评估作物中节肢动物的丰度对于研究种群动态和物种相互作用至关重要。本文介绍了对叶片吹吸机进行改造并将其应用于水稻田节肢动物的吸捕取样方法。
本文内容
摘要
摘要
稻田中栖息着种类繁多的节肢动物，但研究其种群动态和相互关系具有挑战性。本文描述了一种经改良并用于稻田节肢动物种群吸捕取样的手持式吹叶机真空装置。当该取样装置与围栏结合使用时，可提供单位标准化取样面积内节肢动物数量的绝对种群估计值。取样效率在很大程度上取决于取样时间。在成熟的水稻作物中，在0.13 m2的围栏区域内进行两分钟取样，即可捕获超过90%的节肢动物种群。该装置还可用于采集稻田水体表面或土壤中的节肢动物，但不适用于取样快速飞行的昆虫，例如捕食性的蜻蜓目昆虫或较大的膜翅目寄生蜂。经改良的吹叶机真空装置结构简单，成本更低，操作更便捷，优于传统的吸捕取样设备（如D-vac）。其低成本特性也使得发展中国家的研究人员能够获得并使用该装置。
引言
为了开展关于种群动态和物种相互作用的生态学研究，包括生物防治研究，需要对作物中植食性和捕食性节肢动物的丰度和多样性进行重复评估。水稻是一种重要的主粮作物，其节肢动物天敌具有较高的生物防治潜力1,2，但这种潜力可能因杀虫剂的使用而受到破坏3。水稻田中的节肢动物多样性可能很高，不同物种占据作物的不同层次（例如，地面层、茎秆层、冠层、花部），在移动方式（例如，爬行、跳跃、飞行）和觅食策略上也存在差异（例如，静止刺吸式昆虫、游猎型捕食者以及访花传粉者）4。
节肢动物采样技术种类繁多，每种方法都有其优势与局限性。例如，陷阱法可用于采集地面栖息的节肢动物，但所得结果为依赖活动性的相对种群估计值5,6。扫网法可用于采集树冠层中快速飞行的昆虫7-9，但仅能提供节肢动物相对多度的估计。击落法可用于采集植物栖息的节肢动物群落，并能提供节肢动物数量的绝对估计值，但在淹水的农田（如水稻田）中无法有效应用10。
在田间覆盖标准化面积的围栏内进行吸虫取样，可对植物栖息节肢动物的密度进行绝对估算。该方法也可用于淹水水稻田。样品可保存以供后续处理和鉴定。Dietrick真空吸虫器（D-vac）11 是第一种 commercially 开发的吸虫取样器。尽管D-vac至今仍被广泛使用12-14，但其相对昂贵、吸力有限15，且重量较大，导致在淹水水稻田中操作困难16。Arida 和 Heong 16 开发了一种使用汽油驱动的吹吸两用机改装的吸虫取样器，该原型随后由 Domingo 和 Schoenly 17 进一步改进。与D-vac相比，吹吸两用机式吸虫取样器的优势在于成本显著降低，且更易于操作。
尽管吹吸式真空采样法已应用于许多生态学研究中18-23，但其改进与应用方法尚未被清晰描述。本文提供了一段基于视频的详细说明，介绍如何改装并应用汽油动力树叶吹吸机，用于在淹水稻田中对节肢动物种群进行吸捕采样。本方法的改进灵感来源于 Arida 和 Heong 16 以及 Domingo 和 Schoenly 17，但相较于原始文献中的设计进一步简化，更便于制作和使用。
方案
1. 叶片吹吸机改装用于吸力采样
- 收集材料清单中列出的所有部件。
- 使用未增塑聚氯乙烯（U-PVC）胶水连接所有聚氯乙烯（PVC）管（管道 1-2-3-4-5 和 6-7）。
- 在设备吸气口周围均匀钻三个孔。
- 将每个螺钉插入三个孔中，将设备连接到 PVC 管 1-5 的端口 1。请勿使用胶水将管端 1 与设备连接，因为该连接需要可逆，以便清洁风扇。
注意：如果设备吸气口的直径与本文所述型号不同，则应调整管端 1 的直径，使其与设备无缝匹配。 - 在管端 5 和 6 上各缠绕两层螺纹密封胶带。
- 将金属纱网置于软管与接口部分（PVC 管 6 和 7）之间，以防止采样网被吸入设备。所用金属纱网的网孔直径应在 0.5 mm 至 0.5 cm 之间。
- 使用金属卡箍将软管连接至管端 5 和 6。
2. 准备采样室
- 从一个塑料桶（50 L，底部直径40 cm）上移除底部。该尺寸的围栏可覆盖田间2-4株水稻植株 移栽稻田，依据作物生育期而定24.
