突发性暴发性害虫监测预警研究进展

2013-01-27张云慧程登发

植物保护 2013年5期

张云慧，程登发

（中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）

农作物重大病虫灾害的实时监测和早期预警，是及时、有效地控制其暴发成灾的先决条件之一［1］。由于农作物病虫草鼠等生物灾害的发生危害受作物布局、栽培耕作制度、品种抗性、害虫的迁飞、滞育规律、病害流行规律、农田小气候及气象条件等诸多因素的影响，鉴于我国幅员辽阔、耕作栽培制度各不相同，加之近年来全球气候条件的改变，不同地区耕作制度的变迁，致使我国农作物重大病虫害的发生危害表现出突发性和暴发性［1－2］。另外，一些次生害虫种群密度逐渐上升，成为农田主要害虫，对粮食的安全生产造成巨大威胁。例如2005年国内首次在河北省发现二点委夜蛾可为害夏玉米苗，此后该害虫连年发生，截至2011年，发生区域已经蔓延至黄淮海夏播玉米区的7省（市），发生面积近220万hm2，严重影响了玉米精量播种技术的推广与应用［3］。草地螟从历史资料记载为典型的间歇性暴发成灾害虫，进入第三个暴发周期，呈现出为害范围更广，程度更重，周期持续时间更长的趋势。尤其是2008年草地螟2代幼虫在我国华北、东北再次大规模暴发，发生面积之广，为害程度之重，持续时间之长均为历史罕见［4－5］。2012年8月，沉寂了数十年的黏虫在我国华北北部、东北再次暴发成灾，见虫面积达397.4万 hm2，比2006－2011年平均值（69.3万hm2）增加4.7倍，对玉米、谷子、水稻等粮食作物生产安全造成了严重威胁［6－7］。

粮食问题历来是对国计民生具有特殊重要性的重大问题，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长期面临食物安全保障的重大任务，进一步提高对有害生物灾变的预警能力已成为各级政府的共识。害虫的频繁发生和大面积暴发，已成为影响我国粮食产量和品质的主要因素之一。这些害虫为何在沉寂多年之后突然暴发？暴发原因和成灾机理如何？如何才能做好突发性、暴发性害虫的早期预警，实现有效防控，减少农业损失，是目前亟待解决的关键问题。随着信息技术的发展，利用现代信息化技术如昆虫雷达对迁飞性害虫的迁飞行为进行实时监测［8－10］；利用高光谱和低空遥感技术对病虫危害程度进行监测［11］；利用空中气流场分析研究高空气流对迁飞昆虫和病菌孢子的传播作用以及利用物联网等网络信息技术开展数字化预测预报和信息的收集与发布等［12］，对于指导突发性、暴发性害虫的有效治理将发挥越来越重要作用。本文总结了突发性、暴发性害虫的主要研究方法和现代信息技术在害虫监测预警方面的发展及应用，并提出了存在的问题及建议。

1 我国病虫害监测预警发展现状

近年来，我国在农作物病虫灾害监测预警研究和应用等方面已经取得了突破性进展。随着信息技术的发展，遥感、地理信息系统和全球定位系统等“3S”技术、生态环境建模和计算机网络信息交换技术已经普遍应用于病虫害的监测预警研究。综合利用各种信息数据的集成如病虫害发生的历史数据、作物布局、地形、植被及气象信息；结合空间分析、人工智能和模拟模型等手段和方法的应用，开展系统和科学的分析，在此基础上进行预测预报和防治决策，将农作物病虫害的监测预警提高到一个新的高度。在水稻“两迁”害虫的虫源追踪、实时监测［13－14］，草地螟、黏虫大发生的早期预警［5－6］，小麦病虫害发生危害的监测预警等应用方面都取得了一定的进展。在全国范围内根据自然生态区和病害流行范围及害虫迁飞路径，组成“全国重大病虫测报网络”，建成了从农业部到省、地、县级较为完善的病虫测报体系，通过信息的标准化采集、网络化传输、自动化处理、可视化发布，以及信息的咨询服务、视频会商与防控指挥、远程诊断与实时监控、数据库和网络管理等技术，使农作物病虫害的监测预警工作逐渐走向数字化和信息化。准确的病虫预测预报技术，可以增强病虫暴发危害的可预见性和准确性，提高防治工作的及时性和有效性。

