随着科学技术的高速发展, 在给社会经济带来不断发展的同时, 也带来了环境污染等一系列问题。同时植物病虫害与环境污染的关系也引起了植保学家及昆虫学家的注意, 进行了大量研究。已有研究证明松叶蜂的发生与污染有密切的关系。Heliövaara(1992)拟酸雨对欧洲新松叶蜂(Neodiprion sertifer)卵的孵化率的影响, 欧洲新松叶蜂是以卵串在欧洲赤松针叶上越冬的, 在4 ~ 5月的1个月时间内, 给卵串针叶喷洒模拟酸雨(由硫酸与硝酸1:1混合), pH值分别为2、3、4、5, 还有蒸馏水, 他们发现卵的孵化率随pH值降低而增加。Austara等(1987)不同pH值的模拟酸雨, 每次喷50 mL, 每年喷5次, 连续7 a对欧洲赤松上的欧洲新松叶蜂进行实验, 发现其成虫重量在pH值低(≤3)与pH值高(≥6)的处理上较轻。Neuvonen等(1990)制成pH值等于3、4、5的模拟酸雨, 对欧洲赤松上的欧洲新松叶蜂连续3 a夏天进行喷洒, 每周3次, 每次5 mL, 可是没有发现欧洲新松叶蜂平均相对增长率与对照的显著差异, 也没有发现茧重与对照的显著差异。Lyytikäinen等(1996)分析了赤松针叶的树脂酸和单帖松节油的含量在模拟臭氧环境与对照洁净环境下的变化, 也分析了以欧洲赤松针叶为食的新松叶蜂和吉松叶蜂种群在模拟臭氧环境与对照环境的变化, 得出结论:对流层臭氧浓度的升高对欧洲赤松和以它为食的新松叶蜂没有明显影响。Virtanen(1996)对松叶蜂(N. sertifer)种群动态的分析, 发现冷冬使松叶蜂卵死亡, 解释了种群波动模式33 %的方差, 他预言, 温室效应使冬天温度升高, 会增加芬兰东北部松叶蜂暴发的频率。Neuvonen(1990)在1985、1986年夏天, 用pH=3、pH =4的模拟酸雨(硫酸、硝酸混配)灌溉处理欧洲赤松, 以pH =6的天然水为对照, 在1987年用处理过的松针叶喂饲欧洲新松叶蜂, 喂饲前的针叶都用蒸馏水稀释的NsNPV病毒包涵体喷射过, 16 d以后, 发现pH =3灌溉处理的欧洲赤松针叶喂饲的叶蜂成活率(31 %)是对照组(10 %~ 15 %)的2倍, pH =4处理的与对照组没有统计学上的显著差异。他得到结论:模拟酸雨减小了欧洲新松叶蜂对核形多角体病毒的敏感性。当然, Neuvonen在通过另一实验解释这种结果时, 认为松叶蜂对病毒敏感性的变化是取道松针叶理化性质变化的, 酸雨对病毒粒子感染活性无明显的直接影响。Sailkkonen与Neuvonen(1993)后来又基本重复了这个实验, 结果稍有不同, 他们发现, pH =4的处理在初期与对照也有统计学上的显著差异。在解释这种敏感性变化时, 他们提出了多种不同见解, 尽管实验结果同前人野外观察有一定矛盾。Saikkone(1995)通过实验证实, 侵染欧洲新松叶蜂的NsNPV病毒存在于土壤、虫尸体或虫排泄物中时, 能保持连续几年的强大侵染活性, 而在松针叶上的NPV病毒由于受阳光紫外的杀伤, 只能有几个星期的活性, 如果阳光的紫外线增多, 势必加快NPV病毒活性的丧失, 减小了昆虫受病毒感染的机会, 可能导致害虫暴发; 当然, 大气污染引起植物非正常落叶, 增加进入林内的阳光紫外线, 同样会削减病毒对害虫的控制作用。