- 使用橡皮筋将长度为1米的尼龙网套固定在桶的顶部。网套的孔径应足够小，以防止最小的目标节肢动物逃逸，建议使用直径小于0.5 mm的网孔。
3. 改良型吹叶机-真空吸尘器在野外采样中的应用
- 在田间操作设备时需两人配合。一人操作吹吸式采样机，另一人负责操作采样罩和采样网。
- 启动机器。
- 将一个采样网插入吹吸式采样机的进风口，并用橡皮筋固定。采样网的网孔大小应足以捕获最小的目标节肢动物，同时不会造成明显的气流阻力。建议使用轻质尼龙材料，网孔直径在0.2–0.5 mm之间。
- 在田间随机选择位置，迅速将采样罩罩住植株，并将桶底牢固压入土壤中。确保袖口封闭，防止节肢动物从采样罩顶部逃逸。
- 以自上而下螺旋方式清除采样罩内所有节肢动物，采样时间应标准化。对于处于营养生长期和生殖生长期的水稻，采样时间分别采用1分钟和2分钟。
- 完成采样后，在机器持续运行的情况下，取下采样网上的橡皮筋，迅速收拢网口并从吹吸式采样机进风口取出，用绳结封口。
- 在田间随机位置重复步骤3.2至3.5进行后续采样。重复次数取决于田间节肢动物空间分布的变异性、所需估计精度以及研究目的。通常，进行六次重复即可较好地反映节肢动物群落结构及物种多度。
结果
2015年9月，在中国江西省处于成熟期的水稻田中，通过8次每次3分钟的吹吸式采集法共采集到295只节肢动物。为确定相对捕获量（样本中采集到的节肢动物所占比例）与采样时间之间的关系，将每次3分钟的样本进一步分为6个30秒的子样本。每次样本平均捕获个体数为36.9 ± 4.1（均值 ± 标准误）。共发现8个节肢动物目，其中半翅目（28.8%）、蜘蛛目（27.5%）和双翅目（17.6%）占优势（图1）。以3分钟总捕获数量为基准，相对捕获量在30秒、2分钟和2.5分钟时分别为52.9% ± 5.1、92.4% ± 1.9 和97.3% ± 0.9（图2）。
图1. 中国江西省南昌市郊区节肢动物样本的物种组成（目级水平）。 使用吹吸式采集器对八个样本进行采集，每个样本采集三分钟。误差线表示平均值的标准误。请点击此处查看此图的放大版本。
图 2. 累积相对产量随总采样时间的变化，基于每次30秒的子样本数据。 三分钟采样时间内采集到的节肢动物总数设定为100%。最后一次吹吸式采样后，经目视检查未发现任何节肢动物。误差线表示八次三分钟采样重复的平均值标准误。请点击此处查看该图的放大版本。
讨论
吸吮取样是采集作物中节肢动物群落的多种可能方法之一。在水稻系统科学研究中，吸吮取样是一种合适的方法，因为它可提供节肢动物密度的绝对估计值，具有非破坏性，并且与目视计数相比，能够采集和保存样本以供后续处理。与 commercially available 的 D-vac 相比，吹吸式取样器（blower-vac）体积更小、重量更轻，在（淹水的）水稻田中更易于操作，也更容易与围栏装置结合使用。例如，一台吹吸式取样器重量约为 6 kg，而被作为昆虫取样国际标准的背负式 D-vac 型号重量为 12 kg11更重要的是，吹吸式采样器的采样效率高于D-vac采样器16,17，而吹吸式鼓风机的成本较低。将吹吸式鼓风机改装为吸气采样器无需特殊技能或设备，且在收集完所有附加部件后，改装过程耗时不到一小时。本文所述的吹吸式鼓风机相较于以往文献中描述的版本更易于构建和操作16,17，以及所需的部件（表1是标准的建筑材料，广泛可得，这使得吹吸式装置对于发展中国家预算有限的研究人员而言也易于获取。
