唐 雪，呂寶乾，盧 輝，唐繼洪，劉彥龍，閆三強(qiáng)

(1. 貴州大學(xué)昆蟲研究所，貴州省山地農(nóng)業(yè)病蟲害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025；2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海南省南繁生物安全與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/海南省熱帶農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口 571101)

草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda屬鱗翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae灰翅夜蛾屬Spodoptera，是一種原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重大遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲(Hardkeetal., 2015)。其擁有強(qiáng)大的遷飛擴(kuò)散和繁殖能力，自2016年1月開始入侵非洲后，兩年之內(nèi)便快速擴(kuò)散至非洲44個(gè)國(guó)家(王磊等, 2019)，年潛在玉米損失量最高可達(dá)2 103萬(wàn)噸(Rogeretal., 2017)。2019年1月在我國(guó)云南省江城縣首次被發(fā)現(xiàn)，隨后迅速席卷國(guó)內(nèi)多個(gè)省市，截止2019年10月已在我國(guó)26個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)1 538個(gè)縣(區(qū))入侵為害，對(duì)我國(guó)的玉米、水稻、小麥等糧食作物的生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅(張智等, 2021)。作為一種多食性害蟲，草地貪夜蛾可以取食76科353種植物，包括玉米、水稻、甘蔗、高粱、小麥、棉花、甜菜、卷心菜、甜椒、香蕉、番茄等多種作物(Montezanoetal., 2018年)。玉米作為最受其喜愛的寄主植物，幼蟲通常躲藏在心葉中取食(Changetal., 2000年)，為其提供了一些免受捕食的保護(hù)，而心葉中幼蟲密度過高可能導(dǎo)致食物競(jìng)爭(zhēng)，因此自相殘殺率會(huì)增加。

自相殘殺(Cannibalism)或種內(nèi)自殘(Intraspecific cannibalism)，是指殺死和取食部分或全部同種其他個(gè)體的行為(Fox, 2003)，對(duì)種群動(dòng)態(tài)有著重要的影響(Pierce, 1995)。自相殘殺在鱗翅目昆蟲已有廣泛報(bào)道，例如甜菜夜蛾Spodopteraexigua、棉鈴蟲Helicoverpaarmigera等(Horner and Dively, 2003; 王娟等, 2008; Tangetal., 2016)。有研究表明昆蟲的自相殘殺行為可能會(huì)提高存活率、發(fā)育速度及繁殖力進(jìn)而使其在種群競(jìng)爭(zhēng)中獲得直接優(yōu)勢(shì)，更有利于自身的生存繁殖，高齡幼蟲通過捕食低齡幼蟲，其發(fā)育速度相對(duì)提高，從而獲得直接優(yōu)勢(shì)和間接優(yōu)勢(shì)(Yeetal., 2014)。雖然種群間的自相殘殺可以給昆蟲種群帶來許多好處，但它可能會(huì)增加病原體和寄生蟲在種群之間傳播的風(fēng)險(xiǎn)，特別是受感染的個(gè)體更容易被同類捕食(Siva Jothyetal., 2001; Williams and Hernandez, 2010)。種內(nèi)自殘作為影響昆蟲種群消長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)的重要因素，已被作為生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)重要組成部分而受到廣泛研究(Yasudaetal., 2001)。而草地貪夜蛾幼蟲不僅在高密度和食物資源缺少的情況下會(huì)發(fā)生自相殘殺現(xiàn)象，在食物不受限制的情況下也會(huì)發(fā)生自殘現(xiàn)象(Andowetal., 1999; Chapmanetal., 1999)。此外，當(dāng)不同齡期的幼蟲被關(guān)在一起時(shí)，自相殘殺的比率甚至?xí)?Chapmanetal., 1999)。種內(nèi)的自相殘殺行為通常是一個(gè)更大、更強(qiáng)壯的個(gè)體殺死并吃掉一個(gè)更小、更弱的同類(Rudolf and Antonovics, 2007)。而在已有的相關(guān)研究中，多集中在不同密度下同一齡期間幼蟲的自相殘殺(Chapmanetal., 1999)。例如王道通等(2020)通過設(shè)置4個(gè)密度(5、10、20和30頭/瓶)下相同齡期草地貪夜蛾的自相殘殺率比較，得出不同密度下的自相殘殺行為主要集中在5齡幼蟲中，而沒有針對(duì)高齡幼蟲對(duì)低齡幼蟲的捕食及捕食量進(jìn)行深入研究，不能全面地反映草地貪夜蛾幼蟲殘殺的行為習(xí)性。因此，本研究設(shè)計(jì)了不同齡期的幼蟲捕食2齡幼蟲和3齡幼蟲，通過擬合捕食功能反應(yīng)Holling Ⅱ模型對(duì)草地貪夜蛾高齡幼蟲捕食低齡幼蟲的能力進(jìn)行初步研究，以分析不同齡期的草地貪夜蛾對(duì)低齡幼蟲捕食量的差異，探討齡期和密度對(duì)草地貪夜蛾幼蟲自殘行為的影響，為進(jìn)一步闡明草地貪夜蛾自殘行為規(guī)律背后的生態(tài)意義提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