对于松叶蜂类害虫的暴发机制, 目前主要有4种理论的解释(Hanski, 1987):第一, 松叶蜂病毒引发种群波动; 第二, 卵期、幼虫期或茧期寄生天敌的变化; 第三, 植物抗性的改变; 第四, 茧期小哺乳动物的捕食调控叶蜂种群。总结起来无非是从松叶蜂天敌与寄主植物抗性两方面来作结论, 对靖远松叶蜂的研究仅开展了2 a, 天敌方面的数据还极为缺乏, 难以得出可靠的结论。寄主植物-油松的抗性变化值得重视, 因为松叶蜂幼虫的御敌液珠主要来源于寄主植物(Larson et al., 1993), 油松抗性的变化将引起一系列的链式反应。还值得一提的是, 天然油松林的昆虫本来应该与寄主和谐相处, 但现在靖远松叶蜂已对油松造成毁灭性打击, 必然有某种或某些人类干扰活动对油松林生态系统的破坏导致松叶蜂泛滥成灾。森林过去的化学防治历史是不可忽视的, 但这与从天敌角度研究无法分开, 还有哪些人类干扰活动可能破坏油松林生态系统的平衡呢?于是想到了工业大气污染, 山西省素有“煤海”之称, 沁源县的西部也蕴藏着大量的煤, 20世纪80年代以来, 原来工业几乎为零的沁源县的原煤开采, 特别是冶炼焦炭等工业企业蓬勃发展, 然而它们都是劳动力密集型企业, 技术含量极低, 生产工艺落后, 资源浪费和环境污染严重。原煤中都含有一定量的硫, SO₂是沁源县首要的大气污染物, 它是否对靖远松叶蜂的发生产生一定的影响?本文就这一问题进行了室内实验和野外调查研究。

1 材料和方法 1.1 室内实验

室内主要偏重于二氧化硫作用于食物-油松针叶而间接影响靖远松叶蜂幼虫的生长, 二氧化硫对靖远松叶蜂天敌的影响以及二氧化硫对靖远松叶蜂幼虫的直接影响暂时不予考虑。

1.1.1 二氧化硫污染的模拟

7700 mL的干燥器中加入1:5的稀硫酸(体积比, 浓硫酸浓度为98 %)300mL, 另外, 称取0.1 g亚硫酸钠(分析纯, 纯度97 %, 西安化学试剂厂), 用蒸馏水完全溶解后, 配制成50 mL的溶液, 用移液管取亚硫酸钠溶液若干mL, 从干燥器盖的缝隙中迅速加入到稀硫酸中, 完毕后, 马上盖好干燥器。亚硫酸钠溶液必须随配随用, 以防氧化。利用反应Na₂SO₃ +H₂SO₄ =Na₂SO₄ +H2SO₃使干燥器内产生微量的二氧化硫, 滴加不同量的亚硫酸钠溶液产生不同浓度的二氧化硫, 干燥器内二氧化硫的浓度可由范德华方程近似计算, 它与干燥器空间大小, 室内温度相关。

1.1.2 靖远松叶蜂幼虫平均相对生长率(MRGR)的生物测定

为了野外采集试虫的方便和减少称量误差, 依据靖远松叶蜂幼虫的人工饲养经验(尽量减少饲养中的幼虫死亡), 将靖远松叶蜂虫龄幼虫(4、5、6龄, 以虫体背线纹和大小辨认)作为生物测定对象, 试虫不能太小, 否则在饲养和操作过程中容易引起死亡, 亦不能用最末龄幼虫, 否则会在试验过程中结茧。实验步骤如下:

1) 野外大量采集靖远松叶蜂幼虫, 挑选龄期与大小适合的试虫, 用天平(精确到0.1 g)称取30头靖远松叶蜂试虫的体重, 记录为G₁mg, 30头试虫为一组装入饲养瓶中, 食料为野外采集的新鲜油松针叶(1, 2, 3 a生针叶都可饲养, 但每组实验用同龄针叶)。2)每天清理出靖远松叶蜂幼虫吃剩的针叶, 换上新鲜针叶, 清理残留针叶时, 叶蜂虫粪不予清出, 因为它也可作为一个生物测定指标。3)饲养5 ~ 7 d后, 取出饲养瓶中的靖远松叶蜂幼虫30头, 称量体重, 记录为G₂mg。饲养瓶中的虫粪也称其重, 平均排粪量记录为Mmg。4)计算平均相对生长率(吴坤君等, 1992)。MRGR =(lnG₂ -lnG₁)d, d为饲养天数, 取对数便于统计分析。另一生物测定指标可用mg体重排粪量表示, 计算公式为(M ×30)G₁。实际操作过程中, 由于30头试虫中可能有个别死亡或丢失, 在数据处理时, 应将G₁、G₂每头幼虫的平均体重进行修正。

