何浩鵬,任振濤,沈文靜,劉 標(biāo)①,薛 堃,②

(1.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,北京 100081;2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

節(jié)肢動物群落在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中有重要作用,尤其是昆蟲群落更是為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供了多種生態(tài)服務(wù)功能[1]。不同作物甚至不同品種間的田間節(jié)肢動物群落都會有所不同,通過對田間節(jié)肢動物群落組成成分的調(diào)查,可以在一定程度上反映不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的差異。近年來,轉(zhuǎn)基因作物在全球范圍內(nèi)大面積推廣種植,據(jù)國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織(The International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications,ISAAA)統(tǒng)計,2015年全球28個國家選擇種植轉(zhuǎn)基因作物,種植面積達1.797億hm2,比1996年增長100倍以上[2]。轉(zhuǎn)基因作物大面積推廣種植的同時,科學(xué)評估其對生態(tài)環(huán)境可能產(chǎn)生的影響也越來越受到關(guān)注[3-7],其中對田間節(jié)肢動物的影響就是一個重要指標(biāo)。

關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物對節(jié)肢動物的影響已有很多報道,主要集中在水稻、大豆、甜菜這幾類作物上。對轉(zhuǎn)Bar基因水稻稻田生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因抗除草劑水稻對于稻田節(jié)肢動物生物多樣性存在一定影響,但是還沒有發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律[8-11]。有研究顯示轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆對田間節(jié)肢動物無顯著影響[12-13],轉(zhuǎn)抗蟲基因Cry1Ac大豆同樣也沒有對節(jié)肢動物群落產(chǎn)生不利影響[14]。另外還有研究顯示,轉(zhuǎn)基因抗除草劑的甜菜對田間節(jié)肢動物無顯著影響[15]。至今大部分研究結(jié)果都傾向于轉(zhuǎn)基因作物對田間節(jié)肢動物沒有顯著的不利影響,但也有一部分研究顯示轉(zhuǎn)基因作物會對田間節(jié)肢動物群落產(chǎn)生一些影響[3,16]。由此可見,不同轉(zhuǎn)基因作物對于同種節(jié)肢動物的影響具有明顯的差異,同種轉(zhuǎn)基因作物對不同節(jié)肢動物的影響也存在差異。對于任何轉(zhuǎn)基因作物品種來說,遵循“逐案(case by case)” 原則進行相關(guān)研究是對其安全性研究的必要步驟。

目前我國已有一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因玉米(ZeaMays)材料,在這些新材料進行田間釋放和獲得環(huán)境安全證書之前,有必要對其可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響進行評價[17-18]。筆者于2015年玉米生長季系統(tǒng)調(diào)查了轉(zhuǎn)基因耐草甘膦(EPSPS)草銨膦(pat)玉米C0010.1.1田間節(jié)肢動物種類和數(shù)量,通過對比轉(zhuǎn)基因玉米與對照農(nóng)田中節(jié)肢動物群落多樣性與結(jié)構(gòu),研究了轉(zhuǎn)基因玉米對田間節(jié)肢動物的影響,為轉(zhuǎn)基因耐除草劑玉米的生態(tài)安全評價提供科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 實驗地點、材料及取樣時間

研究樣地位于中國吉林省四平市伊通滿族自治縣(43°15′ N,125°19′ E)。供試玉米材料為轉(zhuǎn)基因耐草甘膦/草銨膦玉米轉(zhuǎn)化體C0010.1.1、受體玉米品種178和常規(guī)玉米品種先玉335。上述材料均由北京大北農(nóng)生物技術(shù)有限公司提供。取樣時間為2015年6月24日至2015年9月23日。

1.2 實驗處理及小區(qū)設(shè)計

依據(jù)農(nóng)業(yè)部953號公告—10.4—2007《轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品環(huán)境安全檢測抗蟲玉米 第4部分:生物多樣性影響》、農(nóng)業(yè)部953號公告—11.4—2007《轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品環(huán)境安全檢測抗除草劑玉米 第4部分:生物多樣性影響》和NY/T 720.3—2003《轉(zhuǎn)基因玉米環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 第3部分:對生物多樣性影響的檢測》,實驗小區(qū)設(shè)置采用隨機區(qū)組排列。小區(qū)大小為10 m×15 m,小區(qū)之間設(shè)有1.0 m的隔離帶。玉米按條播方式進行播種,行距60 cm,株距25 cm。實驗處理包括噴施除草劑(參考有關(guān)專利,劑量為2倍劑量,將除草劑草甘膦施用量為420 g·hm-2定為1倍劑量)與未噴施除草劑的轉(zhuǎn)基因玉米、未噴施除草劑的受體玉米品種和未噴施除草劑的常規(guī)玉米(以上3組未噴施除草劑的處理進行定期人工除草),每個處理重復(fù)3次。實驗全生育期(2015年6月7日至2015年9月30日)不噴施殺蟲劑。

