凹唇壁蜂的營巢生物學(xué)研究

竇飛越，李紅英，宋海濤，寇若玫，周澤揚(yáng)，羅阿蓉，黃敦元*

(1. 重慶師范大學(xué)重慶市媒介昆蟲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；2. 中國科學(xué)院動(dòng)物研究所動(dòng)物進(jìn)化和系統(tǒng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 煙臺(tái)必豐農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東棲霞 265300)

植物依賴動(dòng)物傳粉是一種重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，全球約87.5%的開花植物需要?jiǎng)游锸诜郏?5%的主要糧食作物也需要?jiǎng)游锸诜?賈翔宇等, 2018; Bentrupetal., 2019)，其中昆蟲授粉功能占據(jù)非常重要的地位(徐環(huán)李等, 2009)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年，僅在中國的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)，昆蟲對(duì)22類主要農(nóng)作物的授粉服務(wù)價(jià)值就達(dá)8 860.5億元(歐陽芳等, 2019)。近年來，由于棲息地喪失、農(nóng)藥過度使用以及愈加規(guī)?；图s化的農(nóng)業(yè)發(fā)展，傳粉昆蟲面臨多種風(fēng)險(xiǎn)因素，從而導(dǎo)致全球授粉功能的嚴(yán)重下降(Pottsetal., 2010; De Palmaetal., 2017; Boyleetal., 2020)。為了維持經(jīng)濟(jì)作物的授粉需求，研究者開始尋找并開發(fā)具有商業(yè)化潛力的其它傳粉昆蟲(Ryderetal., 2020)。20世紀(jì)中期，日本和美國等多個(gè)國家開始利用壁蜂為蘋果、梨等果樹授粉(Parker, 1981; Torchioetal., 1987; 魏樞閣等, 1991; 徐環(huán)李等, 1994)。上個(gè)世紀(jì)90年代中期，我國也開始廣泛利用熊蜂為茄子、番茄、桃和梨等多種作物授粉(吳杰等, 2006)，并嘗試從國外引進(jìn)苜蓿切葉蜂Megachilerotundata幫助苜蓿授粉(徐環(huán)李等, 2009)，均取得了良好的效果。

壁蜂屬Osmia隸屬于昆蟲綱Insecta膜翅目Hymenoptera蜜蜂總科Apoidea切葉蜂科Megachilidae(徐環(huán)李等, 1994)，全世界有80余種(閆卓等, 2018)。該屬多數(shù)類群喜在土壁、石洞、墻壁等洞穴中筑巢，以采集花粉(蜜)為食并完成世代繁育(袁鋒等, 1992)。諸多研究表明：壁蜂屬多數(shù)物種因具有易管理、低成本和高傳粉效率等特點(diǎn)，所以常作為人工放養(yǎng)野生蜜蜂被廣泛應(yīng)用于蘋果、櫻桃、梨等果樹的授粉(魏樞閣和趙蘭英, 1995; 魏永平等, 2000; 逮彥果, 2004)。

凹唇壁蜂OsmiaexcavataAlfken隸屬于壁蜂屬，廣泛分布于我國山東、陜西、山西、河南、河北、新疆、遼寧、江蘇等地區(qū)(魏永平等, 2001)。根據(jù)劉麗等(2019)在山東煙臺(tái)對(duì)凹唇壁蜂的授粉價(jià)值的研究顯示，該蜂對(duì)櫻桃、蘋果和梨的授粉經(jīng)濟(jì)服務(wù)價(jià)值分別超過180、600和50億元。另外，相比其它授粉蜜蜂，凹唇壁蜂具有耐低溫、日活動(dòng)時(shí)間長、訪花效率高、授粉范圍集中及管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)(魏永平和袁鋒, 1997)，因此，該蜂被認(rèn)為是一種優(yōu)良且可以規(guī)?；硼B(yǎng)的野生傳粉昆蟲，在未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景(何偉志和周偉儒, 2009)。

人工巢穴技術(shù)(Trap-nesting)是根據(jù)誘集對(duì)象(包括野生蜜蜂和胡蜂類群)的筑巢習(xí)性，人為利用木頭、竹子、紙筒或塑料管等中空材料來收集獨(dú)棲性蜂類的一種方法(黃敦元等, 2012)。該技術(shù)可用于獨(dú)棲性蜂的標(biāo)本采集和生物學(xué)特性觀察(黃敦元等, 2013)，也常用于生物多樣性的分析(郭鵬飛等, 2018)及子代性別分配和親本投資機(jī)制的研究(Staabetal., 2018; Gon?alves & da Costa, 2019)。本文利用人工巢穴技術(shù)在山東煙臺(tái)、江西贛州和重慶沙坪壩地區(qū)收集放養(yǎng)的凹唇壁蜂，并對(duì)其營巢生物學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，旨在進(jìn)一步明確其巢穴結(jié)構(gòu)和營巢習(xí)性，為該蜂的科學(xué)管理和規(guī)?；米鳛橐罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

