牧草生态化学计量特征对毛足棒角蝗取食行为的影响

赵万凯，郝树广，郑文胜，郑金钢，敦惠霞

能量流动是生态系统最基本的功能和特征之一，作为我国北方主要食草动物的蝗虫，是能量传递和转化的重要环节[1]。在草原和无脊椎动物中贡献的生物量和多样性最大[2]，蝗虫的发生与植被群落结构存在复杂的关系，通过研究蝗虫与其寄主植物无机化学元素组成的关系、蝗虫种群和不同发育阶段的生物量及能值特征，揭示了不同蝗虫种类和个体的能量收支、种群的能量动态及蝗虫群落能量流模式[3]。在这些动态过程中，环境的小气候状况、植物的营养状态和蝗虫的天敌都发挥着重要的作用[4-5]。生态化学计量学是化学计量学和生态学相结合，是研究化学元素和生态系统平衡对生态耦合作用的一门科学[6]。植物营养元素及化学计量是生态学研究的主要内容之一，碳、氮计量关系与植物个体增长、种群增长、物种多样性增长、群落结构及生态的联系，对于生态学研究具有重要意义[7]。植物与蝗虫存在着紧密而复杂的关系，二者相互影响[8]。研究表明高氮叶片饲养的亚洲小车蝗迁移能力更强，从而加大了蝗虫成灾风险[9]，但含氮量过高的植物也会导致蝗蝻的高死亡率[10]。

目前，关于不同的放牧强度可以导致草原蝗虫在空间、时间和种类上的演替及优势度的消长，蝗虫的分布、组成和丰盛度等特征与植被营养、类型和结构变化的关系；蝗虫天敌对蝗灾发生的重要调控作用已有报道[11]。另有研究表明，植物营养成分之间可以相互作用，也可以与次级代谢产物相互作用，从而影响昆虫的生长发育[12-14]。人工饲养蝗虫试验表明，植物体内的含氮化合物和含碳化合物能够影响昆虫的生长发育[15-16]，然而关于人工饲料如何影响蝗虫性能的研究较少[17-26]。

毛足棒角蝗（Dasyhippus barbipes）属蝗总科槌角蝗科棒角蝗属蝗虫，是内蒙古锡林郭勒草原典型早期优势种，一年只发生一代，产卵于地下，并在地下越冬。5月中下旬开始孵化，6月中旬为羽化高峰期，主要取食羊草（Leymus chinesis）和克氏针茅（Stipa krylovil）。本研究通过配制人工饲料，分析不同人工饲料对毛足棒角蝗取食的选择、适应性、发育与存活的影响；并通过研究放牧与补水不同管理方式对牧草营养成分的影响，结合植物生态化学计量，分析牧草C、H、N、S 元素含量及总碳∶氮比（C∶N）、总碳∶氢比（C∶H），旨在为调整放牧管理模式促进草地合理利用、改变植物营养成分、退化草地恢复和保护等技术体系改变蝗栖息环境，使天敌种类和数量增加，从而控制蝗虫的暴发，并以营养关系角度为草原蝗虫灾害治理提供生态与化学理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验地点位于中国科学院动物研究所内蒙古草原动物生态研究站实验室（锡林郭勒盟毛登牧场，44°14′3″N，116°31′46″E），平均海拔1 160 m，年平均温度-0.4 ℃，年降水量365.6 mm。

1.2 试验材料与设计

在中国科学院动物研究所内蒙古草原动物生态研究站实验室内，进行人工饲料试验。不同配比人工饲料为：N 营养（无维生素酪蛋白、细菌蛋白胨、鸡蛋白，纯度在99.5%以上），C 营养（蔗糖、可溶性淀粉，纯度在99.5%以上）；氮∶碳系列（7∶35、14∶28、28∶28、28∶14、35∶7），蔗糖∶淀粉系列（0∶50.0、12.5∶37.5、25.0∶25.0、37.5∶12.5、50.0∶0）。

