农作物病虫测报学的发展与展望

翟保平

（南京农业大学昆虫学系，农业部病虫害监测与治理重点开放实验室，南京 210095）

我国农作物病虫种类繁多，灾害频仍，病虫害发生消长此起彼伏，屡屡暴发成灾。但暴发和成灾是两个层面的事情，无论再大的暴发，只要防治措施及时得当就不会成灾。而实现有效防治的前提是对病虫害发生的时空动态进行连续监测和准确预测，此项工作的缺失或不足恰恰是造成防治失败而致灾的根本原因。因而，病虫测报学科在确保我国粮食安全方面具有举足轻重的战略地位。

1 本学科领域的发展规律和研究特点

回顾1970年代以来病虫测报研究的历程，来自其他学科的思路、方法和技术一直是病虫测报能够取得长足进展的重要因素，因而决定了病虫测报学科是一门交叉学科。有关病虫灾变预测的研究迫切需要突破在单学科、单一系统的封闭框架内进行研究的方式而代之以开放的多学科交叉和多途径综合研究。3S（遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS）技术、昆虫雷达技术等高新技术的应用和非线性科学、大气科学等的迅猛发展，为进一步对灾变发生的关键信息和引发灾变的关键因子进行大规模综合研究提供了前所未有的基础平台和技术手段。

同时，病虫测报学又是一门实践性极强的应用学科，其优先研究领域和当前国家农业生产的重大科技需求及潜在的需求高度相关，国家宏观政策的调整、农技推广队伍的变化、农作物种植制度和栽培方式的演替都随时在影响着病虫测报研究的重点和方向。因此，病虫测报研究从来都是紧扣国家目标、紧贴生产实际、与国家行政部门和农业技术推广部门密切互动共同发展的。

2 近年来本学科领域的研究现状和存在的问题

中国的粮食问题历来是对国计民生具有特殊重要性的大问题，21世纪的中国粮食问题对世界的影响更为举世瞩目。人口和资源的双重压力使我国农业当前和今后都将面临着长期食物安全保障的重大任务，进一步提高对有害生物的灾变预警能力已成为各级政府的共识。2006年，我国植保界正式提出了“公共植保”和“绿色植保”的新理念。2007年6月14日在广西南宁召开的全国水稻重大病虫防控暨重大植物疫情阻截带建设现场会上，又进一步提出要全面推进“公共植保”和“绿色植保”，将农作物病虫害的测报和防控从专业技术部门的研究和推广行为上升到了国家层面的政府行为［1］。

国家植保方针的这种战略性转变也为农作物病虫测报学科的发展造就了新的平台。正是从这时起，国家对病虫害测报与防控技术的研究和推广的投入大幅度增加，一批“973”项目和公益性行业专项先后立项，国家现代农业产业技术体系的建设全面开始，国家植保工程大规模铺开，国家级和省级病虫测报区域站得到了前所未有的大发展。由全国农业技术推广服务中心牵头与全国600多个区域站点联网，初步实现了病虫情报的网络化传输、自动化处理和可视化发布，为病虫测报研究的深入开展和逐步实现有害生物的数字化预警奠定了良好的基础。

在研究层面，国内专门从事病虫测报研究的单位目前有南京农业大学信息生态实验室、中国农业大学植物病害流行学实验室和中国农科院植保所农业有害生物监测预警研究室。

南京农业大学信息生态实验室近年来连续得到了国家自然科学基金面上项目、“973”项目、“948”项目、国家科技支撑计划项目、国家公益性行业专项和国家现代农业产业体系建设项目的资助，开展了以3S技术为平台、以两迁害虫（稻飞虱和稻纵卷叶螟）异地预测为核心的一系列害虫监测和灾变预警研究［2－8］。2007年以来，该实验室与植保技术推广部门密切合作，组织力量千里追踪两迁害虫，开展了在全球气候变化和耕作制度演替的新形势下两迁害虫发生规律的再研究［9－15］。目前，已形成了以3S技术、多普勒昆虫雷达技术和大气中尺度模拟技术为支撑的两迁害虫监测预警和研究平台。

