棉鈴蟲寄主作物多樣性時空差異分析

　　摘要:選取14個代表性點位對2005—2016年間湖北棉鈴蟲7種主要寄主作物種植比例進(jìn)行抽樣調(diào)查和統(tǒng)計分析.結(jié)果發(fā)現(xiàn):基于辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)的寄主作物多樣性存在不同程度的時空差異或變化.從年度變化來看，除棗陽、公安、潛江、仙桃等少數(shù)點位外，大部分點位的寄主作物多樣性無顯著變化.從空間差異來看，14個點位中枝江和鐘祥等地的寄主作物多樣性相對較高，而棗陽和曾都等地的相對較低.按區(qū)域比較發(fā)現(xiàn)，鄂中北寄主作物多樣性最高，鄂中南、鄂東北次之，鄂北最低.可為進(jìn)一步研究寄主作物多樣性對湖北棉鈴蟲的影響打下基礎(chǔ).

　　關(guān)鍵詞:寄主作物,雜食害蟲,多樣性指數(shù),區(qū)域差異

　　0引言

　　上世紀(jì)90年代之前，棉鈴蟲Helicoverpaarmigera(Hübner)曾是我國最主要的農(nóng)作物害蟲之一.棉鈴蟲不僅危害棉花，同時也危害眾多其他經(jīng)濟(jì)作物.從上世紀(jì)末開始，我國開始采用抗蟲棉花控制棉花害蟲.得益于抗蟲棉花的廣泛種植，棉鈴蟲的危害開始下降[1].不過，直到今天，棉鈴蟲仍是一種不容忽視的農(nóng)作物害蟲.

　　在我國，棉鈴蟲是少數(shù)幾種較難控制的農(nóng)作物害蟲之一.其主要原因是因為棉鈴蟲是一種高度雜食性害蟲[2-3].以我國華北和長江流域為例，其寄主作物高達(dá)數(shù)十種.除棉花外，其主要寄主作物還包括玉米、小麥、大豆、花生和蔬菜等常見作物[3].

　　因此，可以預(yù)見，這些寄主作物的比例構(gòu)成對棉鈴蟲的田間種群密度具有重要的影響.近年來，由于政策和價格原因，湖北省各地棉花種植面積大幅下降[4].隨著棉花種植面積的下降，其他作物如玉米和蔬菜的種植面積可能增加，由此可能導(dǎo)致棉鈴蟲寄主作物的構(gòu)成和多樣性發(fā)生變化.

　　另外，由于氣候環(huán)境和土地資源的差異，湖北各地棉鈴蟲寄主作物種植面積的構(gòu)成本身存在很大差異，由此可能導(dǎo)致寄主作物多樣性出現(xiàn)空間差異.到目前為止，這種寄主作物構(gòu)成及多樣性的時空差異到底有多大，具體格局到底怎樣，尚少見相關(guān)研究，特別是量化研究.

　　為此，本文中通過抽樣調(diào)查收集了湖北省內(nèi)14個點位2005—2016年間棉鈴蟲的主要寄主作物種植面積數(shù)據(jù).然后以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，量化寄主作物多樣性并分析其時空差異，為后續(xù)研究寄主作物多樣性對棉鈴蟲田間種群大小的影響打下基礎(chǔ).

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)域

　　本文中的研究區(qū)域涵蓋除鄂西山區(qū)以外的湖北省絕大部分農(nóng)作物種植區(qū).研究涉及14個樣點縣市(或區(qū)).14個點位從西到東分別是:枝江、宜城、棗陽、鐘祥、荊州、公安、監(jiān)利、潛江、仙桃、天門、曾都、孝感、新洲、武穴.

　　1.2數(shù)據(jù)來源

　　棉鈴蟲寄主作物種植面積數(shù)據(jù)來源于《湖北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(2006—2017)[5].統(tǒng)計年鑒含有包括棉鈴蟲主要寄主作物在內(nèi)的湖北省各地主要農(nóng)作物的種植面積數(shù)據(jù).以統(tǒng)計年鑒為依據(jù)，本文中將棉鈴蟲的主要寄主作物分為7類:小麥、油菜、蔬菜、玉米、大豆、棉花、花生，然后分樣點分別收集了各年度的種植面積數(shù)據(jù).

　　為了使不同點位的數(shù)據(jù)具有可比性，本文中同時收集了各點位的作物總面積數(shù)據(jù)，并以作物總面積為基準(zhǔn)計算了各類寄主作物的種植面積比例.本文所稱的寄主作物面積比例均是指寄主作物占全部農(nóng)作物總面積的比例.