2020年5月25日左右，在野外收集毛足棒角蝗4 龄若虫1 000 只左右，在室内培养箱内培育至5 龄初始。若虫在4～5 龄，用牧草喂养，每天观察若虫（早、中、晚各1 次），取刚蜕皮成功的5 龄若虫（蜕皮在12 h 以内健康有活力的），称单虫重，然后用不同配比人工饲料在养虫杯继续饲养，每个养虫杯放1 只，重复13 次。用记号笔在养虫杯标记雌雄，每隔72 h 换1 次饲料，每次0.1～0.2 g，每天换水，每天观察虫体生长发育及死亡情况，同时记录虫体体重和取食人工饲料重量；成虫羽化后（12 h 以内）称重。计算毛足棒角蝗在不同配比人工饲料处理下，5 龄至羽化成虫的存活历期、体重增长率和取食量。培养箱温度白天控制在25 ℃，晚上控制在22 ℃，光周期L∶D=14∶10，其他条件为室内自然环境。

羊草、克氏针茅营养成分含量试验设放牧×不补水、放牧×补水、不放牧×不补水、不放牧×补水4 个处理，按照裂区设计排列，8 次重复。首先设置放牧与不放牧2 个大区处理，每区8 次重复，共计8×8=64 个小区，每个小区面积为6 m×6 m，样区间隔为1 m，在每个小区按照一定规则编号，补水于春季进行（春季每月的10日左右），各喷洒25 mm。

牧草取样时间为2020年6月8日，在试验地各处理小区内，分别于地面上1 cm 处收集剪取新鲜羊草和克氏针茅叶片，做好标记，放入烘箱（LERD/TECH Drying Oven）48 h（温度为60 ℃）。取出样品，粉碎（高速多功能粉碎机SL-100 型，浙江省永康市松青五金厂），冷冻保存。然后用十万分之一的天平精确称取50 mg 的干物质（±0.01 mg），用锡箔纸包好压紧排除空气，用vario MACRO cube 元素分析仪分析测定牧草中C、H、N、S 元素含量，并计算总碳∶氮比（C∶N）、总碳∶氢比（C∶H）。

1.3 数据处理

数据采用SPSS 20 和Microsoft Excel 2010 软件进行分析。毛足棒角蝗存活历期、取食量及牧草营养成分数据均采用单变量方差分析（univariate analysis of variance），用Tukey 多重比较法检验不同处理的差异性。

2 结果与分析

2.1 毛足棒角蝗存活历期分析

图1 氮∶碳系列人工饲料毛足棒角蝗存活历期变化

由图1 可知，氮∶碳系列人工饲料中，毛足棒角蝗雌性存活历期均高于雄性，雌性平均存活历期14.8 d，雄性平均存活历期11.2 d。雌性存活历期在氮∶碳28∶28 人工饲料中达到最高，为17.2 d；氮∶碳7∶35 最低为11.2 d。氮∶碳28∶28 人工饲料显著（P＜0.05）高于氮∶碳7∶35 人工饲料，其他比例人工饲料间无显著差异（P＞0.05）；氮∶碳14∶28、28∶14、35∶7 人工饲料存活历期分别为16.4、16.2、12.8 d。雄性存活历期在不同比例人工饲料中无显著差异（P＞0.05），氮∶碳7∶35、14∶28、28∶28、28∶14、35∶7 存活历期分别为8.8、12.0、11.7、11.5、12.2 d。由图2 可知，蔗糖∶淀粉系列人工饲料中，毛足棒角蝗雌性存活历期高于雄性，雌性平均存活历期12.5 d，雄性平均存活历期11.8 d。雌性存活历期在蔗糖∶淀粉12.5∶37.5 人工饲料中达到最高，为16.5 d；蔗糖∶淀粉0∶50.0 人工饲料最低，为9.5 d；蔗糖∶淀粉12.5∶37.5 显著（P＜0.05）高于蔗糖∶淀粉0∶50.0 人工饲料，蔗糖∶淀粉0∶50.0 人工饲料与其他比例人工饲料无显著差异（P＞0.05）；蔗糖∶淀粉25.0∶25.0、37.5∶12.5、50.0∶0 人工饲料存活历期分别为13.8、12.6、10.3 d。雄性存活历期在蔗糖∶淀粉37.5∶12.5 人工饲料中最高，为15.8 d；蔗糖∶淀粉0∶50.0 人工饲料最低为9.1 d，蔗糖∶淀粉37.5∶12.5 人工饲料显著（P＜0.05）高于蔗糖∶淀粉0∶50.0 人工饲料，其他比例人工饲料之间无显著差异（P＞0.05）；蔗糖∶淀粉12.5∶37.5、25.0∶25.0，50.0∶0 人工饲料存活历期分别为10.6、12.6、11.1 d。两种不同系列配比人工饲料毛足棒角蝗雌性平均存活历期为13.7 d、雄性平均存活历期为11.5 d，雌性平均存活历期均高于雄性。

