氣候變化系列科普訪談之三:氣候變暖與農業病蟲害

　　 

　　 

　　地點：中國農業科學院

　　主題：氣候變暖與農業病蟲害

　　嘉賓：中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員 馬春森

　　記者：中國氣象報記者 顏昕 

　　

　　溫度升高會對昆蟲核心生命活動產生直接影響  

　　顏昕：昆蟲在動物界中種類最多，數量最大，對農業生產和人類健康造成重大影響。昆蟲是變溫動物，那麼氣候變暖對農業病蟲害的影響是不是較大？

　　馬春森：溫度升高則對昆蟲的生長發育、代謝速率、生存繁殖及遷移擴散等核心生命活動產生直接影響。揭示以溫度升高為主要特徵的氣候變暖對昆蟲影響的生態學機理，構建昆蟲種群的氣候響應模型，對模擬氣候變暖情景下昆蟲的發生趨勢，提高預測預報的準確性和防治決策的科學性有重要意義。

　　

　　溫度升高、降雨增多對大部分農業病蟲害發生、發展是有利的

　　顏昕：應該如何分析氣候變化對病蟲害的影響？

　　馬春森：氣候變化對病蟲害的影響應該從比較系統的角度進行分析。農業病蟲害與溫度、相對溼度關係特別密切，應該綜合考慮兩者對病蟲害的影響，並進行系統研究。全球氣候變暖，溫度升高在不同的情況下對農業病蟲害的影響不同，溫度升高，降雨增多，也就是溫度高，溼度大的條件對大部分病蟲發生、發展是比較有利的。溫度升高，降雨減少，比較乾旱，則對一部分病蟲害是有利的，對另一部分病蟲害是不利的。

　　溫度升高對農業病蟲害的影響具有地域性。以前夏天高溫時期非常短，比較冷的地方如我國的東北地區，現在溫度升高了，總的來說對農作物和農作物上的病蟲害是有利的；華北、黃淮海一帶是相對較熱較旱的地區，夏季溫度再升高，對許多喜高溫的害蟲較為有利，但對不耐高溫的種類則有不利的影響，而且溫度升高往往伴隨著乾旱，對不耐乾燥的病蟲害種類造成一定的抑制作用。同樣冬季溫度的升高對這一帶的農作物病蟲害造成的影響也很複雜，因此同一區域溫度升高，對不同病蟲害的影響也不一樣；長江以南夏天溫度比較高，溼度比較大，如果溫度再繼續升高對喜歡熱的病蟲害是非常有利的，但對喜冷種類則有抑制作用，這一地區冬季溫度的升高對病蟲害的發生具有較為普遍的正面作用。

　　正是由於不同種類的農業病蟲害具有不同的生命特徵以及與農作物之間形成複雜的相互作用，因此，我們需要逐一認識溫度升高為主要特徵的氣候變化對每一種農作物重大病蟲害的影響，從而提出具有針對性的適應對策。
分析氣候變化對病蟲害的影響，一方面應考察氣候變暖對病蟲害本身發生期、發生程度及其相關生命現象的影響，另一方面應考察溫度升高對病蟲害為害農作物的程度的影響。

　　

　　氣候變暖導致農業病蟲害地理分布擴大

　　顏昕：隨著溫度升高，農業病蟲害分布的地理範圍是否在擴大？

　　馬春森：氣候變暖拓寬了農業病蟲害的適生區域，導致地理分布擴大。溫度是限制病蟲害特別是蟲害在地球上分布的主要因子之一，溫度升高為標誌的氣候變暖必然對蟲害的地理分布產生重要影響。昆蟲地理分布的變化意味著當地主要害蟲的種類組成和群落結構發生根本變化，害蟲的防治技術體系也應進行調整。