本研究野外試驗(yàn)于2020年3月至5月在山東煙臺(tái)棲霞市(37°17′12″N，120°49′53″E；海拔180 m)、江西省贛州市贛縣五云鎮(zhèn)(25°59′36″N，114°49′41″E；海拔142 m)和重慶市沙坪壩區(qū)(29°36′56″N，106°17′46″E；海拔292 m)進(jìn)行，其中該蜂的生活史研究主要在重慶市沙坪壩樣地完成。

1.2 研究材料

本試驗(yàn)所用凹唇壁蜂蜂繭由煙臺(tái)必豐農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。于2019年6月購買并存放在重慶師范大學(xué)媒介昆蟲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室冰箱中低溫保存(4℃)。在野外試驗(yàn)開始前1周從冰箱中取出常溫保存。

1.3 研究方法

1.3.1凹唇壁蜂釋放和巢管安裝

2020年3月至5月，分別在3個(gè)試驗(yàn)樣地人工放養(yǎng)2 000頭凹唇壁蜂滯育成蟲，同時(shí)在每個(gè)樣地內(nèi)各安置3個(gè)人工巢箱(每個(gè)巢箱1 500根巢管)，人工巢箱的制作和安裝參考Staab等(2014)。

1.3.2巢室分析

從3個(gè)試驗(yàn)樣地收集凹唇壁蜂的筑巢巢管并帶回實(shí)驗(yàn)室，使用解剖刀剖開約1/3的巢管，觀察巢管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記錄蟲室數(shù)量，同時(shí)使用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量蟲室長度、前庭長度、空室長度、間室長度及巢管內(nèi)徑(圖1)。

1.3.3筑巢和訪花行為的觀察

野外對(duì)重慶沙坪壩樣地內(nèi)的凹唇壁蜂巢管進(jìn)行不同顏色標(biāo)記(n=10)，采取目測(cè)、追蹤和攝像相結(jié)合的方法對(duì)剛開始筑巢的雌性個(gè)體進(jìn)行連續(xù)4 d的野外觀察，每天觀察時(shí)間段為7 ∶00-18 ∶00，主要觀察以及記錄的數(shù)據(jù)有：環(huán)境的溫度、雌蜂清理巢管的時(shí)間、采集筑巢材料的時(shí)間、攜(粉)蜜回巢的時(shí)間及巢管內(nèi)滯留的時(shí)間。另外，記錄雌蜂到訪(粉)蜜源植物的種類，同時(shí)攝像記錄該蜂訪花行為。

1.3.4幼蟲發(fā)育觀察

將已解剖的重慶沙坪壩樣地內(nèi)的凹唇壁蜂巢管置于試管內(nèi)，用脫脂棉堵塞試管口，對(duì)巢管內(nèi)的各蟲態(tài)發(fā)育過程及行為習(xí)性進(jìn)行記錄，包括卵期、幼蟲期和蛹期的發(fā)育時(shí)間以及各個(gè)階段的形態(tài)特征等。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和圖形制作采用Excel 2016軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 生活史

凹唇壁蜂營獨(dú)棲生活，在重慶沙坪壩地區(qū)1年發(fā)生1代，以成蟲在繭內(nèi)越冬。翌年的3月下旬，成蟲陸續(xù)破繭出巢(雄蜂一般早于雌蜂1～2 d出巢)，在巢穴附近尋找(粉)蜜源植物，吸食花(粉)蜜補(bǔ)充營養(yǎng)并完成巡飛婚配。交配完成的部分雌蜂會(huì)飛回最初被釋放的地點(diǎn)，選擇并標(biāo)記適合的巢管進(jìn)行筑巢，采集花(粉)蜜制作蜂糧并完成產(chǎn)卵繁殖后代。重慶沙坪壩地區(qū)的雌蜂成蟲活動(dòng)期為30～45 d，卵期3～4 d、幼蟲期20～25 d、蛹期25～30 d。幼蟲取食完花粉團(tuán)后便結(jié)繭化蛹進(jìn)入前蛹期，8月到9月開始在繭內(nèi)羽化成蟲并開始越冬(表1)。

表1 凹唇壁蜂的生活史(重慶沙坪壩)