中国农业大学植物病害流行学实验室是目前国内唯一一家做病害流行的单位。该实验室最突出的贡献是为推进曾士迈院士在新世纪之初提出的宏观植物病理学的概念而做出的努力［16］。他们利用GIS技术在小麦条锈病越夏越冬区的宏观分析和气候区划方面独树一帜，其基于卫星遥感和高光谱遥感技术的小麦条锈病发生流行的监测研究已有了相当的进展，对小麦条锈病孢子的远距离风传扩散的研究也有了良好的开端［17－26］。

中国农业科学院植物保护研究所农业有害生物监测预警研究室在国家自然科学基金项目的连续资助下，完成并完善了X频带扫描昆虫雷达控制程序设计和编制，实现了昆虫雷达的数字化观测，使国内雷达昆虫学的发展上了一个台阶。目前，该实验室拥有多部昆虫雷达，包括厘米波和毫米波扫描昆虫雷达（观测基地在山东长岛和广西兴安）及垂直波束昆虫监测雷达（观测基地在内蒙古乌盟），近十年的连续观测产出了一系列新发现［27－33］。近年来，该实验室先后主持了国家科技支撑计划项目、“973”项目、国家公益性研究专项等多项关于重大害虫区域性暴发监测与预警的研究课题。目前，国内唯一一个“测报学”硕士学位学科点就设在中国农科院植保所。

目前存在的问题：

（1）病虫测报研究需要长期稳定的经费支持

在以前很长一段时间里，决策部门只关心应急，往往只在病虫大暴发大流行时才立项研究，一旦病虫消退就没人再关心相关研究。这就造成了研究工作时断时续，资料数据残缺不全；而植保推广部门对此起彼伏的病虫暴发防不胜防、疲于应付。病虫害预测预报是一种公益事业和政府行为，其效益主要体现在社会效益上。但测报准确程度的提高可大大减少农作物产量和品质的损失，同时又可降低农药使用量而减轻环境污染，故其经济和社会效益均十分显著；尤其是若能把生物灾变预报准确的话，其经济和社会效益将更为可观。因此，只有依靠政府部门的持续投入和研究人员踏踏实实的基础性工作，生物灾变预测才能出现实质性的进步。国家自然科学基金委2002年曾对“灾害性病虫害预测预报的基础研究”实行长期资助计划就是非常明智的政策。而小麦锈病全国协作组能维持数十年不散，也是得益于有关部门的长远目光。建议基金委将此长期资助项目制度化，每年都遴选1～3个与病虫害测报相关的选题给予长期支持。

（2）国内数据的质量和共享程度决定了测报研究究竟能走多远

没有系统、规范、完整、准确的基础数据，即使有再先进的软件和硬件，病虫预测也无从谈起。所以情报的收集和初始信息的处理居于特别重要的地位。情报质量的高低和信息量的大小对预报目标的逼近关系极大，尤其是对初始信息极敏感的灾变预测对象，初始信息量的充分性直接决定了预报的成败。必须指出的是，近年来我国病虫测报系统的人才队伍很不稳定且日益老化，而在现有的人事制度和公考制度框架下，年轻的专业人才很难进入测报系统，其直接后果就是病虫监测数据的质量越来越难以保证。而近年来诱虫灯具的更新换代，则使几十年来积累的历史病虫数据无法与新的灯诱数据匹配，统计预报从而难以为继。

同时，由于各部门的资料数据都有各自的权属，不同机构之间的协调难度极大，很多研究工作因数据无法共享而出现难以逾越的人为障碍。测报学科有些科学问题往往就剩了一层窗户纸，但就因数据的不可得而难以捅破。因此，有待于国内科研生态的进一步健康发展，数据的质量和共享程度将决定病虫测报研究究竟能走多远。