图2 蔗糖∶淀粉系列人工饲料毛足棒角蝗存活历期变化

2.2 毛足棒角蝗体重增长率分析

由图3a 可知，氮∶碳7∶35 系列人工饲料中，雌性体重增长率最高值为29.0%，出现在第16 天；体重增长率最低值为-19.0%，出现在第8 天。雄性体重增长率最高值为42.0%，出现在第12 天；体重增长率最低值为-15.0%，出现在第8 天。由图3b 可知，氮∶碳14∶28 系列人工饲料中，雌性体重增长率最高值为16.0%，出现在第8 天；体重增长率最低值为-10.0%，出现在第24 天。雄性体重增长率最高值为36.0%，出现在第8 天；体重增长率最低值为-13.0%，出现在第20 天。由图3c 可知，氮∶碳28∶28 系列人工饲料中，雌性体重增长率最高值为12.0%，出现在第12 天；体重增长率最低值为-12.0%，出现在第24 天。雄性体重增长率最高值为25.0%，出现在第16 天；体重增长率最低值为-34.0%，出现在第24 天。由图3d 可知，氮∶碳28∶14 系列人工饲料中，雌性体重增长率最高值为23.0%，出现在第16 天；体重增长率最低值为-15.0%，出现在第20 天。雄性体重增长率最高值为23.0%，出现在第8 天；体重增长率最低值为-7.0%，出现在第12 天。由图3e 可知，氮∶碳35∶7 系列人工饲料中，雌性体重增长率最高值为15.0%，出现在第16 天；体重增长率最低值为-17.0%，出现在第24 天。雄性体重增长率最高值为27.0%，出现在第8 天；体重增长率最低值为-20.0%，出现在第20 天。氮∶碳系列人工饲料中，毛足棒角蝗体重增长率整体表现为锯齿状变化，雌性体重增长率最高值分别出现在第16、8、12、16、16 天，其中，第16 天出现频率为60%（3 次）、第8 天出现频率为20%（1 次）、第12 天出现频率为20%（1 次），体重增长率最低值分别为第8、24、24、24、24 天，其中第24 天出现频率为80%（4 次）、8 d 出现频率为20%（1 次）；雄性体重增长率最高值分别出现在第12、8、16、8、8 天，其中，第8 天出现频率为60%（3 次）、第12 天出现频率为20%（1 次）、第16 天出现频率为20%（1 次），体重增长率最低值分别为第8、20、24、12、20 天，其中，第20 天出现频率为40%（2 次）、第8 天出现频率为20%（1 次）、第24 天出现频率为20%（1 次），第12 天出现频率为20%（1 次）；雄性体重增长率最高值出现的时间先于雌性，表明饲喂前期雄性发育表现较好，饲喂后期雌性发育表现较好。

