雒珺瑜， 張 帥， 張開心， 姬繼超， 朱香鎮(zhèn)， 王春義， 張利娟， 王 麗， 李春花， 崔金杰中國農業(yè)科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000

轉基因作物的安全性評價是生物技術在農業(yè)上應用的保證。因此，轉基因棉花在商業(yè)化種植之前，必須評價其環(huán)境安全性(路獻勇等，2017; 雒珺瑜等，2017)。其中新型棉田節(jié)肢動物群落構成和生物多樣性是評價的重要內容(雒珺瑜等，2014a，2014b，2016)。棉花生育期長、棉田物種豐富、種類多，尚沒有儀器能準確識別物種及其數量。在勞動力資源低、機械化程度低的大環(huán)境下，要盡可能準確地調查整個生育期棉田物種結構及生物多樣性，是非常困難、費時、費工的任務。系統(tǒng)研究轉基因棉花對生物多樣性的影響，調查時期的選擇也是非常重要的因素。調查時間間隔太長，某些昆蟲的種群指標會發(fā)生遺漏，不能反映棉田真實情況；間隔時間太短，有些昆蟲會被重復性調查，也不能反映田間真實情況，且增加了勞動量(雒珺瑜等，2013)。在以往進行棉田昆蟲群落結構和組成分析時，棉田昆蟲群落調查沒有具體時間間隔，有的間隔 1 d(潘啟明等，2002)、3 d(董文霞等，2001)、5 d(崔金杰等，2005； 雒珺瑜等，2013; 呂文彥等，2009)、15 d(夏敬源等，1995)或更長時間(雒珺瑜等，2013)調查一次，得出的結論也不盡相同。而對棉田以棉花生育期、棉鈴蟲發(fā)生期為調查時間點進行調查，尚沒有人研究比較。

本文為明確不同間隔時間調查方法在時間、品種方面對棉田物種結構和生物多樣性的影響程度，同時還能盡可能在接近實際情況下完成轉基因棉花環(huán)境安全研究，于2016—2017年選擇2對不同性狀的新型轉基因棉花，對不同棉田昆蟲群落進行不同生育期種群數量的系統(tǒng)調查和分析，以期為棉田昆蟲群落調查和轉基因棉花環(huán)境安全評價積累科學數據，同時或可為其他轉基因作物的環(huán)境評價提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料 轉抗除草劑基因棉花材料GGK2及其親本非轉基因棉花材料K312，由中國農業(yè)科學院生物技術研究所提供；轉基因抗蟲棉花材料N15-5及其親本非轉基因棉花材料J14，由創(chuàng)世紀種業(yè)有限公司提供。

1.1.2 試驗地點 試驗于2016—2017年在位于河南省安陽市的中國農業(yè)科學院棉花研究所東場進行(東經114°31′47.19″，北緯36°5′34.8″)，采用隨機區(qū)組試驗，重復3次，小區(qū)面積65 m2，行長8 m，株距25 cm，行距80 cm。每年在4月28—30日播種，常規(guī)管理，所有小區(qū)的整個生長周期均不使用化學農藥。

1.2 棉田昆蟲種類及數量調查方法

田間調查時間：每年從5月上旬—9月中下旬。

調查方法根據調查間隔時間分為3類：(1)從棉花出苗至9月中下旬，每7 d調查一次(簡稱“全生育期調查方式”)；(2)在棉花生長的主要生育期苗期(5月中旬)、蕾期(6月中旬)、花蕾期(7月中旬)、花鈴期(8月中旬)和收獲期(9月中旬)調查(簡稱“關鍵生育期調查方式”)；(3)以親本對照棉田棉鈴蟲幼蟲發(fā)生盛期(高峰日)為準調查，二代棉鈴蟲發(fā)生高峰在6月15—20日，三四代棉鈴蟲發(fā)生高峰在分別在7月15—20日和8月15—20日(簡稱“棉鈴蟲發(fā)生期調查方式”)。

