大气CO₂浓度升高对昆虫的影响及其对这一变化的响应是全球气候变化领域研究的热点问题之一。一方面，CO₂是植物光合作用的主要原料之一，其浓度升高对植物生长及生理特性产生显著影响^{[1, 2]}，如光合效率提高，促进植物生长，叶片中C/N升高，次生代谢及化学防御物质发生改变，影响植食性昆虫食物的质量，进而影响植食性昆虫的生长发育和繁殖等^{[3, 4]}。另一方面，大气中高浓度CO₂直接影响昆虫的呼吸和生理代谢以及某些与化学通讯相关的行为改变^{[5, 6, 7, 8]}。高CO₂浓度(750 μL/L)环境中生长的棉铃虫Helicoverpa armigera (Hbn.) 幼虫体内营养物质显著下降，取食量、排粪量明显增加，生长发育延缓，体重减轻，内禀增长力和成活率下降^[9]。禾谷缢管蚜在高浓度CO₂直接影响下成蚜的繁殖力增强，生长速率明显加快^[10]，而麦长管蚜Sitobion avenae (F.) 体内乙酰胆碱酯酶活性与蚜虫对报警信息素的响应呈显著负相关，同时超氧化物歧化酶和乙酰胆碱酯酶活性提高^[11]。显然，不同种类的昆虫对大气CO₂浓度升高的响应各异。

亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis (Guenée)是玉米上的主要害虫，常年造成玉米减产10%左右，且严重危害频发，导致玉米损失30%以上甚至绝收^[12]。有关大气CO₂浓度升高对玉米螟生长发育的直接影响还未见报道。本文研究了高CO₂浓度下亚洲玉米螟实验种群的生长发育，测定其个体营养效应指标，旨在明确高CO₂浓度下对玉米螟生长发育及繁殖的影响，为未来CO₂浓度升高的环境下更深入了解亚洲玉米螟发生的生态学机制及其测报、综合治理等提供依据。

实验所用亚洲玉米螟为采自山东夏津玉米田卵块，孵化后在室内(28±1)℃，80％ RH，光照周期L ∶ D =16h ∶ 8 h条件下用人工饲料饲养3代，建立室内种群。饲养技术及人工饲料参照新7号饲料配方及饲养方法^[13]。

不同CO₂浓度试验在密闭式动态CO₂人工气候箱(CDCC-1型，宁波赛福PRX-450D-CO₂)内进行。试验设置3个CO₂浓度处理，即375 μL/L(当前大气CO₂浓度)、(550±50) μL/L和(750±50) μL/L(模拟大气CO₂浓度分别升高0.5倍和1.0倍)。人工气候箱内温度：白天(28±1)℃，夜间(27±1)℃；湿度75%—85%；光照周期L ∶ D=16h ∶ 8h(L,6:00—22:00; D,22:00—6:00)。亚洲玉米螟幼虫饲养容器为直径9 cm的塑料培养皿，上盖有直径4 cm 圆孔，并以70目不锈钢纱网封闭圆孔。

将亚洲玉米螟初孵幼虫接入配好的人工饲料^[13]，遂即放入不同CO₂浓度人工气候箱。每个CO₂浓度处理中，用培养皿单头饲养60头，重复3次。每天定时更换人工饲料并记录亚洲玉米螟的龄期和死亡数。化蛹后将蛹置于相应CO₂浓度人工气候箱中(温度(25±1) ℃；RH 85%—90%；光照周期L ∶ D=16h ∶ 8 h)，每天观察各CO₂浓度下成虫的羽化情况，将当天羽化的成虫按1 ∶ 1配对置于养虫笼(11 cm× 8 cm× 8 cm)中，并给与3%的蔗糖水喂养。每天定时更换产卵纸并记录产卵量。根据饲养数据资料，计算亚洲玉米螟在不同CO₂浓度下的实验种群生命表参数^{[14, 15, 16]}(表 1)。

将亚洲玉米螟初孵幼虫接入配好的人工饲料上，遂即放入不同CO₂浓度人工气候箱。每个CO₂浓度处理中，用培养皿单头饲养20头幼虫，重复3次，共在9个人工气候箱进行。每天观察记录幼虫的发育进度参数，即幼虫发育历期(幼虫孵化当天至化蛹前的天数)、幼虫体重(化蛹前最大体重)；蛹历期(化蛹当天到羽化前的天数)、蛹重(化蛹后第2天称量蛹重)；成虫历期(羽化后到成虫死亡的天数)、成虫体重(羽化当天取食或饮水前的体重)。同时记录各发育阶段及每天玉米螟的存活数。

在测定不同CO₂浓度下亚洲玉米螟幼虫生长发育状况的同时，每天9:00定时更换人工饲料，并称量新鲜及取食后饲料的重量，收集幼虫每天排出的粪便和取食剩余饲料，用烘箱烘干(80 ℃，72 h)至恒重并称量干重。参照Waldbauer^[17]氏昆虫食物消耗利用率方法，根据幼虫期取食量和排粪量计算近似消化率(AD)、毛转化率(ECI)、净转化率(ECD)、相对消耗率(PCR)、相对生长率(PGR)、平均相对生长速率(MRGR)(表 2)。