图3 氮∶碳系列人工饲料毛足棒角蝗体重增长率变化

蔗糖∶淀粉0∶50.0 系列人工饲料中（图4a），雌性体重增长率最高值为52.0%，出现在第12 天；体重增长率最低值为-14.0%，出现在第16 天。雄性体重增长率最高值为23.0%，出现在第8 天；体重增长率最低值为-32.0%，出现在第20 天。蔗糖∶淀粉12.5∶37.5 系列人工饲料中（图4b），雌性体重增长率最高值为22.0%，出现在第12 天；体重增长率最低值为-13.0%，出现在第20 天。雄性体重增长率最高值为50.0%，出现在第8 天；体重增长率最低值为-13.0%，出现在第20 天。蔗糖∶淀粉25.0∶25.0 系列人工饲料中（图4c），雌性体重增长率最高值为25.0%，出现在第12 天；体重增长率最低值为-10.0%，出现在第24 天。雄性体重增长率最高值为32.0%，出现在第12 天；增长率最低值为-10.0%，出现在第20 天。蔗糖∶淀粉37.5∶12.5 系列人工饲料中（图4d），雌性体重增长率最高值为16.0%，出现在第24 天，体重增长率最低值为-10.0%，体出现在第4 天。雄性体重增长率最高值为12.0%，出现在第4 天；体重增长率最低值为-22.0%，出现在第24 天。蔗糖∶淀粉50∶0 系列人工饲料中（图4e），雌性体重增长率最高值为40.0%，出现在第24 天；体重增长率最低值为16.0%，出现在第4 天。雄性体重增长率最高值为31.0%，出现在第20 天；体重增长率最低为-6.0%，出现在第4 天。蔗糖∶淀粉系列人工饲料，整体也表现为锯齿状变化，雌性体重增长率最高值分别在第12、12、12、24、24 天，其中，第12 天出现频率为60%（3 次）、第24 天出现频率为40%（2 次），体重增长率最低分别在第16、20、24、4、4 天，其中第4 天出现频率为40%（2 次）、第16 天出现频率为20%（1 次）、第20 天出现频率为20%（1 次）、第24 天出现频率为20%（1 次）；雄性体重增长率最高值分别在第8、8、12、4、20 天，其中第8 天出现频率为40%（2 次）、第12 天出现频率为20%（1 次）、第4 天出现频率为20%（1 次）、第20 天出现频率为20%（1 次），体重增长率最低分别在第20、20、20、24、4 天，其中第20 天出现频率为60%（3 次）、第24 天出现频率为20%（1 次）、第4 天出现频率为20%（1 次）。雄性体重增长率最高值出现的时间先于雌性，表明饲喂前期雄性发育表现较好，饲喂后期雌性发育表现较好。

图4 蔗糖∶淀粉系列人工饲料毛足棒角蝗体重增长率变化

2.3 毛足棒角蝗取食量分析

由图5a 可知，氮∶碳7∶35 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.041 1 g，雄性平均取食量为0.033 7 g。雌性取食量最高为0.065 1 g，取食量最低为0.024 8 g；雄性取食量最高为0.040 3 g，取食量最低为0.024 8 g。由图5b 可知，氮∶碳14∶28 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.044 7 g，雄性平均取食量为0.044 0 g。雌性取食量最高为0.078 7 g，取食量最低为0.024 8 g；雄性取食量最高为0.068 6 g，取食量最低为0.022 4 g。由图5c 可知，氮∶碳28∶28 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.039 2 g，雄性平均取食量为0.037 6 g。雌性取食量最高为0.072 0 g，取食量最低为0.021 3 g；雄性取食量最高为0.061 9 g，取食量最低为0.016 2 g。由图5d 可知，氮∶碳28∶14 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.041 0 g，雄性平均取食量为0.037 4 g。雌性取食量最高为0.082 0 g，取食量最低为0.021 8 g；雄性取食量最高为0.073 1 g，取食量最低为0.010 6 g。由图5e 可知，氮∶碳35∶7 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.039 2 g，雄性平均取食量为0.040 0 g。雌性取食量最高为0.060 9 g，取食量最低为0.019 6 g；雄性取食量最高为0.059 6 g，取食量最低为0.026 6 g。总的来说，雌性平均取食量高于雄性，雌性取食量喜食程度排序为14∶28＞7∶35＞28∶14＞28∶28＞35∶7，雄性取食量喜食程度排序为14∶28＞35∶7＞28∶28＞28∶14＞7∶35，雌性、雄性更喜食氮∶碳14∶28 系列人工饲料食物，不喜食雌性氮∶碳35∶7 食物、雄性不喜食氮∶碳7∶35 食物。