試驗采用對角線5點取樣方法(Deguineetal., 2008)，每次主要調查樣本范圍內棉株上害蟲及其天敵的種群數量。每小區(qū)每次調查5個樣點，每點隨機順行連續(xù)調查5株棉花。詳細調查取樣范圍內地面和植株上節(jié)肢動物的種類和數量。棉田節(jié)肢動物參照雒珺瑜等(2013)和王向陽等(2005)進行分類，并統(tǒng)計分析各棉田昆蟲群落的結構與組成(科、目、種和個體數量)；個體總數用N表示，N=∑Ni，其中Ni表示第i個物種的總數；多樣性指數(H)用Shannon-Wiener多樣性指數表示：H=-∑PilnPi，式中Pi為第i種物種個體數占群落個體數的比例；均勻性指數(J)，J=H/lnS，H為實際觀察的物種多樣性指數，S為群落中總物種數；優(yōu)勢集中性指數C=∑Pi2。

1.3 數據分析

用SPSS 17.0對不同時期不同群落轉基因品種和對照品種進行0.05水平t-test；同一品種不同調查方式及其之間交互作用進行0.05水平多因素差異分析。

2 結果與分析

2.1 全生育期調查方式棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性

棉花生長的整個生育期每7 d調查一次棉田主要害蟲及其天敵種群數量見表1。與其親本對照棉田相比，2016年轉抗除草劑基因棉田物種個體總數在各群落間分別減少44.0%、22.4%和45.8%(p<0.01)；物種豐富度無顯著差異，多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數在轉基因棉田和非轉基因棉田差異均達顯著或極顯著水平；而2016年轉抗蟲基因棉花(除節(jié)肢動物群落多樣性指數和均勻性指數、害蟲亞群落均勻性指數外)、2017年轉抗除草劑基因棉花及轉抗蟲基因棉花均與其親本棉田在物種個體總數、物種豐富度、多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數方面均無顯著差異。

表1 全生育期每隔7 d調查后的棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性Table 1 Composition and diversity of arthropod communities in cotton fields investigated every 7 days during the whole growth period

數據為平均值±標準差；*和**分別表示轉基因棉與其親本對照在p<0.05和p<0.01水平上差異顯著。

Data are means±SE.*and**represent significant differences between transgenic cotton and the parental cotton atp<0.05 andp<0.01 level, respectively (t-test).

2.2 關鍵生育期調查棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性

關鍵生育期調查棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性結果見表2。與其親本對照棉田相比，2016年轉抗除草劑基因棉田物種個體總數在節(jié)肢動物群落和害蟲亞群落分別減少52.6%和53.9%(p<0.01)，物種豐富度分別減少16.1%和22.4%(p<0.05)，均勻性指數分別增加23.5%和25.0%(p<0.05)，多樣性指數在節(jié)肢動物群落營養(yǎng)層增加16.8%(p<0.05)，優(yōu)勢集中性指數在天敵亞群落營養(yǎng)層增加28.6%(p<0.05)；轉基因抗蟲棉與其對照棉田相比在節(jié)肢動物群落、天敵亞群落和害蟲亞群落各參數均無顯著差異。2017年轉基因抗除草劑棉田及其親本棉田(除節(jié)肢動物群落和害蟲亞群落優(yōu)勢集中性指數外)、轉抗蟲基因棉田與其親本棉田(除害蟲亞群落均勻性指數外)在節(jié)肢動物群落、天敵亞群落和害蟲亞群落的各參數均無顯著差異。

2.3 棉鈴蟲發(fā)生期調查棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性

棉鈴蟲發(fā)生期調查棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性結果見表3。與其親本對照棉田相比，2016年轉抗除草劑基因棉田物種個體總數在節(jié)肢動物群落和害蟲亞群落分別減少53.0%和56.0%(p<0.05)，物種豐富度和均勻性指數均無顯著差異；天敵亞群落多樣性指數減少9.3%(p<0.05)，優(yōu)勢集中性指數增加25.0%(p<0.05)。2016年轉基因抗蟲棉及其親本、2017年轉基因抗除草劑基因棉及其親本棉田和轉基因抗蟲棉及其親本棉田在3個群落上物種個體總數、物種豐富度、多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數方面均無顯著差異。

2.4 不同生育期調查對轉基因棉田生物多樣性的互作效應

對不同調查年份、2種轉基因棉及其親本棉田、3種不同生育期調查在物種個體總數、物種豐富度、多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數方面做了多個因素的互作效應分析。分析結果表明，年份、品種、年份×品種、品種×調查時期和年份×品種×調查時期對物種個體總數、物種豐富度、多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數均無顯著影響，而調查時期對物種個體總數和物種豐富度有顯著影響(雖然轉抗除草劑基因棉田與其親本在物種豐富度無顯著差異，但很接近差異顯著)，多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數均無顯著影響。結果表明，如果要重點觀察轉基因棉田及其親本棉田在物種個體總數和物種豐富度方面的差異，應對調查間隔時期進行選擇，如果只觀察多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數，則根據試驗時間在3種調查方式中均可選擇。

