草地貪夜蛾的有效積溫和發(fā)育始點及其發(fā)生世代預(yù)測

劉小宇，榮志云，王連剛，姚 超，張路生，遲金強(qiáng)，林 倩，董秀霞，姚曉靈，徐德坤，蕭玉濤0*，李向東*，鄭方強(qiáng)*

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，山東泰安 271018；2. 山東省榮成市上莊鎮(zhèn)人民政府，山東榮成 264313；3. 山東省青島市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心植物保護(hù)處，山東青島 266071；4. 山東省泰安市氣象局，山東泰安 271000；5. 山東省濱州市植保站，山東濱州 256600；6. 山東省威海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村事務(wù)服務(wù)中心，山東威海 264200；7. 山東省煙臺市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東煙臺 264001；8. 聊城市茌平區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東茌平 252100；9. 山東省臨沂市植保站，山東臨沂 264001；10. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院深圳基因組研究所，深圳 518120)

草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda(J.E. Smith)，俗稱秋黏蟲，原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)，是一種重要的遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲(Roseetal., 1975; Todd and Poole, 1980; Johnson, 1987; 江幸福等, 2019)。2016年自美洲入侵至非洲，2018年自非洲入侵至亞洲，并于2018年底自緬甸入侵我國云南，后迅速向東和向北遷飛蔓延，擴(kuò)散至中國大部分省市(Deshmukhetal., 2018; 楊普云等, 2019; 楊學(xué)禮等, 2019; 陳輝等, 2020)。從入侵至非洲和亞洲來看，其主要為害玉米(Montezanoetal., 2018; Sunetal., 2018; 姜玉英等, 2019)，幼蟲喜歡為害玉米心葉叢和灌漿期的玉米籽粒，嚴(yán)重時導(dǎo)致玉米顆粒無收(Dayetal., 2017; Prasannaetal., 2018; 姜玉英等, 2019; 吳孔明等, 2020)，在我國還報道為害高粱Sorghumbicolor(顧偌鋮等, 2019)、甘蔗Saccharumofficinarum(劉杰等, 2019)、小麥TriticumaestivumL.(徐麗娜等, 2019)、馬鈴薯SolanumtuberosumL.(趙猛等, 2019)等作物。

在山東省，自從2019年6月中旬在臨沂郯城誘集到第1頭雄蛾之后，相繼于該年度的7-9月在棗莊滕州、日照、青島、濰坊、煙臺棲霞和威海榮成的玉米幼苗和果穗上發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾幼蟲為害，且于10月上旬在泰安晚種的玉米幼苗上發(fā)現(xiàn)有幼蟲為害，11月下旬還能在棗莊滕州的小麥秋苗上為害(山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳，2019)。2020年8月在泰安調(diào)查玉米穗期害蟲時，發(fā)現(xiàn)其取食為害玉米籽粒，10月上旬在臨沂臨沭晚播的玉米上還能發(fā)現(xiàn)為害嫩葉和玉米的幼嫩果穗。從2019年和2020年草地貪夜蛾入侵至山東省的發(fā)生看，該害蟲在夏玉米苗期和穗期均能為害，且膠東半島地區(qū)發(fā)生區(qū)域和程度明顯高于內(nèi)地。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾于每年6月中下旬至7月初自南方遷飛進(jìn)入山東境內(nèi)，此時山東玉米正處于苗期，山東省是黃淮海夏玉米主產(chǎn)區(qū)，常年播種面積在3.4×106ha左右，一旦監(jiān)測和控制不利，將會大面積發(fā)生，給玉米安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。草地貪夜蛾在山東省發(fā)生幾代？不同生態(tài)區(qū)域是否有差異？均不得知。本試驗自2019年至2020年以玉米籽粒為食料，研究了溫度對草地貪夜蛾生長發(fā)育和存活的影響，明確了不同溫度下各蟲態(tài)的發(fā)育歷期，計算出了各蟲態(tài)和全世代的發(fā)育始點和有效積溫，預(yù)測了草地貪夜蛾在山東不同生態(tài)區(qū)域發(fā)生的世代數(shù)，為草地貪夜蛾的監(jiān)測預(yù)警和科學(xué)防治提供了可靠理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源及飼養(yǎng)

