龍 瑩, 劉建萍, 李曉紅

(1. 邵陽學(xué)院食品與化學(xué)工程學(xué)院, 邵陽 422000; 2. 邵陽學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院園林系, 邵陽 422000)

大豆Glycinemax,又稱黃豆,是一種重要的糧食作物,含有豐富的氨基酸、不飽和脂肪酸、礦物元素和B族維生素等營養(yǎng)成分。在糧食、油料、飼料、工業(yè)原料等許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外關(guān)于大豆品種、種植季節(jié)、土壤環(huán)境等因素對大豆產(chǎn)量和品質(zhì)的影響的研究較多,但關(guān)于不同密度的昆蟲取食為害對大豆產(chǎn)量和營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響的研究相對較少。

植食性昆蟲的侵害會(huì)嚴(yán)重影響大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)。斜紋夜蛾Spodopteralitura是大豆產(chǎn)區(qū)的主要害蟲,因其具有暴食性和繁殖快等特點(diǎn),已成為大豆生長過程中為害最嚴(yán)重的害蟲之一[1]。斜紋夜蛾幼蟲可取食葉片、花蕾以及果實(shí),嚴(yán)重時(shí)可將大豆葉片全部吃光,使其光合作用、物質(zhì)積累和開花結(jié)莢受阻,造成豆粒生長不飽滿,豆莢斑痕累累,失去商品價(jià)值。近年來我國農(nóng)作物布局的轉(zhuǎn)變,農(nóng)業(yè)復(fù)種指數(shù)提高,以及設(shè)施農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展為斜紋夜蛾的連續(xù)暴發(fā)提供了有利環(huán)境。同時(shí)由于農(nóng)藥的長期使用,斜紋夜蛾已經(jīng)產(chǎn)生了抗藥性[2]。

植食性昆蟲的取食會(huì)影響植物的生物量[3]、次生代謝物合成[4]以及根系分泌物的產(chǎn)生等[5]。植物-土壤間存在相互反饋效應(yīng)。根際吸收土壤中養(yǎng)分提供給植物,植物通過凋零物或根系對土壤進(jìn)行反饋調(diào)控[6]。植物根系分泌物對土壤酸堿度和土壤酶活性存在影響[7]。土壤酸堿度對土壤肥力、微生物活動(dòng)和作物生長存在影響。土壤脲酶活性可直接反映土壤氮供應(yīng)的多少,與土壤微生物數(shù)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量等因素有關(guān)。土壤磷酸酶活性影響著土壤養(yǎng)分有效性,能夠促進(jìn)無機(jī)磷向有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化[8]。迄今為止,關(guān)于大豆對斜紋夜蛾抗性的研究已有比較深入的研究,但關(guān)于斜紋夜蛾取食對大豆土壤酶活性的影響鮮有報(bào)道。

植物營養(yǎng)物質(zhì)對昆蟲的生長、發(fā)育和繁殖有重要影響,營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化能在一定程度上反映出植物的防御能力[9]。土壤酶活性是反映土壤特征的重要指標(biāo),土壤養(yǎng)分可間接影響植物的抗蟲能力[10]。本研究隨機(jī)選用5種常見的大豆品種進(jìn)行試驗(yàn),探明不同密度的斜紋夜蛾幼蟲取食為害對大豆產(chǎn)量、營養(yǎng)物質(zhì)含量和土壤酶活性的影響,探究斜紋夜蛾幼蟲取食為害對大豆-土壤的相互反饋效應(yīng)所產(chǎn)生的影響,為篩選抗蟲大豆品種及斜紋夜蛾的綜合防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試斜紋夜蛾采自湖南省邵陽市郊區(qū)的蔬菜田。采集時(shí)為3齡幼蟲,隨后在人工氣候箱內(nèi)采用人工飼料[11]連續(xù)飼養(yǎng),飼養(yǎng)條件為(26±1)℃、RH(60±10)%和L∥D=14 h∥10 h。