2 监测预警技术的发展

2.1 传统的监测预警技术

害虫的猖獗常决定于以下4个方面：害虫的发生基数和生活势能（繁殖能力、抗逆能力以及迁移扩散能力）；适宜害虫繁殖为害的气象等环境条件；天敌的种类和数量；害虫的食物来源是否充沛。农业上造成严重危害的突发性、暴发性害虫常常具有迁飞习性，在常规测报上，主要根据我国的气候情况，划分越冬区划和迁飞为害区域。在监测上，定期开展越冬虫源基数调查；利用黄板、灯光诱集以及高山网、风筝、无人机等取样手段，掌握种群动态变化和获取虫源样本，并利用雌虫生殖系统解剖［15－17］明确迁入迁出虫源性质；利用飞行磨系统测定潜在飞行能力和模拟环境条件对飞行能力的影响。通过以上参数，对发生期、发生量、发生分布和危害程度进行本地或异地预测预报，指导农业生产防治。因此，传统测报技术主要是根据害虫迁飞为害规律、暴发成灾机理等分析，推测未来一段时间内害虫扩散分布和为害趋势的综合性技术，需要应用相关的生物学、生态学知识和数理统计、系统分析等方法。

对于突发性、暴发性害虫传统监测预警技术最值得一提的是标记—释放—回收技术和方法［18］。该技术对于证实昆虫的远距离迁飞习性，揭示害虫的突发性、暴发性具有重要作用。［23］，我国在20世纪60年代，李光博等带领全国黏虫协作组，在1961－1963年先后在9省13个地点进行了17次试验，总共标记成虫202万5千余头，曾在5个省11个地点共收到标记成虫12头，标记回收地点的直线距离约600～1 400 km，成功阐明了黏虫在我国的迁飞为害情况，并提出了异地测报理论和相应的治理措施，有效缓解了黏虫的危害［19－20］。根据黏虫标记—释放—回收的成功经验，20世纪70－80年代，国内外学者对褐飞虱、稻纵卷叶螟、草地螟和小地老虎等相继进行了标记—释放—回收，取得了一系列重要发现［21－25］，为异地测报和有效防控提供了指导。

2.2 现代监测预警技术

随着现代信息技术的发展，一些“3S”技术、人工智能技术、数据挖掘技术和物联网等网络信息技术逐步被应用到了农作物病虫害的监测预警中，发展了昆虫雷达学、遥感监测学等一些跨学科、跨专业的学科和技术，推动了农作物病虫害监测预警学科的飞速发展。

2.2.1 迁飞昆虫的雷达遥感技术

昆虫雷达是经过专门改进或设计的一种雷达系统，可对空中迁飞的昆虫开展实时监测。其优势主要表现在能同时监测到空中不同高度层（昆虫一般迁飞高度在2 km以内）的昆虫飞行过程，相对于传统方法，能够提供大范围的空间自动取样；同时由于雷达自身主动发射电磁波，监测不受白天黑夜的限制，而且昆虫在飞越雷达上空时不受雷达电磁波的干扰，这种方法对于监测夜间飞行的空中昆虫具有无与伦比的优势。昆虫雷达的出现可以更好地用于研究昆虫空中飞行行为参数，实现了空中昆虫迁飞由定性分析到定量研究的转变［1］。昆虫雷达在研究昆虫的起飞、巡航高度、定向、成层及其与环境条件如高空温度、气流等的关系方面作用突出［26－30］，可以揭示昆虫在迁飞过程中各种行为特征以及其大气结构和运动对昆虫飞行行为的影响，极大地推动了迁飞昆虫学的发展［31］。

目前，国内外雷达昆虫学家利用昆虫雷达在研究昆虫迁飞行为、迁飞与大气边界层的关系等方面都取得了一定的研究成果，尤其是数据采集的自动化，使昆虫雷达系统逐渐走向自动化和网络化［1］，雷达监测技术也逐渐走向成熟，由研究型逐渐转入应用型，被广泛用于空中昆虫种群动态的实时监测，用于预测害虫暴发的种类和时间以及数量［32］。长期的监测数据也为了解昆虫迁飞规律提供了基础性信息资料，具有非常重要的实用价值。