发动机的功率和排量决定了吹吸式采样器的吸力。我们建议使用功率在0.7-1.2 kW、排量在25-35 cc之间的设备，这足以用于采集水稻植株上栖息的节肢动物群落。柔性塑料软管的长度以及吸口部件（管道7）的直径对采样效果至关重要。软管过长会降低吸力，而过短则在采样过程中使用不便。同样，吸口直径过大也会减弱吸力，而直径过小则因采样表面积不足而降低采样效率。采样效率在很大程度上取决于采样时间。若在整个生长季持续进行采样，可能需要根据植株大小、结构和种植密度调整采样时间，以保持相近的采样效率。采样后应仔细目视检查所覆盖区域，以评估采样效率。若仍发现有节肢动物残留，则必须延长采样时间。建议水稻在营养生长期的采样时间为1分钟 ，在生殖期和成熟期的采样时间为2分钟。
使用吹吸式采样器（blower-vac）可在淹水田块中进行吸捕采样，而其他方法（如陷阱法和振落法）在有积水的环境中则不可行。吹吸式采样器还可用于采集淹水稻田水面的节肢动物群落（例如，捕食性水生昆虫），因为该设备能够吸入少量水分。然而，不建议将其用于采集水生节肢动物，因为当采样口深入水中导致气流受阻时，电机可能停止运转。除水稻外，只要植被的高度和结构允许正确放置采样罩，吹吸式采样器也可应用于其他作物及非作物生境25。
我们的吹吸式真空采样方法是非破坏性的。采样网中收集到的几乎所有节肢动物都存活了下来，包括蚊子和豆娘等身体柔软的种类。然而，该方法的应用也存在一些局限性和缺点。吹吸式真空设备需要两人操作。在野外携带该设备会造成一定程度的干扰，因此该方法可能会低估对干扰敏感的物种，例如蝗虫。通过在移动方向前方相对未受干扰的区域迅速而突然地设置围隔，可在一定程度上减少这种潜在偏差。吹吸式真空设备产生的较大噪音也可能造成干扰，因此不建议在居民区夜间进行采样。该方法不适合采集高度活跃的飞行昆虫，例如捕食性蜻蜓目昆虫或较大的膜翅目寄生蜂。与任何采样方法一样，将吹吸式真空法与其他方法结合使用，例如扫网采样或植物破坏性采集，可更全面、更均衡地评估节肢动物群落26。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究得到了荷兰科学研究组织地球与生命科学学部（资助号 833.13.004）、江西省高校科技落地计划项目（KJLD14030）以及江西省青年科学家培养计划（井冈之星 20153BCB23014）的经费支持。感谢傅道盟、李志刚和黄小龙在影片制作过程中提供的帮助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 仪器 | |||
| 吹吸叶机 | 我们使用的是意大利制造的 Oleo-Mac BV300 | 功率：1.0 kW，排量：30.5 cc，最大风量：720 m³/hr，最大风速：70 m/sec，重量：4.5 kg，吸入口直径：113 mm | 市面上有多种不同品牌和型号可供选择。若需达到相近性能，其功率和风速等参数应与本文所列规格相似。 |
| 改装所需附加部件 | |||
| PVC 管 1 | 连接机器端的外径 ø：112 mm，连接 PVC 管 2 端的内径 ø：110 mm | 此为一段 ø 110 mm PVC 管的管盖 | |
| PVC 管 2 | 外径 ø：110 mm，长度：10 cm | 标准外径 ø 110 mm 的 PVC 管；用于连接 PVC 管 1 和 PVC 管 3 | |
| PVC 管 3 | 大端内径 ø：110 mm，小端内径 ø：50 mm | PVC ø 110 mm 转 ø 50 mm 的变径接头 | |
| PVC 管 4 | 外径 ø：50 mm，长度：5 cm | 标准 ø 50 mm 的 PVC 管；用于连接 PVC 管 3 和 PVC 管 5 | |
| PVC 管 5 | 内径 ø：50 mm 和 32 mm，小段外径 ø：38 mm | PVC ø 50 mm 转 ø 32 mm 的变径接头 | |
| 软管 | 外径 ø：40 mm | 带金属丝增强的柔性塑料软管 | |