供試大豆品種分別為‘中黃13’‘中黃37’‘中黃39’‘石豆7號(hào)’和‘菏豆15’,均來自湖南省種子公司。將供試大豆種子播于營養(yǎng)缽(直徑32 cm, 高20 cm)中單株種植,生長期間統(tǒng)一常規(guī)管理。

1.2 試驗(yàn)方法

每個(gè)品種選取長勢基本一致的開花前期大豆進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置4種蟲口密度,分別為每株接入0(CK)、3、6、9頭斜紋夜蛾2齡幼蟲,每處理重復(fù)20次,即20株大豆。將斜紋夜蛾2齡幼蟲放置到大豆植株中上部的葉片上,用透明薄紗網(wǎng)罩將植株罩住防止幼蟲逃逸;每天檢查3次,若幼蟲死亡或逃逸,及時(shí)補(bǔ)充幼蟲。幼蟲在大豆上取食9 d后,將幼蟲和網(wǎng)罩取下。大豆根系外圍0～1 cm的土壤視為根際土壤,每株大豆取根際土壤10 g(濕重),將同一處理組的根際土壤混勻,在通風(fēng)、干燥的環(huán)境下自然風(fēng)干72 h后測定土壤pH(電位法)[12]、脲酶(苯酚鈉-次氯酸鈉比色法)和磷酸酶(磷酸苯二鈉比色法)的活性[13]。同一處理組的土壤pH重復(fù)測定10次,每種酶活性重復(fù)測定5次。

各處理大豆統(tǒng)一常規(guī)管理,觀察植株生長發(fā)育情況,記錄大豆的單株結(jié)莢數(shù),大豆成熟后記錄單株莢粒數(shù)。大豆種子手工脫粒,曬干后測定單株產(chǎn)量。將每處理組收獲的大豆種子混勻后,每次隨機(jī)取50粒粉碎成大豆粉(80目)后測定脂肪含量(GB5009.6-2016索氏抽提法)[14]和蛋白質(zhì)含量(GB5009.5-2016分光光度法)[15]。每處理重復(fù)測定5次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)檢查方差齊性后,用雙因子方差分析法分析不同大豆品種和不同蟲口密度斜紋夜蛾取食對大豆農(nóng)藝性狀和土壤酶活性的影響,使用Tukey HSD測驗(yàn)進(jìn)行多重比較。數(shù)據(jù)分析使用R軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蟲口密度的斜紋夜蛾取食對大豆單株結(jié)莢數(shù)的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對大豆的單株結(jié)莢數(shù)有顯著的影響(大豆品種:F4, 380=156.29,P<0.001; 蟲口密度:F3, 380=89.8,P<0.001; 大豆品種×蟲口密度:F12, 380=3.45,P<0.001)。在相同蟲口密度下,‘中黃39’的單株結(jié)莢數(shù)顯著低于其他4個(gè)品種(P<0.05)。不同蟲口密度下,各品種大豆的單株結(jié)莢數(shù)均隨蟲口密度的增大而降低。‘中黃39’ 的單株結(jié)莢數(shù)在不同蟲口密度處理間差異不顯著(P>0.05);‘中黃13’‘中黃37’和‘菏豆15’的單株結(jié)莢數(shù)在蟲口密度≥6頭/株時(shí)顯著低于對照(P<0.05)。在5個(gè)品種中,隨蟲口密度的增加,‘中黃37’的單株結(jié)莢數(shù)降低最多,當(dāng)蟲口密度為9頭/株時(shí),單株結(jié)莢數(shù)為(28.40±0.61)個(gè)(表1),比對照少9.35個(gè)(P<0.05)。

2.2 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食對大豆單株莢粒數(shù)的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對大豆單株莢粒數(shù)有顯著的影響(大豆品種:F4, 380=133.80,P<0.001; 蟲口密度:F3, 380=105.85,P<0.001; 大豆品種×蟲口密度:F12, 380=3.25,P<0.001)。在相同蟲口密度下,‘中黃13’‘中黃37’和‘菏豆15’的單株莢粒數(shù)無顯著差異(P>0.05)。不同蟲口密度下,各品種大豆的單株莢粒數(shù)均隨蟲口密度的增大而降低。 ‘中黃13’‘中黃37’‘菏豆15’和‘石豆7號(hào)’的單株莢粒數(shù)在蟲口密度≥6頭/株時(shí)顯著低于對照(P<0.05);‘中黃39’的單株莢粒數(shù)在蟲口密度為9頭/株時(shí)顯著低于對照(P<0.05)。5個(gè)品種中,隨著蟲口密度的增加,‘中黃37’的單株莢粒數(shù)降低最多,蟲口密度為9頭/株時(shí),單株莢粒數(shù)為(53.45±1.26)粒(表2),比對照低19.85粒(P<0.05)。

