西兰花-罗勒间作调控蚜虫种群动态的时空模型构建与实验验证

本研究通过室内实验与时空动力学模型相结合，系统揭示了罗勒挥发物对桃蚜（Myzus persicae）的驱避效应及种群调控机制。研究发现西兰花-罗勒间作（intercropping）可显著降低蚜虫内禀增长率（r<0），并通过反应-扩散模型（reaction-diffusion model）模拟发现高扩散系数（D=5 m2/day）与低自然死亡率（d=0.3）会增强驱避效果。该研究为农业害虫生态调控（IPM）提供了跨尺度理论支撑。

　　

1 引言

随着农业可持续发展需求的日益迫切，减少化学农药依赖已成为全球共识。间作（intercropping）作为一种生态调控策略，通过植物间化学信号介导的害虫驱避作用展现巨大潜力。芳香植物罗勒（Ocimum basilicum L.）释放的挥发性有机物（VOCs）可干扰蚜虫等害虫的寄主定位行为。本研究以西兰花（Brassica oleracea var. italica）-罗勒间作系统为对象，结合实验室行为实验与数学模型，揭示桃蚜（Myzus persicae Sulzer）种群时空动态的调控机制。

2 材料与方法

2.1 实验材料

实验在巴西圣保罗大学昆虫学系温室进行，使用商用育苗基地提供的西兰花和罗勒幼苗，栽培于2L（西兰花）与350mL（罗勒）容器中。桃蚜种群在20°C、70%相对湿度条件下用甘蓝叶片维持培养。

2.2 双选择实验

在直径15cm培养皿中设置等叶面积（3cm2）的两种处理：纯西兰花叶盘（br）与西兰花-罗勒混合叶盘（brba）。每皿中央接入10头无翅成蚜，24小时后记录蚜虫分布。卡方检验结果显示蚜虫显著偏好纯西兰花处理（p<0.01），回避率高达67%。

2.3 种群增长实验

在温室中设置西兰花单作与西兰花-罗勒间作处理，每株西兰花接种3头蚜虫。72小时后统计种群数量，并计算内禀增长率（r=ln(N_x+1/N_x)/t）。结果表明间作系统下蚜虫增长率降至负值（r=-0.16 day^-1），而单作系统维持正增长（r=0.31 day^-1）。

3 数学模型构建

3.1 种群动力学模型

建立包含两个植物种群（br, brba）和两个蚜虫种群（A₁, A₂）的常微分方程模型。植物动态遵循指数增长模型（dbr/dt=r_brbr-CbrA₁），蚜虫方程引入迁移项m(A₂-A₁)模拟斑块间扩散。参数校准显示当迁移率m=0.1时，系统可达到稳定平衡。

3.2 空间显式模型

构建一维（50m/100m域）和二维（50m×50m, 100m×100m）反应-扩散模型。蚜虫扩散通过拉普拉斯算子?²A=D(?²A/?x²+?²A/?y²)描述，空间步长设为10m。采用有限差分法离散化，使用R语言deSolve包求解。

4 模拟结果

4.1 非空间模型

无迁移（m=0）时，单作系统蚜虫种群持续增长，间作系统种群衰退。引入迁移后，蚜虫从高密度区（brba）向低密度区（br）扩散，最终系统出现周期性振荡并趋于稳定。

4.2 空间动力学

在二维模拟中，蚜虫初始聚集区域随扩散系数D值增大而快速均匀化。当D=5 m2/day时，间作系统的驱避效应使蚜虫在50天内聚集于单作区域边界。空间耦合作用显著缓解了局部种群爆发风险。

5 讨论与展望

本研究通过实验与模型的双向验证，阐明罗勒挥发物对桃蚜的驱避作用存在空间尺度效应。高扩散能力蚜虫虽可快速占领新栖息地，但同时也更易被间作系统的化学屏障所阻滞。该模型为设计作物空间配置方案提供了量化工具，未来可整合气候因子与天敌作用构建更完善的生态网络模型。