1.3 實驗方法

對未噴施和噴施除草劑的轉(zhuǎn)化體C0010.1.1、受體品種178及常規(guī)品種先玉335全生育期均進行調(diào)查。每小區(qū)采用對角線5點取樣,采用以下2種方法進行調(diào)查。

1.3.1 直接觀察調(diào)查法

在田間直接觀察并記錄植株上節(jié)肢動物種類和數(shù)量。從定苗10 d至成熟,每7 d調(diào)查1次,每取樣點調(diào)查10株玉米。記錄玉米植株上所有節(jié)肢動物的種類及其發(fā)育階段。對田間不能識別的種類進行編號,帶回室內(nèi)鑒定。

1.3.2 陷阱調(diào)查法

用于調(diào)查地表節(jié)肢動物的種類和數(shù)量。在玉米定苗后10 d開始至成熟,每14 d調(diào)查1次。每取樣點埋設(shè)3個陷阱(7 cm×8 cm),間隔0.5 m,杯中放有φ為5%的洗滌劑水,水量為杯容積的1/3,過夜后調(diào)查杯中的節(jié)肢動物種類和數(shù)量。不易識別的種類進行編號,帶回室內(nèi)鑒定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各個類群數(shù)量占總數(shù)的百分比,將調(diào)查發(fā)現(xiàn)的節(jié)肢動物進行多度等級劃分,即該類群個體數(shù)占總個體數(shù)的百分比>10%為優(yōu)勢類群,1%～10%為常見類群,<1%為稀有類群[19-20]。用節(jié)肢動物群落的多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、優(yōu)勢集中性指數(shù)和群落相似性系數(shù)4個指標(biāo),分析比較各玉米材料田間節(jié)肢動物群落的動態(tài)。各指標(biāo)計算方法為

(1)

(2)

R=(S-1)/lnN,

(3)

J=H/lnS,

(4)

(5)

C′=2w/(a+b)。

(6)

式(1)～(6)中,D為Simpson多樣性指數(shù);Ni為第i個物種的個體數(shù);N為總個體數(shù);H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù);Pi為Ni/N比值;R為Margalef指數(shù);S為物種數(shù);J為均勻性指數(shù);C為優(yōu)勢集中性指數(shù);C′為相似性系數(shù);w為A、B群落樣本中同物種較小個體數(shù)的總和;a、b分別為A、B群落樣本中所有物種個體數(shù)總和。

符合正態(tài)分布的變量使用t檢驗對2組數(shù)據(jù)的差異顯著性進行分析,采用單因素方差分析(one-way AVOVA)對轉(zhuǎn)基因玉米、受體玉米和常規(guī)玉米之間的差異進行分析;對于不能確定其分布的變量,采用非參數(shù)檢驗分析其差異；2組數(shù)據(jù)使用Mann-Whitney檢驗,多于2組數(shù)據(jù)則采用Kruskal-Wallis檢驗。顯著性水平均設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間節(jié)肢動物主要類群和功能群

供試玉米材料調(diào)查結(jié)果表明,2015年全生育期玉米植株上的節(jié)肢動物群落由13目、41科節(jié)肢動物組成(表1)。

表1 玉米田間節(jié)肢動物數(shù)量在不同目、科的分布Table 1 Patterns of arthropod from maize field in different orders and families

2015年全生育期內(nèi)玉米田間節(jié)肢動物群落中主要功能群統(tǒng)計結(jié)果見表2。玉米材料上的主要害蟲是蚜蟲科(Aphididae)、葉甲科(Chrysomelidae),捕食性節(jié)肢動物主要為草蛉科(Chrysopidae)、瓢蟲科(Coccinellidae)和蜘蛛科(Araneida)等。相比先玉335和受體178,轉(zhuǎn)化體C0010.1.1的功能群未表現(xiàn)出明顯差異。