各处理间差异显著性采用方差分析，平均数比较采用LSD测验。数据分析前，先进行适当的数据转换(百分数进行反正弦转换，发育历期进行自然对数转换)，以满足方差分析要求。统计分析计算应用SAS9.0软件进行。

大气CO₂浓度分别升高0.5倍和1.0倍处理下成虫的单雌产卵量分别为191.5粒和227.1粒，比对照177.4粒增加了7.9%和28.1%，但各浓度间并无显著差异(df=2,113; F=1.06; P=0.3483)。根据不同CO₂浓度下亚洲玉米螟的实验种群生命表计算出各主要生命参数(表 3)，虽然在大气高CO₂浓度(750 μL/L)处理下净增值率比对照上升10.2%，但各处理间差异不显著。由于平均世代周期显著延长5.3％和11.7％，而使内禀增长力和周限增长率显著降低，种群加倍天数显著延长9.1％。

根据亚洲玉米螟在各个发育阶段的死亡数，绘制了不同大气CO₂浓度下的累计死亡率曲线(图 1)。高CO₂浓度环境下亚洲玉米螟各龄期的累计死亡率均显著高于当前大气CO₂浓度。此外，大气CO₂浓度升高对亚洲玉米螟死亡率的影响因其所处虫态不同而异。高CO₂浓度750 μL/L浓度环境下3龄以前幼虫死亡率显著高于当前大气CO₂浓度；3龄至蛹期各处理幼虫死亡率变化不大。说明亚洲玉米螟在3龄以后对高浓度CO₂的耐受能力增强。

图 1 不同大气CO2浓度下亚洲玉米螟累计死亡率 Fig. 1 The cumulative mortality of Ostrinia furnacalis under different levels of atmospheric CO2 1龄：df=2,6,F=131.41,P<0.0001; 2龄：df=2,6,F=72.25,P<0.0001; 3龄：df=2,6,F=31.62,P=0.0007; 4龄：df=2,6,F=15.39, P=0.0043; 5龄：df=2,6,F=15.61,P=0.0042; 蛹：df=2,6, F=21.81,P=0.0018

图选项

随大气CO₂浓度的增加，亚洲玉米螟幼虫、蛹和成虫的发育历期都有延缓趋势(表 4)。与当前大气CO₂浓相比，在550 μL/L大气CO₂浓度下饲养亚洲玉米螟，其幼虫和蛹历期分别延长10.3%和7.6%，但没有显著差异，而当大气CO₂浓度升高1.0倍时，幼虫和蛹历期分别显著延长了13.1%和25.7%，而成虫寿命与对照差异不显著。这说明大气CO₂浓度升高对亚洲玉米螟幼虫和蛹的发育速度有抑制作用。

随大气CO₂浓度的增加，亚洲玉米螟幼虫、蛹和成虫的体重有下降的趋势(表 5)。虽然在大气CO₂浓度分别升高0.5倍和1.0倍下饲养的亚洲玉米螟与在当前大气CO₂浓度相比，幼虫体重分别降低5.8%和7.5%，蛹重分别降低3.7%和4.8%，成虫体重分别降低6.7%和1.7%，但均差异不显著。然而，种群的幼虫平均相对生长率显著低于对照(df= 2,82；F = 4.22，P = 0.0187)(表 6)。

与当前大气CO₂浓度相比，当大气CO₂浓度分别升高0.5倍和1.0倍时，亚洲玉米螟幼虫的取食量和排粪量都显著增加，取食量分别增加9.1%和34.0%，排粪量分别增加42.3%和42.0%(表 6)。但对食物的近似消化率、毛转化率、净转化率及相对消耗率、相对生长率与对照比较并无显著差异。

