外源氮添加對高寒草地門源草原毛蟲種群密度的影響

顧慧潔,汪 浩,上官子健,石慧瑾,朱劍霄,賀金生,

1 北京大學城市與環境學院生態學系, 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871 2 蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室, 蘭州 730000

氮素是陸地生態系統的主要限制性營養元素之一[1—2]。自工業革命以來,由于化石燃料和工業氮肥的大量使用,全球氮沉降量自1860年(15 Tg/a)至2000年(220 Tg/a)增加了十余倍[3]。在過去幾十年,中國已成為氮沉降的熱點區域之一[4]；即便在人類活動相對較少的青藏高原高寒草地,氮沉降量也達到了8.7—13.8 kg hm-2a-1[5—6]。

大氣氮沉降加劇對陸地生態系統的結構和功能產生了重要影響[7]。前人研究主要集中于植物群落,并發現氮沉降能夠緩解生態系統氮限制,從而促進植物生長并改變植物的物種多樣性[8—9]。此外,氮沉降對植物生產力的促進作用通常存在閾值；當超過一定閾值時,氮沉降對植物生產力的促進作用則會達到飽和[10]。植食性昆蟲作為昆蟲的主要類群(50%),是植物和更高營養級生物之間互作的媒介,對生態系統物質循環和能量流動起著關鍵性作用[11]。較之于植物群落,關于植食性昆蟲如何響應氮沉降加劇目前探討較少[12—13]。已有研究表明,氮沉降對植食性昆蟲種群密度具有促進作用[14—15]。然而,氮沉降對植食性昆蟲種群密度的促進作用是否存在飽和現象仍亟待進一步研究。

氮沉降可能通過三種機制影響植食性昆蟲的種群動態。首先,氮添加能夠促進植物生長,提高植食性昆蟲的食物數量[16],從而增加其種群密度[17—18]。其次,氮添加通過增加植物氮含量來改善植食性昆蟲的食物質量,從而影響植食性昆蟲的種群動態[15]。通常,植食性昆蟲的氮含量遠高于植物(10—20倍),因此它們很難從食物中獲得足夠的氮,其種群數量也受到寄主植物低氮含量的限制[12,19—20]。已有研究表明,氮添加通過緩解植食性昆蟲食物低氮的限制來促進其生長發育,提高其存活率和繁殖力,進而增加蟲害爆發的幾率[21—22]。最后,氮添加還可以通過改變植物群落結構影響植食性昆蟲棲息地的環境條件(包括溫度、濕度和光照等),進而影響植食性昆蟲的種群動態[13,23]。研究表明,溫度升高能夠提高植食性昆蟲的存活率和取食強度,引發大面積的蟲害爆發[24—26]。此外,曬太陽和遮陰是許多植食性昆蟲調節體溫的主要行為方式,因此光照條件的差異會影響植食性昆蟲的空間分布情況[27]。作為昆蟲生長發育的重要影響因素,濕度條件也在一定程度上解釋了植食性昆蟲種群密度的變化[28]。

門源草原毛蟲(Gynaephoramenyuanensis)隸屬于昆蟲綱(Insecta)鱗翅目(Lepidoptera)毒蛾科(Lymantriidae)草原毛蟲屬(Gynaephora),是青藏高原東北部高寒草地的主要害蟲,通常喜食禾草類優質牧草[18,29—30]。蟲害爆發會引起牧草減產,造成家畜食物短缺,草地退化加劇。此外,草原毛蟲的蛻皮、繭殼還會引發家畜口膜炎癥,甚至導致家畜死亡,造成嚴重的經濟損失[31]。本研究擬利用青海海北高寒草地“外源氮添加梯度”控制實驗平臺,探討氮沉降對門源草原毛蟲蟲口密度的影響及其機制,以期為青藏高原高寒草地的適應性管理和病蟲害防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究地點位于青藏高原東北部的青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站(以下簡稱為“海北站”；地理位置為37°36′N,101°19′E,海拔3200 m)。海北站受高原大陸性氣候影響,無明顯四季之分,只有冷暖二季之別；冷季漫長且寒冷、干燥,暖季短暫且涼爽、濕潤。自1981至2014年期間,海北站年平均氣溫為-1.1℃,最暖月7月和最冷月1月的平均氣溫分別為10.5℃和-14.4℃；年平均降水量為487.8 mm,且84%的降水集中于暖季的5—9月[32]。本研究在高寒草地進行,其植物群落優勢種為異針茅(Stipaaliena)和垂穗披堿草(Elymusnutans),常見種為矮嵩草(Kobresiahumilis)、草地早熟禾(Poapratensis)、藏異燕麥(Helictotrichontibeticum)、麻花艽(Gentianastraminea)、美麗風毛菊(Saussureapulchra)和青海苜蓿(Medicagoarchiducis-nicolai)等。土壤屬于草氈寒凍雛形土,0—5 cm和5—10 cm土層的土壤總氮含量分別為8.7 g/kg和6.9 g/kg,pH分別為7.5和7.6[33]。

