【中山大学生物防治】05生物防治效果与评价.ppt

第五章生物防治实施与效果评价 生物防治因子的作用评价生物防治实施与效果评价生物防治与绿色农业 第一节生物防治因子的作用评价 田间系统调查与相关分析天敌排除或添加法功能反应法生命表分析法酶联免疫吸附分析方法单克隆抗体法稳定性同位素分析法生态能学评价方法生物防治因子的生态风险评价 一 田间系统调查及相关分析 一 基本原理 田间系统调查就是定期对田间的害虫和天敌种群进行抽样 了解两者种群数量随时间的变化 当数据较多时 需要应用统计分析了解两者间数量变化的相关性 如通过对英国1972至1979年间冬小麦上麦蚜和蚜茧蜂的平均虫口密度进行相关分析表明 两者间存在正相关关系 害虫与天敌间数量的正相关关系并不一定表明天敌对害虫的控制作用 还需要结合其他一些分析 才能得出明确的结论 二 研究方法和步骤 确定田间调查目的根据目的确定试验田块确定抽样调查方法 如随机取样等确定昆虫取样方法 如五点取样 Z形取样确定每点取样单位 如株数确定每株昆虫观测方法确定取样的次数制好表格并记载 1 田间系统调查 1 调查步骤 总体空间变异程度大小 空间分布型 空间分布型越聚集 则抽样误差越大抽样单位数量的多少 抽样单位数量越多 则误差越小抽样调查的方式 如何合理抽样 2 抽样调查 影响抽样误差的因子 先将研究区域 田快 划分成若干个样方 随机地抽取一定数量的样方 计数各样方当中的全部个体数 再利用所有样方的平均数对总体数量进行估计 随机抽样 3 抽样的方式 纯随机抽样 先将全部总体单位编号 均匀混合后 随机抽样 适用于范围较小 分布较均匀的总体 如一块地 几棵果树等 类型抽样 又称分层抽样 主要通过先分组 然后再随机抽样 适合于昆虫发生及其危害程度调查 整群取样 又称集团抽样 每点不是一个个体而是一群个体 如在棉花田 每块地随机取样 每点1m2 再取所有棉株 机械抽样 随机机械抽样 随机选择抽样单位非随机机械抽样 对角线 棋盘式 分行 Z形 典型抽样 有目的地选择有代表性的典型的抽样单位调查 4 抽样方法 五点取样 按梅花形取5个样方 每个样方的长度和宽度要求一致 比较简单 取样数量较少 样方可稍大 适合于较小和正方形样地 但不适于长条形样地 对角线取样 分单对角线和双对角线取样两种 与五点取样法一样 取样数量较少 样方可稍大 4 抽样方法 棋盘式取样 将样地划成等距离 等面积的方格 每隔一个方格的中央取一个样点 相邻行的样点交错分开 优点是取样数量较多 比较准确 但较费工 4 抽样方法 单行线取样 在成行排列的田块 按行隔一定距离取样 优点是样点较多 分布也较均匀 Z形取样 按Z形每隔一定距离取样 此法样点分布研田边较多 田中较少 主要针对一些在田间分布不均匀的害虫 如红蜘蛛等 5 抽样数量 取样数量越多 所得估计值越接近自然种群数量 限于人力 物力和时间 取样点既不能过多 又不能过少 一般取5 10 15或20个样点为宜 抽样数量的确定 以满足统计学分析的最低要求为准 如针对单个种群进行个体抽样 至少需要30个个体样本才具有代表性 即能满足统计分析的样本数量要求 6 抽样单位 长度 适于调查条播密植作物和树木枝条上的昆虫或受害程度 面积 适于调查条播密植作物和在地表生活的昆虫或受害程度 体重或重量 适于调查地下害虫 仓库害虫及益虫或受害程度 植株及其部分器官 适于调查稀植物上的昆虫或受害程度 一般大田稀植作物多以株为单位 如棉铃虫以棉花百株卵量或百株幼虫量表示等 有时也以叶片 花 蕾 铃 茎 果实 穗等为单位 器械 根据库存习性 设置一定规格的黑光灯 一般20W 糖醋酒盆 性诱盆 杨树枝把 谷草把 黏虫板 黄皿 捕虫网等器械诱集或捕捉昆虫 以在一定时间标准器械所获虫量为单位 时间 常适于调查较活泼而移动性大的昆虫 以单位时间内采集或见到的虫量为表示单位 如在春季和夏季每天傍晚开始观察1h内大葱花上的小地老虎或黏虫成虫数量 2 数据分析 1 调查数据的整理 调查获得的原始数据往往是一堆杂乱无章的数据 在进行分析之前 首先要将这些数据按实验处理的要求 将性质相同的资料放在一起 对同质资料进行归类汇总成表 通常采用列表法将数据进行同类的分类 特点是简单易作 便于比较 可同时表明多个处理与数字 也可用图解法将数据进行同类的分类 特点是简明直观 便于比较 容易发现规律 2 调查数据的初步分析 平均值标准误差置信限 3 调查数据的分析 分析原则 由简单到复杂先植物 后害虫 再天敌的顺序 即先时间后空间先种群 后群落图表与结果相对应 分析时 要一个表或一幅图逐一分析 得出一个结论分析时要有图表数据来支持 以统计检验的差异性说明其结果的可靠性 数据统计分析 影响昆虫个体生长发育或种群动态的生态因子很多 无论是室内试验还是室外试验 所得结果均要进行统计分析 才能看出其研究的差异 相关或回归分析 为了进一步阐明各个处理或变量之间的关系 如害虫种群与天敌种群的关系 建议进行相关分析 或进行一元或多元直线回归 曲线回归分析 建立变量之间的关系式 在进行相关或回归分析时 要计算相关或回归或偏回归系数 并要进行方差分析 据F值的大小判断它们之间在数量关系上的密切程度和性质 这样可以提高研究水平 数据统计分析软件 Excel SPSS SAS和Statistics都是很好的分析软件 根据试验设计 选择合适的方法进行统计分析 