變溫對昆蟲生長發(fā)育和繁殖影響的研究進展

潘 飛，陳綿才，肖彤斌，吉訓聰，謝圣華

(海南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與植物保護研究所，海南省植物病蟲害防控重點實驗室，?？?571100)

在田間自然條件下，氣候因子被認為是最重要的昆蟲種群抑制因子之一，而溫度是影響昆蟲生長發(fā)育、存活、繁殖等生命活動最重要的因子。昆蟲是變溫動物，保持和調(diào)節(jié)體內(nèi)溫度的能力不強，體內(nèi)的各種代謝過程隨著環(huán)境溫度的變化而改變。為了便于說明溫度對昆蟲生命活動的作用，通常將溫度劃分為致死高溫區(qū)、亞致死高溫區(qū)、適宜溫區(qū)、亞致死低溫區(qū)和致死低溫區(qū)。適宜溫區(qū)是昆蟲種群繁衍最為有利的溫度范圍，在昆蟲生態(tài)學和生物學研究中應用最多。在溫度對昆蟲生長發(fā)育、存活、繁殖和種群增長等生物學特性影響的研究中通常是人為設(shè)定恒定的幾個溫度梯度，研究的結(jié)果并不能真實的反應田間實際情況。開展變溫條件下的研究，有助于進一步體現(xiàn)田間波動性溫度對昆蟲種群數(shù)量變化的影響。關(guān)于變溫對昆蟲生長發(fā)育、存活、繁殖和種群增長的研究報道較多，已取得以下主要進展。

1 變溫對昆蟲生長發(fā)育的影響

昆蟲生長發(fā)育有一定的溫度范圍，低于某一溫度，生長發(fā)育便停止，高于此溫度，生長發(fā)育才開始。諸多研究表明，與恒溫相比，變溫條件下昆蟲的發(fā)育起點溫度更低、能夠發(fā)育的溫度范圍更廣。Lin 等 (1954)提出乳草蝽Oncopeltus fasciatus (Dallas)和擬谷盜Tribolium castaneum(Herbst)的卵均能在高于或低于恒溫發(fā)育適溫范圍以外的溫度下發(fā)育。Messenger (1964)認為與恒溫條件相比，日變溫條件能刺激苜蓿斑蚜Therioaphis maculate (Buckton)忍受更低的發(fā)育起點溫度。Dallwitz (1984)報道銅綠蠅 Lucilia cuprina (Wiedemann)蛹在30℃恒溫時發(fā)育速率趨于穩(wěn)定，而變溫時發(fā)育速率在34℃還能繼續(xù)上升，直到42℃時急速將為零。劉樹生等(1989)報道桃蚜 Myzus persicae (Sulzer)、蘿卜蚜 Lipaphis erysimi (Kaltenbach)在一系列變溫下的發(fā)育速率，在高溫區(qū)內(nèi)發(fā)育速率仍基本按經(jīng)典的邏輯斯蒂曲線隨溫度的升高而上升，但在一溫度下的發(fā)育速率又隨停留時間延長而逐漸下降;在恒溫下只能完成部分蟲期發(fā)育的低溫區(qū)，變溫下發(fā)育速率亦接近經(jīng)典的邏輯斯蒂曲線。Torres 等(1998)報道與27℃恒溫相比，變溫條件時刺益蝽Podisus nigrispinus (Dallas)卵、若蟲和卵-成蟲的發(fā)育起點溫度更低。陳非洲等 (2003)研究了小菜蛾P(guān)lutella xylostella (Linnaeus)的發(fā)育速率在恒溫和自然變溫下的變化規(guī)律，恒溫下小菜蛾在8-32℃內(nèi)能完成整個幼期的發(fā)育，變溫下小菜蛾能夠發(fā)育的溫度范圍比恒溫下廣。Mironidis 等 (2008)試驗表明棉鈴蟲Helicoverpa armigera (Hübner)在恒溫時卵-成蟲羽化的溫度為17.5-32.5℃，而變溫時溫度范圍拓寬為10-35℃;恒溫時蛹和卵的發(fā)育起點溫度為10.17 和11.95℃，而變溫時分別為1.1 和5.5℃。