3 病虫测报学科的发展方向

研究生物灾变预测的目的在于事先的应变，即尽力找到引发害虫灾变的触发点和临界值，以便在灾变发生前采取相应措施，化解大发生种群的形成。生物灾变的发生具有大强度、小概率、复杂性（多因子相互作用）、混沌性（非常规趋势）和突变性（量变到质变，能量积累后的突然释放）的特点，多尺度效应是复杂系统所具有的典型特征。系统的变异程度往往取决于研究时所取的尺度。在非常细微的时空尺度上，随机现象会使系统变得不可预测；但若放大研究尺度，也即将不可预测和无法重复的个例上升到这些事例的集合，系统的行为便可表现出某种程度的规律性，从而使系统的变异性下降而可预测性增强。因此，开展宏微观结合、多学科交叉的多尺度和多途径综合研究应是最好的选择。

3.1 方法论研究

自“六五”以来，国家组织力量连续攻关，对病虫害的预报准确率已可达80%。但实际上，能够成灾的，也是最需要预警的害虫种群的暴发性突增恰恰是用常规预测方法报不出来的那20%。究其原因，除了基础研究薄弱使得科学储备不足与有害生物灾变预测的难度所形成的巨大反差外，方法论上的障碍也显而易见。从方法论入手，探索有害生物灾变的机制和预警方法及因应之道，是实现农业可持续发展中亟待解决的一个棘手问题。

生物灾变的发展演化是在生物圈这个大背景下一种多尺度的生态过程，是生态系统中物质流、能量流和信息流相互作用的结果。复杂系统（如农田生态系统）内变量众多，且变量之间并非简单的因果关系而呈非线性关系，这就使得用于线性系统的常规预测方法（统计预测）无能为力。同时，灾变发生是种群数量不连续的突然变化，突变的出现改变了系统发展的方向和性质，也使得预测的基本原则失效。此外，灾变的突发是小概率事件，又具有多因素性、非线性和不确定性的特点，其大尺度的时空变化过程未必呈周期性，有的事例甚至绝无仅有，故基于类推原则和连贯原则的传统预测理论和方法完全不适用，因此亟待开展突发事件的预测理论和方法论的研究，尽快形成一整套全新的预测方法和完整的软、硬件配套技术。

害虫灾变的发生在空间上既具有全域性，又具有区域性，在时间上既表现无序的非稳定性，某种程度上又存在有序的规律性和周期性。生态系统是一个非常复杂、有自组织现象的非线性结构，许多非线性理论都是从生态学研究中发展起来的，如物种竞争与协同学、逻辑斯谛模型与混沌、病虫害暴发与突变等。因此，利用非线性理论研究害虫种群的暴发与崩溃是自然而然的事情。借助非线性科学工具，如分形、混沌、神经网络、小波分析等，探索生物灾变发生行为的动力学特征和时空分布规律，构建复杂系统中灾变预测的理论框架和全新的方法论，从而形成害虫灾变预警的综合集成体系。