表1 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆單株結(jié)莢數(shù)1)

表2 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆單株莢粒數(shù)

2.3 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食對大豆單株產(chǎn)量的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對大豆的單株產(chǎn)量有顯著的影響(大豆品種:F4, 380=326.20,P<0.001; 蟲口密度:F3, 380=98.89,P<0.001; 大豆品種×蟲口密度:F12, 380=1.92,P<0.05)。在相同蟲口密度下,‘中黃39’和‘菏豆15’的單株產(chǎn)量均顯著低于‘中黃13’‘中黃37’和‘石豆7號(hào)’(P<0.05)。不同蟲口密度下,各品種大豆的單株產(chǎn)量均隨蟲口密度的增大而降低,蟲口密度為6頭/株時(shí),‘中黃13’‘中黃37’‘中黃39’和‘菏豆15’的單株產(chǎn)量與對照相比顯著下降(P<0.05);蟲口密度為9頭/株時(shí),5個(gè)大豆品種的單株產(chǎn)量均與對照組差異顯著(P<0.05)。在5個(gè)品種中,隨著蟲口密度的增加,‘中黃37’的單株產(chǎn)量減少最多,蟲口密度為9頭/株時(shí),單株產(chǎn)量為(14.46±0.33)g (表3),比對照低5.18 g(P<0.05)。

2.4 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食對大豆蛋白質(zhì)含量的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對大豆的蛋白質(zhì)含量有顯著的影響(大豆品種:F4, 80=329.53,P<0.001; 蟲口密度:F3, 80=75.64,P<0.001; 大豆品種×蟲口密度:F12, 80=3.49,P<0.001)。在相同蟲口密度下,‘石豆7號(hào)’的蛋白質(zhì)含量均顯著低于其他4個(gè)品種(P<0.05);在對照組和蟲口密度3頭/株時(shí),‘中黃13’‘中黃37’和‘菏豆15’間的蛋白質(zhì)含量無顯著差異(P>0.05)。不同蟲口密度下,各品種大豆的蛋白質(zhì)含量均隨蟲口密度的增大而降低。蟲口密度為9頭/株時(shí),5個(gè)大豆品種的蛋白質(zhì)含量均顯著低于對照(P<0.05)。5個(gè)品種中,隨著蟲口密度的增加,‘中黃13’蛋白質(zhì)含量減少最多,蟲口密度為9頭/株時(shí),蛋白質(zhì)含量為(38.98±0.33)%(表4),比對照低3.36百分點(diǎn)(P<0.05)。

表3 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆單株產(chǎn)量

表4 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量

2.5 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食對大豆脂肪含量的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對大豆的脂肪含量有顯著的影響(大豆品種:F4, 80=255.74,P<0.001; 蟲口密度:F3, 80=85.40,P<0.001; 大豆品種×蟲口密度:F12, 80=5.27,P<0.001)。在相同蟲口密度下,‘菏豆15’的脂肪含量均顯著低于其他4個(gè)品種(P<0.05)。各品種大豆的脂肪含量均隨蟲口密度的增大而降低,蟲口密度為9頭/株時(shí),5個(gè)大豆品種的脂肪含量均顯著低于對照(P<0.05)。其中 ‘中黃37’的脂肪含量在蟲口密度為3頭/株時(shí)與對照相比已表現(xiàn)出顯著下降(P<0.05);‘中黃39’和‘菏豆15’ 的脂肪含量在蟲口密度為6頭、9頭/株時(shí)顯著低于對照(P<0.05);‘中黃13’和‘石豆7號(hào)’的脂肪含量在蟲口密度為9頭/株時(shí)顯著低于對照(P<0.05)。在5個(gè)品種中,隨著蟲口密度的增加,‘中黃39’的脂肪含量減少最多,蟲口密度為9頭/株時(shí),脂肪含量為(18.90±0.13)% (表5),比對照低3百分點(diǎn)。

