新疆典型荒漠區單食性天花吉丁蟲磷元素含量對環境的響應

王 晶，呂昭智，宋 菁

(1.喀什師范學院化學與環境科學系，喀什 844006;2.中國科學院新疆生態與地理研究所，中國科學院干旱區生物地理與生物資源重點實驗室，烏魯木齊 830011;3.沈陽大學，城市有害生物治理與生態安全遼寧省重點實驗室，沈陽 110044)

生態化學計量學是以生物學、化學、物理學等為基礎，將不同尺度、不同生物群系和不同研究領域的生物有機聯系，研究生物系統能量平衡和多重化學元素(主要是C、N、P)平衡的科學，其中動態平衡原理和生長速率理論是該學科最重要理論［1-2］。生長速率理論(GRH)認為有機體C∶N∶P的變化主要是由生物體P含量的變化決定的［3］;生物體P的變化至少部分受不同生長或發育速率的有機體rRNA中P含量變化的影響［4-6］。

生態化學計量學的理論提出以來，國內外學者通過大量的實驗研究進一步闡述了其在生態系統中，特別是在生物與環境中P元素關系中的重要意義。國內外學者通過對P元素的限制性研究，表明了P元素與生物體的生長及RNA含量存在密切關系，進而影響種群動態［1-2］。在一定條件下當環境食物供應量不足時，特別是P元素缺乏時，生物體內RNA含量及種群動態與P元素之間的關系更為密切［7-8］。大量的研究表明，以不同比值的C∶N∶P的食物飼養水蚤、輪蟲等低等生物的實驗中，都顯示在供應的食物P元素低于正常的條件下，生物個體RNA含量及生長速率隨著P的增加而提高，并且生物個體P含量，RNA∶DNA與其食物的P含量呈正相關［9-11］。

迄今生態化學計量學理論已被普遍認同，近幾年我國學者在化學計量學方面也做了大量的研究，但僅限于宏觀尺度，主要集中在C、N、P含量及C∶N∶P關系，缺乏分子水平的機理研究。同時，對生長速率理論的驗證和發展多數是營養結構比較簡單的水生生態系統和實驗室可控條件下單個個體生長的研究［12-14］，而該理論在自然條件下昆蟲群體中的研究較少。

本研究正是基于對生態化學計量學理論在自然條件下對新疆荒漠區生態系統中土壤-梭梭Haloxylon ammodendron-天花吉丁蟲Julodis varioloris Pall P元素含量和天花吉丁蟲RNA含量之間的關系做了較為詳細的比較分析和研究。同時討論了三者之間的P元素變化關系，為研究自然條件下，昆蟲體內P元素及RNA變化趨勢與種群動態之間的關系在微觀領域探索提供更有效的方法。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于新疆北部準噶爾盆地南緣，北與古爾班通古特沙漠相鄰，南接博格達山，屬于綠洲與荒漠之間的過渡區，北緯 44°12′37″—44°21′53″，東經 87°50′24″—87°54′06″。研究區南部為山前沖積平原，北部為沙漠邊緣，地勢平坦，海拔高度為450—500 m，降水量變化很大，南部平原年降水量130—150 mm，北部至沙漠區少于130 mm，屬溫帶荒漠氣候。土壤基本為堿化漠鈣土或鹽化草甸土。主要植被類型是以低矮的灌木、半灌木為主，除了短命植物和1年生植物以外，幾乎全為旱生、超旱生植物，形成稀疏的植物群落。主要群落類型有紅砂(Reaumuriasoongorica)群落，梭梭(Haloxylon ammodendron)群落，鹽爪爪(Kalidium foliatum)群落，堿蓬(Suaedaacuminata)群落等。植物種類總體稀少，覆蓋度相對較低，植物種類組成單調和旱生性是當地植被的主要特征。