草地貪夜蛾最初蟲源由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳昆蟲基因組研究所提供，該所的蟲源采自云南省德宏傣族景頗族自治州瑞麗市(Jinetal., 2021)。其試蟲放置于人工氣候箱(寧波東南儀器有限公司RXZ～380C，L ∶D=14 ∶10、RH70%±5%)中，飼喂新鮮玉米籽粒(登海511)形成穩(wěn)定的種群，后來與來自山東威海和煙臺的蟲源進(jìn)行雜交復(fù)壯擴(kuò)繁，形成實驗室種群。

試蟲的飼養(yǎng)過程如下，羽化的成蟲按雌雄1 ∶1配對放置于硬質(zhì)塑料杯(Φ=9 cm、H=12 cm)內(nèi)，杯口覆蓋紗布以提供產(chǎn)卵場所，以10%蜂蜜水吸附于浸潤的脫脂棉上給成蟲補(bǔ)充營養(yǎng)。卵塊收集后，置于塑料培養(yǎng)皿(Φ=9 cm)中待孵化，孵化后的幼蟲置于6孔細(xì)胞培養(yǎng)板(每孔Φ=3.7 cm、H=1.8 cm)中單頭精心飼養(yǎng)至化蛹，待其羽化。

1.2 溫度處理

試驗設(shè)置6個梯度溫度(15、18、21、24、27、30℃)處理，每個處理觀察的卵量重復(fù)3次，每次觀察40粒發(fā)育正常的卵，共觀察120粒卵。每天定時觀察試蟲在不同溫度下各蟲態(tài)的生長發(fā)育情況并記錄各蟲態(tài)或蟲齡發(fā)育歷期。

1.3 發(fā)育始點和有效積溫計算

基于5個溫度(18、21、24、27、30℃)下的卵、幼蟲(蟲齡)、蛹和全世代的發(fā)育歷期，根據(jù)有效積溫法則，采用直線回歸法(張孝羲和張躍進(jìn), 2002)和直接最優(yōu)法(李典謨等, 1986)計算草地貪夜蛾各發(fā)育階段的發(fā)育始點(C)和有效積溫(K)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

方差分析和線性擬合運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)處理軟件(9.05版)進(jìn)行處理，多重比較用LSD法(唐啟義, 2018)。

1.5 山東省代表性地區(qū)發(fā)生世代數(shù)預(yù)測

山東省不同地區(qū)2019年和2020年的月平均氣溫數(shù)據(jù)分別從泰安泰山區(qū)(代表魯中)，威海榮成市、煙臺福山區(qū)、青島膠州市(代表膠東)，濱州無棣縣(代表魯北)，臨沂郯城縣(代表魯南)和聊城茌平區(qū)(代表魯西)的氣象局獲得。根據(jù)計算獲得的全世代有效積溫和不同地區(qū)提供的月平均氣溫數(shù)據(jù)計算各地的世代數(shù)(下式)。

世代數(shù)=大于發(fā)育始點的月平均氣溫的累加值/全世代有效積溫

2 結(jié)果與分析

2.1 草地貪夜蛾不同溫度的發(fā)育歷期與各發(fā)育階段的死亡率

不同溫度下草地貪夜蛾各蟲態(tài)/蟲齡的發(fā)育歷期存在顯著差異(表1)。15～30℃范圍內(nèi)，草地貪夜蛾的卵、幼蟲、蛹與全世代的發(fā)育歷期都隨著溫度的升高而顯著縮短。15℃時僅幼蟲期發(fā)育就需59.47 d，完成一個世代則需發(fā)育133.40 d，而30℃時完成一個世代僅需32.27 d。雖然各溫度下發(fā)育歷期差異顯著，但24～30℃時的歷期差值顯著小于15～24℃。因15℃時雌雄成蟲不能正常交配和產(chǎn)卵繁殖后代，不存在產(chǎn)卵前期。

