蚊虫的危害十分猖獗,除了吸血、骚扰人群外,也是传播疾病最多的媒介生物之一,还能引起人体过敏反应,并与一些新发传染病有关[1].蚊虫的物种多样性是蚊虫生态学研究的重要内容,对于蚊媒传染病的传播与流行至关重要[2].在蚊虫研究的实践中可以看出[3],野外调查和研究的方法在蚊虫物种多样性的研究中起着重要作用,直接关系到研究项目的成败,但在实际工作中,却没有给予足够的重视.为此,我们总结了国内外蚊虫物种多样性研究概况,对蚊虫物种多样性关键技术、研究程序、调查设计和采样技术、数据分析方法,以及标本和数据的管理技术等蚊虫物种多样性研究方法及国内外发展动态方面的内容进行了综述.
1 蚊虫物种多样性研究方法概述
虽然大多数蚊虫种类在生态系统中的作用还不很清楚,但确实有些种类在生态系统运行中扮演重要角色,如在湿地景观中,蚊虫就是所谓的"生态系统产生者".蚊虫和其他水生无脊椎动物组成了一个相辅相成的湿地生态系统,它可以为许多无脊椎动物、鸟类、蝙蝠、两栖动物和鱼类提供一种食物来源.昆虫、野生动物和鱼类捕食水中的蚊虫幼虫,或捕食通常在湿地上飞行的成蚊.青蛙、蜥蜴和许多水生昆虫均捕食各期蚊虫.湿地上的野生动物包括鸟类( 如燕子和小鸭) 和小棕蝙蝠也消耗大量的蚊虫.同时由于这些天敌存在,也减少了湿地蚊虫的孳生.蚊虫物种多样性及多度的调查资料可作为评估和管理蚊媒传染病的信息基础.
当前,欧美和澳大利亚的昆虫学家正在对蚊虫物种多样性的研究方法进行积极的探索[4 -6],并不断地对提出的研究方法加以完善.他们的工作主要集中在以下几个方面: 蚊虫野外调查程序的设计和调查技术的规范化,包括昆虫物种多样性的评估技术、昆虫物种多样性变化的监测技术、物种多样性指标及分析技术,以及蚊虫标本和资料的计算机管理技术.
我国的蚊虫物种多样性的研究还处于物种调查和编目阶段.目前已知蚊类 3 亚科 21 属 52 亚属395 种,不足世界已知蚊虫种类的 1 /8.近些年,有些省、市结合国家有关生物多样性研究项目,在环境变化对蚊虫物种多样性的影响及蚊虫标本和物种数据库等方面进行了一些研究[7,8].
2 不同生境蚊虫物种多样性的研究方法
为了使野外采样能尽可能多地获得蚊虫物种多样性信息,并对在不同时间或不同地点获得的调查结果进行对比分析,有必要进行调查项目设计.为此,首先要确定调查项目将要回答的问题和为此需要收集的信息,另外也应考虑蚊虫的分布和生活周期包括活动习性及气候变异的影响及栖息环境.
( 1) 采集原则 标准化: 包括采样方法( 工具和操作) 标准化( 采集方法均按照中华人民共和国国家标准 GB/T 23797 -2009) ,采样方案( 样方大小和布局、采样频率和重复) 及记录表格( 内容和形式)标准化; 采样时间: 根据蚊虫活动和调查项目设计要求而定; 采样区域: 选择不同类型的湿地景观( 生境) 的不同地理方位 6 ~8 个样地,每块样地大小为500 m × 200 m,样地间距 500 m 以上,确定 5 个采样点; 确定采样方法: 确定蚊虫不同阶段的采样方法,确定采取随机取样或系统取样或连续取样.采样方法的选择和采样方案将决定采样所获信息的详细程度,物种有或无,相对密度和绝对密度,生物学和生态信息( 包括个体生活史,生态地位,生态功能) .
( 2) 调查方法 根据蚊虫物种多样性野外调查研究项目设计的不同需要,可以选择以下不同的采样方法:
i 灯诱法( 包括二氧化碳灯诱法)
ii 产卵雌蚊诱集法
iii 诱集法( 人和动物诱集法)
iv 人工小时法( 人房、畜圈)
v 栖息蚊虫捕获法 v
i 挥网法
vii 帐诱法( 人和动物诱集法)
viii 黑箱法i
x 灭蚊磁诱集法
x 幼虫吸管法
xi 幼虫勺捕法 x
ii 蚊虫产卵诱集法
其中 i ~ ix 方法适用于成蚊的采集; x ~ xii 方法适用于幼虫或蛹的采集.
( 3) 采样程序 确定蚊虫物种多样性野外调查研究目标,对相关文献、历史资料,以及已有的标本进行调研,设计采样程序及选择方法,进行蚊虫野外采样,标本整理归类,蚊虫标本的专家和实验室的分类鉴定,结果统计分析,论文的总结发表,标本入馆存放,蚊虫标本和蚊虫信息录入计算机数据库,用于分析蚊虫物种多样性的地理信息系统( 图 1) .