昆蟲的發(fā)育速率隨著溫度而變化說明昆蟲在某一時刻的瞬時發(fā)育速率取決于其經(jīng)歷的溫度。恒溫和變溫對昆蟲發(fā)育速率的影響，一直受到昆蟲學家們的關(guān)注。國內(nèi)外學者已逐漸形成兩種觀點:一種認為變溫對昆蟲生長發(fā)育有刺激作用，與恒溫條件相比，相同的平均溫度下變溫時昆蟲的發(fā)育歷期更短，發(fā)育速率更快;另一種認為在適溫范圍內(nèi)的變溫對昆蟲生長發(fā)育沒有影響，但低溫條件下的變溫能加速昆蟲發(fā)育，高溫條件下的變溫延緩昆蟲發(fā)育。

Hagstrum 等(1973)報道與25℃恒溫相比，甲蟲Tribolium castancum (Herbst)和Trogoderma iuclusum (LeConte)的發(fā)育歷期在相同平均溫度10℃變溫幅度時減少了9%-12%。Hofsvang(1976)研究了在8℃、18℃、28℃恒溫和8-28℃變溫條件下西伯利亞原花蝽Anthocoris sibiricus(Reuter)的發(fā)育歷期，發(fā)現(xiàn)變溫條件下發(fā)育速率明顯比18℃恒溫時快。Foley (1981)研究認為在相同溫度時，與恒溫相比，溫度變化幅度較大的變溫條件能加速未滯育和滯育前的棉鈴蟲蛹的羽化速率。Radmacher (2011)研究了三組恒溫和變溫條件下Osmia bicornis 發(fā)育歷期，結(jié)果表明變溫條件能加速大多數(shù)蟲態(tài)的發(fā)育。溫度的變化幅度對昆蟲發(fā)育速率亦有影響。在變溫條件下，最高溫度、最低溫度和平均溫度是衡量溫度變化幅度對昆蟲影響的重要因子。Sweeney (1978)認為Isonychia bicolor 卵和若蟲發(fā)育速率與日變溫幅度有顯著的正相關(guān)性。Taylor 等(1990)研究了行軍蟲Pseudaletia unipuncta (Haworth)在不同變溫幅度下卵、幼蟲和蛹的平均發(fā)育歷期的差異，結(jié)果表明變溫幅度越大各蟲態(tài)發(fā)育越快。賀答漢等(1990)分析了五組變溫條件下白茨粗角螢葉甲Diorhabda rybakowl (Weise)的種群增長，得知變溫對幼期存活率的影響受其變幅大小的影響。Aysheshim 等(1996)認為小菜蛾種群數(shù)量變化與日平均溫度和日最高溫度呈正相關(guān)關(guān)系。何成興等(2003)研究表明小菜蛾成蟲田間種群數(shù)量的非生物因子在季節(jié)間，主要是月平均溫度，其次是最高溫度和最低溫度;而在年度間，主要是年均最低溫度，其次是年度平均溫度和年均最高溫度。唐超等(2007)試驗表明不同幅度的變溫對椰甲截脈姬小蜂Asecodes hispinarum (Boucek)有極顯著的影響，各處理間發(fā)育歷期隨溫度的升高而縮短，在18℃下發(fā)育歷期最長，28℃下發(fā)育歷期最短，分別為37.7 d 和18.3 d。

