草地放牧率影响蝗虫的营养结构及其食物多样性

《Global Pediatrics》：Grassland Stocking Rate Influences Grasshopper Trophic Structure and Diet Diversity

草原蝗虫生态位响应放牧率变化研究：基于稳定同位素与DNA测序的食性分析显示，中重度放牧使Oedaleus asiaticus和Myrmeleotettix palpalis通过生态位拓宽维持种群增长，而Calliptamus abbreviatus因依赖特定高质植物而衰退。δ13C和δ15N值揭示蝗虫营养级及食源结构受植物群落多样性和生物量显著调控。研究为半干旱草原可持续放牧管理提供理论依据。

　　### 草原生态系统中的蝗虫与放牧强度的关系研究

草原生态系统作为全球重要的自然生态系统之一，不仅具有丰富的生物多样性，还承担着多种关键的生态服务功能，包括碳固定、土壤稳定和水循环等。近年来，随着人口增长和农业扩张，草原生态系统正面临前所未有的压力。放牧作为草原地区的主要土地利用方式之一，对植物群落结构、资源分布以及生态系统内的食物链动态产生深远影响。特别是在放牧强度变化的情况下，草原上的昆虫群落，尤其是以草食性为主的蝗虫，其生存状况和生态功能可能会发生显著变化。

蝗虫在草原生态系统中占据着重要的生态位，它们不仅是初级消费者，还通过摄食植物、分解有机物和为捕食者提供食物等方式参与能量流动和物质循环。然而，目前关于放牧强度如何具体影响蝗虫的营养结构和食物选择的研究仍较为有限。特别是，放牧如何改变植物群落的组成和资源可用性，从而影响蝗虫的生态位宽度和食物多样性，仍然是一个值得深入探讨的问题。此外，不同蝗虫种类对放牧变化的响应可能存在显著差异，这些差异可能与它们的生态适应能力、食物偏好以及对环境变化的敏感性有关。

本研究聚焦于内蒙古荒漠草原这一典型草原生态系统，通过实地实验和多种分析手段，系统探讨了不同放牧强度对三种主要蝗虫种类的生态位宽度和食物资源的影响。实验设置包括无放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧四种处理方式，每种处理重复三次，形成12个实验小区。通过稳定同位素分析（δ13C和δ1?N）以及高通量DNA条形码技术，研究团队不仅能够评估蝗虫的营养状态和食物来源，还能够揭示它们在放牧压力下的食物选择变化。这些技术的应用为理解草原生态系统中昆虫群落的生态功能提供了新的视角。

### 研究方法与实验设计

本研究的实验区域位于内蒙古自治区苏尼特右旗的农业与畜牧业综合实验示范中心，该地区具有典型的荒漠草原生态系统特征。实验区的平均海拔约为1450米，年均气温较低，约为3.6°C，且年降水量较少，仅约220毫米，主要集中在夏季。植被覆盖度在实验期间约为15%，显示出该地区较为脆弱的生态环境。在这一背景下，研究团队实施了长期的放牧实验，从2004年开始，每年6月至10月进行放牧，以模拟不同放牧强度对草原生态系统的影响。

实验采用了四种放牧强度处理：无放牧（CK）、轻度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG）。每种处理方式在实验区中随机设置三个重复小区，总计形成12个实验小区。每个小区的面积约为44,000平方米，相邻小区之间通过1.5米高的金属网围栏隔离，以防止放牧动物在不同小区之间移动。在2022年8月，研究团队在每个小区内进行了两次草蝗采样，分别在中旬和下旬进行。采样方法采用扫网法，每小区内沿直线进行100次连续扫网，每次扫网使用直径为40厘米的网具。为了确保数据的代表性，采样时保持至少10米的缓冲距离，并在相邻小区之间设置至少20米的缓冲区，避免在缓冲区内进行采样。

通过稳定同位素分析和DNA条形码技术，研究团队获取了三种主要草蝗（*Oedaleus asiaticus*、*Myrmeleotettix palpalis* 和 *Calliptamus abbreviatus*）的营养结构和食物来源数据。稳定同位素分析通过测定草蝗体内碳和氮的同位素比值（δ13C和δ1?N），揭示了它们的营养状态和在食物链中的位置。DNA条形码技术则用于分析草蝗肠道内容物中的植物DNA，从而识别其食物来源的多样性。此外，研究团队还对植物群落的组成、丰富度和生物量进行了评估，以进一步探讨植物资源变化对草蝗食物选择的影响。

### 研究结果与分析

实验结果表明，放牧强度对三种草蝗的同位素值和生态位宽度具有显著影响。具体而言，中度和重度放牧显著降低了*O. asiaticus*的δ1?N和δ13C值，这可能是因为放牧改变了植物群落的结构和资源分布，使得草蝗更倾向于选择营养丰富的植物。与此同时，*M. palpalis*的δ1?N值在中度和重度放牧下显著增加，这可能与其对氮资源的利用能力有关。而*O. asiaticus*的δ13C值则随着放牧强度的增加而上升，表明其食物选择逐渐向C4植物（如苋科植物）倾斜。