　　氣候變暖導致昆蟲向兩極和高海拔地區擴展。氣候變暖使受低溫限制的昆蟲增加了向兩極和高海拔擴散的機會。歷史數據表明，在1960至2000年期間，由於溫度升高，日本主要水稻害蟲稻綠蝽的分布北界從日本和歌山北移至大阪，向北移動了70千米。由於受限於冬季最低溫，桔小實蠅目前主要分布在非洲南部、中美洲等熱帶和亞熱帶地區，在氣候變暖情境下，向美國南部、歐洲地中海南部等溫帶地區擴展。黑腹果蠅的耐熱種群在澳大利亞東部沿海地區分布提高了4個緯度梯度。氣候變暖導致海溫與海平面升高，棲息於海藻深處的海藻可能偏向更北部與西部的挪威與蘇格蘭分布。

　　

　　水稻病蟲害

　　

　　氣候變暖使蟲害首次出現期、遷飛期及種群高峰期提前

　　顏昕：我們知道，通常情況下很多昆蟲的生長發育需要一定的溫度，氣候變暖是否使這個溫度更容易達到，從而導致提前發生？

　　馬春森：氣候變暖加快昆蟲的生長發育，導致昆蟲發生期提前。溫度是決定昆蟲生長發育速率的最重要的因子，氣候變暖能加快昆蟲各蟲態的發育，導致其首次出現期、遷飛期及種群高峰期提前。

　　氣候變暖使蟲害發生期提前是不爭的事實，我們關注蟲害發生期的兩個點，一是發生始期，另一個是發生盛期。例如小麥蚜蟲由於溫度升高發生期提前，那麼它一年中發生為害的總時間就會增加，從而導致蚜蟲數量增加，為害加重，近20年來小麥蚜蟲在華北地區的嚴重發生，無不與氣候變暖有關。玉米生產遇到的最大蟲害——玉米螟，本來在吉林省發生一代或者有不完全的第二代，氣候變暖，溫度升高了，就變成二代了。以前的第二代不需要防治，氣候變暖條件下就需要對第二代進行防治了，因此，氣候變化對農業生產中的病蟲害防治影響會很大。

　　氣候變暖對昆蟲發生期的影響，在國外已有大量觀察。歐洲的科學家率先以蝴蝶、蚜蟲、蜻蜓、蜜蜂等常見且在農業生產或生物多樣性保護中重要的昆蟲種類為對象，開展了氣候變暖對昆蟲發生期影響的研究。歐洲蝴蝶監測計劃BMS（Butterfly Monitoring Schemes）鑑於蝴蝶對溫度變化的敏感性，將蝴蝶作為研究氣候變化對動物區系影響的指示物種開展研究。由於春季溫度升高，西班牙地中海盆地西北部19種最常見蝴蝶中有17種蝴蝶首次出現時間提前，小赭弄蝶、琉璃灰蝶等5種蝴蝶首次出現期提前了7至49天，暗脈菜粉蝶Pieris napi等8種蝴蝶種群高峰期提前了7至35天；英國35種主要蝴蝶中約有30種首次出現期與種群高峰期提前2至10天。在荷蘭的蜻蜓和豆娘等37種蜻蜓目昆蟲的成蟲發生期（起飛期），以及西班牙的義大利蜜蜂與菜粉蝶的首次出現期均隨著當地春季氣溫升高而提早出現。

　　

　　氣候變暖會改變昆蟲、寄主植物和天敵之間的物候同步性   將打破原有生態系統平衡

　　顏昕：氣候變暖之後，害蟲、寄主植物和天敵之間的關係會有什麼變化？

　　馬春森：氣候變暖下不同物種對溫度變化的適應性之間的差異，導致昆蟲與寄主植物同步性、昆蟲與昆蟲之間同步性的改變。寄主植物為植食性昆蟲提供其生長發育和繁殖所必需的營養物質和棲息環境，周圍其他物種以捕食、寄生、競爭和共生等方式對昆蟲種群變化產生重要影響。植物和昆蟲的生命活動和新陳代謝與環境溫度息息相關。氣候變暖對植物、昆蟲和其他物種均產生重要影響，但由於不同種類的昆蟲和寄主植物對溫度升高的適應性反應不同，導致昆蟲與寄主植物及周圍其他昆蟲的原有關係發生改變，從而對害蟲種群消長、為害程度及相應的防治策略產生實質性影響。