轉(zhuǎn)化體C0010.1.1噴施2倍草甘膦除草劑后第2周和第4周,對其田間節(jié)肢動物種類及數(shù)量進行調(diào)查發(fā)現(xiàn),先玉335小區(qū)蚜蟲數(shù)量明顯高于受體和轉(zhuǎn)化體小區(qū),這也可能是導(dǎo)致以蚜蟲為食的瓢蟲數(shù)量有所差異的主要原因。在其他指標(biāo)上,與噴施除草劑處理的轉(zhuǎn)化體C0010.1.1相比,受體品種178、常規(guī)種先玉335和轉(zhuǎn)化體C0010.1.1功能群在種類和數(shù)量上無顯著差異(表3)。

表3 施藥后2周和4周噴施2倍草甘膦后主要功能群中物種數(shù)量的變化Table 3 The number of major functional groups at the time of 2 and 4 weeks after spraying glyposate 頭·(100株)-1

2.2 節(jié)肢動物群落多樣性變化

Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和Margalef指數(shù)均是反映農(nóng)田系統(tǒng)中節(jié)肢動物發(fā)生情況的綜合指數(shù),既包括該系統(tǒng)中節(jié)肢動物物種的豐富度(圖1),又包括該群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。通過分析得到3種玉米材料田間節(jié)肢動物多樣性指數(shù),進一步得到這3種玉米材料田間節(jié)肢動物多樣性在整個生育期的動態(tài)變化(圖2)。

植株上節(jié)肢動物群落調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明,在6月底到7月中旬農(nóng)田系統(tǒng)中節(jié)肢動物多樣性指數(shù)較高,其中Simpson指數(shù)較平穩(wěn),而其余2個指數(shù)有明顯的上升趨勢,這是因為稀有種增多;7月底到8月初由于天氣干旱少雨,雙斑螢葉甲(Monoleptahieroglyphica)大量暴發(fā),節(jié)肢動物的種類和數(shù)量出現(xiàn)波動,多樣性指數(shù)也出現(xiàn)波動,急劇下降,之后逐漸回升。由于8月之后蚜蟲數(shù)量增長較多,故多樣性指數(shù)回升較緩慢。

地表節(jié)肢動物群落調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明,初期生物多樣性指數(shù)較低,之后逐漸增高。

總體來看,3種多樣性指數(shù)變化趨勢相似,各組數(shù)據(jù)無顯著性差異,轉(zhuǎn)化體C0010.1.1與受體品種178、常規(guī)種先玉335的田間節(jié)肢動物群落多樣性變化趨勢一致,轉(zhuǎn)化體C0010.1.1對田間節(jié)肢動物多樣性變化無顯著影響。

2.3 節(jié)肢動物群落均勻性變化

3種玉米材料4個處理的田間節(jié)肢動物Pielou均勻性指數(shù)見圖3。植株和地表調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明3種玉米材料的節(jié)肢動物群落均勻性變化大體一致。7月底,玉米材料的田間節(jié)肢動物群落均勻性降至最低,與雙斑螢葉甲的暴發(fā)時間相符。植株和地表節(jié)肢動物群落均勻性指數(shù)變化趨勢說明轉(zhuǎn)化體C0010.1.1對節(jié)肢動物群落均勻性沒有顯著影響。

C0010.1.1為轉(zhuǎn)化體品種,C0010.1.1噴為噴施過除草劑的轉(zhuǎn)化體,178為受體品種,先玉335為常規(guī)玉米品種。

C0010.1.1為轉(zhuǎn)化體品種,C0010.1.1噴為噴施過除草劑的轉(zhuǎn)化體,178為受體品種,先玉335為常規(guī)玉米品種。

2.4 節(jié)肢動物群落優(yōu)勢集中性變化

3種玉米材料4個處理的田間節(jié)肢動物優(yōu)勢集中性指數(shù)及其動態(tài)變化見圖4。植株上群落統(tǒng)計結(jié)果顯示,7月29日和8月19日3個玉米材料田間節(jié)肢動物的優(yōu)勢集中性指數(shù)分別達到峰值,呈現(xiàn)雙峰模式,田間節(jié)肢動物群落優(yōu)勢類群集中在雙斑螢葉甲和玉米蚜等幾類上。

C0010.1.1為轉(zhuǎn)化體品種,C0010.1.1噴為噴施過除草劑的轉(zhuǎn)化體,178為受體品種,先玉335為常規(guī)玉米品種。

這與3種玉米材料田間節(jié)肢動物的多樣性指數(shù)變化正好相反,反映了相同的變化趨勢,即節(jié)肢動物群落中物種數(shù)量明顯下降,個別物種個體數(shù)量增加。地表群落統(tǒng)計結(jié)果顯示,7月初地表節(jié)肢動物群落優(yōu)勢集中性指數(shù)較高,之后呈緩慢下降趨勢。3種玉米材料植株上節(jié)肢動物群落優(yōu)勢集中性變化趨勢基本一致,說明轉(zhuǎn)化體C0010.1.1對節(jié)肢動物群落優(yōu)勢集中性方面沒有顯著影響。