1.2 樣品采集

樣品采集按時間順序每隔20d調查1次，分別于2007年5月21日、6月11日、7月1日、7月21日進行采集。

土壤樣品選擇天花吉丁蟲活動的梭梭密集區，隨機選擇12株梭梭，采集距離梭梭0.5m處土壤，采樣深度為0—10cm和10—30cm，每個樣點3個重復，共計72個樣本。

梭梭樣本選擇捕獲到天花吉丁蟲的植株，每個樣點采集5株，共采集9個樣本。

天花吉丁蟲采用手捕法采集梭梭上固定或很少活動的成蟲個體，樣點布設采用棋盤式，以10株為1個樣點單位，每個樣點相距20m左右，在100株梭梭上繞植株一周隨機采集天花吉丁蟲，記錄種群數據，并將捕獲的昆蟲放入實驗箱帶回室內。

1.3 樣品處理

土壤樣品帶回實驗室風干，過篩。

土壤有效磷的測定:0.5mol NaHCO3浸提鉬銻抗比色法［15］(土壤農化分析)。

梭梭樣品60℃烘干48h后粉碎測元素含量:梭梭有機碳測定采用土壤碳重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定［15］;梭梭葉片磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定［15］;分光光度計為 UV-120-01，TARC JAPAN。

采集的天花吉丁蟲在室內常溫饑餓24h后，分為兩組，一組-70℃保存，提取總RNA;另一組在烘箱中70℃烘干72h，稱重，粉碎測定個體磷含量。天花吉丁蟲總RNA提取用試劑盒EZ Spin Column Total RNA Isolation Kit(Bio Basic Inc，Canada)，紫外分光光度計測定RNA含量。天花吉丁蟲個體磷含量測定采用酸溶-鉬銻抗比色法［15］。

1.4 數據分析

土壤有效P、植物P、昆蟲RNA及昆蟲個體P含量不同時間段之間差異性比較采用單因素方差分析(ANOVA)的Bonferron法進行比較(P＜0.05)，土壤有效P，梭梭P和C/P，天花吉丁蟲RNA及P含量之間的相關關系采用線性回歸。統計軟件使用Origin 7.5。

2 結果與分析

2.1 不同時間土壤、梭梭、天花吉丁蟲P元素的化學計量組成

2.1.1 不同時間土壤有效P含量

不同時間段的土壤有效P含量表現出了一定的差異性，如圖1所示在6月與7月間土壤有效P含量差異顯著(P＜0.05)，同時從5月下旬到6月上旬土壤有效P含量呈一定的增長趨勢，6月中旬到7月上旬含量明顯降低，7月下旬有微弱增長，在監測時段內6月11日測得土壤有效P的最大值為25.1908 mg/g。

圖1 不同時間土壤有效P含量Fig.1 Soil P availability in different time

2.1.2 不同時間梭梭葉片P含量與C/P的變化

梭梭葉片P含量與土壤效P含量表現出了一定的趨同性，梭梭葉片P含量在6月與7月間差異顯著(P＜0.05)(圖2)，在6月11日達到最大值，葉片中的P含量為1.61mg/g，高于其它調查時間;梭梭葉片C/P在6月11日最小，與5月和7月存在顯著差異(P＜0.05)，表明梭梭在6月上旬是生長最快的時期［16］。

圖2 不同時間梭梭葉片P含量與C/PFig.2 Content of Haloxylon ammodendron P and leaf C/P in different time

圖3 梭梭葉片P含量與C/P比的關系Fig.3 Relationship between P in Haloxylon ammodendron and C/P in leaf

比較不同時間梭梭葉片P含量與C/P的關系發現，不同時間梭梭個體P含量與C/P之間存在顯著的線性負相關關系。同時，通過對梭梭有機碳含量的測定，發現在不同時期內梭梭有機碳含量相對穩定，含量在20.8—24.2g/kg之間，表明梭梭C/P的變化在不同時間段內主要受梭梭葉片P含量變化的影響。