此外，三种草蝗的生态位宽度在不同放牧强度下表现出显著变化。在无放牧条件下，*O. asiaticus*的生态位宽度最大，但在重度放牧下，其生态位宽度减少了71%。尽管如此，其种群数量却随着放牧强度的增加而显著上升，这可能与其对资源利用的适应能力有关。相比之下，*M. palpalis*和*C. abbreviatus*的生态位宽度在放牧强度增加时有所扩大，这与研究假设（假设二）相悖。*M. palpalis*的种群数量在放牧强度增加时也显著上升，而*C. abbreviatus*则表现出相反的趋势，其种群数量随着放牧强度的增加而显著下降。

研究还发现，草蝗的饮食多样性与植物群落的丰富度、多样性和生物量之间存在显著关联。例如，*M. palpalis*的饮食多样性与植物物种丰富度、多样性和生物量呈正相关，而*C. abbreviatus*的饮食多样性则主要受到植物物种丰富度的影响。这种关联表明，植物资源的可用性和质量是草蝗饮食选择的重要决定因素。此外，DNA条形码分析结果显示，*O. asiaticus*和*M. palpalis*主要以禾本科植物为食，而*C. abbreviatus*则表现出更广泛的食性，尤其是在无放牧条件下，其对菊科植物的摄食比例较高。

### 讨论与生态意义

本研究揭示了放牧强度对草蝗生态位宽度和饮食多样性的显著影响，这些影响不仅体现在个体水平上，还可能对整个草原生态系统的结构和功能产生深远影响。首先，放牧改变了植物群落的结构和资源分布，进而影响了草蝗的食物来源和营养状态。例如，中度和重度放牧导致植物氮含量下降，这可能促使草蝗选择更高氮含量的植物，从而改变其生态位宽度和营养状态。然而，这种变化也可能导致草蝗对特定植物资源的依赖性增强，从而限制其生态位宽度。

其次，草蝗的种群动态与放牧强度之间存在复杂的相互作用。例如，*M. palpalis*在放牧强度增加时表现出更高的种群数量，这可能与其对资源利用的灵活性和适应性有关。而*C. abbreviatus*则表现出相反的趋势，其种群数量随着放牧强度的增加而显著下降，这可能与其对特定高质量植物的依赖性有关。这种差异可能反映了不同草蝗种类在生态适应能力上的不同，进而影响其在草原生态系统中的生存策略。

此外，研究还发现，放牧强度的增加可能导致草蝗之间的生态位重叠，从而加剧种间竞争。这种竞争可能进一步影响草蝗的种群动态和生态系统稳定性。例如，在重度放牧条件下，草蝗的生态位宽度趋于收敛，这可能表明资源的稀缺性和单一化导致了种间竞争的加剧。这种竞争可能对某些草蝗种类产生不利影响，尤其是那些对特定植物资源高度依赖的种类。

### 管理启示与未来研究方向

本研究的结果对草原管理具有重要的启示意义。首先，放牧强度的控制是维持草原生态系统健康的关键。过高的放牧强度可能导致植物资源的过度消耗，从而影响草蝗的生存和繁殖。而过低的放牧强度则可能抑制植物群落的更新和多样性，进而影响草蝗的食物来源和生态位宽度。因此，通过优化放牧强度，可以有效调节草蝗种群动态，促进草原生态系统的可持续发展。

其次，研究结果强调了植物群落特征对草蝗食物选择的重要性。通过维持植物群落的丰富度、多样性和生物量，可以为草蝗提供更广泛的食物资源，从而支持其多样化的饮食策略。此外，研究还指出，草蝗的生态适应能力可能影响其对放牧变化的响应。因此，在草原管理中，应考虑到不同草蝗种类的生态特性，采取差异化的管理措施，以促进草原生态系统的稳定性和生物多样性。

最后，本研究的局限性在于实验设计中的相邻小区隔离措施。尽管研究团队通过设置缓冲区来减少干扰，但草蝗的自然活动范围和DNA条形码技术对近期摄入植物的检测可能仍会对实验结果产生一定影响。因此，未来的研究可以考虑采用标记-重捕法或其他更精细的空间设计，以进一步减少这种干扰。此外，研究还可以扩展到更广泛的昆虫群落和食物网，以更全面地理解放牧对草原生态系统的影响。

综上所述，本研究通过系统分析不同放牧强度对三种主要草蝗的生态位宽度和饮食多样性的影响，揭示了放牧对草原生态系统中昆虫群落的复杂作用。这些发现不仅为草原管理提供了科学依据，也为进一步研究草原生态系统中的生物多样性与生态功能关系奠定了基础。未来的研究应继续探索不同放牧强度对草原生态系统中其他昆虫种类的影响，以期为实现草原生态系统的可持续发展提供更全面的理论支持和实践指导。