3 3S 技术在蚊虫物种多样性中的应用
3S 技术在蚊虫生物学及控制方面已是非常成熟和使用广泛的一项技术方法,贯穿于蚊虫物种多样性现场采样的始终,从调查样地的分类尺度上、格局和生态过程,到蚊虫物种多样性分布的景观制图,以及地理信息的统计学处理等,因此,应将 3S 技术确定为蚊虫物种多样性研究的关键技术.
蚊虫物种多样性研究项目调查点的全球定位系统( GPS)可以应用当前常用的MAGELLAN -320GPS 定位仪( 具体操作视现场情况而定) ,首先,要对所设立的蚊虫物种多样性调查点中相关地面、地形的标志物( 如河流、灌木、居民区等) 、蚊虫采集点进行卫星定位,达到对观测地区域的卫星图片准确获取,保证遥感技术( RS) 及 GIS 分析对观测地环境因素进行准确的提取.其次,不同生境蚊虫物种多样性调查点的遥感技术分析依照 GPS 分析结果,根据 Quickbird 卫星图片,利用 ERDAS( 8. 5) 生成观测地符合人的肉眼观察习惯的自然色、高分辨率的卫星图片; 在 GIS( Arclnfor8. 0) 中把 ERDAS 遥感分析生成的观测地自然色高分辨率卫星图片作为底图,在此底图上利用 GPS 数据把各蚊虫物种多样性调查点、重要河流、居民区,以及相关地面标志物进行标识.湿地调查点蚊虫孳生环境因素 GIS 的研究主要利用 GIS 数据库结合蚊虫调查点的结果,建立各调查点的数据库,在以后工作中对蚊虫发生情况进行直观的显示,并对所发生情况分析.并结合湿地景观蚊虫孳生、生态、生理习性,通过 GIS 软件获取相关的地理环境因素数据,3S 技术应用于蚊虫物种多样性研究( 图 2) .
( 1) 在采样点使用: 卫星图片可以使用美国快鸟( Quickbird) ,通过从中国科学院中国卫星地面站订购,并由 Quickbird 卫星编程,并于蚊虫物种多样性研究项目开始前拍摄完成; 相应的分析应用软件及工具有: ERDAS 815,遥感分析软件,ArcInfor 810地理信息系统软件,MAGELLAN -320 定位仪 GPS.此外,还可以采取吴崧霖等所使用的研究方法( 详细内容见参考文献) ,当然,这要根据实际情况而定.
( 2) 在不同生境的分类、调查样地使用: 卫星图片的制作方法与蚊虫物种多样性采样点的设定方法相同.利用 ArcGIS 9. 3 软件建立地理信息系统数据库和电子地图,利用 Erdas Imagine 9. 2 软件对研究区域的地理景观进行分类和分类后的计算.利用Erdas 软件,使用 ISODATA 聚类算法,将研究区域与样地有关特征( 包括地貌、气候、水文、土壤、植被等) 从遥感图中提取出来.依据植被类型和特征,选择不同生境( 自然疫源地) 6 ~ 8 个样地,每块样地大小为 500 m ×200 m,样地间距 500 m 以上.
4 蚊虫物种多样性在实验室的研究方法
( 1) 标本制作与解剖镜的分类鉴定: ①孵化从现场采集来的卵、幼虫及蛹,为鉴定分类做准备; ②标本制作; ③雄蚊尾器的制作.
( 2) 分子生物学技术和计算机技术蚊虫分类上的应用: ①根据所在单位的现有条件,可以开展一些分子生物学方面的分类鉴定工作,如蛋白质测序方法和蛋白质电泳方法,细胞染色体技术,以及 RT -PCR 分类鉴定技术.② 对于不能确定的种类可以送上级或有关单位做进一步的分类鉴定,如采用核酸技术、分子杂交技术、RFLP、RAPD、PCRSSCP 等分类技术进行鉴定.③在有关软件支持下,进行蚊虫标本的计算机成像处理和相关分类鉴定.
5 蚊虫物种多样性研究方法中相关数据的处理方法
应用 Epidata 软件建立个案调查数据库,利用EpiMap 进行地理分布描述和分析.对获得资料采用卡方检验、SPSS 软件等进行数据整理、汇总和分析.
空间统计学的应用: 主要用于点、线、面的统计分析,点的数据包括蚊虫的分布点、蚊虫孳生点及人群居住区等,线的数据包括河流、道路及蚊虫活动范围等,面的数据包括行政区划单位、森林及水体等.拟采用的空间统计学包括聚集性分析、自相关分析、二阶邻里统计分析、趋势面分析及多种形式的其他统计分析等.
其他统计学方法应用: 灰色关联方法,用于蚊虫物种多样性与环境气象因素等方面的关联度分析;空间、景观流行病学的技术方法,利用空间局部内插分析来建立蚊虫空间分布图,以交叉评价指标为依据选择无偏最优的蚊虫空间分布图,空间变化格局及空间相关关系.