需要标上P值和自由度df值 需要注意的是 不同的统计方法有不同的自由度 二 天敌排除或添加法 一 基本原理 先在害虫生境中去除或加入天敌 然后系统观察和比较天敌存在与不存在时害虫种群数量的变化 这是一类定量研究的方法 排除法有物理排除法 如笼罩排除法 杀虫剂排除法等 将某种天敌从害虫生境中除去 然后系统调查害虫在没有某种天敌时的种群增长和危害情况 添加法就是将一定数量的天敌人为释放到害虫所发生的生境 然后观察天敌对害虫的寄生或捕食效果 并系统调查害虫种群的增长和危害情况 二 研究方法与步骤 以于汉龙等 2014 采用笼罩法定量评价麦田自然天敌对麦蚜控制作用为例 罩笼添加法就是通过人工接入相同数量的目标害虫一段时间后 比较罩笼处理和开放处理中害虫种群数量 评价天敌控害作用的方法 实验所用罩笼框架由PVC管材焊接而成 笼架为1 1 1 5m 长 宽 高 网为60目 封闭的笼子用网罩全部罩住 开放时 笼架顶部用1 1 0 6m笼罩罩住 让自然天敌自由通过 同时减少封闭处理和开放处理的温度 湿度差异以及罩笼对作物生长影响差异 1 试验设计 每个罩笼处理的小麦面积为1m2 罩笼试验田面积667m2 在小麦返青期开始罩笼接虫试验 试验田中随机选取1m2的长势整齐小麦进行罩笼 罩笼后即清除笼内所有天敌和害虫 然后进行接虫 用毛笔将大小体型相似的蚜虫成虫均匀接到笼罩内小麦嫩叶上 每个笼罩接入10头蚜虫 控制初始蚜虫数量相同 保证在相同的初始条件下进行试验 试验共设8个处理 分别为一直罩笼 一直开放 罩笼10天后开放 罩笼20天后开放 罩笼30天后开放 开放10天后罩笼 开放20天后罩笼 开放30天后罩笼 每个处理5次重复 每3天调查1次 记录各重复上的蚜虫的数量 天敌的种类及其数量 麦蚜的天敌主要有龟纹瓢虫Propylaeajaponica 异色瓢虫Harmoniaaxyridis 黑带食蚜蝇Episyrphusbalteatus等 麦蚜发生的前中后三个时期优势天敌均为龟纹瓢虫 其优势度均在70 以上 5月中旬高达94 根据麦蚜的种群数量变化 将麦蚜种群变化划分为平稳期 5月7日 盛发期 5月17日 消退期 5月28日 的控害指数和益害比 龟纹瓢虫 异色瓢虫 黑带食蚜蝇 麦蚜 2 试验结果 蚜虫平稳期自然天敌的控害指数为0 35 自然天敌能控制将近35 的麦蚜 益害比为1 252 盛发期自然天敌的控害指数为0 42 自然天敌能控制42 左右的麦蚜 益害比为1 14 消退期 自然天敌的控害指数为0 32 自然天敌能控制32 的麦蚜 益害比为1 89 一直罩笼的蚜虫数量始终高于一直开放处理的处理 罩笼处理的麦蚜种群增长迅速 在5月7日即达到防治指标 之后一直在防治指标以上 持续到5月21日 约有15天的时间 而一直开放处理的蚜虫种群数量一直处于比较低的水平 仅有两个调查时间点 5月13日和5月21日 高于防治指标 试验结果定量证明了天敌对害虫的控制作用 三 功能反应法 一 基本原理 一个捕食者 寄生者 个体所能猎杀 寄生 的猎物数量是关于猎物密度的函数 叫做功能反应 一定时间内被猎杀的猎物数量随着猎物密度的增加而逐渐接近一个渐近线 至少有三种不同类型的曲线被用来模拟功能反应 分别代表一定时间内猎杀猎物与可供猎杀猎物比例的不同 I型功能反应 又称为线性反应 捕食者的捕食量随猎物密度增加 开始直线上升 之后达到一个平衡值 捕食率在前一个阶段因捕食量与猎物成正比而不变 直到食物多于捕食者能取食的水准时下降 Na为被捕食害虫数 N为害虫密度 又称凸型功能反应 是捕食性昆虫的主要作用类型 捕食者的捕食量随猎物密度的增加而上升 直到饱和水平 捕食率的负加速出现是由于在高密度猎物下饥饿程度降低 搜索成功的比率降低 用于搜索的时间增大所致 Na为被捕食害虫数 N为害虫密度 Th为处置时间 T为实验总时间 II型功能反应 又称S形功能反应 不少捕食性昆虫属于本类型 捕食者的捕食量随猎物密度增加而呈S形变化 捕食率开始时有正加速期 接着是负加速期而后达到饱和水平 负加速期的出现与II型类似 早期出现正加速期 系统中多了一个学习成分 在猎物密度极低时 捕食者与猎物接触太少 它们不能建立条件反射以很快地发现和识别食物 随猎物密度增加 频繁的接触使捕食者通过学习反应变快 Na为被捕食害虫数Th为处置时间N为害虫密度T为实验总时间 III型功能反应 二 研究方法和步骤 以戈峰等 1989 研究八班鞘蛛对3龄褐飞虱的捕食作用为例 1 试验昆虫 褐飞虱各虫态均由室内饲养所得 八斑鞘蛛采自稻田 试验前 以过量的褐飞虱饲养八斑鞘蛛1天 然后禁食2天 取发育状况 大小基本一致的八斑鞘蛛成蛛和3龄若蛛作为试验材料 褐飞虱 2 功能反应试验 年龄等级反应试验 在直径9 3cm 高1 5cm的培养皿 下同 内放入1头八斑鞘蛛成蛛或若蛛和不同虫态 不同密度的褐飞虱 褐飞虱虫态分别为1龄 3龄 5龄和短翅型成虫 褐飞虱密度为4 8 16 32和64头共5个处理 每个处理重复5次 在室温20 30oC 用棉球保湿情况下试验 下同 24小时后检查褐飞虱被捕食数 干扰效应试验 在培养皿内放入80头褐飞虱3龄若虫 分别供不同密度雌成蛛或若蛛取食 蜘蛛密度设1 2 4 6 8头共5个处理 每处理重复5次 24小时后检查褐飞虱被捕食数 空间异质性试验 在不同的空间容积和复杂程度下测定八斑鞘蛛对3龄褐飞虱若虫的功能反应 