2.2.2 害虫暴发为害的高光谱遥感技术

遥感技术是20世纪60年代发展起来的综合性探测技术，在与测定目标没有物理接触的情况下，通过获取、处理和分析电磁波能量与探测目标间信息（如空间、光谱和时间），来实现对观测目标的监测、分析和评价［33］。近年来，我国开展的农业遥感研究主要集中在农作物面积提取、农作物遥感估产、生长状况监测等方面。国际上针对森林和草地的病虫危害监测研究，已经从定性研究进入了通过建立数学模型的定量、定位研究阶段，技术也较成熟，基本上达到了业务化运行的程度［34］。农业病虫害发生危害遥感方面，我国目前研究作物对象较单一，以小麦、水稻为主。以地面高光谱遥感观测技术为主，航空遥感较少，航天遥感几乎没有；遥感数据处理方法简单，以常规的光谱分析技术为主，很少涉及神经网络、支持向量机等智能化自动化处理技术研究。

在精确的农作物病虫害管理中，实时准确获取的病虫害分布及危害程度情报，可以为管理人员提供何时何地喷洒农药的实用信息。由于受害植物与健康植物的光谱特性相比，某些特征波长的反射光谱值会发生不同程度的变化，应用高光谱遥感技术，研究受害植物光谱特性的信息变异，可以为大规模监测植物病虫害发生动态提供可靠的依据。Mirik等研究了受俄罗斯麦蚜危害的冬小麦反射率光谱和虫量间的相关关系，并提出了预测虫量的光谱指数［35］。乔红波等在不同生育期内对麦蚜不同为害水平的冬小麦冠层光谱进行测定，确定了不同时期、不同蚜量为害的小麦光谱特征以及监测的敏感波段和敏感时期，并对影响光谱测量的因素进行了初步探讨［36］。刘占宇等选择对水稻病虫害响应的敏感光谱区域和谱段，构建病虫害胁迫指数，探索对水稻不同病虫害的危害等级分类和色素含量、病害严重度指数、虫情指数等危害指标的估算方法研究，并运用QuickBird影像提取稻飞虱危害面积和产量损失评估［37］。

2.2.3 害虫暴发成灾的早期预警技术

计算机网络信息技术具有传播速度快速、价廉、可靠等优势，加之与计算机多媒体技术、物联网技术、地理信息系统技术和人工智能技术相结合，对于农作物病虫灾害监测信息的传输、预警和治理决策信息的发布和植物保护信息的普及，可以发挥非常重要的作用。在许多发达国家，相继建立了相应的农作物生物灾害监测和治理的网络设施和植物保护信息研究中心，为农业生产服务。

我国在20世纪80年代研究昆虫迁飞路线时，广泛应用空中风场对黏虫、草地螟的迁飞路线进行推测，取得了一定的成果［38］。近年来，随着信息技术的发展，中国农业科学院植物保护研究所监测预警实验室、南京农业大学信息生态实验室等，在地理信息系统平台上，运用HYSPLIT、GRADS等空间分析和图形处理等高新技术手段［39－40］，把昆虫雷达监测到的实时数据与不同的天气学背景相结合，分析了草地螟、黏虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟等突发性、暴发性害虫的虫源性质、成灾机制［41－46］。探讨了稻飞虱、稻纵卷叶螟在中南半岛不同国家地区间往返迁飞的路径模式［47］，并对重大迁飞性害虫在南北迁飞降落过程的大气背景进行了数值模拟和客观分析［48－49］。综合应用重大病虫害区域性暴发的历史数据、地形地貌数据，结合室内、田间试验结果，区域性大尺度监测结果以及统计模型分析结果，研究了基于地理信息系统的重大农作物病虫害暴发成灾动态机理模型和早期预警模型，提供了农作物病虫害预警与治理的决策支持。