一些研究認為溫度波動在正常生存的溫度范圍內(nèi)對昆蟲發(fā)育速率無明顯影響或影響不大;在較低的溫度時，變溫能加快昆蟲的發(fā)育速率;高溫條件下的變溫降低昆蟲發(fā)育速率。Messenger 等(1959)報道在適溫區(qū)時，果蠅卵發(fā)育速率在變溫與恒溫間差異不顯著，且變溫幅度對其影響也不大;當溫度在較低(高)溫度水平波動時，卵發(fā)育速率比恒溫下的相應速率要快(慢)，而且溫度波動幅度越大這種效應就越明顯。Matteson 等(1965)認為在適宜的溫度范圍變溫對歐洲玉米螟Ostrinia nubilalis (Hübner)非成蟲期的發(fā)育無顯著影響，在更低的平均溫度下的變溫能加快其發(fā)育速率。Madubunyi 等 (1974)研究了15-35℃5 組恒溫和4.4-37.8℃3 組變溫下埃及苜蓿象甲Hypera brunneipennis (Boheman)的發(fā)育歷期，發(fā)現(xiàn)在20-30℃適溫范圍內(nèi)兩種溫度環(huán)境下發(fā)育歷期的差異不顯著。Humpesch (1982)認為在2.8-18.1℃周期變溫模式下 Ecdyonurus picteti、E.venosus 和Rhithrogena cf.hybrida 卵發(fā)育速率與恒溫時相同。Dallwitz (1984)報道銅綠蠅蛹在30℃恒溫和自然變溫條件下瞬時發(fā)育速率相同。Rock(1985)試驗表明在20 和33℃12h 交替變溫條件下卷葉蛾P(guān)latynota idaeusalis (Walker)發(fā)育速率與24 和27℃恒溫條件時相同;與13 和18℃恒溫相比，低溫下的變溫能增加其發(fā)育速率。Kieckhefer等(1989)發(fā)現(xiàn)低溫和中等變溫條件下麥長管蚜Macrosiphum avenae (Fabricius)的發(fā)育速率與恒溫時通過引入最低和最高發(fā)育溫度而建立的日度模型的期望值相一致，而在高溫變溫時其發(fā)育速率降低。吳曉晶等(1994)研究表明交替變溫對松毛蟲赤眼蜂Trichogramma dendrolimi (Matsumura)和瓜螟Diaphania indica (Saunders)在任一溫度下的瞬時發(fā)育速率無明顯影響，恒溫下和變溫下完成發(fā)育所需的熱量無顯著差異或基本相似。Doerr等(2002)比較了Lacanobia subjuncta 在恒溫和田間變溫條件時非成蟲階段有效積溫的差異，并認為可以用室內(nèi)測得的數(shù)據(jù)預測其在田間的發(fā)生情況。吳坤君等(2009)在恒溫(15-37℃)和交替變溫(12/18-4/40℃)下測定了棉鈴蟲蛹的發(fā)育歷期，結(jié)果表明，在低溫區(qū)，蛹在變溫條件下的發(fā)育比在恒溫下快，在高溫區(qū)則相反，只有在個別中間溫度下，蛹在恒溫和變溫下的發(fā)育率才比較接近。

變溫對昆蟲發(fā)育的其它方面亦有影響。Beck(1983)發(fā)現(xiàn)與恒溫相比，在溫度的周期變化條件下歐洲玉米螟4 齡和5 齡幼蟲體重更重，頭部更寬。Elliott 等(1995)發(fā)現(xiàn)在12 和18℃日變溫條件下飼養(yǎng)的3 種麥蚜寄生蜂成蟲體重均顯著大于24℃變溫時。Menaker 等(1965)發(fā)現(xiàn)與相同溫度的恒溫相比，24 h 周期變溫更能引起棉紅鈴蟲Pectinophora gossypiella (Saunders)幼蟲的滯育，并認為變溫處理更能誘導昆蟲滯育。Goehring 等(2002)研究證明與恒溫、長日或短日比，變溫條件或減少日長時間更易誘導君主斑蝶Danaus plexippus (Linnaeus)的滯育。