1.2 “外源氮添加梯度”實驗設計

高寒草地“外源氮添加梯度”實驗平臺于2011年建立。該實驗遵循隨機區組設計,設置6個區組,每個區組4個處理,共24個小區。4個處理分別為對照(0 kg N hm-2a-1)、低氮添加(25 kg N hm-2a-1)、中氮添加(50 kg N hm-2a-1)和高氮添加(100 kg N hm-2a-1)。按照當地大氣氮沉降為8.7—13.8 kg N hm-2a-1計算[5—6],低氮、中氮和高氮添加處理分別大約是背景氮沉降的2.5、5、10倍。每個小區面積為6 m×6 m。為了避免不同處理之間的干擾,各區組和小區之間分別設置2 m和1 m的緩沖帶。

外源氮添加處理通過施加尿素顆粒(主要成分化學式為CO(NH2)2)來實現,在每年6—8月份的上旬等量施加?？紤]到雨水或次日清晨的露水能夠提高尿素進入土壤的效率,實驗處理選擇在陰天的傍晚進行。

1.3 門源草原毛蟲的蟲口密度調查

已有研究表明,6—8月份是進行門源草原毛蟲種群密度調查的適宜期[17—18,30]；在該時期,草原毛蟲的爬行和取食時間隨蟲齡的增長而增加,活動范圍也逐漸擴大[34—35]。因此,本研究確定2019年7月份為毛蟲蟲口密度的調查期。調查共分為3次,每10天一次,在草原毛蟲最為活躍的兩個時段內(9:00—12:00和15:00—17:00)開展[17—18,30,35]。在7月上旬、中旬和下旬,每平方米的平均蟲口數量分別為1.1、1.9、2.4頭。為了降低單時段觀測誤差對研究結果的可能影響,本研究參考Song等[18]和Pan等[36]的方法,對3次調查結果的平均值進行分析。具體調查選擇在晴朗天氣下進行,將各實驗小區內隨機放置的2個2 m×0.5 m樣方框定義為調查區域。

1.4 門源草原毛蟲的環境指標測定

本研究將植物地上生物量和禾草地上生物量(考慮到禾草是門源草原毛蟲的喜食植物[18,29—30])定義為草原毛蟲的食物數量指標,將群落水平植物葉片氮含量作為草原毛蟲的食物質量指標,同時也考慮草原毛蟲的棲息地環境,用土壤溫度、濕度和光照條件來表征。

植物地上生物量測定在毛蟲蟲口密度調查之后(2019年8月)進行。在各實驗小區內,隨機放置2個0.5 m×0.5 m的樣方框并收獲植物地上部分。然后,在實驗室內對植物樣品進行分物種、烘干并稱重。