| 金属网 | 网孔直径 ø：1 mm，直径 ø：60 mm | 防止采样网被吸入机器内部 | |
| PVC 管 6 | 小端外径 ø：38 mm，大端内径 ø：63 mm | PVC ø 32 mm 转 ø 63 mm 的变径接头 | |
| PVC 管 7 | 外径 ø：63 mm，长度：25 cm | 标准外径 ø 63 mm 的 PVC 管 | |
| U-PVC 胶水 | U-PVC 胶水；用于粘接 PVC 部件 | ||
| 金属卡箍（2 个） | 可调节范围 ø 35 mm - 51 mm | 用于连接软管与 PVC 管 | |
| 生料带 | 宽度：18 mm | 密封软管与 PVC 管的连接处 | |
| 螺丝（3 个） | 长度：25 mm | 用于将 PVC 管 1 固定在机器的吸入口 | |
| 采样网与围罩 | |||
| 采样网 | 网孔直径 ø：0.3 mm，口部宽度：10 cm，高度：30 cm | 采样网呈圆锥形。 | |
| 桶 | 底部直径 ø：40 cm，容积：50 L | 将底部切除 | |
| 尼龙套筒 | 网孔直径 ø：0.3 mm，长度：1 m | 用作桶的覆盖围罩 |
参考文献
- Dale, D. Biology and management of rice insects. Heinrichs, E. A. , Wiley Estern Ltd & New Age International Ltd. London, UK. (1994).
- Settle, W. H., et al. Managing tropical rice pests through conservation of generalist natural enemies and alternative prey. Ecology. 77 (7), 1975-1988 (1996).
- Heong, K. L., Schoenly, K. G. Ecotoxicology. Haskell, P. T., McEwen, P. , Springer. US. 381-403 (1998).
- Schellhorn, N. A., Bianchi, F., Hsu, C. L. Movement of entomophagous arthropods in agricultural landscapes: links to pest suppression. Annu Rev Entomol. 59, 559-581 (2014).
- Zou, Y., Feng, J., Xue, D., Sang, W., Axmacher, J. C. A comparison of terrestrial arthropod sampling methods. J Resour Ecol. 3 (2), 174-182 (2012).
- Saska, P., et al. Temperature effects on pitfall catches of epigeal arthropods: a model and method for bias correction. J Appl Ecol. 50 (1), 181-189 (2013).
- Vander Werf, W., Evans, E. W., Powell, J. Measuring and modelling the dispersal of Coccinella septempunctata (Coleoptera : Coccinellidae) in alfalfa fields. Eur J Entomol. 97 (4), 487-493 (2000).