2.1.3 不同時間天花吉丁蟲個體P與RNA含量

天花吉丁蟲個體P含量在6月與7月間差異顯著(P＜0.05)，在其他時間差異不顯著(P＞0.05)，基本維持穩定水平(圖4)。但6月初吉丁蟲個體P含量出現最大值，明顯高于其它時間，這與梭梭葉片磷含量表現了一致性。天花吉丁蟲體內RNA含量除7月1日、7月21日以外在不同時期存在顯著差異(P＜0.05)(圖4)，且6月11日最高，7月份明顯降低。同時在整個調查期內天花吉丁蟲RNA含量和P含量呈正相關(圖5)。

圖4 不同時間天花吉丁蟲個體P含量與RNA含量Fig.4 Content of P and RNA of Julodis varioloris in different time

圖5 天花吉丁蟲RNA與P含量關系圖Fig.5 Relationship between RNA and P in Julodis varioloris

2.2 土壤-梭梭-天花吉丁蟲系統P元素組成關系

2.2.1 土壤有效P含量與梭梭葉片C/P的關系

土壤有效P含量與梭梭葉片C/P之間存在顯著的線性負相關(圖6)。梭梭在整個調查期內5月21日至7月21日，葉片P含量隨著土壤有效P的增加而增加，特別是當土壤供應的有效P最高時，梭梭葉片P含量也達到了最大值，此時梭梭葉片C/P最小，梭梭生長也最快。

2.2.2 梭梭葉片C/P比值與天花吉丁蟲P及RNA含量的關系

圖6 梭梭C/P與土壤有效P之間關系Fig.6 Relationship between plant leaf C/P and soil available P

梭梭葉片C/P與天花吉丁蟲個體P與RNA含量都存在顯著的線性負相關關系(圖7)。吉丁蟲個體RNA含量在一定程度上受梭梭葉片C/P影響，反應了梭梭P含量的變化引起吉丁蟲P含量變化，進而導致體內RNA含量也隨之發生改變。

2.2.3 土壤有效P對天花吉丁蟲P含量和RNA的影響

天花吉丁蟲P、RNA含量與土壤有效P之間都有正相關關系(圖8)，表明天花吉丁蟲個體P與RNA含量與土壤有效P含量的變化趨勢一致。

3 討論

3.1 土壤-梭梭-天花吉丁蟲系統元素關系

天花吉丁蟲作為新疆典型荒漠區單食性昆蟲其體內P與RNA含量與梭梭葉片P元素含量及土壤有效P含量的變化之間存在一定的相關關系。從三者之間的關系來看，梭梭葉片P元素含量及C/P的變化直接受到土壤有效P含量供給的影響，而土壤有效P的含量受季節變化的影響與環境條件密切相關;梭梭葉片P元素含量直接影響取食者天花吉丁蟲P與RNA含量，而土壤有效P含量通過影響天花吉丁蟲食物(梭梭葉片)P元素含量間接影響其體內P與RNA含量(圖9)。

圖7 梭梭P含量與昆蟲RNA，昆蟲個體P含量關系Fig.7 Relationship between plant P and beetle RNA，P in different time

3.2 天花吉丁蟲P元素和RNA含量在一定程度上反映種群動態

P元素是生物體內膜磷脂、蛋白以及能量分子ATP、ADP等的重要組成元素［17］，RNA是重要的磷庫，與有機體維持生命的新陳代謝息息相關，RNA的含量直接影響到有機體的P含量［18］。生長快速的有機體，對核糖體和蛋白質的需求越高，從而增加RNA的含量，同時對P元素的需求也增加，迫使環境供應更多的P元素［19］。當供應的P元素在有機體需求的臨界點以下時，不斷增加P元素的供應量，RNA含量與生長速率也隨之增長［9-20］。而當P元素增加到能夠滿足有機體的需求時，這種關系就不存在了。天花吉丁蟲體內P含量的變化受到土壤有效P和植物葉片C/P的影響，這種變化關系符合生態化學計量學中的生長速率理論(GRH)。