群落水平植物葉片氮含量通過將物種水平的葉片氮含量加權物種相對多度來計算。物種相對多度依據分物種地上生物量獲得。物種水平的葉片氮含量通過在8月初采集成熟、完整的葉片若干,再烘干后利用碳/氮元素分析儀(2400II CHNS/O Elemental Analyzer, Perkin-Elmer, USA)測定獲得。本研究選擇11種常見植物用于測定物種水平的葉片氮含量,這些物種的地上生物量總和占群落地上生物量的75%以上。這11種常見物種包括垂穗披堿草(E.nutans)、異針茅(S.aliena)、草地早熟禾(P.pratensis)、矮嵩草(K.humilis)、青海苜蓿(M.archiducis-nicolai)、高山豆(Tibetiahimalaica)、麻花艽(G.straminea)、美麗風毛菊(S.pulchra)、圓萼刺參(Morinachinensis)、釘柱委陵菜(Potentillasaundersiana)、重冠紫菀(Asterdiplostephioides)。

土壤5 cm處溫度和濕度利用便攜式溫度計(JM 624 Digital Thermometer, Jinming Instrument Co., Ltd., Tianjin, China)和TDR土壤水分測量儀(IMKO, Ettlingen, Germany)測定。本研究中,草原毛蟲的光照條件基于植物群落平均高度間接衡量。植物高度會直接影響群落光環境；當植物高度增加時,植被的遮陰作用會增強,地表的光照強度則隨之減弱[37]。利用直尺對各實驗小區四周及中心的植株高度分別進行測定,平均后獲得植物群落平均高度。

1.5 統計分析

本研究利用單因素方差分析(One-way ANOVA)結合Turkey檢驗探討外源氮添加對草原毛蟲蟲口密度的影響。利用Pearson相關分析量化草原毛蟲各環境指標之間的相關性。利用線性回歸分析門源草原毛蟲蟲口密度與外源氮添加量、蟲口密度與各環境指標之間的關系。利用方差分解分析量化外源氮添加處理下食物數量(植物地上生物量和禾草地上生物量)、食物質量(群落水平葉片氮含量)和棲息地環境(土壤溫度、土壤濕度和植物群落平均高度)對毛蟲蟲口密度變化的相對貢獻。以上統計分析均采用R 3.6.1完成。

2 結果與分析

2.1 氮添加處理對門源草原毛蟲蟲口密度的影響

單因素方差分析表明,外源氮添加影響了門源草原毛蟲的蟲口密度(F=3.29,P=0.04; 圖1)。與對照相比,低氮、中氮添加處理對蟲口密度無顯著影響(P>0.05),而高氮添加處理使蟲口密度增加了85.4%(P<0.01)?；貧w分析顯示,蟲口密度隨氮添加量的增加(0—100 kg N hm-2a-1范圍內)呈線性增加(R2=0.31,P=0.005; 圖1)。

圖1 外源氮添加對門源草原毛蟲蟲口密度的影響以及蟲口密度與外源氮添加量的關系

2.2 氮添加處理對門源草原毛蟲食物數量、食物質量及棲息地環境的影響

線性回歸分析表明,植物地上生物量(R2=0.26,P=0.01)、禾草地上生物量(R2=0.21,P=0.02)以及群落水平葉片氮含量(R2=0.46,P=0.004)和植物高度(R2=0.16,P=0.05)均隨著氮添加量的增加而增加(圖2)。相比之下,隨著氮添加量的增加,土壤溫度降低(R2=0.32,P=0.004),土壤濕度無顯著變化(P>0.05; 圖2)。

圖2 門源草原毛蟲食物數量、食物質量和棲息地環境與外源氮添加量的關系

相關分析表明,在外源氮添加梯度下,植物地上生物量和禾草地上生物量之間呈現正相關(P<0.001),葉片氮含量和群落平均高度呈現正相關(P=0.006),而植物地上生物量與土壤溫度呈現負相關(P=0.03; 表1)。其它草原毛蟲環境指標之間并無顯著相關關系(表1)。

表1 外源氮添加梯度下,門源草原毛蟲食物數量、食物質量和棲息地環境等指標之間的相關性

2.3 氮添加處理下門源草原毛蟲蟲口密度與食物數量、食物質量及棲息地環境的關系

線性回歸分析表明,門源草原毛蟲蟲口密度隨群落水平葉片氮含量的升高而增加(R2=0.49,P=0.003),隨土壤溫度的升高而降低(R2=0.15,P=0.06),但與植物地上生物量、禾草地上生物量、植物群落平均高度和土壤濕度均無顯著關系(P>0.10; 圖3)。