表5 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆籽粒中脂肪含量

2.6 不同蟲口密度的斜紋夜蛾取食對大豆根際土壤pH的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對根際土壤pH沒有顯著的影響(大豆品種:F4, 180=12.57,P>0.05; 蟲口密度:F3, 180=6.16,P>0.05; 大豆品種×蟲口密度:F12, 180=1.51,P>0.05)。每個(gè)品種大豆的根際土壤pH均隨蟲口密度的增大稍有降低;相同蟲口密度下,5個(gè)大豆品種間的土壤pH無顯著差異(P>0.05)(表6)。

表6 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆根際土壤pH

2.7 不同蟲口密度的斜紋夜蛾取食對根際土壤脲酶的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對根際土壤脲酶的活性有顯著的影響(大豆品種:F4, 80=10.34,P<0.05; 蟲口密度:F3, 80=6.62,P<0.05; 大豆品種×蟲口密度:F12, 80=5.89,P<0.05)。在相同蟲口密度下,‘石豆7號(hào)’分別與‘中黃13’‘中黃37’和‘中黃39’的根際土壤脲酶活性無顯著差異(P>0.05)。各品種大豆根際土壤脲酶的活性均隨蟲口密度的增大而降低。對照組5個(gè)大豆品種間的根際土壤脲酶活性均無顯著差異(P>0.05);蟲口密度為9頭/株時(shí),5個(gè)大豆品種的根際土壤脲酶活性均顯著低于對照(P<0.05)。5個(gè)品種中,隨蟲口密度的增加,‘菏豆15’的根際脲酶活性降低的最多,蟲口密度為9頭/株時(shí),脲酶活性為(0.095±0.007)mg/(g·d)(表7)。

表7 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆根際土壤脲酶活性

2.8 不同蟲口密度的斜紋夜蛾取食對根際土壤磷酸酶的影響

大豆品種、蟲口密度以及兩者間的互作均對根際土壤磷酸酶的活性有顯著的影響(大豆品種:F4, 80=43.16,P<0.05; 蟲口密度:F3, 80=23.87,P<0.05; 大豆品種×蟲口密度:F12, 80=14.16,P<0.05)。各品種大豆根際土壤磷酸酶的活性均隨蟲口密度的增大而降低。在蟲口密度≥6頭/株時(shí)各品種大豆根際土壤磷酸酶活性無顯著差異,但均顯著低于對照(P<0.05)。在5個(gè)品種中,隨蟲口密度的增加,‘中黃37’的根際磷酸酶活性降低的最多,蟲口密度為9頭/株時(shí),磷酸酶活性為(2.72±0.14)mg/(g·d)(表8)。

表8 不同蟲口密度斜紋夜蛾取食后大豆根際土壤磷酸酶活性

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)斜紋夜蛾取食對不同品種大豆的單株結(jié)莢數(shù)、單株莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、脂肪含量以及土壤的脲酶活性、磷酸酶活性均有不利影響,且不利影響均隨斜紋夜蛾蟲口密度的增加而加重。但蟲口密度的變化對土壤酸堿度無顯著影響。在5個(gè)品種中,蟲口密度為9頭/株時(shí),‘中黃37’的單株結(jié)莢數(shù)、單株莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量和根際磷酸酶活性降低最多,‘中黃13’大豆蛋白質(zhì)含量降低最多,‘中黃39’大豆脂肪含量降低最多,‘菏豆15’的根際脲酶活性降低最多。