表1 不同溫度下草地貪夜蛾各階段的發(fā)育歷期

草地貪夜蛾在不同溫度下的死亡率見表2。15℃時其各個蟲態(tài)/蟲齡的死亡率都極高，卵發(fā)育至蛹的死亡率達(dá)到97.3%，18℃時卵發(fā)育至蛹的死亡率為51.8%，其他溫度下的死亡率之間沒有顯著差異，在14.4%～17.3%之間。結(jié)合表1發(fā)育歷期和表2的各發(fā)育階段死亡率的比較得出，草地貪夜蛾生長發(fā)育和存活的適宜溫度范圍為24～30℃。

表2 不同溫度下草地貪夜蛾各發(fā)育階段的死亡率

2.2 草地貪夜蛾的發(fā)育始點和有效積溫

由于15℃下，草地貪夜蛾各階段的死亡率很高，且無法順利完成整個的繁殖過程，因此本試驗利用5個溫度(18～30℃)的各階段蟲態(tài)/蟲齡的發(fā)育速率計算草地貪夜蛾的發(fā)育始點和有效積溫。利用直線回歸法求得的有效積溫與發(fā)育始點(表3)，草地貪夜蛾的卵、幼蟲、蛹的有效積溫分別為38.21、155.42、114.36日·度，發(fā)育始點分別為14.16、14.00、14.77℃，雌雄完成一個世代發(fā)育所需要的有效積溫為523.33日·度，發(fā)育始點為12.72℃，卵、幼蟲、蛹與全世代的發(fā)育速率與溫度呈線性關(guān)系(表4)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)r都較大(r>0.94)。利用直接最優(yōu)法計算的有效積溫與發(fā)育始點見表5，卵、幼蟲、蛹發(fā)育所需要的有效積溫分別為41.96、149.20、110.47日·度，發(fā)育始點分別為13.41、14.39、15.12℃，雌雄完成一個世代所需的有效積溫為497.78日·度，發(fā)育始點為13.30℃。上述兩種方法均表明，雄蟲從卵到蛹所需的有效積溫高于雌蟲，其中雌雄蛹期之間的差異最為顯著，與雄蟲各蟲態(tài)/蟲齡的發(fā)育歷期稍長于雌蟲有關(guān)，與何莉梅等(2019)研究發(fā)現(xiàn)在20～35℃時雄蟲從卵到蛹期的發(fā)育歷期長于雌性的結(jié)果相符合。從兩種方法計算的卵、幼蟲、預(yù)蛹、蛹、產(chǎn)卵前期、全世代的變異系數(shù)看，直接最優(yōu)法的變異系數(shù)多低于直線回歸法，但相差很小，故直接最優(yōu)法的結(jié)果略好于直線回歸法。

表3 草地貪夜蛾不同發(fā)育階段的發(fā)育始點和有效積溫(直線回歸法)

表4 草地貪夜蛾溫度與發(fā)育速率的回歸方程

表5 草地貪夜蛾不同發(fā)育階段的發(fā)育始點和有效積溫(直接最優(yōu)法)