空间容积试验 试验在大试管 3 5cm 培养皿和玻璃筒 14 3 35 0cm 内分别进行 玻璃筒放在盛有泥土的陶钵中 实际筒高为30cm 空间复杂度试验 分别在玻璃筒内置稻株2 4 12和20株 20次重复 成蛛捕食量试验 培养皿内放入32头褐飞虱3龄若虫和1头成蛛 24小时后检查褐飞虱被捕食数食性观察 培养皿内放入10头水稻常见害虫和1头雌成蛛 4个重复 设对照 24小时后检查被捕食数 3 主要研究结果 八斑鞘蛛雌成蛛和若蛛对褐飞虱的捕食功能反应为II型功能反应 即随着褐飞虱密度的增大 捕食量达到一定值后不再增加 褐飞虱个体越小 越容易被八斑鞘蛛所攻击 捕获和取食 处置时间越短 八斑鞘蛛龄期越低 攻击率越低 八斑鞘蛛的捕食作用率随其本身密度的增加而逐渐下降 其实质就是增加了相互间的干扰作用 降低了捕食者搜索猎物的可利用时间 随着空间容积的增大 空间复杂度的提高 雌成蛛对褐飞虱3龄若虫的捕食功能反应转变为III型 可能是由于空间异质性的提高 褐飞虱密度减降低时 捕食行为改变 由原来积极主动搜索改为守株待兔式等待 以减少能量消耗 四 生命表分析法 一 基本原理 生命表 lifetable 就是按照昆虫种群的年龄阶段 系统观察和记录的一个世代或几个世代之中各年龄阶段的种群初始值 年龄特征死亡率 年龄特征生育力和生命期望值 以一定格式编制而成的统计表 在昆虫生态学中使用的生命表 主要有特定时间生命表 time specificlifetable 和特定年龄生命表 age specificlifetable 两种 1 特定时间生命表 特定时间生命表是在年龄组配稳定的前提下 以特定时间为单位间隔 如天 周 月 年等 系统调查记载在时刻x开始时存活的数量 或存活率 和x期间死亡数量 有时也包括各时间间隔内每一雌体的平均产雌数量 mx 适合于世代重叠的昆虫 特别应用于室内试验种群的研究 不能用于分析种群死亡的主要原因或关键因子 也不适用于世代分隔清楚或种群数量波动大的昆虫种群 2 特定年龄生命表 特定年龄生命表是以种群的年龄阶段 如虫态或龄期 作为划分时间的标准 系统观察并记载不同发育阶段或年龄区组中的死亡数量 死亡原因以及成虫阶段的繁殖数量 在组建的生命表中 只记载某一发育阶段或年龄组的个体数或死亡数 而不像在特定时间生命表中 在同一时间存在各种年龄个体的组配 适用于世代隔离清楚的昆虫种类 更多地用于自然种群的研究 二 研究方法和步骤 对于世代重叠 年龄组配较为稳定的昆虫种群 如蚜虫 一般采用特定时间生命表 而对于世代分隔清楚 数量波动较大的昆虫种群 如棉铃虫 则多采用特定年龄生命表 对于主要在于获得种群内禀增长力 rm 周限增长率 等信息 以采用特定时间生命表为宜 如想了解种群的存活曲线或生命期望 也采用特定时间生命表 一般来说 对于田间昆虫自然种群的研究 主要在于了解种群在不同发育阶段的死亡数量及其原因 以获取种群消长趋势的信息和影响种群数量变动的机制和关键因素 因此采用特定年龄生命表为宜 1 根据研究对象和目的 确定生命表形式 对于特定时间生命表 应根据研究对象的生活史 各虫态发育历期等 合理制定时间间隔 如以天甚至小时为单位等 设置必要的处理 如温度 湿度 食料 等和重复 并拟定具体的试验方法和观察记载的项目 2 试验或研究方法的设计 对于特定年龄生命表 则应根据研究对象的生物学特性 合理划分阶段虫期 发育阶段 一般分为卵 1龄幼虫 2龄幼虫 3龄幼虫 4龄幼虫 5龄幼虫 蛹 成虫等 确定各虫期的观察项目和内容 拟定适合的研究方法 家蚕的各个发育阶段 昆虫自然种群生命表数据的获得主要来自田间调查 因此应在了解研究对象的空间分布型的基础上 确定合理的取样方法 取样单位 取样数量 设计具体的取样方案 以保证取样的精确性和代表性 系统地调查记载田间卵 幼虫各龄期 蛹 成虫的密度及各虫期数量减少的原因 成虫期还应调查雌雄性比和成虫平均产量量 3 生命表数据的获得 1 田间自然发生取样调查 通常在田间一次性人工大量接入虫种 分次系统调查各期数量 并尽可能记载昆虫数量减少的原因 如研究水稻螟虫生命表时 就采用一次性大量接种螟虫卵块的办法 然后逐日进行系统抽样调查 也可以通过人工大量饲养虫源 在大田分期接种 按发育阶段取样或全部检查 记载各阶段的死亡数及原因 如研究稻纵卷叶螟生命表时 首先采集成虫 于养虫笼内让其产卵在稻叶上饲养 于不同发育期 或龄期 把带虫的植株按发育阶段分别插入稻田 一旦完成该发育阶段 或龄期 即采回 检查被捕食或散失的数量 计数被捕食或散失的百分率 并继续进行室内饲养和观察 记录被寄生的数量和寄生性天敌的种类 还要调查成虫的性比和雌虫的平均产卵量 2 田间接虫取样调查 水稻螟虫 二化螟 上 和三化螟 下 稻纵卷叶螟的不同发育阶段 被害状 为了在生命表死亡原因一栏获得更多的信息 在研究生命表时 一般都要设置专项的辅助调查或试验 以便和系统调查相互补充 相互校正 对于环境条件的影响 可通过实验室试验 了解种群在极端最高温度和最低温度下的死亡率 对于寄生性天敌的作用 可通过田间采集 室内饲养以确定寄生性天敌种类和寄生率 对于捕食性天敌的作用 可在大罩笼内去除天敌后 接种一定数量的虫数进行观察 模拟种群在无天敌情况下数量变动 与大田样点内有天敌的环境中害虫数量的变动做比较 其差值可以看作捕食性天敌的捕食死亡数 3 