1.1.3 二氧化硫污染与靖远松叶蜂生物测定的结合

将无二氧化硫污染区的新鲜油松针叶经二氧化硫熏蒸后, 饲喂给靖远松叶蜂幼虫, 以不经二氧化硫处理的针叶饲喂为对照, 比较其生长量的差异, 这是室内实验的基本思想。但是, 影响室内靖远松叶蜂幼虫生长的因素还有很多, 特别是油松针叶中的树脂酸, 国外对欧洲新松叶蜂(Neodiprion sertifer)的研究表明, 套笼幼虫(消除天敌的影响)的成活率与欧洲赤松(Pinus slyvestris)针叶中的树脂酸含量线性负相关(Lawsson et al., 1993)(R² =0.2, P =0.03)。因此, 在生物测定过程中应尽可能地减小因树脂酸含量不同而造成靖远松叶蜂平均相对生长率与对照的不同。采取的措施是:第一, 喂饲叶蜂幼虫时全部使用2 a生针叶, 这也是靖远松叶蜂最喜食的针叶; 第二, 每次饲喂时采集同一棵油松同一侧的针叶; 第三, 对照针叶与处理针叶均为同一2 a生小枝上的针叶。为了提高实验效率, 30头1组的靖远松叶蜂体重极相近的配成一对, 分别为处理和对照, 这一对喂食同一2 a年生小枝上的油松针叶, 它们便组成了成对样本。实验步骤如下:

1) 采集无工厂地区的1棵油松上的2 a生枝条(针叶生长良好, 枝条长20 cm以上)5枝。2)将5根枝条在1/2处剪断, 一端针叶作二氧化硫熏蒸处理, 另一端作对照食料。3)2个完全相同的干燥器中(7 700 mL)各装有300 mL浓度完全相同的稀硫酸(1:5), 在干燥器的瓷板上放入生长2 a生针叶的油松枝条, 特别注意2)中的枝条不要混乱, 成对的两根需做标记, 因为它们处在不同的干燥器中。4)一个干燥器中按1.1.1的方法加入5 mL亚硫酸钠溶液(浓度与1.1.1相同), 干燥器上贴好二氧化硫处理的标签。另一个对照干燥器中加入5 mL蒸馏水后, 立刻盖好。5)2个干燥器中的针叶经24 h后, 立即取出饲喂靖远松叶蜂, 进行生物测定的方法按1.1.2, 但必需注意用成对的针叶(二氧化硫处理和对照)饲养成对瓶中的叶蜂(体重相近), 这样5对针叶与5对饲养瓶中的叶蜂组成5个成对二样本(5个重复)。6)每天用处理好的针叶喂饲叶蜂, 并清理饲养瓶中的残留针叶, 同时从野外采集新鲜针叶进行处理, 5 ~ 7 d后按1.1.2的方法计算。饲养靖远松叶蜂幼虫的时间不宜过长, 如果在10 d以上, 那么在饲养和实验操作过程中很可能会因试虫死亡过多导致生测失败(死亡原因可能是由室内病原微生物和野外针叶携带的病原微生物引起)。饲养时间也不能太短, 如2 ~ 3 d, 它可能会因生长量太小而测量不出。7)增加亚硫酸钠的量(10 mL), 重复1)~ 7)。

1.2 野外实验 1.2.1 样地设置

非污染区(附近无工厂)样地设置在沁源县交口乡枣林村西北坡油松林内, 污染区样地设在沁源县王陶乡百草村西北坡油松林, 附近有3个不洗煤炼焦厂和大量小煤窑。

1.2.2 样地的比较指标

平均虫口密度采用平均有虫株率和地面平均叶蜂茧壳密度(包括已死亡的茧), 调查时间1998-09初, 此时靖远松叶蜂幼虫个体大, 食量大, 易发现。

1.2.3 靖远松叶蜂单雌产卵量和卵的孵化率

靖远松叶蜂雌成虫将卵集中产在邻近几枚或十几枚1 a生或2 a生针叶内, 一般1个雌虫仅在1处产卵, 依据这一特性, 8月间采集1处集中的产卵针叶, 计数每枚针叶的卵数, 相加所有产卵针叶的卵数, 便可得到某一雌虫的产卵量。用解剖针剖开每枚产卵针叶, 还可以知道哪些卵被寄生(有卵寄生蜂羽化孔或死亡的卵寄生蜂), 哪些卵因干旱或树脂抗性而死亡(干瘪为黄色或黑色), 从而可计算某个雌虫所产的卵的孵化率。

1.3 机理推测

采集污染区样地的油松针叶(1, 2, 3 a生)与非污染区样地的针叶, 油松树龄20 a左右, 两地立地条件相似, 采集时间相同, 随机取样5个以上, 比较针叶中全硫的含量, 全氮的含量。