2.2.4 监测预警信息获取与发布技术

数字化监测预警系统的建设是提高农作物重大病虫害测报能力的重要途径和手段。近年来，全国农业技术推广服务中心已经初步建成了全国农作物重大病虫害数字化网络信息平台，显著加快了测报信息的传递速度和处理能力［1］。数字化监测预警系统平台的内容基本覆盖了主要粮食、经济作物以及果树、蔬菜病虫害近百种，占各地监测对象的85%以上；该系统的功能基本覆盖了测报信息上报、数据智能分析、预报信息发布、监测站点管理、内部网络办公等功能。目前系统应用基本覆盖了国家系统平台及20多个省级系统以及约1 340个病虫测报区域站、监测点，推广使用测报站点覆盖率达85%以上，江苏、安徽等省数字化系统实现了全覆盖。实现了测报数据报送网络化、加快了信息传输速度；初步实现了测报信息分析智能化、提升了快速反应能力；实现了预报发布方式多元化，提高了测报信息到位率；实现了数据库建设标准化，初步建成国家病虫测报数据库。显著提高了重大病虫害的监测预警信息传播和分析能力，为植保防灾减灾提供了有力的技术支撑［50－52］。

数字化与信息化是测报工作的发展方向和未来，必须抓住机遇、审时度势，充分利用互联网、物联网等现代科学技术，加快构建功能完善的数字化网络平台，进一步提高重大病虫害监测预警能力和水平，为政府决策和广大农民开展防控提供更加科学、高效的技术支持与信息服务，为植保防灾减灾和保障国家粮食安全做出更大贡献。

2.3 突发性暴发性害虫监测预警实例

2.3.1 水稻“两迁”害虫的虫源追踪和迁飞为害的实时监测

我国稻飞虱、稻纵卷叶螟主要来自中南半岛（越南、老挝、缅甸及泰国北部等），在国内难以开展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种群数量。2008年以来，为了弄清我国稻飞虱的虫源性质，南京农业大学翟保平教授研究团队与全国多家研究单位合作组团，考察越南、老挝、缅甸、泰国近30余次，基本上明确了我国东部稻区（包括滇东、滇东南）稻飞虱的早期迁入虫源来自越南中南部和中部、老挝万象平原和沙湾拿吉及泰东北，主迁峰虫源来自越南红河三角洲，而滇西和滇西南的虫源来自缅甸伊洛瓦底平原和泰北。2011年和2013年的6次回迁种群考察，初步明确了回迁到越南的稻飞虱种群因食物链被打断而全军覆没，而春季迁入我国的稻飞虱种群源于越南中部稻区稻飞虱种群的重建。种群重建的虫源则来自于越南中南部沿海稻区广南、广义和平定三省，富安省及柬埔寨洞里萨湖周边稻区也能提供少量虫源。

中国农业科学院植物保护研究所与成都锦江电子系统有限公司合作，成功组建了毫米波扫描昆虫雷达，2007年以来，设置在广西兴安县的农业部桂林有害生物防治野外科学观测试验站，开展水稻“两迁”害虫的实时监测。研究结果表明，褐飞虱迁飞主要分布在300～1 100 m高度，通常在300～400、500～700和800～1 100 m高度层形成3个虫层，秋季迁飞具有定向现象，大致呈南—北定向，与当时的东北风向呈一定的夹角［46］。5、6月份的虫源主要是在西南气流的运载下，从广西南部和越南北部迁入而来。随着本地早稻的成熟，在西南气流的支持下稻飞虱将飞往湖南中东部稻区。白背飞虱在3－5月份主要从广西南部和广东西南部以及海南稻区迁向广西兴安县一带，大发生的年份越南北部也能为其提供大量虫源，个别虫源可以来自缅甸的北部稻区。白背飞虱主要借助西南气流或西南偏南气流北迁，西南低空急流为其大规模北迁提供了气流支持，降雨可使白背飞虱大量降落。

稻纵卷叶螟在日落前30 min开始起飞，20：00左右达到起飞高峰，起飞可持续1～1.5 h；迁飞高度主要在1 000 m以下，迁飞虫群在垂直高度上的密度分布不均匀，空中虫群有聚集成层现象，可形成2～3层，在400～500 m高度成层密度最大。成层现象与局部风速极值有关，与风向关系不大，但最大密度并不总是出现在最大风速处。5月迁入虫源来自广西东南稻区和广东西南稻区，部分来自越南中部和海南西部稻区。6月迁入虫源主要来自广西东南部、广东西南部和海南北部稻区。西南和偏南低空激流是稻纵卷叶螟北迁的运载气流，降雨是引起稻纵卷叶螟集中降落的主要原因［14］。