补充试验 根据田间调查或实验记录 进行数据整理 并按一定形式制作生命表 生命表的研究宜逐代 逐年积累 年复一年地坚持下去 在积累一定数量的基础上 还可制作多世代或多年的平均生命表 如果需要进行关键因子分析 至少要积累历年来同世代生命表5 6个 4 数据整理 尽管生命表的参数较多 但只有存活数量 lx 或死亡数量 dx 是观测值 其他值都可以由此推算出 因此 lx是组建生命表的关键所在 多数昆虫都是世代重叠不完全的种群 同一时刻调查记载种群的个体数量 由于年龄组配复杂而混杂存在不同发育分阶段的个体 又由于每个发育分阶段的历期不同 所以不同种群的lx估算方法可能有所不同 如直接观察 从计算生存率估算等 5 生命表的组建 假设种群从卵至成虫 或从观察的虫期至终死 其死亡率是一定的 即在时刻 天或周等 时的个体数 Nt 可用下式表示 1 存活数量 lx 的估算 Nt N0St 式中 N0为最初的个体数 S是生存率 t是时间 天数或周数 上式取对数 得 lgNt lgN0 tlgS 如果以lgNt和t作图 则这条回归直线的回归系数就是lgS 这样 以t 0时 计算一龄的个体数N1 同理可以计算进入其他各龄的个体数 计算存活数量的方法有一定的假设和适用范围 适用时要注意 x 单位时间内年龄等级的中值lx 在x年龄开始时存活的数量或在x和x 1期间存活的个体数dx 在x年龄期间 即x x 1 死亡的数量ex 进入x年龄个体的生命期望或平均余生Tx x年龄至x 1年龄的总个体数 2 生命表中的一般项目 这些参数中 只有lx或dx是实际观察值 其余各项都是计算出来的数值 为了计算方便 一般将种群初始数量折换成1000 作为昆虫种群生命表 与一般生命表参数类似 但有2点区别 一是增加dxF作为死亡原因 略去了生命期望ex 二是100qx为死亡百分比乘以100 年龄的划分 以不超过一个虫态的历期为宜 年龄划分越细 生命表提供的信息越多 但相应的工作量也就越大 3 生命表组建实例 小菜蛾第三世代典型生命表 Harcourt 1969 注 期望卵量 56 6 2 216 6113 216为每雌最高产卵量 实际卵量 918 N2 田间数据 可大于或小于期望卵量 迁飞 交配失利 死亡等因 I N2 N1 918 1154 0 80SG N3 N1 0 094 世代存活率 卵 产卵完毕后查卵数 得该年龄段的lx 又记为N1 每代同时饲养200粒卵 致死因子估计因未受精而未孵化的部分 一期幼虫 从孵化到4龄中期 lx由上阶段推算而来 dxF主要原因是下雨 其他因子略去 dx是二期幼虫的lx减去一期幼虫的lx得来 二期幼虫 从4龄中期到茧形成 lx直接计数而来 dx的寄生率由饲养二期幼虫而得 因雨死亡通过总死亡数减去被寄生数而得 预蛹 lx直接计数 dx饲养得出 蛹 lx直接计数 蛾 lx为羽化为成虫的蛹数 性比 用羽化成虫来统计 因雄虫可交配多次 故雌虫比例大有利于种群增长 相反 性比有利于时按死亡因子处理 雌蛾 以N3表示 加倍以维持生命表平衡 正常雌蛾 lx代表能产生足够的卵量的雌虫数 经测定 每雌仅产112粒卵 与最高产卵量216相比 lx 112 216 0 519 qx 1 lx 0 481 100qx 48 1期望卵量 正常雌蛾 216 这是期望的数值实际卵量 下一代的卵量 由田间调查获得 可大于或小于期望卵量 这是由于成虫迁飞 交配失利 雌虫死亡等原因造成 在此例中则为不利的气候因子 实际卵量以N2表示 一份完整的生命表已经从直观上反映了种群数量动态的某些特征 诸如种群个体发育阶段的死亡原因 残留数量 或者种群数量动态的某些特征 存活率 产卵率等等 但终究比较零散 生命表分析就是应用生命表提供的信息去寻求种群数量变动的内在规律 探求数量变动的机制 6 生命表的分析 1 种群存活曲线 存活数的对数 年龄 I II III 型存活曲线 type survivorship 各年龄段的死亡率恒定 曲线呈对角线型 型存活曲线 type survivorship 幼体和中年个体的存活率相对高 老年个体的死亡率高 型存活曲线 type survivorship 一段极高的幼体死亡率时期之后 存活率相对高 赤眼蜂T brassicae在不同食物和寄主卵存在与否条件下的存活率曲线 2 种群内禀增长率 种群内禀增长率 rm 是指在食物 空间和同种其他动物的数量处于最优 试验中完全排除了其他物种时 在任一特定的温度 湿度 食物质量等的组合下所获得的最大增长率 根据生命表中的种群的年龄结构 x 各个特定年龄结构下的存活率 lx 及生育力 mx 可以计算出种群的内禀增长率 计算公式为 rm ln R0 T 式中 R0为净增值率 R0 lxmx T为世代平均长度 世代发育时间 T xlxmx lxmx 在进行天敌室内扩繁时 尽可能利用内禀增长率大的天敌 3 种群趋势指数 种群趋势指数 trendindexofpopulation I是研究种群数量动态的一个重要指标 用于表示下代数量 Ni 1 与当代数量 Ni 的比值 即 I Ni 1 Ni i 1 2 3 表示世代 I的基本含义是 当I1时 次代种群数量上升 即种群数量发展趋势增长 也可用世代存活率 SG 表示可以发育 最后羽化为成虫的卵所占的比例 即SG N2 N1种群趋势指数还可以通过将各年龄段存活率Sx连乘 