1.3.1 全硫百分含量的测定

植物样品中的硫经硝酸-高氯酸硝化后, 生成硫酸根离子, 加氯化钡后, 用比浊法测定。具体步骤见文献(中国林业科学研究院分析中心, 1996a)。

1.3.2 全氮百分含量的测定

在催化剂作用下, 植物样品用硫酸消化, 氮转为硫酸铵, 用氢氧化钠碱化并蒸出氨, 经硼酸溶液吸收, 用标准酸滴定吸收的氨含量。具体步骤见文献(中国林业科学研究院分析中心, 1996b)。

2 结果和分析 2.1 二氧化硫污染对靖远松叶蜂生长的促进作用

按1.1.3的方法, 可以得到5个成对2样本的靖远松叶蜂中龄幼虫的平均相对生长率, 如表 1。

用成对二样本的方差分析得表 2。

从表 2可以看出, 靖远松叶蜂幼虫取食二氧化硫(日最高浓度255 μL·L^-1)熏蒸过的油松针叶后, 平均相对生长率比对照增加了17 %, 并且差异显著(P =0.017)。表 1的另一生测指标mg体重排粪量如表 3。

用表 2同样的方差分析方法分析表 3, 可知取食二氧化硫熏蒸后的针叶的幼虫mg体重排粪量比对照增重9 %, 并且差异显著(P =0.029)。这两个生测指标充分说明经一定浓度的SO₂污染后的油松针叶可促进靖远松叶蜂的生长, 从而有利于它暴发成灾。

2.2 高浓度的二氧化硫污染对靖远松叶蜂生长的抑制作用

按1.1.3的方法增大1倍二氧化硫的浓度, 即二氧化硫的浓度增加到日最高浓度为510 μL·L^-1, 得表 4。

对表 4进行成对二样本的t检验。得表 5。

表 4的另一生测指标(毫克体重排粪量)如表 6。

同样对表 6进行成对二样本的t检验得表 7。

从表 5和表 7可知靖远松叶蜂幼虫取食高浓度SO₂污染过的油松针叶后, 平均相对生长率比对照下降8.05 %, 而mg体重排粪量比对照有所上升, 但差异不显著。由此可见, 靖远松叶蜂幼虫取食高浓SO₂污染的针叶后, 生长可能会受到抑制, 但是, 在野外环境下, 二氧化硫浓度基本不会达到这样一个实验浓度, 510 μL·L^-1的二氧化硫浓度已相当于国家三级空气质量标准的1900倍。

2.3 SO₂污染区与非污染区靖远松叶蜂危害的比较

污染区和非污染区靖远松叶蜂平均有虫株率(图 1)和茧壳平均密度(图 2)的调查结果表明污染区的虫口密度明显大于非污染区。

污染区和非污染区靖远松叶蜂单雌产卵量和幼虫孵化率见表 8。

从表 8可知, 在二氧化硫污染区靖远松叶蜂单雌产卵量显著小于非污染区, 这与室内生物测定的结果(靖远松叶蜂取食一定浓度二氧化硫污染的针叶后, 平均相对生长量增加)似乎矛盾, 因为MRGR增加雌虫抱卵量也应该增加, 这一结果有两种可能, 第一, 靖远松叶蜂雌虫可能增加了腹内遗卵量, 而实际的抱卵量并没有比污染区低。第二, 在污染区的虫口密度大, 油松受害严重, 靖远松叶蜂以小的产卵量来适应食物不足这一环境胁迫。污染区与非污染区靖远松叶蜂卵的孵化率并没有显著的差异。

2.4 一定浓度的二氧化硫污染对靖远松叶蜂生长促进作用的机理分析

靖远松叶蜂取食一定浓度二氧化硫污染的油松针叶后为什么平均相对生长率比对照显著地增加呢?这可从几方面来分析。第一, 油松针叶在光合作用过程中受中低浓度的二氧化硫污染后会加快呼吸作用, 增加可溶性糖类的含量。第二, 油松针叶吸收二氧化硫后会抑制油松中次生物质代谢, 如树脂酸类物质的合成, 从而导致松叶蜂食物中抑制生长的物质减少而加快生长。第三, 野外针叶上可能有靖远松叶蜂的病原微生物, 而二氧化硫抑制了这些病原微生物的活性, 从而导致靖远松叶蜂取食量增加, 排粪量增加。表 9是污染区与非污染区油松针叶的全硫含量。

由表 9可知, 针叶全硫含量在污染区显著大于非污染区, 油松在生长季节内, 针叶全硫含量与大气二氧化硫含量线性呈正相关(蒋高明, 1995), 这充分说明了实验选择的污染区是可靠的。针叶全氮的含量见图 3。

