溉增加了水稻各生育期節(jié)肢動物群落科數(shù)和種數(shù),全生育期物種科數(shù)平均增加25.4%,種數(shù)平均增加17.4%。
(2)間歇灌溉有效提高了天敵類群種類數(shù)和數(shù)量。與淹灌相比,全生育期種類數(shù)平均增加24.4%,數(shù)量平均增加26.2%,在拔節(jié)孕穗期種類數(shù)、數(shù)量增加率均達(dá)到最高,種類數(shù)高于淹灌125.0%,數(shù)量高于淹灌50.0%。此外,稻田害蟲類群數(shù)量全生育期較淹灌稻田增加24.0%,種類數(shù)相當(dāng)。隨著水稻的生長,兩類生境稻田的天敵類群種類數(shù)均大致呈增加趨勢;數(shù)量方面,天敵類群數(shù)量隨生育期先增后降隨后趨于穩(wěn)定,而害蟲類群同天敵類群整體呈此消彼長態(tài)勢。
(3)間歇灌溉能夠提高稻田節(jié)肢動物天敵群落多樣性,降低害蟲群落多樣性,有利于田間害蟲的生態(tài)控制。害蟲、天敵類群DMG、H′、S和E在間歇灌溉下受環(huán)境波動影響小,更具有穩(wěn)定性。同時,害蟲和天敵類群各多樣性指數(shù)的消長基本一致,隨水稻生長害蟲類群較天敵類群E變化較小,但整體天敵與害蟲群落分布具有穩(wěn)定性。
□
[1] Bengtsson J, Ahnstr?m J, ANN-CHRISTIN WEIBULL. The effects of organic agriculture on biodiversity and abundance: a meta-analysis[J]. Journal of Applied Ecology, 2005,42(2):261-269.
[2] 李 青, 吳兆錄, 劉玲玲,等. 滇西北藏區(qū)草地管理方式對草地昆蟲群落多樣性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006,25(11):1 375-1 379.
[3] 尤民生, 劉雨芳, 侯有明. 農(nóng)田生物多樣性與害蟲綜合治理[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2004, 24(1):117-122.
[4] 師光祿, 王有年, 張鐵強,等. 綜合防治與常規(guī)防治下棗園節(jié)肢動物群落多樣性的比較[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2007,26(2):233-238.
[5] 陳 欣,王兆騫,唐建軍. 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)雜草多樣性保持的生態(tài)學(xué)功能[J]. 生態(tài)學(xué)雜志,2000,19(4):50-52.
[6] 陳懷鍋. 有機栽培對稻田動物多樣性及生態(tài)環(huán)境的作用和影響[D]. 南京:南京師范大學(xué), 2012.
[7] 黃先才. 不同管理模式稻田節(jié)肢動物多樣性研究[D]. 南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.
[8] 王凱學(xué), 張清泉, 陳麗麗,等. 生態(tài)稻田及常規(guī)稻田節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)特征的比較研究[J]. 植物保護, 2013,39(3):31-35.
[9] 黃 德, 曾 玲, 梁廣文,等. 不同耕種稻田害蟲及天敵的種群動態(tài)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2005,16(11):2 122-2 125.
[10] 姚鳳鑾. 多作對稻田節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)及動態(tài)的影響[D]. 福州:福建農(nóng)林大學(xué), 2012.
[11] 李志勝. 施肥對稻田節(jié)肢動物群落的影響[D]. 福州:福建農(nóng)林大學(xué), 2005.
[12] 付浩龍, 羅玉峰, 彭世彰,等. 節(jié)水灌溉對稻田節(jié)肢動物群落多樣性的影響[J]. 節(jié)水灌溉, 2013,(10):14-16.
[13] 茆 智. 水稻節(jié)水灌溉及其對環(huán)境的影響[J]. 中國工程科學(xué),2002,4(7):8-16.
[14] 何俊華, 龐雄飛. 水稻害蟲天敵圖說[M]. 上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社, 1986.
[15] 李鴻興. 昆蟲分類檢索[M]. 北京:農(nóng)業(yè)出版社, 1987.
[16] 李善銘, 張兆生,中國農(nóng)作物病蟲害[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1996.
[17] 馬克平. 生物群落多樣性的測度方法:Ⅰα多樣性的測度方法(上)[J]. 生物多樣性, 1994,2(3):162-168.
[18] 馬克平, 劉玉明. 生物群落多樣性的測度方法:Ⅰα多樣性的測度方法(下)[J]. 生物多樣性, 1994(3):162-168.
[19] 秦 鐘, 章家恩, 張 錦,等. 稻鴨共作系統(tǒng)中主要捕食性天敵的結(jié)構(gòu)及多樣性[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2011,30(7):1 354-1 360.
[20] 馬國勝, 郭 紅, 陳 娟. 淺析皖北煙草脈斑病連年發(fā)生并間歇式暴發(fā)原因及對策[J]. 植物保護, 2000,26(4):26-28.
[21] 程寶玉, 吳娟霞, 陳衛(wèi)華,等. 豫西煙草脈斑病發(fā)生規(guī)律及藥劑防治研究[J]. 煙草科技, 2002,(7).
[22] 李道西, 彭世彰, 徐俊增,等. 節(jié)水灌溉條件下稻田生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)[J]. 河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2005,33(6):629-633.
[23] 龐冬輝, 肖潤林, 侯柏華,等. 生態(tài)管理對茶園節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010,18(6):1 272-1 276.
[24] 李正躍. 生物多樣性在害蟲綜合防治中的機制及地位[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報, 1997,(4):115-123.
[25] Hesler L S, Grigarick A A. Aquatic arthropods in california rice paddies: effects of water-drainage versus continuous-flood regimes on abundance and species composition[J]. Environmental Entomology, 1992, 21(4):731-736.
[26] 孟國玲, 陳 兵, 徐定平,等. 澇漬地改良對稻田昆蟲群落結(jié)構(gòu)和動態(tài)的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2002,(5):96-98.