并乘以种群最高产卵量而得 即I Sx1Sx2Sx3 Sxn 每雌最高产卵量 2 4 天敌作用的评价 根据特定年龄生命表提供的信息 Morris和Watt提出了下面的数学模型 I SESL1SL2 SPPSPSAFPFP 式中 SE为卵的存活率 SL1 SL2 为幼虫各龄的存活率 SPP为预蛹的存活率 SP为蛹的存活率 SA为成虫的存活率 F为标准产卵量 PF为达到标准产卵量成虫所占的百分率 P 为雌虫占成虫总数的百分率 式中的参数都可看成是I的组分 每一组分对I起着一定的作用 基于I值 庞雄飞 1995 提出了种群控制指数 indexofpopulationcontrol IPC 的概念 IPC I I 由此还进一步提出了添加分析法 排除分析法和干扰分析法 为平均天敌作用提供了一种简明而有效的途径 天敌作用评价的添加分析法 当引进捕食者或释放寄生性天敌后 使其中任一虫期 i 由于捕食或寄生作用后 其死亡率 ai 增加 使该虫期的存活率变为Si ai时 以I的变化评价天敌的作用 假设由于生物防治的作用 如引进捕食者或释放寄生蜂对虫期I增加死亡率 ai 则该虫期存活率为Si ai 这时I将改变为Iai 按I计算公式 Iai S1S2 Si ai SnFPFP 则有Iai I S1S2 Si ai SnFPFP S1S2 Si SnFPFP Si ai Si 1 ai Si 由此可以得知天敌对害虫种群的作用 式中Sn为第n龄幼虫的存活率 天敌作用评价的排除分析法 当去除捕食者或寄生性天敌后 亦即使Si 1时 I发生的变化 以此来评价天敌的作用 例如 通过笼罩去除天敌后 从I中抽出S2 则I将改变为IS2 IS2 S1S3 SnFPFP 则有IS2 I S1S3 SnFPFP S1S2S3 SnFPFP 1 S2 由此可得知无天敌作用下 害虫种群增长的变化 从而可以反过来得出天敌的作用 天敌作用评价的干扰分析法 当使用杀虫剂时 干扰某一天敌因子i的作用 原来该因子相对应的Si改变为Si 原来的I变为Ii 其值的变化用于评价不同措施的作用 Ii S1S2 Si SnFPFP 则有Ii I S1S2 Si SnFPFP S1S2 Si SnFPFP Si Si 5 关键因子分析 关键因子 keyfactor 分析是指对下代 或经历一段时间后 种群数量变化起主导作用的因子 I SESLSPSAPFFP 两端取对数 有lgI lgSE lgSL lgSP lgSA lgPF lgF lgP 如果生命表提供的资料是与下一代无关联的 如多数情况下仅调查某一代 也可以用最后的逐期存活率SG来代替I 因此回归分析中可以用lgSG代替lgI 如Harcourt 1963 分析菜蛾18个世代生命表的结果 发现I变动的73 可由成虫死亡 包括迁出 加以说明 并推测它是变动的关键因子 如果各虫期生存率变动间相互独立 则r2的合计值应为1 0 但实际上各虫期之间有相关 或引入误差 所有不会刚好为1 0 Morris Watt 1959 的回归分析法 根据种群趋势指数公式 5 关键因子分析 A 求出各年龄间隔的亚死亡力 k 其计算公式为k lgN lgNs Varley Gradwell 1960 的K值图解法 B 求出世代总死亡力 K 其计算公式为K k1 k2 k3 C 绘图 以世代或年份 时间段 为横坐标 以对数标度的K和各k为纵坐标 分别画出K及各k的曲线 D 目测判断 从图中判断某一条k的曲线与K的曲线最相似 升降变化基本一致 则该k为关键因子 图解法虽然直观 简便 但当关键因子难以直观感觉鉴别时 就必须依靠数值的指标 K值图解相关分析法 通过计算ki与K值的决定系数 r2 k4与K的相关最为密切 说明1龄幼虫 被捕食或其它 原因引起死亡是种群年间数量变动的关键因子 其次为k11 k13 说明4 5龄幼虫的被捕食和蛹期的被寄生也与种群年间数量变动有一定的联系 稻纵卷叶螟连续6个世代自然种群平均生命表k值分析 古德祥等 1989 K4 k6 k8分别为1 2龄幼虫期 3 5龄幼虫期 蛹期的失踪 包括被捕食与自然死亡 五 酶联免疫吸附分析方法 酶联免疫吸附分析方法 enzymelinkedimmunosorbentessay ELISA 最早于1979年用于研究捕食作用 Sunderland等 1996 对麦蚜的广食性捕食者的捕食作用进行了广泛深入的研究 总结和改进了捕食作用的定量评价方法 优点是特异性强 灵敏度高 技术要求简单 不需要复杂的仪器设备 缺点是估计的是消耗率 consumptionrate 而不是捕食率 predationrate 二者并非完全相同 受到食物链错误 重捕食 腐食性 对垂死猎物的捕食和体外消化等因子的影响 一 基本原理 使抗原或抗体结合到某种固相载体表面 并保持其免疫活性 使抗原或抗体与某种酶链接成酶标抗原或抗体 这种酶标抗原或抗体既保留其免疫活性 又保留酶的活性 在测定时 把受体标本 测定其中的抗体或抗原 和酶标抗原或抗体按不同的步骤与固相载体表面的抗原起反应 用洗涤的方法使固相载体上形成的抗原抗体复合物与其他物质分开 最后结合在固相载体上的酶量与标本中受检物质的量成一定的比例 加入酶反应底物后 底物被酶催化变为有色产物 产物的量与标本中受检物质的量直接相关 故可根据颜色反应的深浅定性或定量分析 酶联免疫吸附分析基本原理 