草地貪夜蛾幼蟲于2020年5月采自海南省儋州市寶島新村六坡隊(duì)玉米田(30°29′N, 114°18′E)，在實(shí)驗(yàn)室以新鮮玉米葉飼養(yǎng)3代后供試。實(shí)驗(yàn)室溫度25±1℃、相對(duì)濕度70%±5%、光周期12 L ∶12 D。

1.2 主要儀器設(shè)備

智能人工氣候箱，圓形塑料盒(D=10 cm，H=5 cm)，小毛筆，標(biāo)簽紙，鑷子，電子天平等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1不同齡期幼蟲對(duì)2齡和3齡幼蟲的捕食作用

分別選取草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲各1頭置于不同塑料盒(D=10 cm，H=5 cm)中，饑餓處理24 h，對(duì)2齡幼蟲的捕食作用，設(shè)置2齡幼蟲密度為20、40、60、80、100、120頭/盒，共6個(gè)梯度水平，并放入玉米葉片，葉面積約為24 cm2。對(duì)于3齡幼蟲的捕食作用，選取4、5、6齡幼蟲各1頭置于塑料盒中后，設(shè)置3齡幼蟲密度為20、40、60、80、100頭/盒共，5個(gè)梯度水平，并放入玉米葉片，葉面積同上。每個(gè)處理重復(fù)5次。試驗(yàn)蟲均放在溫度25±1℃、相對(duì)濕度70%±5%、光周期12 L ∶12 D的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。24 h后記錄2齡幼蟲和3齡幼蟲的死亡數(shù)量，盒中消失的蟲和僅剩一半的蟲體均視為被捕食。由于低齡幼蟲極少出現(xiàn)自相殘殺現(xiàn)象，所以本實(shí)驗(yàn)不考慮低齡幼蟲之間的自相殘殺。

1.3.2不同齡期幼蟲間的理論最大捕食量

對(duì)不同齡期的幼蟲進(jìn)行稱重比較，記草地貪夜蛾2齡幼蟲體重為1，以此計(jì)算不同齡期的幼蟲相對(duì)于2齡幼蟲的比值。利用Holling Ⅱ型圓盤方程進(jìn)行模擬后得出3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲和4、5、6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的最大理論捕食量，利用捕食量和體重的關(guān)系計(jì)算出每個(gè)齡期幼蟲的最大理論捕食質(zhì)量，根據(jù)各齡期的體重則可以換算出相應(yīng)的捕食量。

1.4 分析方法

采用Holling Ⅱ(Holling, 1959)型圓盤方程進(jìn)行擬合：

(1)

式中：Na—被捕食的獵物數(shù)量；A—捕食者的瞬時(shí)攻擊率；N—獵物密度；Tr—總的試驗(yàn)時(shí)間(本實(shí)驗(yàn)以天為單位，故Tr=1)；Th—處理1頭獵物所需要的時(shí)間。

其中A和Th為待估參數(shù)。由于(1)式為非線性方程，將(1)式轉(zhuǎn)化為以下線性方程：

(2)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入(2)式，用最小二乘法即可求得A和Th。將A和Th代入(1)式，即為擬合的草地貪夜蛾捕食2齡幼蟲或3齡幼蟲的功能反應(yīng)模型。

要計(jì)算草地貪夜蛾理論最大捕食量時(shí)，將(1)變形為(T=1):

(3)

當(dāng)N→∞時(shí)，Na有最大值即為1/Th，即為草地貪夜蛾的每日理論最大捕食量。用Excel 2010 處理數(shù)據(jù)，Graphpad Prism 8.02分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)