2 變溫對昆蟲存活的影響

溫度變化對昆蟲卵孵化率、各齡幼蟲存活率、蛹羽化率和成蟲存活率等都有影響。與恒溫條件相比，變溫能提高昆蟲的存活率，延長其存活時間。Pfadt 等(1975)發(fā)現(xiàn)在20℃自然變溫條件時，有 72%的紋皮 蠅 Hypoderma lineatum(Devillers)蛹能順利羽化，在15/25℃ (12 h 變溫一次)變溫時，蛹羽化率提高到86%;紋皮蠅北方品系在20℃自然變溫條件時蛹羽化率為55%，而在14-26℃和16-24℃變溫條件時蛹羽化率提高到了77%。Behrens 等(1983)報道在20℃恒溫條件下，地中海蟋蟀Gryllus bimaculatus (De Geer)卵僅有18%能成功孵化，而在20℃日變溫模式下，卵的孵化率增加到49%-65%。朱滌芳等(1987)用變溫和不同光周期培育赤眼蜂的耐冷性，擬澳洲赤眼蜂 Trichogramma confusum(Viggiani)、歐洲玉米螟赤眼蜂 Trichogramma nubilale (Ertle and Davis) 和稻螟赤眼蜂Trichogramma japonicum (Ashmead)經(jīng)變溫處理冷藏后羽化率均比適溫培育未處理的羽化率高。Torres 等(1998)報道在10-20℃變溫時僅有7%刺益蝽若蟲能發(fā)育為成蟲，而27、15-25 和17-27℃時成蟲羽化率分別為93%、87.3%和91.1%。Renault 等(2004)認為5℃/10℃或5℃/15℃變溫條件均能增加馴化的和未經(jīng)馴化的黑菌蟲Alphitobius diaperinus (Panzer)存活中時;當日平均溫度增加到20℃時，黑菌蟲存活中時顯著增加。Colinet 等 (2006)通過將棉蚜寄生蜂Aphidius colemani (Viereck)蛹置于4℃恒溫并定時轉(zhuǎn)移到20℃2 h 后發(fā)現(xiàn)蛹存活率顯著提高，且高溫時間越久蛹存活率越大。Kostal 等(2007)報道與恒定低溫相比，無翅紅蝽Pyrrhocoris apterus (Linnaeus)和黑菌蟲成蟲在晝夜交替變溫條件下存活時間更長。唐文穎等(2011)研究表明變溫處理后煙蚜繭蜂Aphidius gifuensis (Ashmead)羽化率高于恒定低溫，其認為變溫貯藏技術(shù)更適于煙蚜繭蜂的繁殖與釋放。

然而一些學者認為在發(fā)育的適溫范圍內(nèi)恒溫和變溫對昆蟲存活率的影響不大，低溫下的變溫能提高存活率，高溫下的變溫抑制存活率。Madubunyi 等(1974)研究了15-35℃5 組恒溫和4.4-37.8℃3 組變溫下埃及苜蓿象甲的存活率，發(fā)現(xiàn)在20-30℃適溫范圍內(nèi)兩種溫度環(huán)境下存活率差異不顯著。Humpesch (1982)研究表明在2.8-18.1℃周期變溫模式下Ecdyonurus picteti、E.venosus 和Rhithrogena cf.hybrida 卵孵化率與恒溫時相同。Dallwitz (1984)發(fā)現(xiàn)銅綠蠅蛹在暴露于高溫不同處理(7 h，每日7 h 和持續(xù)高溫)時平均的存活溫度為44.7、39.2 和34.4℃;僅一次和每日將蛹置于-5℃低溫時死亡率較低，而-10℃低溫每日和持續(xù)低溫處理下蛹均不能存活。Rock (1985)試驗表明在20℃和33℃12 h 交替變溫條件下卷葉蛾存活率與24℃和27℃恒溫條件時相同，高溫超過33℃的變溫時存活率下降;與13℃和18℃恒溫相比，低溫下的變溫能增加其存活率。馬巨法等(1998)模擬了在27-38℃自然高溫變溫下研究3 種稻飛虱種群的表現(xiàn)，并以恒溫為對照，發(fā)現(xiàn)白背飛虱 Sogatella furcifera(Horvath)卵孵化率在10 d 處理下比對照下降30%;3 種稻飛虱若蟲在變溫處理5 d 后的生存率明顯低于對照;變溫處理10 d 后，白背飛虱無一個體生存，褐飛虱Nilaparvata lugens (Stal)比對照低75%，灰飛虱Laodelphax striatellus (Fallen)比對照低50%。