6 蚊虫物种多样性研究方法的应用实例
国外研究表明[16,17],遥感图像植被指数分析和地理信息系统相结合,能够比较准确地对蚊虫孳生地进行预测和监控,从而及早对可能发生蚊媒传染病的高危区域采取相应预防控制措施.环境因素中的自然因素如地形、气候等直接影响人和按蚊的生态环境,对疟疾的分布起决定性作用.Srivastava 等采用 RS 数据对疟疾疫情有波动的村庄进行研究,认为水量、水位、土壤类型与灌溉等因素与疟疾发病有明显的关系.Pope 等通过对研究区域的雨季和旱季的 RS 数据分类,利用等级理论将按蚊幼虫孳生类型与地表覆盖单元进行连接,来预测幼虫丰度的高低程度.Beck 等利用分类的景观因素,结合逐步判别分析和逐步线性回归的方法,建立预测蚊虫数量的判别模型,分析蚊媒数量和景观因素之间的关系,结果显示最重要的景观因素是变迁性沼泽地和废弃的牧场.Mushinzimana 等在肯尼亚西部丘陵地区利用高分辨率 RS 数据分出土地利用、土地覆盖及可见水体按蚊幼虫孳生地,建立了土地利用类型的按蚊幼虫孳生地分布预测模型,结果提示高分辨率 RS 数据结合其他土地利用类型的地形数据将在肯尼亚丘陵地区成为十分有用的识别按蚊幼虫孳生地分布的工具.
目前,国内外已得到广泛应用的 3S 技术( GIS、RS、GPS) 在研究蚊虫物种多样性方面具有重要作用,Foley 等[18]采用 RS 数据分析了蚊虫物种多样性与蚊媒传染病的相互关系.Tourre 等[19]利用 GIS和高分辨率遥感技术为提高蚊媒传染病预警机制作了深入探讨.Chansang 等[20]利用分类的景观因素监视登革热流行状况.在国内,王晓东,赵彤言[21]探讨了 3S 技术在研究蚊及蚊媒传染病分布和控制中的应用,而张少森,周水森[22]用 3S 技术分析了自然环境因素对疟疾传播的影响.刘美德等[23]在云南地区开展了蚊虫群落与环境因素关系的地理信息系统分析,吴崧霖等[24]基于 GIS 和 RS 开展了城镇蚊密度与景观因素关系分析.这些都表明了 3S 技术在蚊虫生物学及控制方面已发展成为一项成熟且应用广泛的技术.
7 蚊虫物种多样性研究方法的未来发展与展望
考核蚊虫物种多样性的技术方法有 3 类: α 多样性指数,即特定立地或群落的物种丰富度; β 多样性指数,即群落组成变化的幅度; γ 多样性指数,即多个群落的物种多样性.α 和 γ 又合称为编目多样性 ( Jurasinski et al,2009) .在很长一段时间里,学者们主要关注编目多样性,直到最近十多年来,β 多样性的相关研究才有了明显的增加.蚊虫物种多样性与蚊虫生态系统功能的关系及其内在机制已成为当前生态学领域的重大科学问题,但是由于人才和技术上的限制,目前蚊虫物种多样性的研究还主要停留在对 α、γ 多样性的研究.国外对 α、γ 多样性方面的报告较多[9 -13],而 β 多样性的相关研究还较少.国内在蚊虫物种多样性的研究略显不足和片面,云南地区对蚊虫物种多样性和群落生态学的研究已有报道[14,15].
蚊虫物种多样性的梯度变化特征是指群落组织水平上物种多样性的大小随着某一生态因子梯度发生有规律的变化.主要包括: a. 纬度梯度,从热带到两极随着纬度的增加,生物群落的物种多样性有逐渐减少的趋势.b. 海拔梯度,随着海拔的升高,在温度、水分、风力、光照和土壤等生态因子的综合作用下,生物群落表现出明显的垂直地带性分布规律.c. 环境梯度,群落物种多样性与环境之间的关系,有时候表现明显,有时候表现不明显.d. 时间梯度,在群落演替的不同阶段,物种多样性不同.而调查研究方法在蚊虫物种多样性梯度变化的研究中起着重要作用,甚至直接关系到研究项目的成败.
用于分析不同生境蚊虫物种多样性的方法,主要依赖于空间流行病学和景观流行病学分析方法,应用较多的主要是遥感技术( RS) 、地理信息系统( GIS) 、全球定位系统( GPS) ,即 3S 技术和空间分析技术( SAS) 等.
GIS 是以地理空间数据为基础,在计算机软、硬件的支持下,对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示,并采用地理模型分析方法,适时提供多种空间和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统.与 GIS密切相关的还有 RS 和 GPS,遥感是远距离测量目标物体某些特征的一种技术,通过接受目标物体反射辐射源的信号,确定目标原位置、纬度、颜色、生物景观、温度、表面结构与湿度等; 全球定位系统是借助地球轨道卫星确定地球表面某一点的准确地理位置.通过 RS 对环境( 如温度、湿度陆地植被类型及媒介的密度) 的变化进行分析,可对媒介的栖息地进行鉴定和分类.
通过上述的分析比较可以看出,蚊虫野外调查研究方法在蚊虫物种多样性的研究中具有重要作用.
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