酶联免疫吸附分析基本原理 二 方法和操作步骤 ELISA方法可用于测定抗原 也可用于测定抗体 需要3种必要的试剂 固相的抗原或抗体酶标记的抗原或抗体酶作用底物根据试剂的来源和标本的性状以及检测具备的条件 可设计出各种不同类型的检测方法 双抗体夹心法是检测抗原最常用的方法 间接法是检测抗体最常用的方法 1 方法 2 双抗体夹心法的操作步骤 将特异性抗体与固相载体连接 形成固相抗体 洗涤去除未结合的抗体及杂质 加受检标本 使之与固相抗体接触反应一段时间 让标本中的抗原与固相载体上的抗体结合 形成固相抗原复合物 洗涤去除其他未结合的物质 加酶标抗体 使固相免疫复合物上的抗原与酶标抗体结合 彻底洗涤未结合的酶标抗体 此时固相载体上带有的酶量与标本中受检抗原的量正相关 加底物 夹心复合物中的酶催化底物称为有色产物 根据颜色反应的程度进行该抗原的定性或定量 三 酶联免疫吸附分析在捕食作用评价中的应用 以稻田蜘蛛对稻飞虱的捕食作用评价为例 方法 在制备抗原 抗体的基础上 采用双抗体夹心法进行酶联免疫吸附分析检测 对一个待检标本同时进行白背飞虱和褐飞虱检测 设空白 阴性和阳性对照 根据比对结果 以0 6为酶联免疫吸附分析的临界光吸收值 OD 即大于0 6视为阳性 小于0 6视为阴性 结果 食虫沟瘤蛛分别捕食3头白背飞虱和褐飞虱高龄若虫不同时间后的阳性反应率 如下 捕食褐飞虱后的白质在胃内的停留时间要比捕食白背飞虱的长一些 可能是褐飞虱的个体较大 蜘蛛摄入的蛋白质要多一些的原因 以稻田蜘蛛对稻飞虱的捕食作用评价为例 不同捕食者种的阳性反应率 早稻田食虫沟瘤蛛在不同时间的阳性反应率 不同捕食者种对白背飞虱和褐飞虱的捕食作用不同 早稻田中食虫沟瘤蛛 拟水狼蛛的阳性反应率最高 这与它们的生态位有关 食虫沟瘤蛛和拟水狼蛛以茎干 基部及水面为主要活动场所 与稻飞虱的空间生态位相近 食虫沟瘤蛛在不同时间的阳性反应率也不同 晚稻 早稻 晚稻 早稻 以稻田蜘蛛对稻飞虱的捕食作用评价为例 Zhang等 1999 根据Sopp等 1992 提出的公式定量评价了食虫沟瘤蛛对稻飞虱 褐飞虱和白背飞虱 的捕食作用 计算公式为 R Q0d ftDP 式中 R为总捕食量 Q0为单头捕食者的猎物捕食量 d为捕食者种群密度 f为消化系数 tDP为猎物可测出时间 根据检测结果 消化时间为4天 酶联免疫吸附分析检测所得的食虫沟瘤蛛的OD值可以转换为每头食虫沟瘤蛛在调查时所捕食的稻飞虱的量 再根据食虫沟瘤蛛和稻飞虱的田间种群密度 便可以计算出它每天在田间的捕食量 下表 早稻田食虫沟瘤蛛对稻飞虱的捕食率 广东大沙 1993 注 WPH代表白背飞虱 BPH代表褐飞虱 Q0代表单头捕食者的猎物捕食量 R代表总捕食量 每公顷稻飞虱数和捕食者数由田间抽样调查获得 稻飞虱密度太低 未获得数据 六 单克隆抗体法 一 基本原理 由单一B细胞克隆产生的高度均一 仅针对某一特定抗原的抗体 称为单克隆抗体 monoclonalantibody 单抗 通常采用杂交瘤技术来制备 杂交瘤 hybridoma 抗体技术是在细胞融合技术的基础上 将具有分泌特异性抗体能力的致敏B细胞和具有无限繁殖能力的骨髓瘤细胞融合为B细胞杂交瘤 用具备这种特性的单个杂交瘤细胞培养成细胞群 可制备针对一种抗原的特异性抗体即单克隆抗体 由于单抗具有高度特异性和均质性 同时结合了ELISA检测方法具有成本低 大批量样品快速检测等优点 在很大程度上改进了节肢动物捕食作用的研究方法 二 方法和操作步骤 单克隆抗体杂交瘤技术基本流程 动物免疫细胞融合杂交瘤细胞的筛选杂交瘤细胞的克隆单克隆抗体的制备杂交瘤细胞的冻存 三 单克隆抗体法在捕食作用研究中的应用 1 害虫捕食性天敌种类的鉴定 制备出只针对某一种害虫而不与其他昆虫和捕食者蛋白发生反应的单克隆抗体 通过检测捕食者中肠中是否含有这种害虫的蛋白 就可以确定这种捕食者是否取食了这种害虫 即鉴定这种害虫的捕食性天敌种类 Lenz和Greenstone 1988 制备了只与美洲棉铃虫5龄幼虫发生反应的单克隆抗体 而不与其他龄期幼虫和近缘种发生反应 这是第一次报道幼虫龄期水平上的特异性 并利用该抗体检测出刺益蝽Podisusmaculiventris和跳蛛Phidippusaudax对棉铃虫5龄幼虫具有捕食作用 庞保平 1998 利用白背飞虱单克隆抗体确定了稻田中捕食白背飞虱的天敌种类 Fournier等 2008 利用针对叶蝉Homalodiscavitripennis的单克隆抗体 共鉴定出分属于33大类1229种节肢动物可以捕食叶蝉 2 捕食者对害虫控制作用的定量评价 利用单克隆抗体评价捕食者对害虫的控制作用 与酶联免疫吸附分析的过程基本相同 都是通过计算田间捕食者中肠中猎物的残留量来计算 利用该方法研究过的天敌捕食作用有 拟花蚤Collopsvittatus和锚斑长足瓢虫Hippodamiaconvergens对烟粉虱和棉红铃虫 胡峰Polistesmetricus对美洲棉铃虫5龄幼虫的捕食作用 暗小花蝽Oriustriaticolor对红铃虫卵的捕食作用 狡小花蝽O insidious 大眼盲蝽Geocorispunctipes 小盲蝽Dicyphustamaninini和锚斑长足瓢虫对棉红铃虫卵的捕食作用 3 影响捕食作用研究的因素 1 影响捕食性天敌种类确定的因素 抗原决定簇的特性 