图5 氮∶碳系列人工饲料毛足棒角蝗取食量变化

由图6a 可知，蔗糖∶淀粉0∶50.0 系列人工饲料中，前期雌性平均取食量高于雄性，后期雄性平均取食量高于雌性，雌性平均取食量为0.027 9 g，雄性平均取食量为0.026 2 g。雌性取食量最高为0.042 9 g，取食量最低为0.017 6 g；雄性取食量最高为0.037 6 g，取食量最低为0.019 4 g。由图6b 可知，蔗糖∶淀粉12.5∶37.5 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.046 2 g，雄性平均取食量为0.043 9 g，雌性平均取食量高于雄性。雌性取食量最高为0.051 7 g，取食量最低为0.023 0 g；雄性取食量最高为0.041 6 g，取食量最低为0.014 6 g。由图6c 可知，蔗糖∶淀粉25.0∶25.0 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.041 7 g，雄性平均取食量为0.037 6 g，雌性平均取食量低于雄性。雌性取食量最高为0.035 4 g，取食量最低为0.019 6 g；雄性取食量最高为0.043 6 g，取食量最低为0.012 0 g。由图6d 可知，蔗糖∶淀粉37.5∶12.5 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.042 2 g，雄性平均取食量为0.037 4 g，雌性平均取食量高于雄性。雄性取食量最高为0.047 4 g，取食量最低为0.016 3 g；雄性取食量最高为0.034 4 g，取食量最低为0.010 6 g。由图6e 可知，蔗糖∶淀粉50.0∶0 系列人工饲料中，雌性平均取食量为0.037 0 g，雄性平均取食量为0.040 0 g，雌性平均取食量低于雄性。雌性取食量最高为0.033 1 g，取食量最低为0.020 2 g；雄性取食量最高为0.041 2 g，取食量最低为0.023 1 g。总的来说，雌性取食量排序为12.5∶37.5＞37.5∶12.5＞25.0∶25.0＞50.0∶0＞0∶50.0，雄性取食量12.5∶37.5＞50.0∶0＞25.0∶25.0＞37.5∶12.5＞0∶50.0，表明雌性、雄性喜食蔗糖∶淀粉12.5∶37.5食物、不喜食0∶50.0 食物。

2.4 牧草营养成分测定分析

由表1 可知，羊草总C 含量在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧较不放牧羊草总C 含量提高0.6%，差异显著（P＜0.05）；补水对羊草总C 含量无显著差异（P＞0.05）。羊草总N 含量在不同处理间有极显著差异（P＜0.01），放牧较不放牧羊草总N 含量提高9.9%，差异显著（P＜0.05）；放牧×补水处理较放牧×不补水显著（P＜0.05）降低羊草总N 含24.5%；不放牧处理间无显著差异（P＞0.05）。羊草总H 含量在不同处理间无显著差异（P＞0.05）。羊草总S 含量在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧×补水处理较放牧×不补水处理羊草S 含量降低31.6%，达差异显著（P＜0.05）；不放牧处理间无显著差异（P＞0.05）；放牧较不放牧羊草总S 含量提高10.0%，差异显著（P＜0.05）。羊草C∶N 在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧×补水处理较放牧×不补水处理显著（P＜0.05）提高羊草C∶N 22.1%，不放牧×补水处理与不放牧×不补水处理间无显著差异（P＞0.05）；放牧较不放牧羊草C∶N 提高1.3%。羊草C∶H 在不同处理间无显著差异（P＞0.05）。