續(xù)表5 Continued table 5

2.3 草地貪夜蛾在山東代表性地區(qū)發(fā)生世代數(shù)的預(yù)測

根據(jù)山東各地區(qū)代表性地市2019年和2020年的月平均氣溫計算有效積溫，得出理論年發(fā)生世代數(shù)(表6)。臨沂郯城縣(魯南)3.5～3.7代、濱州無棣縣(魯北)3.6～3.9代、泰安泰山區(qū)(魯中)3.5～3.8代、聊城茌平區(qū)(魯西)3.2～3.5代、青島膠州市(膠東)3.1～3.4代、煙臺福山區(qū)(膠東)2.8～3.2代、威海榮成市(膠東)2.5～3.0代。結(jié)果表明，直接最優(yōu)法與直線回歸法計算的理論年發(fā)生世代數(shù)基本一致。由于2019年各地市平均有效積溫總數(shù)大于2020年，致使理論發(fā)生世代數(shù)也略大于2020年。再由于山東東西向氣溫差異較大(常年相差4～8℃)，一般情況是東部沿海地區(qū)溫度明顯低于西部，故東西向相比，發(fā)生世代數(shù)差異也較明顯，且在膠東地區(qū)越往東發(fā)生代數(shù)越少，膠東總體發(fā)生2.5～3.4代，而魯西地區(qū)發(fā)生3.2～3.5代。山東南北向氣溫差異較小(一般相差1～2℃)，有時魯北平均還高于魯南，從本研究的結(jié)果看，魯北(3.6～3.9代)、魯中(3.5～3.8代)和魯南(3.5～3.7代)的發(fā)生世代數(shù)，差異不大。

表6 山東部分地區(qū)草地貪夜蛾理論年世代數(shù)

3 結(jié)論與討論

昆蟲是變溫動物，其代謝、生長發(fā)育和存活受溫度高低的影響最敏感。溫度的差異會直接影響昆蟲的地理分布和發(fā)生的年世代數(shù)。本研究表明，草地貪夜蛾在18～30℃范圍內(nèi)，發(fā)育歷期隨著溫度的升高而逐漸縮短，30℃時發(fā)育歷期最短(32.27 d)。從溫度設(shè)置范圍看，適宜草地貪夜蛾生長發(fā)育的范圍是24～30℃，與Plessis等(2020)的發(fā)育最適溫度是26～30℃和何莉梅等(2019)的生長和繁殖適宜溫度為20～30℃相符合。本試驗沒有設(shè)置30℃以上的溫度，從其他作者設(shè)置30℃以上溫度的研究看，溫度在35℃(張紅梅等, 2020)和37℃(魯智慧等, 2019)時，發(fā)育明顯受阻且存活率低，而在32℃時發(fā)育快且死亡率低。綜合各作者的結(jié)果看，適宜草地貪夜蛾生長發(fā)育的溫度范圍應(yīng)在24～32℃。本研究觀察的幼蟲歷期與趙琳超等(2020)在18～30℃之間觀測的幼蟲期差異較大，他們在18℃時的幼蟲期為35.95 d，明顯低于本試驗的42.97 d；24℃時幼蟲期為31.89 d，大于本研究的13.55 d。本試驗的全世代發(fā)育歷期在21℃為62.90 d，顯著大于魯智慧等(2019)在22℃時的47.07 d，由此可見不同試驗間存在一定差異。但可從試驗結(jié)果看出，溫度低于18℃，草地貪夜蛾的生長發(fā)育明顯受阻。從溫度影響草地貪夜蛾存活和生殖的情況看，主要是低溫15℃和18℃引起的死亡率較高、發(fā)育歷期過長，尤其在15℃時成蟲無法正常交配完成繁殖過程，與何莉梅等(2019)的結(jié)果一致。魯智慧等(2019)研究發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾在32℃時，成蟲可以正常繁殖產(chǎn)卵，而在35℃和37℃時，蛹不能正常羽化，雌蛾不產(chǎn)卵，表明35℃已不適宜草地貪夜蛾的生殖(張紅梅等, 2020)。綜合各研究者的結(jié)果看，低于20℃和高于32℃均不利于草地貪夜蛾的存活和生殖。據(jù)2019年和2020年草地貪夜蛾在山東的發(fā)生為害情況看，多發(fā)現(xiàn)于膠東半島的7-8月份，當(dāng)然，山東的蟲源肯定是從南方種群隨夏季西南季風(fēng)向東北方向遷飛而來，西南季風(fēng)更有利于草地貪夜蛾沿著山東南部海岸線(日照)向膠東半島的青島、煙臺和威海擴(kuò)散，膠東半島處于夏季海洋性季風(fēng)氣候，氣溫偏低，7-8月份的平均氣溫在23～30℃，日最高氣溫達(dá)32℃，也適合草地貪夜蛾的生長發(fā)育。而在同時期的魯北、魯中、魯南的平均氣溫為24～36℃，日最高氣溫有時達(dá)到39℃，顯著高于膠東半島地區(qū)。從氣溫和季風(fēng)的雙重因素來看，7-8月膠東半島地區(qū)草地貪夜蛾的發(fā)生程度會高于山東其它地區(qū)。