　　1.3數(shù)據(jù)分析

　　1.3.1辛普森指數(shù)

　　辛普森指數(shù)是一種度量物種多樣性的常用方法[6].這里采用該指數(shù)來計算各地每年棉鈴蟲寄主作物的多樣性.

　　1.3.3混合效應(yīng)回歸分析

　　采用混合效應(yīng)回歸模型分析不同類型的自變量對因變量影響.模型假定自變量包括兩種影響效應(yīng):固定效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng).固定效應(yīng)的影響通過參數(shù)估計及相應(yīng)的顯著性檢驗確定，而隨機(jī)效應(yīng)通過協(xié)方差及相應(yīng)的顯著性檢驗確定.不但如此，該模型允許自變量為分類變量.也就是說可以檢驗和分析分類變量的不同水平對因變量的影響差異.

　　本文中通過混合效應(yīng)回歸模型進(jìn)行了兩方面的分析:一是根據(jù)全部14個點位和全部年份的綜合數(shù)據(jù)分析不同點位多樣性指數(shù)的空間差異.其中因變量為多樣性指數(shù)，點位為固定效應(yīng)，年份為隨機(jī)效應(yīng);二是以聚類分析得到的分類結(jié)果為依據(jù)通過模型檢驗寄主作物種植面積比例對多樣性指數(shù)的影響差異，該分析同樣假定年份為隨機(jī)效應(yīng).

　　1.3.4聚類分析

　　采用系統(tǒng)聚類分析方法，以7種寄主作物的種植面積比例為聚類指標(biāo)對14個點位進(jìn)行了聚類分析.系統(tǒng)聚類分析需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選用合適的距離計算公式和聚類方法.本文中采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選用最遠(yuǎn)距離法進(jìn)行相關(guān)聚類分析，繪制聚類樹形圖.相關(guān)統(tǒng)計分析全部通過SPSS統(tǒng)計軟件完成.

　　2結(jié)果與分析

　　2.1寄主作物種植面積比例分布

　　首先，為了數(shù)據(jù)的可比性，本文中以作物種植總面積為基準(zhǔn)，計算14個點位2005—2016年12年間的7種寄主作物種植面積比例，研究發(fā)現(xiàn)同一點位不同年份7種寄主作物種植面積比變化不大，因此計算14個點位2005—2016年12年7種寄主作物的種植面積比平均值.

　　從14個點位綜合來看，小麥、油菜、棉花和蔬菜4種寄主作物種植面積比例較高，其中棗陽、曾都和宜城小麥種植面積比例較高，分別為:41.38%、32.86%和26.77%，武穴油菜種植面積比例最高，為26.91%，同時這4個點位的其他寄主作物種植比例相對較低，而鐘祥、天門等地7種寄主作物種植比例相對比較平均.

　　2.2多樣性指數(shù)的時間變化

　　然后根據(jù)14個點位2005—2016年間每年小麥、油菜、蔬菜、玉米、豆類、棉花、花生的種植比例，按公式(1)和(2)計算得到各地每年的辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)，共168組數(shù)據(jù).分點位對12年的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)大部分點位的寄主作物多樣性指數(shù)年度變化不顯著(P>0.01)，少部分點位年度變化顯著(P<0.01)，如:棗陽、公安、潛江、仙桃等.回歸分析按14個點位分別進(jìn)行，多樣性指數(shù)分辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)兩種情形.在每個回歸分析中，多樣性指數(shù)為因變量，年份為自變量.

　　2.3多樣性指數(shù)的點位差異

　　以辛普森指數(shù)為目標(biāo)，點位為固定效應(yīng)，年份為隨機(jī)效應(yīng)，采用混合效應(yīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)辛普森指數(shù)在14個點位之間存在顯著差異(P<0.01).辛普森指數(shù)從高到低依次為:枝江、鐘祥、天門、孝感、仙桃、宜城、潛江、荊州、公安、新洲、監(jiān)利、棗陽、曾都、武穴.

　　以香農(nóng)指數(shù)為目標(biāo)，點位為固定效應(yīng)，年份為隨機(jī)效應(yīng)，采用混合效應(yīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)香農(nóng)指數(shù)在14個點位之間存在顯著差異(P<0.01).香農(nóng)指數(shù)從高到低依次為:鐘祥、枝江、宜城、天門、孝感、仙桃、潛江、荊州、新洲、公安、監(jiān)利、武穴、曾都、棗陽.

　　由于地理環(huán)境存在差異，所以寄主作物多樣性出現(xiàn)地區(qū)差異并不奇怪.以棗陽、曾都、武穴等地為例，前兩地屬于鄂北低山丘崗區(qū)，以小麥等作物為主，而武穴屬鄂東南低山丘陵區(qū)，以油菜等作物為主，所以這幾地的寄主作物多樣性相對較低.比較而言，位于平原地帶的鐘祥和天門等地，適宜種植多種作物，所以寄主作物多樣性相對較高.