2.3.2 草地螟虫源监测及防控

草地螟是我国北方农牧区重要的迁飞性害虫，其周期性大规模的暴发给农牧业生产带来了巨大威胁。自2005年以来，中国农业科学院植物保护研究所程登发研究团队在吉林、内蒙古、北京等地开展了多年的雷达监测，结合空中风场和轨迹分析，初步阐明了2007－2012年草地螟大规模迁飞的虫源，并提出蒙古共和国、俄罗斯、中蒙、中俄等3国交界处都可以形成我国草地螟大发生的虫源，做好境外虫源的监测工作对于草地螟的早期预警和有效防治具有重要意义［41］。

2008年奥运会前夕，草地螟在我国内蒙古、河北、山西、黑龙江、吉林、辽宁等省自治区大规模暴发，发生面积之广，为害程度之重，持续时间之长均为历史罕见。8月3日北京城区出现大规模迁入草地螟，直接威胁奥运场馆和园林绿化带，给奥运会的顺利召开带来了严重挑战。8月4日，中国农业科学院植物保护研究所程登发研究团队临危受命，配合奥组委、农业部、全国农业技术推广服务中心、北京市农业局、北京市园林绿化局等多家单位，根据多年昆虫雷达监测经验和对草地螟迁飞规律、空中飞行参数的掌握，通过虫源地实时考察、昆虫雷达监测、空中气流分析，明确了迁入华北和东北地区的草地螟虫源性质，掌握了大区虫情动态，及时提出了探照灯空中阻截、地面灯诱杀、奥运场馆灯光管控和植物源农药防治相结合的综合防控措施。为草地螟的有效防控提供了强有力的技术支撑，保障了奥运会的顺利召开，得到了农业部种植业管理司、北京市农业局的高度赞扬［5］。

2.3.3 黏虫成灾机制及预测预报

20世纪80年代前，黏虫是我国主要粮食作物上的重要害虫，随着种植结构的调整，大大压低了黏虫在越冬区的种群密度，20多年来未对粮食生产构成大的威胁。2012年8月上旬3代黏虫幼虫在我国华北北部和东北地区突然暴发，面积之大、范围之广、密度之高为近年罕见［7］。

中国农业科学院植物保护研究所监测预警研究室多年来一直坚持开展重大迁飞性害虫的野外监测工作，监测虫情数据及时上报全国农业技术推广服务中心，为黏虫的预测预报和防控决策提供了技术支持。针对2012年3代黏虫的暴发，本团队通过探照灯和垂直昆虫雷达的多年连续监测，结合气象因素、迁飞高峰期的天气背景分析和迁飞路线的轨迹模拟进行了分析。前期虫源的逐代累积是3代黏虫暴发前提条件，适宜的环境条件和迁飞动力场是黏虫暴发的外在推动力，迁飞后的聚集降落是造成华北北部和东北地区大面积暴发的主导因素。轨迹分析显示华北北部地区3代黏虫大暴发的虫源大部分是从周边地区迁飞扩散而来，是迁入种群和本地种群在适宜气象条件下共同作用的结果，与东北黏虫种群关系不大。东北地区3代黏虫的虫源大部分来自本地，受偏西气流和降雨的影响，东北地区2代成虫不能有效迁出，黑龙江北部2代成虫在偏南气流的运载下向南迁飞，受锋面天气影响降落在黑龙江、吉林交界处，与东北地区北部和华北地区迁入的成虫汇集后，造成了东北局部地区的严重发生［6］。