由于单克隆抗体针对的是特定的抗原决定簇 当被捕食者由于某种原因携带具有该种特定抗原的蛋白时 检测结果即为阳性 典型的例子有怀卵成虫与卵可能是一样的 生物间营养联系的复杂性 食物网关系的复杂性 食腐作用 取食已经死亡或即将死亡 或被病原物及拟寄生物等侵染的猎物体外消化 是指捕食者在摄入猎物前 由口腔向外分泌消化液将猎物部分或全部消化的现象 这样会低估捕食作用 2 影响捕食性天敌控制作用定量评价的因素 温度 温度影响猎物的降解速率 随着温度上升 昆虫等节肢动物的新陈代谢速率升高 蛋白质降解速率迅速上升 从而使猎物残留量降低 猎物可测出时间缩短 每次捕食量 随着捕食量增加 猎物可测出时间延长 捕食者种类及个体大小 不同种类和大小的捕食者的消化能力不同 捕食者饥饿状态 饥饿程度影响捕食者对目标猎物消化速率影响显著 猎物的年龄结构 如豆荚盲蝽初产卵时的免疫信号比产后7天高5倍 取样时间的选择 捕食作用具有时间节律 取样时间不当影响严重 取样方法的选择 捕食方式分为游猎型和狩猎型 应采用不同取样方法 七 稳定同位素分析法 一 基本原理 同位素为相同化学元素的原子 由于在原子核中存在不同的中子数而具有不同的质量 有轻 重同位素之分 运用GC MS或LC MS方法可检测出天然稳定同位素的相对比值 常用于生态学研究的稳定同位素有D 氘 又叫重氢 13C 15N 18O等 同位素分馏 isotopicfractionation 指某元素的同位素经过物理 化学或生物过程以不同的比例分配到不同物种或相中 放射性同位素 radioactiveisotope 具放射性 不稳定 稳定同位素 stableisotope 无放射性 物理性质稳定 以一定比例存在于自然界 对环境无害 二 分析方法 1 同位素分析的结果分析方法 采用相对测量法 即待测样品 Sa 的同位素比值 RSa 与一标准物质 St 的同位素比值 RSt 做比较 比较结果称为样品的 定义为 的大小与所采取的标准有关 因此进行同位素分析前首先要选择合适的标准 不同样品的比较必须采取同一标准 RSa RSt 1 1000 2 分析步骤 样品制备 将样品采用化学 物理 手段转化为适于质谱测定的形式 一般为纯的气体 质谱测定 将该气体输入质谱进行同位素比值测定 昆虫样品的制备可根据最小取样量 一般为2 20mg 或不同研究目的 分为个体单独取样和同质个体均匀混合后取样 昆虫样品经冷冻干燥或烘干后 研磨成为粉末或直接燃烧 有的样品在冷冻前经过氧化提纯 气体转化过程常用的方法为修订的Dumas燃烧法 Parker法等 均为在密封管中燃烧转化为相应的气体 D同位素分析时 需利用蒸汽平衡法去除由于与空气中水分交换而产生的同位素分馏 3 样品保存注意事项 选择样品保存方法的原则 既要保证同位素组成的稳定 又要考虑野外采集的简便易行 对于易腐烂样品 最好采用不接触液氮的冷冻 侵入NaCl溶液可短期内代替冷冻 而对于有机溶剂 如酒精或乙二醇乙醚 虽对 15N无影响 但有可能溶解样品中有机成分而造成 13C的改变 对于外骨骼 翅等硬化不易溶于有机溶剂的组织 有机溶剂浸泡不失为保存样品的良方 实验证明 酒精浸泡不影响玉米穗夜蛾Helicoverpazea翅中的 13C 1 捕食性天敌的食物来源 捕食性天敌取食来源不同的食物 经过积累而造成体内同位素组成差异 以此为基础 可以分析捕食性天敌的食物组成 如瓢虫捕食不同来源的蚜虫 天敌在寄主间的转移扩散规律 如瓢虫在麦田 棉田 木薯地的扩散规律 分析食物网植物 害虫 天敌结构 如在植物 小麦 玉米 苜蓿 蚜虫 异色瓢虫系统中 应用稳定同位素方法 发现瓢虫的食物52 来自苜蓿田的蚜虫 42 来自玉米田的蚜虫 6 来自小麦田的蚜虫 其中Ostrom等 1997 通过作物 蚜虫 瓢虫的 13C与 15N变化 结合质量平衡方程 判断蚜虫食物中碳 氮来源于不同作物的比例及其季节变化规律 找出瓢虫的栖息地特征 为蚜虫的生物防治提供了理论基础 三 同位素在捕食性天敌作用评价中的应用 2 在捕食作用研究中的潜力 捕食性天敌昆虫具有个体小 种群数量大 繁殖力强等特点 需要简单 高效的标记方法 且标记应尽可能不对昆虫活动造成影响 稳定同位素作为内在的天然标记提供了解决的手段 捕食性天敌生命周期短 变态昆虫具有显著分离的虫态现象 使之成为稳定同位素分析在捕食性天敌生态 生理研究中的良好材料 3 稳定同位素分析在捕食作用研究中的前提 研究对象在不同食物源间活动 不同食源生物间存在稳定同位素组成差异并在食物链中传递 可根据同位素转化率选取不同组织以在时间上适当反应食物记录 4 适当稳定同位素的选择 13C在每营养级间产生0 5 1 变化 15N随营养级上升有3 增加 而 34S几乎不随营养级而变化 多种同位素间的联合使用可以减少试验的误差 相对于传统的内含物鉴定等方法 同位素分析不仅可明确各营养级间的定性关系 也易于获得较精确的定量分析结果 同位素转化时间的确定 质量平衡方程和混合模型的应用则是验证相关生态问题的重要步骤 由于生态系统中同位素的值在不同区域 不同时期存在相当的变异 因此在构建食物网或确定营养关系时 应尽量保持样品采集在时间和空间上的一致性 减少时空格局差异所产生的影响 八 生态能学评价方法 一 基本原理 捕食性天敌完全依赖捕食猎物 害虫 而获得能量 捕食性天敌摄入的能量相当于猎物 害虫 