　　2.4多樣性指數(shù)的區(qū)域差異

　　以7種寄主作物的種植面積比例為基本指標(biāo)對14個樣點進(jìn)行系統(tǒng)聚類，根據(jù)樹形圖中顯示的距離跨度變化，可將14個點位分為4類，按樣點的地理位置，4類分別屬于鄂北(G1)，鄂中南(G2)，鄂東北(G3)，鄂中北(G4).

　　其中鄂北包括宜城、棗陽、曾都3個點位，鄂東北包括孝感、新洲2個點位，鄂中北包括鐘祥、天門2個點位，鄂中南包括枝江、荊州、公安、監(jiān)利、潛江、仙桃、武穴7個點位.進(jìn)一步以辛普森指數(shù)為目標(biāo)，分類變量為固定效應(yīng)，年份為隨機(jī)效應(yīng)，基于混合效應(yīng)回歸模型的分析結(jié)果顯示4類區(qū)域的辛普森指數(shù)之間存在顯著差異(F=304.088，P<0.01).

　　根據(jù)回歸模型估計，4個區(qū)域辛普森指數(shù)的平均值從低到高依次是鄂北(G1)，鄂中南(G2)，鄂東北(G3)，鄂中北(G4).以香農(nóng)指數(shù)為目標(biāo)的類似分析發(fā)現(xiàn)4個區(qū)域的香農(nóng)指數(shù)之間存在顯著差異(F=597.421，P<0.01).

　　回歸估計顯示，4個區(qū)域香農(nóng)指數(shù)的平均值從低到高依次是鄂北(G1)，鄂中南(G2)，鄂東北(G3)，鄂中北(G4)，結(jié)果與基于辛普森指數(shù)的分析一致.

　　3結(jié)論與展望

　　基于辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)的時間變化分析顯示，除棗陽、公安、潛江、仙桃等少數(shù)點位外，大部分點位的寄主作物多樣性在2005—2016間無顯著變化，表明這些點位的寄主作物構(gòu)成基本穩(wěn)定.基于辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)的空間差異分析顯示，14個點位的寄主作物多樣性存在顯著差異.對兩種指數(shù)進(jìn)行排序發(fā)現(xiàn)，枝江和鐘祥等地相對較高，而棗陽和曾都等地相對較低.按區(qū)域劃分，鄂中北最高，鄂中南、鄂東北次之，鄂北最低，區(qū)域之間寄主作物多樣性存在顯著差異.

　　上述分類結(jié)果顯示湖北棉鈴蟲寄主作物多樣性與區(qū)域地理環(huán)境存在密切關(guān)聯(lián).鄂中地區(qū)屬江漢平原地帶，適宜種植多種經(jīng)濟(jì)與糧食作物[8-9]，因此這一地區(qū)寄主作物多樣性相對較高.而鄂北為低山丘崗地帶，只適宜種植某些經(jīng)濟(jì)與糧食作物，且這些作物的分布一般比較分散，因此這一地區(qū)寄主作物多樣性相對較低.

　　因篇幅所限，本文中只對棉鈴蟲寄主作物多樣性的時空差異進(jìn)行分析.后續(xù)研究包括進(jìn)一步分析寄主作物多樣性對棉鈴蟲時空分布的影響.從小尺度上講，寄主作物多樣性可能影響害蟲的寄主植物選擇，進(jìn)而對田間害蟲種群數(shù)量產(chǎn)生直接影響[10-15].

　　而從大尺度上講，寄主作物多樣性可能影響害蟲的遷飛轉(zhuǎn)移，也會對田間害蟲種群數(shù)量產(chǎn)生影響[3].在大尺度上，寄主作物多樣性還可能與氣候條件等其他因子產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而對害蟲空間分布產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響.后續(xù)我們將結(jié)合棉鈴蟲調(diào)查數(shù)據(jù)對上述可能的影響開展研究.相關(guān)結(jié)果將另行發(fā)表.

　　4參考文獻(xiàn)

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　　生物論文投稿期刊：《生物多樣性》1993年創(chuàng)刊，為國家一級核心期刊。雙月刊，大16開本。一直以來，《生物多樣性》(由季刊發(fā)展為雙月刊)本著立足國內(nèi)、面向國際的原則，憑著其前瞻性的研究論文和讀者至上的服務(wù)宗旨,已成為反映中國生物多樣性研究和發(fā)展水平的、國內(nèi)生物學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的高水平學(xué)術(shù)刊物，受到作者和讀者的高度評價。

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