图6 蔗糖∶淀粉系列人工饲料毛足棒角蝗取食量变化

表1 羊草C、H、N、S 测定含量 单位：%

由表2 可知，放牧显著（P＜0.05）提高克氏针茅总C 含量，放牧较不放牧克氏针茅总C 含量提高1.8%，补水与不补水处理间无显著差异（P＞0.05）。放牧极显著（P＜0.01）提高克氏针茅总N 含量，放牧较不放牧克氏针茅总N 含量提高28.7%，补水在放牧处理间总N 含量无显著差异（P＞0.05）。克氏针茅总H 含量在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧极显著（P＜0.01）提高克氏针茅总H 含量，放牧较不放牧克氏针茅总H 含量提高5.0%，补水对克氏针茅总H 含量无显著差异（P＞0.05）。克氏针茅总S 含量在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧极显著（P＜0.01）提高克氏针茅总S 含量，放牧较不放牧克氏针茅总S含量提高3.5%，补水在放牧处理间对克氏针茅总S含量无显著差异（P＞0.05）。克氏针茅C∶N 在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧极显著（P＜0.01）降低克氏针茅C∶N，不放牧较放牧克氏针茅C∶N 降低23.8%，补水在放牧处理间对克氏针茅C∶N 无显著差异（P＞0.05）。克氏针茅C∶H 在不同处理间有显著差异（P＜0.05），放牧显著（P＜0.05）降低了克氏针茅C∶H，放牧较不放牧克氏针茅C∶H 降低4.5%，补水在放处理间克氏针茅C∶H 无显著差异（P＞0.05）。

3 结论与讨论

对于人工饲料试验，毛足棒角蝗雌性存活历期均高于雄性（雌性平均存活期13.7 d，雄性平均存活期11.5 d）；毛足棒角蝗雄性体重增长率最高值出现的时间先于雌性，饲喂前期雄性发育表现较好，饲喂后期雌性发育表现较好；取食量方面，毛足棒角蝗雌性、雄性更喜食氮∶碳14∶28 食物，雌性不喜食氮∶碳35∶7 食物、雄性不喜食氮∶碳7∶35 食物，雌性、雄性喜食蔗糖∶淀粉12.5∶37.5 食物、不喜食蔗糖∶淀粉0∶50.0食物。由于牧草的主要成分为氮和碳，占到牧草总成分的75%以上，因此，本研究进行了羊草和克氏针茅营养含量试验。结果表明，放牧显著增加了羊草总C 含量，与不同放牧处理对总C 含量无显著差异[27]结论不同，而造成这种现象的原因，可能与小气候的变化有关，这也进一步表明植物对气候变化的不对称响应对生态系统C 循环有重要作用[28]。补水降低了羊草总C 含量，这与张婉婷[29]研究的增加补水是总C 降低的结论相似；放牧显著提高了羊草的总N含量，这与邢文丽等[28]放牧对羊草总N 含量的结论一致；放牧对羊草总S 含量无显著影响，放牧×补水处理极显著降低羊草总S 含量。放牧对羊草C∶N 影响显著，放牧×补水处理显著提高了羊草C∶N。放牧显著提高克氏针茅总C 含量、总N 含量、总H 含量、总S 含量，降低了克氏针茅C∶N。该结果与邢文丽等[28]在室外饲养蝗虫的试验得到放牧显著加速了毛足棒角蝗增长速率、降低了发育历期、增加了成虫体重、加快了发育进度、降水对毛足棒角蝗有一定的影响趋势、但不明显的结论相似[28]。水分影响植物体内总含碳、总含氮量可能和降水频率、年份有关；蝗虫生长受制于碳水化合物比例，这也说明降水同时对牧草和蝗虫本身有重要影响[29-30]。植物生长早期放牧，增加了植物C、N 含量，会延长蝗虫存活历期，加快体重增长，加大蝗虫对植物的取食量。早期降水对植物C 含量有降低趋势，结合上述分析，可以认为在这种生长情况下对毛足棒角蝗虫发育有一定的促进。

表2 克氏针茅C、H、N、S 含量测定 单位：%

基于上述研究结果，我们认为将人工饲料与放牧补水改变牧草成分相结合，合理调整草原放牧，可以为草原蝗虫灾害的环境友好可持续防控、对生态脆弱区域的可持续发展提供数据基础,但下一步仍需要进行牧草单独取食测定及继续进行牧草和人工饲料结合测定工作。