的被捕食消耗量 即 捕食性天敌摄入量 猎物 害虫 的被捕食消耗量 通过研究捕食性天敌和害虫种群的能量动态 可定量分析捕食性天敌对害虫的控制作用 二 研究方法 个体水平上的能量转化研究是分析天敌种群能流的基础 能量以食物形式进入天敌昆虫个体 其中一部分以粪便和排泄能的形式排出体外 一部分在代谢过程中以热能形式被消耗 剩余部分被储存于天敌体内 可以用以下能量收支方程表示能量在天敌体内的转换 式中 I代表摄入能 P代表生产量 R代表呼吸消耗量 F代表粪便能 U代表尿能 由于昆虫的粪便和尿无法分开而合并为FU I P R F U 摄食能 I 摄食代表能量收支方程中能量的摄入 测定昆虫摄食的主要方法使称重测定法 即称量天敌昆虫取食前后的食物或计算被捕食的猎物数量 将猎物的能量转换为重量 再转换为能量 在计算天敌昆虫的摄食能 如果全部数值转换为干重 取食期间由于水分的损失而造成的误差可以排除 也可以通过测定天敌昆虫排出的粪尿量 再根据实验室测定的摄食量和粪尿量的关系 计算出天敌昆虫的摄食量 生产量 P 昆虫的生产量由其合成物质的总量组成 主要表现为生物现存量的增加 此外还包括昆虫发育过程中各龄期的蜕和吐丝 雌成虫产卵量以及死亡的或被捕食的个体的生物量 一般先用重量法测定实验前后天敌昆虫虫体的生物量以及试验期间蜕和丝等的生物量 根据各物质的能值转换成能量 然后计算生产量 一般先将昆虫饥饿1 2天 以免肠道内含物的影响 呼吸消耗能 R 测定昆虫呼吸的仪器和方法很多 目前常用的是吉尔森 Gilson 示差呼吸仪和华勃 Warburg 呼吸仪 这两种呼吸仪都是测定昆虫的耗氧量 在从耗氧量计算呼吸耗能量 每毫克氧折算的能量值 因代谢基质不同而异 一般昆虫的呼吸商平均为0 82 氧卡系数的平均值为14 12J mg O2 两种呼吸仪的测量精确度都很高 可达0 5 L 吉尔森示差呼吸仪直接用数字显示 使用方法简便 后者由于检压计的开脚部分与大气相通 故易受气压的影响 此外 为了让气体能充分吸收 要经常摇动反应瓶 由此引起的兴奋导致呼吸量的增加也必须予以注意 粪尿量 FU 较大型昆虫的粪尿量可直接收集 再根据其能值 计算粪尿排出损失的能量 对于小型昆虫 可用特制滤纸收集 再滴定测定 样品能值的测定 通过有关生物样品能值的测定可把生物量转换为能量 这对于组建昆虫能量收支方程至关重要 普遍使用Phillipson微量氧弹能量计测定天敌昆虫的能值 适合测定范围为5 100mg干重的样品能值 配以0 1mV的积累仪 可以准确测定至少1mg样品的能值 可定量地分析捕食性天敌的作用 捕食性天敌依靠捕食害虫而获得能量 它所有能量的来源均取自害虫 其摄入量即为害虫的被捕食消耗量 因此 可通过测定捕食性天敌种群的摄入量来定量估计它对害虫的捕食作用 可客观地评价农事措施对天敌的影响 通过分析不同农业生态系统中天敌种群的能量动态特征 可以客观地评价各种农事措施对农田生态系统的影响 如通过间套作棉田生态系统与单作棉田生态系统内害虫和天敌种群能量动态的比较研究 发现间套作既有利于天敌种群生产 也有利于害虫种群生产 二者的相互结果表明 间套作系统中天敌对害虫的捕食利用效率降低 害虫对棉株的摄入效率增加 即间套作系统的保益功能较好 而控害作用较差 从而进一步明确了作物多样性与害虫 天敌的关系 三 生态能学评价方法的特点 生态能学方法的不足之处 计算比较麻烦 要测定昆虫的呼吸消耗量 生产量和热值 田间种群能量参数受多种因素的影响 尤其是呼吸消耗量的估计值差异较大 建立在捕食者全部消耗掉猎物的假设之上 事实上 有些猎物不可能全部被捕食者所消耗 不同时空类型棉田捕食性瓢虫的控害功能 戈峰等 1996 四 生态能学方法在捕食性天敌作用研究中的应用 第二节生物防治的实施与效果评价 实施方案的制定方案的组织实施方案的效果评价实例分析 一 实施方案的制定 一 原则 生物防治是有害生物治理的主要方法之一 因此制定生物防治实施方案时 通常强调以生物防治为主 并注重生物防治措施与其他防治措施的协调使用 二 目标 明确目标是制定实施方案的前提 目标既可以是减少有害生物的数量或造成的损失 也可以是产品达到无公害食品 绿色食品或有机食品的标准等 目标不同 方案也不一样 三 实施方案的制定 1 制定实施方案的依据 了解作物的生物学特性 着重了解其如何受周围生态环境的影响 抓住关键有害生物 了解其生物学特性及其造成的损失 考虑并尽快确定生态系统中影响有害生物种群波动的关键因子 明确有害生物生活史中的薄弱环节 并将防治措施尽可能地针对这些薄弱环节 明确可供选择的控制措施 制定能应变的有弹性的方案 效果评价及方案优化 2 可供选择的主要生物防治措施 天敌引进或助迁 寄主抗性 使生境多样化 包括间作和轮作等 生物农药 释放天敌 诱虫植物 3 可供选择的其他防治措施 耕作防治 主要有播种期 收割时间 水肥管理 种植制度等 遗传防治 辐射不育等 物理防治 诱虫灯 黄板等 化学防治 选择合适的农药种类 4 实施方案的制定 根据目标 制定一个以耕作防治措施为基础 生物防治措施为主导 协调使用物理防治和化学防治等措施的实施方案 明确何时采取措施 以及采取什么措施 如果要求产品达到绿色食品标准 必须遵循国家有关绿色食品生产规程限量使用限定的化学合成物质 如果要求产品达到有机食品标准 则在其生产和加工过程中绝对禁止使用农药 化肥 生长