　　氣候變暖改變昆蟲和寄主植物的物候同步性。農作物和病蟲害同步性，即是植物和害蟲對溫度的需求不一樣。植物和害蟲長期進化形成相互適應，例如蘋果的一種食心蟲，叫桃小食心蟲，它的產卵期和蘋果的幼果期正好吻合，在全球氣候變暖的情況下，這種吻合是否會受到破壞？若食心蟲的發生期提前，成蟲產卵時，果樹結的果實太小，甚至還未結果，食心蟲就會因沒有合適的食物，其繁殖受到影響或被迫改變他的食性。

　　我們對小麥蚜蟲進行了十幾年的跟蹤調查，發現小麥蚜蟲數量最多的時候是在小麥開花到灌漿的時期。因為這個時期，營養物質質量最好，溫度最適合蚜蟲的生長發育和繁殖。氣候變暖，溫度升高，小麥蚜蟲數量最多的時期提前到小麥孕穗或者是拔節期。小麥灌漿時期，雖然營養物質最好，但溫度太高不適宜蚜蟲的繁殖，因此氣候變暖了，兩者很難同步。

　　氣候變暖以後，昆蟲的擴散比植物的擴散快，也就是說昆蟲已經到了一個地區，植物可能還沒有擴散到那個地區，昆蟲沒有了以前對應的食物，就需要吃別的植物。在這樣的擴散不同步的情況下使昆蟲食性和作物的害蟲組成造成變化。

　　溫度升高除了直接影響昆蟲的生長發育和生存繁殖外，同時也影響寄主植物的生長發育進度，由於昆蟲和植物對溫度升高的反應差異，常導致昆蟲與寄主植物在物候同步性改變，從而影響昆蟲的正常取食並進一步影響其種群發展。隨著氣候變暖，多種森林昆蟲幼蟲孵化期提前，而樹木發芽時間並無同步變化，如氣溫升高導致冬尺蠖、雲杉芽卷蛾幼蟲提前孵化無嫩芽取食而死亡，昆蟲和寄主植物同步性的消弱最終導致昆蟲死亡。氣候變暖還可延後昆蟲在冬前進入滯育的時期，稻綠蝽成蟲在日本大阪通常在9月中旬進入滯育，溫度升高使部分雌成蟲在秋季繼續產卵，孵化的後代無法完成發育進入成蟲期，不能以正常滯育越冬，從而導致綠稻蝽的親代與子代全部死亡。但有些昆蟲對寄主植物的同步性的消弱有很強的適應能力，美國北部雲杉色卷蛾、紐西蘭冬尺蠖分別通過延長幼蟲越冬休眠時間和推遲卵的孵化期來恢復與寄主植物的同步性。

　　一種害蟲和其他害蟲存在的競爭關係，天敵昆蟲與其賴以生存的害蟲之間的寄生關係和捕食關係，以及不同生物種類之間的共生關係，都是長期進化後，構成生態系統平衡的很重要的因素。氣候變暖溫度升高，對這些關係的同步性造成影響，從而改變了原有生態系統的平衡。例如卵寄生蜂的成蟲發生期必須和害蟲的產卵時期相同步，由於氣候變暖引發害蟲和天敵可能出現不同步現象，從而導致害蟲的爆發。在生態系統中，互相作用，不同物種間原有的同步性很重要。同步性的研究是未來氣候變暖對病蟲害的影響的重要研究部分。

　　

　　玉米病蟲害

　　