食物的C/P反應對C、P元素對生物體的供給關系，當C/P小于50時，P元素就能滿足消費者的需求［16］。土壤-梭梭-天花吉丁蟲系統中土壤有效P、梭梭P元素呈現時間變化趨勢，但天花吉丁蟲個體P含量相對穩定。同時，梭梭C/P最大值為24.054，因此認為土壤和梭梭對天花吉丁蟲P的供應是充足的，而昆蟲保持體內元素平衡的適應能力可能與個體體內機制相關［20］。

圖8 土壤有效P與天花吉丁蟲P、RNA含量的關系Fig.8 Relationship between soil avalibility P and Julodis P，RNA

圖9 土壤-植物-昆蟲三者關系圖Fig.9 Relationship in soil-plant-beetle system

本研究在探討昆蟲生長速率與環境之間的時空動態變化關系方面，通過對天花吉丁蟲個體P含量的研究發現，其個體P含量除在6月與7月間存在差異外，在其整個生長周期內比較穩定，在一定程度上不能夠顯著地反映生長速率的變化趨勢，而天花吉丁蟲體內的RNA在其他整個生長周期內更能敏感地判斷環境對生物個體生長與群體變化的影響。根據實驗調查，5月下旬天花吉丁蟲個體開始出現，6月上旬數量增多，7月上旬調查試驗區天花吉丁蟲數量減少。天花吉丁蟲RNA含量在調查時期內變化很大，并且與天花吉丁蟲種群數量變化趨勢一致，由此推斷，在適宜的環境條件下，當外界P元素供應充足，昆蟲體內RNA含量的變化在一定程度上能夠表明種群變化趨勢。天花吉丁蟲種群動態變化可以通過自然環境中磷元素的變化來評估，這可能是一個從微觀角度研究天花吉丁蟲種群變化的新方法。這與生態化學計量學認為的有機體內元素和RNA含量的變化反映生長速率的理論一致。

3.3 生態化學計量學在陸地生態系統中的應用

陸地生態系統相對于水生生態系統營養結構關系要復雜得多，研究起來比較困難。而且，生態化學計量學理論的形成和其發展與豐富主要基于對營養結構關系相對簡單的浮游水生生態系統的研究。而自然群落動態受到食物質量(營養成分含量)的限制，食物質量決定生物在其生存環境中的成功存活，高品質食物豐富時，群落內各種生物都大量的發展起來;營養條件惡化時，耐受性差的物種或個體大量死亡，使種群動態發生變化［21］。本文在自然環境條件相對穩定的新疆典型荒漠區研究了特有物種單食性天花吉丁蟲-梭梭-土壤之間的生態化學計量關系，在一定程度上表明了食物質量對昆蟲個體P和RNA含量及種群動態的影響，使生態化學計量學理論在陸地生態系統中得到驗證，為新疆脆弱生態環境的變化對生物種群及多樣性的影響提供了新的研究途徑。

4 結論

(1)土壤有效P、梭梭P及C/P、天花吉丁蟲P與RNA含量隨著時間的推移發生變化，三者的變化存在一定的相關性。

(2)在研究土壤-梭梭-天花吉丁蟲三者之間的關系中發現，天花吉丁蟲P元素與RNA含量直接受植物P元素影響，受土壤有效P間接影響，土壤-梭梭-天花吉丁蟲的三者之間呈線性正相關關系。

(3)天花吉丁蟲RNA含量與吉丁蟲種群數量變化趨勢一致，在一定的環境條件下，當外界P元素供應充足，昆蟲體內RNA含量的變化在一定程度上能夠表明種群變化趨勢。

(4)通過研究土壤有效P、梭梭P及C/P、天花吉丁蟲P與RNA之間的生態化學計量關系，使生態化學計量學理論在陸地生態系統中得到應用和驗證。

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