3.2 境外虫源研究

我国农作物几种重大的迁飞性害虫都是来自中南半岛（越南、老挝、缅甸及泰国北部），在国内无法进行越冬虫源的监测和控制，无法预测中南半岛春季迁出虫源的发生量和致害性变化，也无法实施全年周期性综合治理。更为严重的是，近年来由于境外虫源区栽培制度和防治药剂的改变，境外虫源区与我国稻区的水稻品种和用药环境趋于相同，使得这些迁飞性害虫在我国高强度用药环境中逐渐产生的抗性基因无法在境外越冬地获得稀释，从而使害虫抗药性迅速增加，境外残留虫量大增，形成了巨量的迁出虫源，致使我国迁飞性害虫连年暴发。且由于迁入量大而落地成灾，难以实施有效的综合治理，只能进行高强度的连续打药而形成恶性循环：其抗药性越来越强，种群数量越打越多连续翻倍增长，秋季回迁进入中南半岛的虫量也越来越多，翌年春季再度迁入我国的初期虫源自然也水涨船高数量剧增，国际水稻所和东南亚植保界因此把我国称之为“bug maker”［34］。由于与相关国家的相关部门并无正式的双边合作关系，我们无法获得对这些害虫测报和防治至关重要的基础数据：境外虫源如何分布、其种群数量如何变化、何时何地能为我国提供多少有效迁入虫源等。而且老挝、缅甸由于经济落后，其植保技术力量极其薄弱；越南虽有较强的植保技术力量，但因两国关系的波折导致双方沟通不畅。所幸的是，中越两国农业部已于2008年末签署了两国关于水稻迁飞性害虫的双边合作协议，但能否顺利实施落实到位还有待观察。

因此，要控制迁飞性害虫的暴发危害，需建立与中南半岛五国（越、老、缅、泰、柬）的联防体制，交流虫情情报，对国外虫源进行有效的监控，通过统一调控农药的使用，实施区域性综合治理和源头治理，是解决迁飞性害虫问题的关键所在。建议国家基金委与中南半岛国家建立合作关系，通过5～10年的努力，使我国对迁飞性害虫早期迁入的异地预测上一个台阶，实现迁飞性害虫虫情、抗药性和致害性的跨境监测和源头治理。

3.3 害虫暴发的临界条件的多尺度演化

鉴于复杂系统的多尺度层次性和自组织临界性，探明各尺度和各层次间的互作及其信息交换、引发灾变的临界条件在多时空尺度背景下的演化过程及突变点，对生物灾变预警将有突破性的意义。

对于迁飞性害虫，仅对某一地区的小范围研究无法理解其迁入、迁出动态及其机制；只有在更大的空间尺度（全国或跨国）和更长的时间尺度上以地面资源配置的变化与天气系统的演化和运动为参照，才可得到迁飞种群大规模起降的规律和异地预测的参数。

认识和理解系统的结构和行为如何在不同尺度上发生改变，可望为灾变预警提供可识别的多因素前兆。可在不同尺度上对多种因素进行实时监测，密切注意是否存在一触即发的危险前兆，能量的积累是否已接近其临界点；同时，用全新的思路和方法重新梳理数十年来积累的历史虫情和气象气候资料，以地理信息系统（GIS）为平台，发掘灾变的机制和规律，从中提取可预测信息，尤其是长期预测指标。

3.4 害虫间歇性猖獗的生态机制

病虫害的猖獗都是间歇性的，往往在沉寂多年之后突然暴发，猖獗一段时间后又销声匿迹。我们迫切需要知道大发生种群是怎样形成的，什么时候、什么条件下会暴发？是什么因素造成了原本低密度的种群突然迅速增加？其种群质量和生命参数有了何种变化？大发生种群从量变到质变的触发机制和临界条件是什么？栽培制度、品种布局、作物长势、管理水平和发生区的气象气候条件等对大发生种群的最终形成有怎样的放大或压制作用？这恰恰需要对间歇期的低密度种群进行深入细致的研究。

因此，需从种群质量和适合度入手，在更大的空间尺度（跨国）和更长的时间尺度（数十年来的历史虫情）上通过多学科交叉、宏微观结合、多尺度多途径的攻坚，探索引发种群性质突变的关键阶段和关键因子及其从低密度种群到大发生种群转折的触发点和临界点，阐明病虫害间歇性猖獗的宏观规律和微观机制，从而得到有关大发生种群形成的可预测性指标和迁飞性害虫境内外各稻区、各发生地之间中小尺度的虫源衔接关系，实现精细化异地预测和源头治理。