目前研究大气CO₂浓度升高对于昆虫的影响多数测试幼虫取食在设定未来大气CO₂浓度升高0.5倍或1倍(通常约500—700 μL/L)环境下生长的寄主植物组织时的生长、发育和繁殖以及存活率的改变^{[18, 19, 20, 21]}，这必然受到寄主植物因大气CO₂浓度升高而产生的营养代谢和次生防御代谢变化而引起其作为昆虫食物质量的改变的影响，且由于研究者所采用的昆虫种类及寄主植物的不同，其结果往往各异。如大气高CO₂浓度下生长的棉铃对棉铃虫的适合度下降^[22]；蛱蝶幼虫Junonia coenia取食大气高CO₂浓度下长叶车前Plantago lanceolata的死亡率增加^[23]；麦长管蚜在大气高CO₂浓度影响下产卵期提前，繁殖力显著提高^[24]；对5种蚜虫及其寄主在大气高CO₂浓度的研究表明，Acyrthosiphon pisum (Harris)在Vicia faba L.上的种群下降，Myzus persicae (Sulzer)在Solanum dulcamara L.上的种群上升，而Aphis nerii Boyer de Fonscolombe在 Asclepias syriaca L.、Aphis oenotherae Oestlund 在 Oenothera biennis L.和Aulacorthum solani (Kaltenbach)在Nicotiana sylvestris Speg. and Comes上的种群没有变化^[25]。以室外大气CO₂浓度升高(700 μL/L)条件下种植的甜菜Beta vulgaris L.在相同CO₂浓度培养箱中饲喂甜菜夜蛾Spodoptera exigua (Hbn.) 幼虫，其存活率显著高于在当前大气CO₂浓度(350 μL/L)培养箱中的饲喂处理^[26]；而当幼虫在大气高CO₂浓度且高肥条件下生长的棉苗上取食，其存活率比对照下降50%，雌虫存活率是雄虫的2倍^[27]；将粉纹夜蛾Thichoplusia ni (Hbn.)初孵幼虫接于生长在大气高CO₂浓度条件下的菜豆 Phaseolus lunata上取食，其存活率与正常大气环境下没有显著差异^[28]；用人工饲料在高CO₂浓度下饲养棉铃虫，存活率没有影响^[7]。然而，本研究结果显示，大气CO₂浓度升高条件下取食人工饲料的亚洲玉米螟幼虫的存活率下降。此外，大龄幼虫对CO₂的适应性要高于低龄幼虫。这可能与不同龄期幼虫的生活习性和栖息的微生态环境有关，即大龄幼虫尤其是4—5龄幼虫蛀茎危害^[29]，蛀孔内为相对密闭的环境，其CO₂浓度应该高于外界大气CO₂浓度。由此可见，大气CO₂浓度升高对植食性昆虫生存率的影响因种类、不同发育时期及其寄主植物的不同而异。

CO₂亦是昆虫的呼吸代谢产物，环境中高浓度CO₂会直接影响昆虫的呼吸和生理代谢，对昆虫生长发育的各个阶段可能产生影响，不同昆虫及处理方式所产生的影响亦各异。短时间高浓度CO₂处理可使Blatella germanica幼虫发育历期延长^[30]；与CO₂处理可使Acheta domesticus虫体重减轻相比，短暂的大气高浓度CO₂处理对其生长和体重几乎没有不利影响^{[31, 32]}；与当前大气相比，CO₂浓度升高1倍下棉铃虫幼虫发育历期延长，体重没有显著影响^[9]。甜菜夜蛾幼虫在大气高CO₂浓度且高肥条件下生长的棉苗上取食，其发育历期延长，体重显著下降^[27]。将粉纹夜蛾幼虫在生长于大气高CO₂浓度条件下的菜豆上取食，其蛹重比正常大气环境下显著降低^28\］。本研究显示随大气CO₂浓度升高亚洲玉米螟幼虫期和蛹期延长，而成虫寿命与对照差异不显著；各虫态虫体重差异不显著，但幼虫平均相对生长率显著降低。

短时间反复CO₂处理或麻醉对于昆虫繁殖力的影响已有多方面的研究报道，如延缓或阻碍交尾^{[33, 34, 35]}、降低雌虫受精频率或雄虫授精能力^[36]、抑制卵巢管中卵母细胞的发育^[37]、雌虫所产卵的雌雄比降低^[38]等。一些昆虫在高CO₂浓度处理0.5—1 h可使产卵量和孵化率降低，若反复处理甚或麻醉影响显著提高^{[39, 40, 41, 42]}。模拟当前大气CO₂浓度升高1倍条件下饲养的棉铃虫单雌产卵量增加7.9％^[9]。本研究显示随大气CO₂浓度升高亚洲玉米螟的产卵量有增加趋势，世代周期显著延长，内禀增长力显著下降。说明未来CO₂浓度升高可能不利于亚洲玉米螟种群发展。

高CO₂浓度对昆虫的影响具有长期的、多世代的作用，在长期的影响下存在着很大的不可知性^[43]，需要连续多代的持久观察研究。Awmack和Docherty等研究显示，高CO₂处理一个世代，昆虫的历期几乎没有变化，而连续处理多个世代后，其生长发育受到极大的影响^{[44, 45]}；Brooks研究连续3个世代的叶甲Gasrophysa uiridula对高浓度CO₂(600 μL/L)的响应显示第二代雌虫的产卵量比第一代少30%^[46]；而Yin 等 研究在高CO₂浓度下以人工饲料饲养连续3个世代的棉铃虫，结果显示CO₂对其世代影响不明显^[47]。而本实验进仅研究了高CO₂浓度(550，750 μL/L)下，亚洲玉米螟一个世代的生长发育、繁殖及种群生命表对未来高CO₂浓度的响应，对亚洲玉米螟连续多个世代是否对高CO₂浓度存在同样或更大的响应还有待进一步研究。

致谢： 感谢美国农业部农业研究处作物遗传育种研究室昆虫专家(USDA-ARS，Crop Genetics and Breeding Research Unit)、乔治亚大学教授Xinzhi Ni博士修改英文摘要。