在自然界中,植物受到侵害后,在承受范圍內(nèi)能夠自我修復(fù),但超過承受范圍時(shí),會(huì)導(dǎo)致植物營養(yǎng)物質(zhì)含量下降或某些次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生。研究人員發(fā)現(xiàn),斜紋夜蛾的取食損傷了葉片,使葉片的光合能力降低,從而產(chǎn)量降低[16]。豆科植物在營養(yǎng)生長階段具有較強(qiáng)的補(bǔ)償性,能較好地彌補(bǔ)昆蟲對植物的負(fù)面影響而不造成產(chǎn)量損失。然而,當(dāng)蟲害發(fā)生在結(jié)莢期時(shí),這種補(bǔ)償是有限的[17]。試驗(yàn)中蟲口密度較低時(shí),斜紋夜蛾取食為害后大豆的單株結(jié)莢數(shù)、單株莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、脂肪含量與對照無顯著差異,原因可能是斜紋夜蛾取食損傷的葉片面積小,對光合作用影響小,植株能夠較好地自我修復(fù)。但隨著蟲口密度的升高,葉片殘缺面積變大,對光合作用和物質(zhì)積累的影響超出了植物自身補(bǔ)償能力范圍,因此大豆的結(jié)莢數(shù)、莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、脂肪含量顯著下降。

在長時(shí)間的協(xié)同進(jìn)化歷程中,植物形成了抵抗昆蟲侵害的防御機(jī)制,植物被昆蟲為害后,誘導(dǎo)抗性化合物大量形成;而且寄主植物營養(yǎng)物質(zhì)在質(zhì)和量上的變化足以影響昆蟲的生長發(fā)育,因此植物營養(yǎng)物質(zhì)的改變是植物化學(xué)防御的一種對策[9]。本研究中大豆被斜紋夜蛾取食后,蛋白質(zhì)和脂肪含量均呈下降趨勢。易桂林等[18]、尹飛等[19]和蒲曉娟等[20]的研究發(fā)現(xiàn),毛竹被剛竹毒蛾P(guān)antanaphyllostachysae侵害后,蛋白質(zhì)含量顯著減少;芥菜、白菜和芥藍(lán)被小菜蛾P(guān)lutellaxylostella為害后,其體內(nèi)蛋白質(zhì)含量下降;華山松被華山松大小蠹Dendroctonusarmandi為害后,體內(nèi)蛋白質(zhì)、粗脂肪、糖類以及淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)含量均呈下降趨勢。這與本研究中大豆蛋白質(zhì)含量隨著蟲口密度的增加而下降的研究結(jié)果相似,這說明斜紋夜蛾為害阻礙了蛋白質(zhì)的合成,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量下降。

昆蟲取食能夠間接改變土壤環(huán)境,從而對植物產(chǎn)生影響。土壤酶活性的高低能反映土壤肥力。昆蟲取食植物后,植物組織含氮量發(fā)生了變化,例如,Sitonaflavescens取食三葉草后,會(huì)誘導(dǎo)植物碳氮比顯著增加,降低根系含氮量,并改變根系分泌物的組成成分[21]。在松樹林中,松白粉蚧Crisicoccuspini和白帶梢斑螟Dioryctriaalbovittella的取食作用會(huì)顯著增加凋落物的氮含量,并且降低其單寧/氮以及碳/氮比例[22]。Classen等發(fā)現(xiàn)松白粉蚧對松樹的為害使土壤酶活性顯著降低[23],這與本研究中土壤酶活性隨斜紋夜蛾為害程度加重而逐漸降低的結(jié)果相似。

本研究從植物-土壤反饋的生態(tài)學(xué)角度對斜紋夜蛾-大豆-土壤三者間的相互作用關(guān)系進(jìn)行了探討,明確了不同密度的斜紋夜蛾幼蟲取食會(huì)對大豆產(chǎn)量和營養(yǎng)物質(zhì)含量產(chǎn)生不利影響,對土壤酶活性產(chǎn)生消極作用,并且這一不利影響會(huì)隨斜紋夜蛾蟲口密度的增加而加重。試驗(yàn)結(jié)果不僅為了解斜紋夜蛾與大豆之間的關(guān)系提供了依據(jù),而且可為斜紋夜蛾在大豆田中的綜合防治及大豆抗蟲品種的篩選提供參考。