3 討論

在種植面積不變的情況下，致力于提高棉花產量是一個世界性的重要課題。然而，在提高棉花產量的同時，棉田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境安全性也是值得重視的一個方面。棉田生態(tài)系統(tǒng)是以物種為單元形成的群落，而群落的多樣性是群落生態(tài)系統(tǒng)水平所特有的、可以反映群落功能的重要特征，且描述群落至少包括群落的物種數和各個物種的相對多度，而多樣性指數是包含群落豐富度、均勻度以及優(yōu)勢集中性等的函數(Zhaoetal.,1989)，同時，改變群落的物種數和物種的相對多度均會影響群落多樣性(門興元等，2003)。

表2 關鍵生育期調查棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性Table 2 Composition and biodiversity of arthropod community in cotton fields investigated at critical growth periods

數據表示為平均值±標準差；*和**分別表示轉基因棉與其親本對照在p<0.05和p<0.01水平上差異顯著。

Data are means±SE.*and**represent significant differences between transgenic cotton and the parental cotton atp<0.05 andp<0.01 level, respectively (t-test).

表3 棉鈴蟲發(fā)生期調查棉田節(jié)肢動物群落構成及生物多樣性Table 3 Composition and biodiversity of arthropod community in cotton field at bollworm occurrence period

數據表示為平均值±標準差；*表示轉基因棉與其親本對照在p<0.05水平上差異顯著。

Data are means±SE.*in the same column represent significant differenecs atp<0.05 (t-test).

目前，對棉田生物多樣性的研究因不同的調查時間、調查方法得到不同的結論。大多數研究表明，轉基因抗蟲棉的種植并沒有降低農田的生物多樣性(Carpenteretal.,2011)，但有報道轉基因棉田昆蟲群落發(fā)生了演替(Bjorgeetal.,1996； Wuetal.,2007)。 本文通過比較全生育期調查(每7 d調查一次，調查約19～20次)、關鍵生育期調查(自棉花出苗基本每1個月調查一次，僅調查5次)和棉鈴蟲發(fā)生期調查(6月、7月、8月僅調查3次)結果顯示，全生育期調查的物種個體總數和物種豐富度與關鍵生育期和棉鈴蟲發(fā)生期調查差距較大，個體總數和物種豐富度顯著高，且隨著調查次數的降低，其值越小。其原因主要是由于調查間隔時間短，有些蟲態(tài)被重復計數，調查間隔時間長，有些蟲態(tài)短的種類會被漏查和計數(雒珺瑜等，2013)；多樣性指數、均勻性指數和優(yōu)勢集中性指數在不同調查時期中的變化值較小，與雒珺瑜等(2013)在轉Bt基因抗蟲棉及其常規(guī)棉上的分析結果一致。

轉基因棉花商業(yè)化前其環(huán)境安全評價是重要的內容，其中生物多樣性的變化也是重要內容之一。轉Bt基因棉田和常規(guī)棉田中的節(jié)肢動物群落、害蟲亞群落和天敵亞群落的多樣性指數在不同的棉花生長發(fā)育時期的變化、指標和數據、模型和情景是推動生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務評估研究理論建設和方法集成的重要工具(于丹丹等，2017)。目前，尚未查閱到對全生育期、關鍵生育期和棉鈴蟲發(fā)生期進行比較調查的研究。由于新型轉基因棉花的大量出現，轉基因棉田的物種豐富度和生物多樣性是不可或缺的安全評價的一個環(huán)節(jié)。但是如果從5月—9月底每5～7 d調查一次，且在棉花材料較多的情況下，該調查需要對節(jié)肢動物進行分類、計數，沒有調查經驗的人員會忽視個體較小的節(jié)肢動物，因此，調查人員、調查時間均是很大的問題。如何科學合理且運用操作簡單的方法進行棉田生物多樣性調查，是目前棉田節(jié)肢動物群落生物多樣性獲得數據來源的一個重要問題。通過本文的分析比較，在后期的調查研究中，應該根據不同的試驗要求和評價目的，選擇不同的間隔時間進行調查，既可以達到試驗目的，還可省時省工。

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