3 變溫對昆蟲繁殖的影響

溫度變化對昆蟲成蟲壽命、雌蟲產(chǎn)卵量、產(chǎn)卵前期和平均產(chǎn)卵歷期等參數(shù)均有影響。一種觀點認為變溫對昆蟲成蟲的繁殖力有顯著的刺激作用。Messenger (1964)認為與恒溫條件相比，日變溫條件能大大增加苜蓿斑蚜成蟲的繁殖力和壽命。Philipp 等(1971)試驗模擬了田間不同條件下棉紅鈴蟲種群的增長，發(fā)現(xiàn)雌蟲壽命越長其產(chǎn)卵歷期越長，32.2℃對成蟲的產(chǎn)卵有抑制作用，在14.4-32.8°F 雌蟲產(chǎn)卵前期最長。Hagstrum 等(1973)報道成蟲羽化后14 d 內(nèi)T.castancum的產(chǎn)卵量在25℃變溫條件下顯著高于25℃恒溫時。Greenfield 等(1976)認為與相同平均溫度的恒溫相比，變溫條件能增加李透翅蛾Synanthedon pictipes (Grote and Robinson)雌蟲的產(chǎn)卵率和卵成熟率。Bradshaw (1980)研究表明與恒溫條件相比，變溫條件下北美瓶草蚊Wyeomyia smithii(Coquilett)繁殖力增加了7 倍。宋凱等(2003)對甘藍夜蛾赤眼蜂 Trichogramma brassicae(Bezdenko)采用篩選和變溫鍛煉的4個組合處理連續(xù)飼養(yǎng)，從雌蜂壽命、產(chǎn)卵量看，多數(shù)變溫處理組比恒溫處理組質(zhì)量指標有提高的趨勢。Davis等(2006)認為桃蚜在變溫時繁殖能力更大，在最適恒溫時每周每雌蟲能產(chǎn)5.9個后代，而在相同平均溫度的變溫條件時，每頭雌蟲在每周能產(chǎn)12.2個后代。Mironidis 等(2008)比較了12.5-40℃11 組恒溫和25-10 ﹑30-15 ﹑32.5-17.5﹑35-20 ﹑35-27.5℃5 組變溫條件下棉鈴蟲繁殖力的差異，除了25℃，變溫下雌蟲產(chǎn)卵能產(chǎn)更多的卵。另一種觀點認為在適溫范圍內(nèi)恒溫和變溫對昆蟲繁殖力的影響沒有差異，高溫變溫處理會顯著降低成蟲的繁殖力。Hagstrum 等(1973)報道成蟲羽化后14 d 內(nèi)T.inclusum 和米象S.oryzae的產(chǎn)卵量在25℃變溫條件下和25℃恒溫兩種溫度模式下均沒有差異。Butler 等(1979)認為在恒溫和變溫條件下飼養(yǎng)的棉紅鈴蟲成蟲壽命差異不明顯，恒溫時成蟲壽命較相近的變溫條件時長。馬巨法等(1998)模擬了在27-38℃自然高溫變溫下研究3 種稻飛虱種群的表現(xiàn)，并以恒溫為對照，發(fā)現(xiàn)褐飛虱和白背飛虱雌成蟲壽命明顯比對照短，產(chǎn)卵量在變溫處理8 d 后，僅為對照的40%和80%，變溫處理15 d 后，分別為對照的15%和54%。

4 變溫對昆蟲種群增長的影響

溫度對昆蟲種群增長的影響因昆蟲種類和溫度變化類型的不同而有所不同。Messenger (1964)認為與恒溫相比，日變溫條件大大增加了苜蓿斑蚜的繁殖力和壽命，種群內(nèi)稟增長率在29℃時達到最大。Strong 等(1970)通過生命表分析發(fā)現(xiàn)在32.2℃恒溫和26.2℃-32.2℃變溫條件下豆莢草盲蝽Lygus hesperus (Knight)種群內(nèi)稟增長率最大。Siddiqui 等(1972)研究認為在適溫范圍內(nèi)，與相同溫度的恒溫條件相比，變溫時黑腹果蠅Drosophila melanogatser (Meigen)種群內(nèi)稟增長率更大。Kieckhefer 等 (1989)比較了麥長管蚜Macrosiphum avenae (Fabricius)在三組不同的變溫下種群的繁殖能力，繁殖力和凈繁殖力在低溫下最高，并隨著溫度的增加而下降;而內(nèi)稟增長率在高溫時最大，平均世代歷期在高溫時最短。唐超等(2007)研究了在變溫條件下不同平均溫度對椰甲截脈姬小蜂內(nèi)稟增長率的影響，在18-28℃溫度范圍內(nèi)隨著平均溫度的升高內(nèi)稟增長率隨之上升。Ahmad 等(2008)研究表明與20℃和25℃恒溫條件相比，在20/25℃變溫條件下，小菜蛾種群凈繁殖率、內(nèi)稟增長率、周限增長率和年增長率最高，種群加倍時間最短。而Siddiqui 等(1973)認為與變溫條件相比，恒溫時地中海粉斑螟Anagasta kuehniella (Zeller)的內(nèi)稟增長率更高，這是由于恒溫條件下其發(fā)育歷期更短，最大產(chǎn)卵量提前產(chǎn)下和非成蟲期存活率更高等原因造成的。Mironidis 等(2008)比較了12.5-40℃11 組恒溫和25-10℃﹑ 30-15℃﹑ 32.5-17.5℃﹑ 35-20℃﹑35-27.5℃5 組變溫條件下棉鈴蟲繁殖力的差異，結(jié)果表明，無論恒溫或變溫，種群內(nèi)稟增長率在27.5℃時達到最大。