针对大家对第4代黏虫可能会继续暴发成灾，并且发生面积和为害程度可能超过3代黏虫的担心，我们根据前人研究资料和近年的野外监测结果、大气环流对成虫迁飞的影响、农作物生育期、暴发为害的气候条件等方面，分析预测了第4代黏虫不会在我国农作物上造成大范围的危害，建议局部地区加强监测，同时，加强2013年1、2代黏虫的监测。该建议于2012年9月14－15日在北京召开了全国黏虫监控工作研讨会上提出，得到了农业部种植业管理司和全国农业技术推广服务中心的认可。从目前情况来看，当时的预测是完全准确的，为指导农业生产防治提供了有力的技术支撑。

2013年5月底6月初，黄淮、华北和东北地区多个监测点同期出现灯下蛾峰，北京延庆雷达监测点6月5－8日探照灯诱虫器日诱虫量在2万头以上，6日接近10万头，卵巢发育主要集中在2～3级，对夏玉米造成了极大威胁。今年各级植保部门对黏虫的发生为害给予了高度的重视，在农业部的统一部署下，及时做好虫情监测、预测预报和防控工作，使2代黏虫幼虫得到了有效的控制。虽然21世纪以来我国北涝南旱的趋势正在形成，植被条件适宜于杂食性害虫在我国北方地区暴发为害，7月底2代黏虫成虫量在一些地方仍然居高不下，但由于今年我国大部分地区长时间持续高温，势必会对第3代黏虫在我国的大发生造成抑制，因此，笔者初步分析认为今年我国的第3代黏虫会重于常年，但不会像2012年那样突然大暴发。建议加强监测，对局部地区的暴发及时应对。

3 存在的问题和对策

随着全球气候变化的加剧，近年来我国气候出现北涝南旱、气温急剧变化等特点，导致我国农业生态环境发生明显改变，由于北方雨水充沛使得北方地区农作物和杂草等都长势旺盛，为杂食性害虫如草地螟、黏虫等的大暴发提供了有利条件。环境条件的变化，也导致迁飞性害虫的暴发危害规律发生重大变化，其大发生的频率和程度都不同程度的加大，农业生产安全面临严峻挑战。

3.1 目前我国植物病虫害监测预警存在的问题

“十二五”期间，由于国家改变了项目的设立机制，一些科研单位也在研究导向方面发生了一些改变，农作物病虫害监测预警、预测预报的研究被纳入了不同的作物之中，使其研究力量有所分散，重视程度也不如以前，评价体系也使一些年轻人不愿从事田间生态方面的宏观研究，导致监测预警研究遇到困难。学科的设置，也使监测预警学科后继乏人，特别是随着高等教育改革后第一批大学毕业生陆续退休，病虫害监测预警方面的人才又再次面临青黄不接的局面，亟待引起各级部门的高度重视。

3.2 对策及建议

针对近年来我国农作物上主要病虫害呈现突发性、暴发性危害的特点，我们一方面要加强暴发危害机理的研究，同时也要加强“3S”技术等高新技术在病虫害发生危害实时监测和早期预警方面的研究和推广应用。只有微观和宏观相结合、传统手段和高新技术相结合，科研、教学和推广密切结合，才能最终使监测预警技术应用于农业生产实践。

4 展望

遥感、地理信息系统和全球定位技术以及物联网等网络信息技术的迅猛发展，也为突发性、暴发性害虫的监测预警提供了良好的发展机遇，信息技术的飞速发展也将使害虫监测预警技术发生重大变革。如应用“3S”技术、生态环境建模分析和计算机网络信息交换技术，提高了多种重大病虫害监测预警和防控决策能力。针对农作物病虫害多发、重发、频发的态势，以国家相关科技计划为依托，采取科研、教学、推广与试验示范应用、研究开发产业相结合，开展病虫害灾变规律、监测预警与综合防控技术协作攻关，通过推广应用，在防灾减灾中发挥重要作用。

农业部余欣荣副部长在2012年中国植物保护学会成立50周年的农作物重大病虫科学防控高层论坛上“建设现代植保，服务现代农业”的讲话中提出，要创新理念，建立科学植保、公共植保和绿色植保，其中就要求实现农作物病虫害监测预警的信息化，采取重大措施大力推进植保科技创新与应用，大力加强重大病虫监测预警工作。相信有各级领导的重视和支持以及全体植保科技工作者的努力，必将推动我国监测预警工作的向前发展。

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