气候变暖与CO2升高交互作用下三营养级农业生态系统中作物表现与害虫生物控制的响应机制

《Scientific Reports》：Understanding crop performance and pest control under climate change requires considering interactions among warming, elevated CO2, and trophic interactions

本研究针对当前气候变暖与CO2浓度升高背景下，多环境胁迫因子与营养级互作对农业生态系统影响的复杂性，通过设计温度（对照/+2°C/+4°C）、CO2（环境/升高）与营养处理（大豆/大豆-蚜虫/大豆-蚜虫-瓢虫）的三因素交互实验，系统评估了三营养级系统（大豆-大豆蚜虫-七星瓢虫）中作物生长、防御、繁殖及害虫防控效果。结果表明，非生物因子（温度、CO2）与生物因子（营养级互作）之间存在显著交互作用，多数作物、害虫与天敌性状受其共同调控，且常与现有单一因子假设相悖。例如，高温与高CO2削弱了瓢虫对蚜虫的生物控制效果，表明未来气候情景可能影响生物防治的稳定性。该研究强调在气候变化评估与农业管理中须统筹考虑非生物-生物互作机制，为区域粮食安全预测与可持续农业策略提供关键科学依据。

　　

在全球气候变化的背景下，高温和大气CO₂浓度持续上升已成为影响农业生态系统稳定性和作物生产的关键环境压力。尽管已有大量研究分别探讨了温度升高或CO₂增加对作物、害虫及其天敌的单一影响，但在真实环境中，这些因子常同时作用，并与物种间相互作用（如植食性取食、捕食关系）交织在一起，形成更为复杂的响应网络。忽略这些交互效应，可能导致现有基于单因子实验的预测模型在实际应用中失效，进而影响我们对未来粮食安全、害虫发生趋势以及生物防治效果的准确判断。

为此，由孙璇钧、李欣怡等研究人员在《Scientific Reports》上发表的研究，通过构建一个包含大豆（Glycine max）、大豆蚜虫（Aphis glycines）与七星瓢虫（Coccinella septempunctata）的三营养级实验系统，系统探索了温度（控制温度、+2°C、+4°C）、CO₂（环境浓度与升高浓度）与营养结构（是否存在蚜虫与瓢虫）三者间的交互效应。研究结果显示，作物养分含量（C/N比）、防御物质（酚类含量）、繁殖输出（种子数量）以及害虫种群动态均受到“非生物-生物”互作的显著调控，且这些响应往往偏离了现有理论的预期。这一发现提示，在气候变化的生态影响评估中，必须将多因子协同作用与营养级关联纳入考量，从而提高预测的准确性与区域农业管理的针对性。

在方法层面，作者采用多因子实验设计，通过环境生长箱精确控制温度与CO₂条件，并结合化学分析（如碳氮比测定、酚类物质含量检测）与生物统计模型，系统评估了植物生长指标、蚜虫种群时序动态以及瓢虫体重变化等关键参数，从而揭示多因子互作对系统水平过程的影响。

植物生长

研究发现，温度是影响大豆生物量的关键因子，+2°C与+4°C升温均导致植株生物量下降。虽然CO₂处理或营养处理单独对生物量无显著影响，但植物C/N比的变化受到温度与营养处理的交互作用调控：在瓢虫存在情况下，升温（特别是+4°C）会显著降低C/N比，即提高植物对植食者的营养质量。

植物防御

叶片酚类含量作为植物防御指标，受到温度、CO₂与营养处理的三阶交互影响。在环境CO₂下，蚜虫取食可诱导酚类含量上升，符合诱导防御理论；但在高CO₂条件下，该诱导效应仅在+2°C升温下出现，在对照温度与+4°C下消失。这表明气候因子改变了植物对植食者的化学响应模式，单一假设（如碳-养分平衡假说）难以准确预测实际情景中的防御策略。

植物繁殖成功

种子数量受到温度、CO₂与营养处理的显著交互影响。在无蚜虫处理中，+2°C升温在环境CO₂下降低种子数，但在高CO₂下无影响。蚜虫取食普遍降低种子数，而瓢虫的引入可在多数情况下恢复种子产量，形成正营养级联效应。然而，这一恢复效应在高温（+4°C）与高CO₂共同作用下被削弱，说明未来气候情境可能削弱天敌的生态调节功能。

蚜虫种群时序动态

瓢虫对蚜虫的捕食作用受到温度与CO₂的共同调控。在环境CO₂下，升温使瓢虫对蚜虫的抑制提前且增强；但在高CO₂下，升温削弱了瓢虫的控害效果。作者提出假设认为，高CO₂可能通过增加大豆表皮毛密度，为蚜虫提供物理避难所，从而削弱捕食效率。

瓢虫体重变化

瓢虫体重变化受到温度与CO₂交互影响。在环境CO₂下，+4°C升温导致瓢虫体重下降，符合“代谢失衡导致饥饿”的假说；但在高CO₂下，同等升温反而使瓢虫体重增加，说明捕食者的能量收支不仅受温度影响，也与猎物可获得性密切相关。

综合上述结果，本研究指出，非生物因子（温度、CO₂）与生物因子（营养级互作）之间的交互作用是调控农业生态系统响应气候变化的核心机制。现有基于单因子或双营养级系统的理论假设（如碳-养分平衡假说、变暖导致害虫损失线性增加、捕食者代谢饥饿假说等）在引入多因子互作后常失去预测力。因此，在气候变化影响评估与农业害虫综合治理（IPM）策略制定中，必须整合多环境压力与物种互作网络，开展基于区域作物-害虫-天敌系统的实证研究，同时关注物种的可塑性响应与长期适应演化，以提升粮食安全预测的准确性与农业生态系统的可持续性。