卵(圖2-A)：呈乳白色半透明，月牙狀形，微彎曲，表面光滑，長3.47±0.11 mm(n=10)，伏在蜂糧表面。隨著日齡的增加，卵內(nèi)卵黃蛋白等物質(zhì)清晰可見，體表逐漸褶皺。3～4 d后，幼蟲的形態(tài)基本形成，頭部先破殼而出，并通過身體不斷蠕動(dòng)使卵殼逐漸脫落至尾端，等到幼蟲發(fā)育至2齡時(shí)卵殼完全脫離。

幼蟲(圖2-A)：初孵幼蟲體型跟卵粒一般大小，乳白色，咀嚼式口器，基本無移動(dòng)能力，依靠深入蜂糧內(nèi)的口器取食。隨著日齡增大，幼蟲體表呈淡黃色，部分為磚紅色或淡灰色。到了3齡左右，幼蟲圍繞蜂糧呈“C”字形，后腸內(nèi)的蟲糞清晰可見，此時(shí)幼蟲的進(jìn)食行為和排泄行為可以同步進(jìn)行。歷經(jīng)20～25 d取食完蜂糧后，幼蟲通過身體運(yùn)動(dòng)將蟲糞清理至蟲室一端開始結(jié)繭進(jìn)入前蛹期，并在之后的發(fā)育過程中始終保持頭部朝向巢管出口。

蛹期(圖2-B)：被蛹，結(jié)繭過程需2～3 d。初繭為白色后漸變?yōu)榧t褐色，外被一層具有固定作用的白色絲質(zhì)膜粘附在管壁上，繭前端有一突起為繭封閉處。繭形狀為橢圓形，長度8.06±0.10 mm(n=10)，繭直徑與巢管內(nèi)徑基本一致。繭內(nèi)初蛹呈乳白色，體粗肥，然后漸變?yōu)榈S色再到黑褐色并進(jìn)入前蛹期。8～9月幼蟲陸續(xù)羽化，成蟲在繭內(nèi)以專性滯育狀態(tài)越冬，翌年3月下旬成蟲陸續(xù)破繭出巢。

2.2 雌蜂筑巢行為

2.2.1巢管選擇及巢室結(jié)構(gòu)

交配后的雌蜂一般回到羽化附近選擇巢箱筑巢，通過多次進(jìn)出巢管的方式，選擇合適的巢管進(jìn)行筑巢并繁殖后代。根據(jù)室內(nèi)對(duì)筑巢巢管的解剖和測(cè)量發(fā)現(xiàn)，雌蜂偏好選擇的巢管長度為25.66～209.69 mm，平均長度為121.86±48.44 mm(n=110)，選擇的巢管內(nèi)徑范圍為5.06～11.88 mm，平均內(nèi)徑為8.01±1.42 mm(n=110)。該蜂巢管內(nèi)的巢室結(jié)構(gòu)主要包括前庭(Vestibular cell)、蟲室(Brood cells/provisioned cells)、間室(Intercalary cells)和空室(Empty cell)四個(gè)部分(圖1)，長度范圍分別為8.26～31.71 mm，6.13～23.85 mm，11.36～37.61 mm，5.28～21.47 mm，平均長度分別為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 凹唇壁蜂巢管的相關(guān)特性

2.2.2巢管清理

筑巢巢管確定后，雌蜂開始對(duì)巢內(nèi)的蘆葦芯等雜物進(jìn)行清理，清理行為主要有3種：蘆葦芯較小時(shí)，雌蜂會(huì)直接用上顎將其咬碎帶出巢外；蘆葦芯較大時(shí)，雌蜂會(huì)用前足將其抱住再帶出巢外；蘆葦芯較多時(shí)，雌蜂會(huì)將其先聚集到巢口，最后用腹部推出。整個(gè)清理過程需要20～35次完成，收集雜物時(shí)間范圍在5～106 s，平均時(shí)間為38.73±19.75 s(n=92)(圖3-A)，出巢處理雜物時(shí)間范圍為2～54 s，平均時(shí)間為10.58±6.05 s(n=92)(圖3-B)。

圖3 凹唇壁蜂收集雜物時(shí)間(A)和出巢處理雜物時(shí)間(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

清理巢管結(jié)束后，雌蜂開始出巢挖掘附近新鮮的泥土并帶回巢穴中構(gòu)建巢室。首先雌蜂用上顎挖取泥團(tuán)，然后帶回巢穴，為避免材料凝固，雌蜂會(huì)立即開始筑巢。筑巢時(shí)雌蜂先構(gòu)建巢管底部的隔板，通過上顎不斷咬合沿巢管內(nèi)壁向中心塑形(圖2-D)。一塊完整的隔板需要泥團(tuán)數(shù)量為12～27個(gè)，雌蜂外出采集筑巢材料的單次時(shí)間為33～179 s，平均時(shí)間67.33±21.32 s(n=68)(圖4-A)，巢內(nèi)的滯留時(shí)間為22～211 s，平均時(shí)間58.08±18.90 s(n=68)(圖4-B)。