草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的日捕食量隨2齡幼蟲密度的升高而逐漸增加，當(dāng)獵物密度增加一定水平時(shí)，草地貪夜蛾幼蟲的日捕食量趨于平穩(wěn)，捕食功能反應(yīng)符合Holling Ⅱ型圓盤方程(圖1)。草地貪夜蛾各高齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程與Holling Ⅱ型圓盤方程模型擬合度較高，R2均在0.9以上(表1)。草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的瞬時(shí)攻擊率依次為0.580、1.016、1.111、1.081；對(duì)2齡幼蟲的處理時(shí)間依次為0.013、0.012、0.008、0.010 d。草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的日捕食量隨著齡期的增加而增加，其中5齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的日最大捕食量最高，為117.92頭，3齡幼蟲的捕食量最小，為76.47頭。而6齡幼蟲的捕食量為96.05頭，低于5齡幼蟲，這可能與草地貪夜蛾6齡幼蟲即將進(jìn)入化蛹階段有關(guān)，同時(shí)能說明草地貪夜蛾5齡幼蟲的自殘現(xiàn)象最為明顯。

圖1 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Fig.1 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the second instar larvae注：A、B、C、D分別代表草地貪夜蛾3齡、4齡、5齡、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)，圖中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Note: A, B, C and D showed the functional responses of the 3rd, 4th, 5th and 6th instar larvae of S.frugiperda a to the 2nd instar larvae respectively, data were means±SE.

表1 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Table 1 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the second instar larvae

2.2 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)

草地貪夜蛾4、5、6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食量隨著3齡幼蟲密度的增加而增加，當(dāng)3齡幼蟲的密度增加到一定限度時(shí)，草地貪夜蛾各高齡幼蟲捕食量增加的速度逐漸變緩(圖2)；同一獵物密度，草地貪夜蛾5齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食量均高于4齡和6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食量。由Hollling Ⅱ型公式擬合草地貪夜蛾各齡期的捕食量計(jì)算出草地貪夜蛾高齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲捕食的功能反應(yīng)方程及其參數(shù)如表2所示：4齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程為Na=0.740N/(1+0.026N)，對(duì)獵物的瞬時(shí)攻擊率a為0.740，處理單頭獵物所需要花費(fèi)的時(shí)間Th為0.026 d，最大捕食量為38.83頭/d；5齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程為Na=1.345N/(1+0.017N)，對(duì)獵物的瞬時(shí)攻擊率a為1.345，處理單頭獵物所需要花費(fèi)的時(shí)間Th為0.017 d，捕食上限59.49頭/d；6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程為Na=1.111N/(1+0.017N)，對(duì)獵物的瞬時(shí)攻擊率a為1.111，處理單頭獵物所需要花費(fèi)的時(shí)間Th與5齡幼蟲相同，為0.017 d，捕食上限為58.87頭/d。

表2 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Table 2 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the third instar larvae

圖2 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對(duì)3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Fig.2 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the third instar larvae注：A、B、C分別代表草地貪夜蛾4齡、5齡、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng), 圖中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Note: A, B and C showed the functional responses of S.frugiperda at the fourth instar, the fifth and the sixth instar to the second instar larvae respectively, data were means±SE.

2.3 不同齡期幼蟲間最大理論捕食量

不同齡期幼蟲體重如表3所示，通過利用Holling Ⅱ型圓盤方程進(jìn)行模擬，得出3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲和4、5、6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的最大理論捕食量，利用捕食量和體重的關(guān)系計(jì)算出每個(gè)齡期幼蟲的最大理論捕食質(zhì)量，并做出散點(diǎn)圖(圖3)，擬合方程為y=47.231x0.4591。各個(gè)齡期間的最大理論捕食質(zhì)量如圖3所示，根據(jù)各齡期的體重?fù)Q算出相應(yīng)的捕食量。

圖3 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲的最大捕食質(zhì)量Fig.3 The maximum predation quality of larvae at different instars of Spodoptera frugiperda

表3 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲體重Table 3 Larvae body weight of Spodoptera frugiperda at different stages