从图 3可以看出, 污染区针叶的全氮含量小于非污染区, 这很可能是二氧化硫污染干扰了油松对氮的吸收, 一定浓度的二氧化硫可以增加原生质膜的通透性, 影响膜内外水份及其它物质的交换, 引起离子平均失调; 一定浓度的二氧化硫可以使叶绿素变为脱镁叶绿素, 削弱了光合作用, 另外, 二氧化硫可以影响植物生化反应中的各种酶系, 特别是抑制过氧化氢酶的活性, 使细胞器内积累过氧化物与羟基自由基, 对蛋白质和脂膜大分子产生伤害(刘祖祺等, 1994), 从而影响对氮的吸收, 靖远松叶蜂幼虫为了获取多量的营养氮素, 必须加快对针叶的取食, 因为食料中氮的含量与昆虫的繁殖力密切相关。

3 讨论和结语

在中低浓度二氧化硫污染下的油松针叶有利于靖远松叶蜂的生长, 因此, 二氧化硫污染可以促进靖远松叶蜂暴发成灾, 当然, 促进的程度与二氧化硫污染的浓度相关, 过高浓度的二氧化硫污染可能抑制靖远松叶蜂的生长。

在室内实验中, 二氧化硫污染的浓度还应多做几个梯度, 从而找出二氧化硫污染浓度与靖远松叶蜂平均相对生长率的关系。另外, 喂饲的针叶还可以选用当年生针叶和3 a生针叶, 它们是否与2 a生针叶有相似的结果。

室内实验中, 由于实验条件的简陋, 二氧化硫的浓度是计算得到的, 计算中假定了亚硫酸钠完全与硫酸反应, 这种假定有一定的合理性, 因为干燥器中的二氧化硫可以不断地被油松针叶吸收, 从而使化学平衡向正反应方向移动。当然, 干燥器中的二氧化硫不可能达到计算的最高浓度, 255 μL·L^-1的二氧化硫浓度大概相当于我国三级空气质量标准的950倍(0.7 mg·m^-3)。

在室内实验中要注意实验设计的技巧, 如2.1的实验, 如果不组成成对二样本, 而按普通二样本的方差分析(t检验)方法分析表 1中同样的数据, 如果是t统计 < t_0.1, 即平均相对生长率与对照差异不显著。按体重相近且取食同一2 a生油松枝针叶的靖远松叶蜂样本成对, 消除了体重与针叶质量的误差, 突出了二氧化硫处理的效果, 提高了实验效率(贾乃光, 1993)。

中低浓度的二氧化硫污染促进了靖远松叶蜂的生长, 那么能够说沁源县靖远松叶蜂暴发成灾的原因是当地的二氧化硫污染吗?目前的证据是不足的, 在沁源县的西北部地区二氧化硫污染严重, 靖远松叶蜂虫口密度大, 危害严重; 在相对清洁的东南和西北地区, 靖远松叶蜂虫口密度小, 为害轻, 这是感性证据。但是, 1993年暴发的重灾区———沁源县景凤乡(处于沁源县北部, 目前已有大量油松死亡)是落后的无工业区, 其上风向是高山, 外地污染源基本不可能进入, 这是无法用二氧化硫污染解释的。所以污染只是其中的原因之一。

灵空山地处沁源县西南部, 是油松生长良好且集中的地区, 用人工合成性诱剂引诱到了靖远松叶蜂(原认为是无虫区), 到目前为止, 靖远松叶蜂虫口密度极小, 但该地区也盛产原煤, 有不少炼焦工厂的存在, 如何解释这一现象的存在呢?据沁源县环保局的同志介绍, 该县西北部(王陶乡, 聪子峪乡)产煤区是高硫煤(动力煤, 含硫量在5 %左右), 而西南部(灵空山地区, 柏子镇)产煤区是低硫煤(主焦煤, 含硫量在2 %以下)。因此, 西南地区的二氧化硫污染显著轻于西北地区。

大气污染对植食昆虫的影响是20世纪80年代以来的新型研究热点, 大多数蚜虫和蚧壳虫对受污染(二氧化硫、氮氧化物、臭氧和酸雨)的植物寄主有更强的趋性(Riemmer et al., 1989; 谢映平, 1998), 这早已被人们发现, 一定浓度的二氧化硫污染对靖远松叶蜂生长的促进作用很可能与靖远松叶蜂的某些生物学习性相关, 如群集性和惰性。

一定浓度的二氧化硫污染对靖远松叶蜂生长的促进作用与高浓度的二氧化硫对靖远松叶蜂生长的抑制作用的机理还远未明了, 污染与其它环境因子的关系及其对靖远松叶蜂的综合作用等, 都有待于进一步研究。