一年生农田比例与季节对蜂群花粉多样性及农药暴露的影响：德国南部农田景观梯度研究

　　本研究针对农业景观中一年生作物扩张导致的蜂群花粉资源减少与农药暴露风险升高问题，通过高分辨率采样与DNA宏条形码技术，分析了德国南部36个蜂群的花粉多样性及72种常用农药残留。结果发现花粉多样性未随农田比例增加而降低，且晚夏农药暴露水平较低，为蜂群健康管理及农业环境政策提供了关键数据支撑。

　　

随着全球农业集约化发展，一年生作物农田的持续扩张和农药使用量的增加，对传粉昆虫尤其是西方蜜蜂（Apis mellifera）的生存构成了严重威胁。蜜蜂面临多重环境压力，包括栖息地丧失、气候变化以及农药暴露等，其中花粉资源的减少与农药污染的叠加效应尤为突出。花粉作为蜜蜂主要的蛋白质、氨基酸和微量营养素来源，其数量和质量直接关系到蜂群的健康与发展。缺乏多样化的花粉资源会导致蜜蜂发育延迟、免疫机能下降，甚至增加对病原体和农药的敏感性。然而，目前较少有研究系统分析在高比例一年生作物主导的景观中，花粉资源变化与农药残留的联合效应，尤其是在晚夏这一关键时期，此时蜂群正在培育越冬蜂，其健康状态直接关系到蜂群的越冬存活率。

为深入探究这一问题，由德国维尔茨堡大学动物生态与热带生物生物学中心的Sarah Manzer、Douglas Sponsler等研究人员领导的研究团队，在德国下弗兰肯地区选择了9个实验站点，这些站点的周边两公里半径内一年生农田比例从43%到97%不等，覆盖了明显的农业景观梯度。研究团队于2021年7月至8月中旬对36个蜂群进行了高频次采样（每三天一次），共收集540份花粉样本，并采用DNA宏条形码（DNA metabarcoding）技术分析花粉来源多样性，同时利用液相色谱-质谱联用技术（HPLC-MS/MS）检测了72种常用农药（Current-Use Pesticides, CUPs）的残留情况。该研究最终发表于《Agriculture, Ecosystems and Environment》期刊。

研究主要依托以下关键技术方法：

1. 1.

   景观梯度设计与蜂群设置：基于地理信息系统（QGIS）和OpenStreetMap数据，在50公里半径范围内选取9个站点，每个站点放置4个人工蜂群，蜂群均由2公斤蜂量和姊妹蜂后组建，并在采样前进行三周适应期。

2. 2.

   高频花粉采样与处理：使用定制花粉陷阱每三天收集一次花粉样本，样本经冷冻干燥和均质化后，一部分用于DNA提取及ITS2标记的扩增子测序，另一部分用于农药残留分析。

3. 3.

   多样性及农药残留分析：通过宏条形码生物信息学流程（基于VSEARCH和SINTAX算法）鉴定花粉物种，计算α与γ多样性指数；农药残留检测采用基质匹配外标法，以超高效液相色谱-串联质谱法定量。

4. 4.

   统计建模：应用广义线性混合模型（GLMMs）分析景观梯度对多样性的影响，使用PERMANOVA分析花粉属水平组成差异，并利用 hurdle 模型分析农药残留与花粉物种的关系。

研究结果

3.1. 花粉样本的Alpha多样性

花粉物种丰富度（每样本平均9.9种）和香农多样性指数（平均1.7）在各站点间存在显著差异，但未发现其与一年生农田比例梯度相关。这表明，即使在高比例农田景观中，蜂群仍能维持较高的花粉多样性，可能得益于周边半自然生境或农业环境措施（如花带）的补偿作用。

3.2. 花粉的Gamma多样性

在整个观测期内，所有样本共鉴定出140种花粉植物。各站点的总物种数（平均30.5种）和香农指数也存在显著差异，但同样与农田比例无关。结果表明，蜂群在六周内呈现较高的花粉种类更替，反映了资源利用的动态性和季节性变化。

3.3. 花粉属水平组成

共鉴定出93个花粉属，其中相对丰度最高的为三叶草属（Trifolium，16.9%）、矢车菊属（Centaurea，14%）和向日葵属（Helianthus，8%）。站点间花粉属组成存在显著差异，但该差异无法由农田比例解释，说明作物类型、田间管理措施（如杂草控制）及花带种植等局部因素对花粉资源有更重要影响。

3.4. 主要花粉物种的时间更替

五种主要花粉物种（矢车菊、向日葵、红三叶草、波斯三叶草和虞美人）在采样期内表现出明显的时序动态，例如向日葵花粉在七月中旬相对丰度最高。这种变化与植物的开花物候密切相关，也体现了蜜蜂对资源可利用性的高度适应性。

3.5. 常用农药残留

39%的样本中检测到农药残留，共发现16种农药，其中以杀菌剂为主（如嘧菌酯azoxystrobin检出18次），除草剂和杀虫剂检出较少。残留浓度最高的为氟啶胺（fludioxonil，3300.5 μg/kg）和嘧菌酯（971.6 μg/kg），这些高残留峰值出现于一年生农田比例较高的站点（E、H、I），且残留动态显示农药暴露具有短暂高峰特征。

3.6. 农药残留与花粉物种的关系

向日葵花粉的相对丰度与杀菌剂残留的检测概率及浓度呈显著正相关（hurdle模型，p < 0.001），尽管这些农药并未登记用于向日葵花期。研究人员推测，这可能源于邻近作物农药使用的漂移污染。

讨论与结论

本研究揭示，尽管农业景观中一年生作物比例较高，但蜂群仍能通过扩展觅食范围或利用局部生境（如花带和三叶草种植区）维持花粉多样性，而未出现多样性降低的现象。同时，晚夏时期（7月至8月中旬）的农药残留水平较低，可能与主要作物农药使用季节已过有关。这一发现具有重要意义，表明越冬蜂发育阶段所接触的花粉农药暴露风险低于春夏季，从而有利于蜂群健康越冬。

此外，研究发现杀菌剂残留与向日葵花粉密切相关，提示农业生产中农药漂移对非靶标作物的污染风险。而从政策角度看，农业环境措施（如多样化作物轮作和花带建设）可能显著缓解景观简化对蜜蜂的负面影响。

该研究不仅强调了高频采样和宏条形码技术在揭示花粉资源动态与农药暴露中的重要性，也为制定针对性的蜜蜂保护策略和可持续农业实践提供了科学依据。未来研究可进一步整合花粉营养质量分析、作物物候数据及农药使用记录，以更全面评估农业景观对传粉昆虫的复合效应。