根據(jù)擬合方程y=47.231x0.4591及齡期與體重關(guān)系，計(jì)算出各齡期對(duì)應(yīng)的捕食量如表4所示，6齡幼蟲對(duì)低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(494.42頭)> 2齡(107.52頭)> 3齡(34.81頭)> 4齡(6.63頭)> 5齡(2.81頭)；5齡幼蟲對(duì)低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(446.28頭)> 2齡(98.88頭)> 3齡(32.01頭)> 4齡(6.10頭)；4齡幼蟲對(duì)低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(391.06頭)> 2齡(89.26頭)> 3齡(28.90頭)；3齡幼蟲對(duì)低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(324.64頭)> 2齡(78.21頭)。由于沒有直接觀察到3齡以下幼蟲存在自相殘殺現(xiàn)象，所以3齡以下幼蟲對(duì)同類的捕食不作考慮。

表4 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲間最大理論捕食量Table 4 The maximum theoretical predation between different instar larvae of Spodoptera frugiperda

3 結(jié)論與討論

自相殘殺行為是種群內(nèi)捕食者和被捕食者相互作用的結(jié)果，在種群動(dòng)態(tài)和種群結(jié)構(gòu)中扮演著重要的角色(Heetal., 2021)。自相殘殺通常是對(duì)食物短缺、高密度、同種個(gè)體之間的大小差異(Porrettaetal., 2018)、環(huán)境溫度(Startetal., 2018)甚至是飼養(yǎng)盒材料差異的反應(yīng)(Okanoetal., 2018)。本研究明確了草地貪夜蛾在食物充足時(shí)仍會(huì)對(duì)同類幼蟲進(jìn)行捕食，采用Holling Ⅱ型圓盤方程進(jìn)行擬合，確定了3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲和4、5、6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的最大理論捕食量。結(jié)果表明，草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食量大小依次為5齡>6齡>4齡>3齡；4、5、6齡幼蟲對(duì)3齡幼蟲的最大理論捕食量大小依次為5齡>6齡>4齡。草地貪夜蛾幼蟲對(duì)同類低齡幼蟲的捕食量先隨著齡期的增加而增加，后又顯現(xiàn)出下降趨勢(shì)，6齡幼蟲的捕食量低于5齡幼蟲，這可能和6齡幼蟲其本身活性不高準(zhǔn)備化蛹有密切關(guān)系，這一現(xiàn)象和已知研究的甜菜夜蛾的種內(nèi)捕食基本一致(Soniaetal., 2010)。通過分析得知，草地貪夜蛾在4齡以前，捕食量隨著獵物密度的增加而呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，4齡之后，捕食量隨著獵物密度的增加而快速增加，表明草地貪夜蛾種內(nèi)捕食與齡期有著極大關(guān)系。鄧盼等(2015)在對(duì)棉鈴蟲自相殘殺習(xí)性與其齡期和食物營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的研究中表明棉鈴蟲自相殘殺主要發(fā)生在4齡和5齡幼蟲之間，而非3齡和6齡幼蟲。同樣，Elvira等(2010)通過比較低密度和高密度下5齡和6齡甜菜夜蛾的自相殘殺率，發(fā)現(xiàn)5齡幼蟲自相殘殺率高于6齡幼蟲。而本研究則是通過Holling Ⅱ型圓盤方程模擬在密度無(wú)限增大的情況下，可得出理論最大捕食量，其R2值均為0.9以上，但是現(xiàn)實(shí)情況下密度是有限的，其最大值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。此外，本研究只是確定草地貪夜蛾對(duì)不同密度下低齡同類幼蟲的最大捕食量，但喂食不同玉米葉部位、寄主種類和溫度等因素是否會(huì)影響其對(duì)低齡幼蟲的捕食量還需進(jìn)行深入研究。

本試驗(yàn)利用各齡期幼蟲之間體重的比值，結(jié)合3、4、5、6齡幼蟲對(duì)2齡幼蟲的捕食量，計(jì)算出不同齡期幼蟲的最大捕食質(zhì)量，從而得出草地貪夜蛾任意兩個(gè)不同齡期之間高齡幼蟲對(duì)低齡幼蟲的捕食量。通過對(duì)高齡幼蟲對(duì)低齡幼蟲的捕食行為進(jìn)行解析，試探明草地貪夜蛾幼蟲的種內(nèi)自殘行為規(guī)律，其中齡期和低齡幼蟲的密度是影響其自殘行為的兩大重要因素。同時(shí)還要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)的探究出草地貪夜蛾幼蟲的種間自殘行為規(guī)律，為更好地理解種內(nèi)自殘現(xiàn)象背后的生態(tài)意義和生理機(jī)制，可能有助于開發(fā)新的策略來控制害蟲。