5 展望

綜上所述，變溫對昆蟲生長發(fā)育、存活、繁殖和種群增長都有影響。在變溫條件下，昆蟲能夠忍耐更低或更高的溫度，發(fā)育的溫度范圍更廣。與恒溫相比，關(guān)于溫度波動對昆蟲的影響已逐漸形成兩種觀點。一種認為，變溫對昆蟲生長發(fā)育有刺激作用，在該條件下各蟲態(tài)發(fā)育歷期更短，發(fā)育速率更快;提高昆蟲的存活率，延長存活時間;增加成蟲繁殖力和壽命，最終顯著的增加種群內(nèi)稟增長率;另一種觀點認為，在適溫范圍內(nèi)，恒溫和變溫對昆蟲生長發(fā)育、存活、繁殖和種群增長沒有影響或差異不顯著，但低溫條件下的變溫能加快各蟲態(tài)發(fā)育速率、提高存活率、增加成蟲繁殖力;高溫條件下的變溫能延緩各蟲態(tài)發(fā)育速率、降低存活率、減少成蟲繁殖力。

總結(jié)前人的研究結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)溫度的研究有恒溫和變溫兩種類型，變溫條件又可分為自然變溫和人工變溫，后者又進一步可分為交替變溫和日變溫。自然變溫是將昆蟲置于自然的田間條件，最后以平均溫度計算，考查其對昆蟲各生物學特性的影響。交替變溫指兩個溫度(高溫和低溫)日夜交替的變溫模式。本文上述的研究報道大多是在自然變溫和交替變溫的條件下完成的，未能完全體現(xiàn)田間波動性溫度對昆蟲種群數(shù)量變化的影響。日變溫是指借助先進的儀器設(shè)備(如多段編程人工氣候箱)，以當?shù)刂鹑盏臍v史氣候資料為背景，設(shè)計不同季節(jié)和不同溫度變化幅度的周期性變溫模式，以模擬田間溫度的波動性。日變溫模式綜合考慮了日最高溫度、日最低溫度和日平均溫度，不但能研究不同日平均溫度對昆蟲種群變化的影響，同時還能研究極端高溫和極端低溫及極端溫度持續(xù)時間對昆蟲的致死作用，又能研究不同的變溫幅度對昆蟲生理活動的影響，是一種新型研究昆蟲生物學特性的方法，也是未來昆蟲生態(tài)學研究中的重要技術(shù)手段。

我國地域廣闊，南北緯度跨度大，氣候類型多，橫跨熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶和寒溫帶，同一種昆蟲在各地的發(fā)生差異與我國的氣候特點可能存在一定的關(guān)系(鄭景云等，2010)。開展變溫對昆蟲生物學特性的研究，有助于摸清某一種昆蟲在我國各地田間自然環(huán)境中種群消長規(guī)律的生態(tài)學機理，明確發(fā)生世代數(shù)、發(fā)生高峰期、始發(fā)期和終止期等，為利用當?shù)貧庀筚Y料推測該蟲在某一時間段內(nèi)的發(fā)生動態(tài)，確定防治適期，科學有效地指導防治提供理論依據(jù)，同時彌補昆蟲生態(tài)學和生物學研究中日變溫對其生長發(fā)育、存活、繁殖和種群增長影響這一研究的空白。

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