3.5 迁飞性害虫的地域性降虫规律

国内通过对各农作区种植制度和历年主害代迁入迁出期的分析，基本明确了几种迁飞性害虫的迁入迁出动态和衔接关系及其相关的天气过程。但这些零星的定性研究还无法形成可预测的信息，也难以满足生产上对害虫突发的预报要求。如利用空间分析手段在GIS平台上重现稻飞虱北迁的降落过程，可见其降落分布与当年阐释的迁飞规律相差甚远。显然，只有明确害虫降落分布的规律和机制，才能形成具有实际意义的可操作的预警指标。因此，要从根本上揭示迁飞性害虫的降落机制，需要从更高层次上鸟瞰昆虫的迁飞过程。

深入研究害虫的迁飞过程和地域性降虫规律可确定大发生虫源形成的触发点和临界值，为异地预测提供基本参数。这需要借助专门的研究工具（如昆虫雷达）和多学科交叉（如边界层气象学、天气学等），通过连续几年的数据积累，再综合高空和地面风温场、作物信息及相关地理信息，用GIS对逐日虫情做大区域的空间分析和三维轨迹分析，可望阐明迁飞性害虫的时空分布、行为参数和空中种群参数及特定天气系统与不同立地条件下空中种群的降落分布规律，据此得出主降区、迁入量、迁入类群及其发育期距等灾变预警参数。

3.6 传毒虫媒的生物学与生态学及植物病毒病的流行学

20世纪60年代中期起，灰飞虱曾在我国长三角地区传播病毒病危害。本世纪以来，灰飞虱已在长三角稻区传播水稻条纹叶枯病引起严重危害；近年又在山东、河北等地传播玉米粗缩病，而且所传播的黑条矮缩病也呈上升趋势。灰飞虱一直被认为是本地害虫，可是近年明显北扩，并在山东大面积发生，甚至在东北也出现大量灰飞虱。同时，日本和韩国也出现大量灰飞虱，其条纹叶枯病带毒率也与我国长三角稻区灰飞虱的带毒率相同。2008年6月上旬日本突然在吸虫装置中捕到大批灰飞虱，日方提出该批虫源来自江苏。由于我国与日本农药使用情况不同，我国灰飞虱种群已对吡虫啉产生了抗药性，而日本种群已对氟虫腈产生了抗药性。可是近来日本九州也突然发现了抗吡虫啉的灰飞虱种群，这一种群是否来自中国？灰飞虱是否也会被气流携带而表现出迁飞习性呢？

故应对灰飞虱迁飞的可能性及其飞行行为开展研究。在研究灰飞虱翅型分化、生殖特性、飞行行为、飞行能力的基础上，通过全国稻区以及日本、韩国灯下虫量动态及卵巢发育程度的比较分析，阐释不同地理区域灰飞虱种群遗传特性的变化规律，确定是否存在大范围同期突增和迁飞现象。在初步确认具有迁飞可能的基础上，进一步开展灰飞虱的空间动态规律研究。同时，深入研究水稻与灰飞虱及其传播的病毒病的互作关系，明确与病毒病流行相关的种间互作关系和机理，包括介体灰飞虱的获毒和传毒能力，传毒方式及其影响因子，带毒种群形成的分子机理，病毒携带对介体灰飞虱种群生长发育、生殖生理、迁飞能力的影响及其机制，病毒病流行的历史波动性与介体昆虫种群动态、病毒消长及农业技术变化的关系等，从而揭示灰飞虱种群扩张与水稻条纹叶枯病和黑条矮缩病暴发的生态机理以及病原病毒与介体灰飞虱协同致灾效应及其机制。

3.7 植物真菌病害病原孢子的风传扩散及沉降机制

经过数十年的连续攻关，近年来我国在小麦锈病菌源区研究方面有了较大突破，西南麦区已进入我们的视野。需进一步研究国内各菌源区之间病害流行的因果关系，借助GIS空间分析技术和大气动力学原理分析历年来病害流行的时空动态与衔接路径，阐明病原孢子的风传扩散规律及沉降机制。

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