圖3 外源氮添加梯度下,食物數量、食物質量和棲息地環境與門源草原毛蟲蟲口密度之間的關系

方差分解分析表明,食物數量、食物質量和棲息地環境對門源草原毛蟲蟲口密度變化的總貢獻為61.3%,其中食物質量(26.8%)及其與棲息地環境的共同作用(18.3%)對蟲口密度變化的貢獻最大(圖4)。相比之下,食物數量的單獨及其與其它因素的共同貢獻(4.0%)以及棲息地環境的單獨貢獻(12.2%)均較小(圖4)。以上結果表明,食物質量是外源氮添加梯度下門源草原毛蟲蟲口密度變化的關鍵影響因素。

圖4 外源氮添加梯度下食物數量、食物質量和棲息地環境對門源草原毛蟲蟲口密度變化的相對貢獻

3 討論

大氣氮沉降加劇正在顯著影響青藏高原高寒草地生態系統的結構和功能[38—40]。與前人側重于關注植物群落不同[23],本研究探討了外源氮添加對門源草原毛蟲種群數量的影響。結果表明,外源氮添加增加了高寒草地門源草原毛蟲的蟲口密度,且蟲口密度隨氮添加量的提高呈線性增加趨勢。進一步分析發現,不同氮添加梯度下,影響蟲口密度的關鍵因素是食物質量,而不是食物數量和棲息地環境。

3.1 外源氮添加增加了高寒草地門源草原毛蟲的蟲口密度

前人在高寒草甸、溫帶草地、沼澤化草甸、針葉混交林和亞北極荒地的研究發現[14,18,41—43],大氣氮沉降能夠提高植食性昆蟲的食物數量和質量,增加昆蟲的種群數量。本研究支持了這一觀點,發現外源氮添加不僅增加高寒草地的植物生物量,提高植物葉片氮含量,而且增加了門源草原毛蟲的蟲口密度。這一結果表明青藏高原高寒草地是氮限制的生態系統,大氣氮沉降對高寒草地植物群落和植食性昆蟲均具有促進作用。

基于多梯度的外源氮添加實驗,本研究進一步發現門源草原毛蟲的蟲口密度隨外源氮添加量的增加呈現線性增加趨勢,即在背景氮沉降的10倍外源氮添加范圍內,并未出現氮添加促進作用的飽和現象。這與Haddad等[44]在明尼蘇達中東部草地的研究結果不同,該研究發現植食性昆蟲種群密度隨著氮添加量的增加先增加,然后趨于飽和。而與本研究結果相同的是,Haddad等[44]也發現了植食性昆蟲種群密度變化與植物組織氮含量之間呈現正相關關系。這表明外源氮添加可以通過影響植物養分含量來調控植食性昆蟲的種群動態。值得注意的是,草原毛蟲的種群密度還可能受到捕食者種群密度和行為的影響[45—46]。在大氣氮沉降加劇背景下,進一步關注草原毛蟲的捕食者將會增進人們對草地蟲害爆發的認識。

3.2 食物質量是外源氮添加梯度下門源草原毛蟲蟲口密度變化的關鍵影響因素

研究發現,食物質量(即群落水平的葉片氮含量)是影響外源氮添加梯度下門源草原毛蟲蟲口密度變化的關鍵影響因素。這一結果與前人的報道基本類似,發現植食性昆蟲的種群數量和空間分布受寄主植物葉片氮含量的強烈影響[15,44]。本研究中,外源氮添加處理下葉片氮含量的升高對草原毛蟲蟲口密度的促進作用可能與兩個原因有關。第一,高氮含量的葉片不僅適口性更高[47],而且更能滿足草原毛蟲在化蛹前對氮的需求[45],能夠有效減少草原毛蟲的取食時間和體力消耗,并降低其被捕食的風險[48]。第二,高氮含量的食物供應能夠縮短草原毛蟲的發育歷期[13],提高其生長速率和存活率[22]。