　　五種方法用來研究氣候變暖對昆蟲的影響

　　顏昕：目前，我們採取哪些方法對氣候變暖影響昆蟲進行研究？

　　馬春森：研究氣候變暖對昆蟲影響的最常見的方法就是直接觀察法，迄今為止眾多的關於氣候變暖對昆蟲的影響，均可通過觀察統計最近幾十年來昆蟲的發生期、分布地點、發生世代數、作物生長物候階段、種群數量、物種數及每個物種的豐盛度、取食的寄主種類和為害程度等現象並與相應時期的歷史氣候數據進行直觀的關聯分析或統計分析，得出氣候變暖對昆蟲發生期、地理分布、種群數量、為害程度、生物多樣性等影響的結論。這類方法的優點是直觀簡單，但這種方法只能粗略揭示氣候變暖對昆蟲有無影響，有怎樣的影響，不能定量說明影響的程度，而且只在少量地點針對少數幾種昆蟲有這類蟲情歷史數據，不能延展到其他地區。因此，科學家開發了預測模型、生態風險評估軟體、生物化石比較技術、人工氣候下昆蟲生命活動觀察、檢測標記基因頻率變化等五種方法來研究氣候變暖對昆蟲的影響。

　　顏昕：您剛才談到的五種方法在實踐的運用中有沒有針對性？

　　馬春森：建立昆蟲發育的有效積溫模型，預測未來氣候情景下的昆蟲發生。昆蟲發育的有效積溫法則是用來預測氣候變暖對昆蟲發生期、世代數影響的重要方法，它利用溫度梯度下發育歷期試驗並計算獲得的各種昆蟲的發育起點溫度和有效積溫兩個生物學指標，結合氣候學家對未來氣候情景模擬的溫度數據計算氣候變暖情景下害蟲的發生世代數，預測害蟲種群爆發以及地理分布。

　　利用軟體預測氣候變化對昆蟲的影響。CLIMEX是用來預測氣候變暖條件下昆蟲分布的常用軟體，適用於昆蟲地理分布和相對豐盛度主要取決於氣候因子；該種昆蟲在一年內經歷適合種群增長和不適合甚至危及其生存兩個時期的情況，該軟體被用來預測瓢蟲、蘋果蠹蛾和馬鈴薯甲蟲、舞毒蛾等昆蟲的分布受氣候變暖影響發生的變化。

　　通過在人工氣候箱模擬溫度升高研究氣候變暖對昆蟲的影響。昆蟲在恆溫梯度下生長發育、繁殖和存活等生命參數的研究已有大量報導，這些研究結果均可用來解釋氣候變暖對昆蟲的影響。國外也有專門模擬恆溫梯度來研究氣候變暖對昆蟲發育和取食影響的報導。但人工模擬自然條件下周期性變化的溫度對昆蟲生命活動的影響，才是研究氣候變暖對昆蟲影響的最根本的手段，中國農業科學院詳細的溫度升高模式的設計，顯著改善了氣候變暖的野外條件下麥蚜預測的準確性。

　　通過分子標記研究氣候變暖對昆蟲地理分布的影響。近年來，現代分子生物學技術逐漸應用於氣候變化對昆蟲影響的研究。由於氣候變暖對物種形成了強大的選擇壓力導致某些昆蟲染色體發生變異或者基因出現頻率發生變化。分子標記主要應用於研究氣候變暖對昆蟲的分布及擴散的影響。

　　利用化石等古記錄研究氣候變化對昆蟲的影響。化石、沉積物中昆蟲、植物隨著所處時期氣候變遷而呈現出不同的特徵，利用化石等古記錄是研究長期氣候變化對昆蟲等生物影響的有效途徑。如湖裡的古記錄或沼澤地的沉積物不僅為研究歷史氣候變化提供了有用數據，同時為推測以後氣候變化奠定了理論基，樹環、落葉或其他歷史資源同樣可以預測近代害蟲爆發趨勢，也為評價氣候變化潛在影響提供了證據。

　　

　　大豆病蟲害

　　