2.5 節(jié)肢動物群落相似性

群落相似性系數(shù)的數(shù)值越接近1,群落間相似性越高。通過調(diào)查常規(guī)種先玉335、受體品種178與轉(zhuǎn)化體品種C0010.1.1田間節(jié)肢動物相同物種數(shù)量,計算并繪制節(jié)肢動物群落相似系數(shù)變化圖(圖5)。各組節(jié)肢動物群落相似性總體變化趨勢一致,噴施除草劑與未噴施除草劑的轉(zhuǎn)化體,未噴施除草劑的轉(zhuǎn)化體與受體,噴施除草劑的轉(zhuǎn)化體與受體相比較,除第1次調(diào)查外,其植株上的節(jié)肢動物群落相似度均表現(xiàn)為初期較低,之后明顯上升,后期維持在較高水平;不同處理小區(qū)地表節(jié)肢動物群落相似度也有一致的表現(xiàn)?？傮w來看,植株和地表上的節(jié)肢動物群落逐步趨于一致,且地表上的群落相似性變化更為平緩。

C0010.1.1為轉(zhuǎn)化體品種,C0010.1.1噴為噴施過除草劑的轉(zhuǎn)化體,178為受體品種,先玉335為常規(guī)玉米品種。

C0010.1.1為轉(zhuǎn)化體品種,C0010.1.1噴為噴施過除草劑的轉(zhuǎn)化體,178為受體品種,先玉335為常規(guī)玉米品種。

3 討論與結(jié)論

近年來國內(nèi)外在轉(zhuǎn)基因作物的生態(tài)安全性評價方面已取得很大進展,先后研究了轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆、轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花以及轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻等對節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)的影響[13,21-24]。國內(nèi)研究最多的是轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉對害蟲和天敵的影響,由于轉(zhuǎn)基因玉米在我國尚未被批準商業(yè)化種植,所以轉(zhuǎn)基因玉米對節(jié)肢動物多樣性影響的研究較少。目前尚無有力科學(xué)證據(jù)證明轉(zhuǎn)基因作物對生物多樣性的潛在影響是否與非轉(zhuǎn)基因作物存在本質(zhì)不同[5,25]。從已有研究來看,絕大多數(shù)實驗結(jié)果都支持轉(zhuǎn)基因耐除草劑作物對節(jié)肢動物多樣性的影響較小。在美國佐治亞州(Georgia)南部進行大豆害蟲種群調(diào)查的結(jié)果表明,除了在個別取樣時間發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆對稻綠蝽(Nezaraviridula)種群密度有影響外,耐除草劑大豆對昆蟲群落各物種影響極小[13];1997 年和1998 年在美國愛荷華州(Iowa)進行的研究也表明,轉(zhuǎn)基因大豆品種對昆蟲群落沒有顯著影響[26]。在對耐除草劑油菜的調(diào)查中也得到了相似結(jié)果,耐草銨膦油菜田的蜜蜂科(Apidae)、胡蜂科(wasp)等授粉昆蟲多樣性和密度與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ沼筒颂锵嗨芠27];轉(zhuǎn)基因耐除草劑油菜田中彈尾目昆蟲的全年總量較非轉(zhuǎn)基因?qū)φ仗锎?對其他無脊椎動物的影響極小[28]。轉(zhuǎn)基因耐草銨膦甜菜田間雜食性節(jié)肢動物的穩(wěn)定性調(diào)查結(jié)果表明,除了某些采樣時期的密度和物種組成在統(tǒng)計學(xué)上有差異外,轉(zhuǎn)基因處理與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩g無顯著差異[29];STRANDBERG 等[30]對轉(zhuǎn)基因耐草甘膦甜菜田的調(diào)查研究表明,第1次施用草甘膦的時間(即田間無除草劑的時間長短)對節(jié)肢動物生物多樣性保護有重要作用。轉(zhuǎn)Bar基因耐除草劑水稻Bar68-1對稻飛虱、葉蟬、盲蝽和蜘蛛田間自然種群的影響與非轉(zhuǎn)基因水稻基本相同[31],并且對稻田葉冠層節(jié)肢動物的群落組成和多樣性無顯著影響[32],對稻縱卷葉螟(Cnaphalocrocismedinalis)自然種群的影響也與非轉(zhuǎn)基因水稻基本一致[33]。