試驗基于不同溫度下的發(fā)育歷期，根據(jù)直線回歸法計算得出，草地貪夜蛾的發(fā)育始點為12.72℃，有效積溫為523.33日·度；根據(jù)直接最優(yōu)法求得的發(fā)育始點為13.30℃，有效積溫為497.78日·度，在發(fā)育始點上與謝殿杰等(2019)利用直線回歸法求得發(fā)育始點(12.60℃)差異不大，與其測得的有效積溫為584.00日·度存在一定差異；與張紅梅等(2020)根據(jù)直線回歸法計算的發(fā)育始點為9.21℃、有效積溫為636.53日·度差異較大。綜合溫度對草地貪夜蛾生長發(fā)育和存活的影響看，本研究結(jié)果與許多研究表現(xiàn)出的差異，可能與飼養(yǎng)條件有關(guān)，本試驗利用新鮮玉米籽粒飼養(yǎng)幼蟲，而謝殿杰等(2019)和張紅梅等(2020)利用玉米苗喂養(yǎng)幼蟲，從營養(yǎng)角度講，玉米籽粒的營養(yǎng)成分含量肯定高于葉片，對草地貪夜蛾的生長發(fā)育和存活更加有利，這方面我們已通過飼喂玉米葉片和籽粒的研究得以證實，同時也發(fā)現(xiàn)飼喂不同玉米品種的葉片對草地貪夜蛾的生長發(fā)育、存活和生殖也有影響(劉小宇, 2021)；或許與玉米某些品種苗期葉片中存在較高含量的抗蟲物質(zhì)(如丁布等)從而影響其生長發(fā)育與存活有關(guān)。

山東地處于中國大陸東部沿海地區(qū)，省內(nèi)氣溫地區(qū)間差異較大，試驗根據(jù)山東各地市間地理位置的差異劃分了5個區(qū)域，并選擇其中代表地市對草地貪夜蛾發(fā)生世代數(shù)的理論值進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果顯示山東各地區(qū)氣溫差異東西大于南北，致使魯中、魯北和魯南地區(qū)，草地貪夜蛾年理論發(fā)生世代數(shù)差異不大，發(fā)生3.5～4代，魯西年理論發(fā)生世代數(shù)為3.2～3.5代，而膠東半島發(fā)生代數(shù)最少為2.5～3.4代，與謝殿杰等(2019)預(yù)測山東西南部發(fā)生3～4代基本一致。根據(jù)不同地區(qū)草地貪夜蛾發(fā)生世代的不同可以將山東各地進(jìn)行世代區(qū)域劃分，山東半島為發(fā)生2.5～3.5代區(qū)，魯西為發(fā)生3～3.5代區(qū)，魯中、魯南、魯北發(fā)生世代數(shù)較多屬于發(fā)生3.5～4代區(qū)。山東世代數(shù)區(qū)域的劃分為不同區(qū)域草地貪夜蛾的監(jiān)測預(yù)警和精準(zhǔn)防控提供了科學(xué)理論依據(jù)。

致謝：感謝山東省相關(guān)地市氣象局提供月平均氣溫數(shù)據(jù)。