- Rashid, T., Johnson, D. T., Bernhardt, J. L. Sampling rice stink bug (Hemiptera : Pentatomidae) in and around rice fields. Environ Entomol. 35 (1), 102-111 (2006).
- Sarwshri, G. Aboveground arthropod pest and predator diversity in irrigated rice (Oryza sativa L.) production systems of the Philippines. J Trop Agr. 45 (1/2), 1-8 (2007).
- Wade, M. R., et al. Temporal variation in arthropod sampling effectiveness: the case for using the beat sheet method in cotton. Entomol Exp Appl. 120 (2), 139-153 (2006).
- Dietrick, E. J. An Improved Backpack Motor Fan for Suction Sampling of Insect Populations. J Econ Entomol. 54 (2), 394-395 (1961).
- Munyaneza, J. E., Crosslin, J. M., Upton, J. E., Buchman, J. L. Incidence of the beet leafhopper-transmitted virescence agent phytoplasma in local populations of the beet leaf hopper, Circulifer tenellus, in Washington State. J Insect Sci. 10 (1), 1-10 (2010).
- Finke, D. L., Denno, R. F. Intra-guild predation relaxes natural enemy impacts on herbivore populations. Ecol Entomol. 28 (1), 67-73 (2003).
- Koss, A. M., Snyder, W. E. Alternative prey disrupt biocontrol by a guild of generalist predators. Biol Control. 32 (2), 243-251 (2005).
- Elliott, N. C., et al. D-vac sampling for predatory arthropods in winter wheat. Biol Control. 38 (3), 325-330 (2006).
- Arida, G., Heong, K. Blower-Vac: a new suction apparatus for sampling rice arthropods. Int. Rice Res. New. 17, 30-31 (1992).
- Domingo, I., Schoenly, K. An improved suction apparatus for sampling invertebrate communities in flooded rice. Int. Rice Res. New. 23 (2), 38-39 (2012).
- Moorman, C. E., Plush, C. J., Orr, D. B., Reberg-Horton, C. Beneficial Insect Borders Provide Northern Bobwhite Brood Habitat. PLoS ONE. 8 (12), e83815(2013).
- Bambaradeniya, C. N. B., et al. Biodiversity associated with an irrigated rice agro-ecosystem in Sri Lanka. Biodivers Conserv. 13 (9), 1715-1753 (2004).
- Whitehouse, M. E. A., Wilson, L. J., Fitt, G. P. A comparison of arthropod communities in transgenic Bt and conventional cotton in Australia. Environ Entomol. 34 (5), 1224-1241 (2005).
- Schoenly, K. G., et al. Fallowing did not disrupt invertebrate fauna in Philippine low-pesticide irrigated rice fields. J Appl Ecol. 47 (3), 593-602 (2010).
- de Kraker, J., van Huis, A., van Lenteren, J. C., Heong, K. L., Rabbinge, R. Identity and relative importance of egg predators of rice leaffolders (Lepidoptera : Pyralidae). Biol Control. 19 (3), 215-222 (2000).
- Hu, Y., et al. A comparative study on population development patterns of Sogatella furcifera between tropical and subtropical areas. J Asia-Pacif Entomol. 17 (4), 845-851 (2014).
- Schoenly, K. G., Domingo, I. T., Barrion, A. T. Determining optimal quadrat sizes for invertebrate communities in agrobiodiversity studies: A case study from tropical irrigated rice. Env Entomol. 32 (5), 929-938 (2003).
- Marcos, T., et al. Exploiting Biodiversity for Sustainable Pest Management. Mew, T. W., Borromeo, E., Hardy, B. , 23-24 (2001).
- Kraker, dJ., Huis, vA., Heong, K. L., Lenteren, vJ. C., Rabbinge, R. Population dynamics of rice leaffolders (Lepidoptera: Pyralidae) and their natural enemies in irrigated rice in the Philippines. Bull Entomol Res. 89 (5), 411-421 (1999).
重印与许可
标签