對轉(zhuǎn)基因耐除草劑玉米田的研究也表明,轉(zhuǎn)基因玉米的種植與除草劑的施用沒有對地表節(jié)肢動物產(chǎn)生任何有統(tǒng)計學(xué)意義的生態(tài)影響[34];連續(xù)種植轉(zhuǎn)基因耐除草劑玉米對植物和無脊椎動物類群也不存在累積效應(yīng)[35]。王尚等[36]研究表明,無論是否噴施除草劑,轉(zhuǎn)基因玉米CC-2與其對應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因?qū)φ锗?8相比,在田間節(jié)肢動物群落組成、群落結(jié)構(gòu)以及田間主要節(jié)肢動物類群動態(tài)上均無顯著差異。姜瑩等[37]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)EPSPS基因耐除草劑玉米CC-2對土壤動物群落無不利影響。目前轉(zhuǎn)基因飼料也沒有對畜禽營養(yǎng)、免疫、繁殖、腸道健康產(chǎn)生不利影響[38]。

同以上結(jié)果相似,轉(zhuǎn)基因玉米材料C0010.1.1在植株和地表的節(jié)肢動物生物多樣性、群落優(yōu)勢集中性和群落均勻性等方面與對照相比均未發(fā)現(xiàn)顯著差異。在目前的種植條件下,該轉(zhuǎn)基因材料對田間節(jié)肢動物群落的多樣性及生物功能群物種數(shù)量和個體數(shù)量等沒有顯著影響。該結(jié)果還需要大量的相似研究來進一步明確,并對其發(fā)生的原因和機制進行進一步的探究。

該研究中不同小區(qū)節(jié)肢動物群落多樣性的變化趨勢相似,在7月中下旬出現(xiàn)明顯波動,結(jié)合氣象記錄和大田觀察,可以認為是干旱和雙斑螢葉甲暴發(fā)而導(dǎo)致群落多樣性水平下降,這直接導(dǎo)致后續(xù)數(shù)據(jù)分析中優(yōu)勢集中度和均勻度的急劇變化,雙斑螢葉甲單個物種數(shù)量的變化對整體數(shù)據(jù)的分析產(chǎn)生了較大影響。在短期研究中,個別害蟲的集中暴發(fā)可能會對整個實驗結(jié)果造成影響,轉(zhuǎn)基因作物的生態(tài)安全性評價還需要長期和全面的監(jiān)測。除了節(jié)肢動物外,對整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的多個生態(tài)位的不同物種,如土壤微生物,進行監(jiān)測會使結(jié)果更具有說服力[39-40]。另外,在空間和時間上擴大監(jiān)測尺度也能使結(jié)果更可信。環(huán)境影響指數(shù)(environmental impact quotient, EIQ)是評估有毒物質(zhì)對環(huán)境影響的綜合性指標(biāo),其中包括對非靶標(biāo)有機體的影響[41]。自大面積種植轉(zhuǎn)基因作物以來,美國耐除草劑大豆田間的環(huán)境影響指數(shù)明顯減小,種植轉(zhuǎn)基因大豆并施用草甘膦對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的壓力明顯小于種植轉(zhuǎn)基因大豆之前[42]。BARFOOT等[43]對1996到2012年間全球轉(zhuǎn)耐除草劑基因的大豆、玉米、棉花的田間EIQ指數(shù)的調(diào)查以及OLIVER等[44]對澳大利亞轉(zhuǎn)耐除草劑基因的油菜(Brassicanapus)的長期調(diào)查也得到了相似結(jié)果。這些國外研究者的工作也表明大田生物安全性評價研究的長期性和轉(zhuǎn)基因生物大范圍釋放后監(jiān)測的重要性。

轉(zhuǎn)耐除草劑基因的玉米田間節(jié)肢動物群落在種類組成、數(shù)量和動態(tài)變化等方面與對照相比沒有顯著差異。在較短期的調(diào)查研究中,期間某單種類物種(如雙斑螢葉甲)的暴發(fā)可能會對實驗結(jié)果產(chǎn)生較為重要的影響,而為了得到更為可靠的結(jié)果,需要更長期而廣泛的研究確證,即便是已獲得國家證書商業(yè)化種植的品種也應(yīng)進行持續(xù)監(jiān)測。

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