圖4 凹唇壁蜂采集筑巢材料時(shí)間(A)和攜筑巢材料回巢滯留時(shí)間(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蜂糧制作及產(chǎn)卵

當(dāng)蟲室隔板構(gòu)筑完成后，雌蜂出巢采集花粉和花蜜?；爻埠蟠品鋾?huì)將蜜囊中的花蜜吐出，用后足卸下腹部的花粉，將花粉和花蜜混合一起制作蜂糧(圖2-E)，一枚完整的蜂糧需要收集15～29次。蜂糧制作完成后，雌蜂在蜂糧表面產(chǎn)卵后用泥塊封閉蟲室并進(jìn)入下一個(gè)蟲室的構(gòu)筑。雌蜂單次采集花粉和花蜜時(shí)間為125～1 234 s，平均為371.00±152.06 s(n=78)(圖5-A)，處理花粉的時(shí)間為36～446 s，平均時(shí)間為104.39±37.58 s(n=78)(圖5-B)。

圖5 凹唇壁蜂采集(粉)蜜時(shí)間(A)和攜(粉)蜜回巢滯留時(shí)間(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 訪花習(xí)性與寄生天敵

凹唇壁蜂訪花方式為頂采式，即訪花時(shí)直接落在花朵雄蕊上，腹毛刷緊貼雄蕊并通過腹部運(yùn)動(dòng)采集花粉，或是用頭部吸取花蜜(圖2-F，G)。經(jīng)過野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)凹唇壁蜂訪問的野生(粉)蜜源植物主要有風(fēng)輪菜Clinopodiumchinens、女貞Ligustrumlucidume、酢漿草Oxaliscorniculata，經(jīng)濟(jì)作物主要有蘋果MaluspumilaMill、梨Pyursspp.、櫻桃Cerasuspseudocerasus等。

通過野外觀察和室內(nèi)解剖發(fā)現(xiàn)，在雌蜂出巢收集花粉時(shí)，叉唇寡毛土蜂Sapygacoma會(huì)潛入已筑巢的巢管內(nèi)部，并在蜂糧上產(chǎn)下自己卵(圖2-H)。

2.4 雌蜂日采(粉)蜜活動(dòng)規(guī)律

為探究雌蜂的訪花規(guī)律，在重慶沙坪壩地區(qū)，對(duì)同一根已筑巢的巢管進(jìn)行標(biāo)記，跟蹤該巢管內(nèi)雌蜂的訪花行為，記錄其在不同天氣下每2 h出巢采集粉(蜜)的次數(shù)，同時(shí)每2 h記錄環(huán)境的溫度。結(jié)果如圖5顯示，雌蜂采集花(粉)蜜的活動(dòng)時(shí)間段為7 ∶00-19 ∶00，全天活動(dòng)時(shí)間達(dá)到12 h，其中11 ∶00-15 ∶00期間為活動(dòng)高峰期，17 ∶00-19 ∶00期間雌蜂隨著氣溫下降以及傍晚的臨近其活動(dòng)頻率驟然下降，在18 ∶00之后，雌蜂一般回巢準(zhǔn)備過夜。在不同天氣下(晴天和陰天)都顯示出，雌蜂在7 ∶00-13 ∶00期間的活動(dòng)頻率隨著氣溫的上升而在加快，但在晴天時(shí)的活動(dòng)頻率明顯比在陰天時(shí)的活動(dòng)頻率高，當(dāng)氣溫超過35℃時(shí)(13 ∶00)，雌蜂活動(dòng)頻率顯示出下降趨勢(shì)。

圖6 雌蜂的日采(粉)蜜活動(dòng)規(guī)律Fig.6 Daily pollen and nectar collection activities of the female注：A，晴天；B，陰天。Note: A, sunshine; B, cloudy.