與前人研究結果不同[18],盡管本研究也發現外源氮添加增加了植物(禾草)地上生物量,但這種食物數量的變化并不是高寒草地門源草原毛蟲的蟲口密度變化的主要原因。這可能與本實驗樣地中食物數量遠大于草原毛蟲的實際食物需求量有關。研究表明,單頭草原毛蟲在幼蟲期滿足其自身生長發育所需對植物的取食量約為1.7克[34]。按照每平方米3頭草原毛蟲計算,僅需要5.1克植物；這遠遠低于本實驗樣地中草原毛蟲可利用的總食物數量(即植物地上生物量,385.5—519.2 g/m2)和喜食植物數量(即禾草地上生物量,234.7—393.1 g/m2)。因此,我們推測在食物數量充足的高寒草地,門源草原毛蟲蟲口密度可能不受食物數量變化的影響。

本研究結果也表明,在外源氮添加梯度下,門源草原毛蟲蟲口密度受棲息地環境變化(土壤溫度、濕度和光照條件)的影響較弱。在高寒地區,增溫能夠使環境溫度更接近植食性昆蟲的最適生理溫度,提高其存活率并增加其每年的世代數,從而導致昆蟲的種群數量增加[49—50]。然而,本研究發現,草原毛蟲蟲口密度并未隨土壤表層溫度的升高而增加,這表明溫度升高可能不會促進高寒草地門源草原毛蟲的蟲害爆發。相反,本研究發現蟲口密度與土壤溫度之間呈現負相關關系,這可能與外源氮添加梯度下兩個不同的生態過程有關。一方面,葉片氮含量提高增加了毛蟲蟲口密度；另一方面,植物地上生物量增加可能通過增強遮陰作用降低了表層土壤溫度。這兩個過程可能間接導致了毛蟲蟲口密度與土壤溫度的負相關關系。此外,由于青藏高原七八月份(草原毛蟲蟲口密度調查時期)降水較多且光照強,所以外源氮添加下土壤濕度的細微變化和植物群落高度增加引起的地表光照減弱可能并不會對草原毛蟲蟲口密度產生顯著的影響。

3.3 問題與展望

盡管本研究發現外源氮添加下葉片氮含量變化能夠顯著影響門源草原毛蟲的種群密度,但是氮添加也能夠通過影響其它食物質量指標(如植物次生化合物含量)進而調控草原毛蟲的種群密度[21,51]。因為植物在生長和防御之間存在權衡關系,所以葉片養分含量的增加常伴隨著次生化合物含量的降低[52]。量化全球變化下這兩種食物質量指標改變對門源草原毛蟲種群密度變化的貢獻將是更進一步的探討。

此外,本實驗中外源氮添加處理是通過施加尿素實現,而大氣氮沉降的形式主要是銨態氮和硝態氮。盡管本研究和前人研究均表明,外源氮添加是通過影響食物數量、質量或棲息地環境間接影響草原毛蟲的種群密度[13,15,18],而與外源氮添加的形式關系較小[18]。但是,開展不同氮添加形式的控制實驗將為大氣氮沉降加劇下植食性昆蟲種群密度的變化提供更為可靠的預測依據。

最后,氮添加能夠調控植食性昆蟲的生長發育、繁殖力及存活率等,進而影響其種群數量[21—22]?？紤]到本研究僅關注了草原毛蟲蟲口密度,未來考慮草原毛蟲生長發育的整個過程將有助于全面認識全球環境變化對植食性昆蟲的影響。

4 結論

基于高寒草地“外源氮添加梯度”野外控制實驗,本研究發現外源氮添加顯著增加了青藏高原高寒草地門源草原毛蟲的蟲口密度。這表明日益加劇的大氣氮沉降可能會增加高寒草地門源草原毛蟲的蟲害爆發風險。而且,外源氮添加對草原毛蟲種群密度的影響主要通過改變食物質量,而非食物數量和棲息地環境來實現。這一發現將增進對全球變化背景下高寒草地多營養級之間相互作用的認識,同時也將為高寒草地適應性管理和病蟲害防治提供理論依據。