3 結(jié)論與討論

叉壁蜂OsmiapedicornisCockerell、角額壁蜂OsmiacornifronsRadoszkowski和紫壁蜂Osmiaexcanata等壁蜂屬物種在我國均1年1代，成蜂在春季果樹開花前后破繭出巢(袁鋒等, 1992)。本研究發(fā)現(xiàn)凹唇壁蜂在重慶沙坪壩地區(qū)也是1年1代，3月下旬成蜂出巢活動(dòng)，選擇合適的巢管筑巢，采集花粉(蜜)制作蜂糧并繁殖后代。研究發(fā)現(xiàn)凹唇壁蜂在黑龍江地區(qū)的卵期通常為6～10 d，幼蟲期15～20 d，蛹期25～30 d(劉暢等, 2015)，而該蜂在重慶沙坪壩地區(qū)的卵期只有3～4 d、幼蟲期延長為20～25 d、蛹期為25～30 d，這一差異的結(jié)果可能與兩地氣候因素有關(guān)。溫度在昆蟲的生長和發(fā)育中起著重要作用，具體體現(xiàn)在溫度對(duì)幼蟲發(fā)育速度、神經(jīng)發(fā)育及免疫系統(tǒng)的影響(McKinneyetal., 2017)。在早春的同一時(shí)期，南方的溫度通常比北方高，更適合凹唇壁蜂發(fā)育，促進(jìn)了卵期的發(fā)育過程，隨著時(shí)間往后，南方的溫度不斷上升，超過了凹唇壁蜂發(fā)育的最適溫度，延長了幼蟲期的發(fā)育過程。

地上筑巢的獨(dú)居蜂依賴于自然界現(xiàn)存的孔穴筑巢如石縫、枯木中的蟲洞甚至蝸牛殼等(Seidelmannetal., 2016)，對(duì)這類獨(dú)居性蜂而言，選擇適宜的筑巢空穴對(duì)其后代的生存和發(fā)育至關(guān)重要。研究表明，巢管內(nèi)徑大小可以影響?yīng)毦臃浜蟠员燃绑w型，通常在內(nèi)徑較小的巢管中，其后代性比偏向雄性且體型較小，而在內(nèi)徑較大的巢管中，其后代性比偏向雌性且體型較大(Polidorietal., 2011; 王麗娜等, 2018)。凹唇壁蜂也是典型的利用自然界現(xiàn)存空穴筑巢的物種，在人工提供的蘆葦管下，凹唇壁蜂會(huì)在巢管內(nèi)筑巢并且其行為會(huì)受到選擇的巢管大小影響，該蜂選擇的巢管內(nèi)徑與其體型一般大小時(shí)，會(huì)限制該蜂在巢管內(nèi)的活動(dòng)范圍，特別是在攜花粉回巢時(shí)，雌蜂需要多次進(jìn)出巢管以便將身上的花粉完全卸掉，而該蜂選擇的巢管內(nèi)徑過大時(shí)，又會(huì)增加修筑單個(gè)隔板所花費(fèi)的時(shí)間。

獨(dú)居性蜂的巢室由空室(Empty cell)、蟲室(Brood cells/provisioned cells)、間室(Intercalary cell)、前庭(Vestibular cell)共4部分組成(Gon?alves and da Costa, 2019)。室內(nèi)解剖巢管發(fā)現(xiàn)，凹唇壁蜂的巢內(nèi)也具有這類結(jié)構(gòu)(圖2-I)，但其中間室、空室及前庭部分并非所有的筑巢巢管都具有。在Natalie等(2019)對(duì)另一種壁蜂屬Osmialignari的研究中，該蜂的巢管結(jié)構(gòu)與凹唇壁蜂一致。有趣的是，凹唇壁蜂和Osmialignari都表現(xiàn)出減少甚至去除間室、前庭和空室部分，以獲得更多的空間而用于蟲室的構(gòu)建。這種營巢策略相比其它蜾蠃類群的獨(dú)居蜂有很大的差異。在關(guān)于蜾蠃類群的相關(guān)研究中可以發(fā)現(xiàn)，這類蜂的筑巢巢管內(nèi)具有多個(gè)間室和蟲室，通常一個(gè)蟲室緊連著一個(gè)間室(黃敦元等, 2013; Gon?alves and da Costa, 2019)。但對(duì)于凹唇壁蜂而言，其間室僅有一個(gè)甚至沒有，研究表明，在(粉)蜜源充足、天氣較好的晴天，凹唇壁蜂單個(gè)巢管內(nèi)可建8～12個(gè)巢室(徐環(huán)李等, 1994)。

蜜蜂的營養(yǎng)需要花粉、花蜜和水來提供，(粉)蜜源植物多樣性和數(shù)量影響蜜蜂的抗病性和壽命(Brodschneider & Crailsheim, 2010; Degrandi-Hoffman & Chen, 2015)。本研究觀察到凹唇壁蜂授粉的經(jīng)濟(jì)作物有蘋果、梨和櫻桃等果樹，而授粉的野生植物有風(fēng)輪菜、女貞和酢漿草等。為了更多的掌握凹唇壁蜂的覓食偏好，還需要后續(xù)進(jìn)一步的研究。