　　未來研究一要涵蓋主要重大病蟲害種類  二要深入開展氣候變暖適應性研究 

　　顏昕：在氣候變暖與蟲害的研究領域，有沒有一些新的進展和未來發展的方向？

　　馬春森：研究內容上首先需拓展研究對象，有必要從個別的農業病蟲害種類拓展到涵蓋主要重大病蟲害種類；第二需要深入開展氣候變暖情景下種間互作和昆蟲對氣候變暖的適應性研究。

　　因人類活動引起的氣候變暖對自然生態系統有強烈的幹擾作用，種類和數量都極為龐大的昆蟲是生態系統中物種多樣性重要的組成部分，氣候變暖對昆蟲的生命活動有重要作用。迄今為止的研究，涵蓋了氣候變暖對昆蟲分布、發生期、取食、寄主植物的同步性、取食為害程度等諸多方面，但重大農林害蟲的成災機理歸根結底是氣象、營養、天敵和人為防控等因素綜合作用的結果，而溫度升高不僅對害蟲本身的種群發展有直接影響，還會通過影響寄主植物和天敵及其與害蟲的相互作用對害蟲產生間接影響。現階段的研究主要集中在氣候變暖對昆蟲地理分布和種群長期發生趨勢在宏觀層面上的影響，還針對氣候變暖對害蟲與寄主植物複合系統的影響開展了初步研究，對氣候變暖條件下昆蟲與寄主作物的相互作用以及害蟲的種間競爭、天敵及其捕食和寄生關係，以及在群落生態學層面上尚需開展系統研究，方能闡明全球氣候變暖對農林生態系統的功能產生的影響。

　　研究表明，氣候變化產生強大的選擇壓力，使某些耐熱性差或因為食物同步性減弱而沒有食物的昆蟲死亡甚至絕種，但現有研究尚未深入涉及昆蟲在生理上和行為上的潛在適應性。許多昆蟲在夏季和冬季以滯育來適應不良環境對害蟲的影響，有的昆蟲則遠距離遷飛來躲避不良環境的影響，但揭示昆蟲在生理和行為上如何適應溫度升高對闡明氣候變暖下昆蟲的發生趨勢有重要意義。

　　儘管氣候變化對昆蟲的影響研究中使用了直接觀察法、軟體預測法、分子標記法、古生物記錄分析法等手段，但這些方法均各有局限，氣候變暖的長期性和緩慢性使野外實驗研究在時間上和成本上難以承受，人工氣候模擬和構建氣候驅動模型成為該領域的兩種主要研究方法。已有的研究大多利用人工控制的恆溫或簡單的變溫模式模擬氣候變暖中日均溫升高、白天溫度升高、晚上溫度升高對昆蟲生長發育、存活、生殖等影響，這些研究結果在某種程度上可解釋氣候變暖對昆蟲的影響。實際上，氣候變暖不是簡單的恆定溫度升高，在大趨勢下溫度變化的無規則性造成了以有限的人工氣候控制裝置模擬紛繁複雜的自然野外逐日變溫的巨大困難，而這些無規則的變化對昆蟲又產生至關重要的影響，因此，人工氣候箱溫度模擬試驗中溫度變化模式設計就成為探索氣候變暖效應的關鍵。迄今為止，中國農科院對此做了一系列探索，但需精巧設計試驗，以反映氣候變暖特徵對昆蟲影響的本質。

　　構建溫度等氣候因子驅動的昆蟲種群動態模型是研究氣候變暖對昆蟲影響的主要手段之一。已有的模型大多是利用氣候及蟲情數據建立的昆蟲發生期或種群密度等與同期氣候數據之間的回歸模型和利用恆溫生物學研究獲得的發育起點溫度和有效積溫建立的日度模型，但這類模型的構建中可用的歷史蟲情數據在延續的年代和涵蓋的地區都有很大局限，也由於調查方法和人員不一致造成系統誤差較大，數據質量不高；現有數據不一定涵蓋了未來可能的增溫幅度和增溫模式都對這類回歸模型預測的準確性和適用範圍產生巨大影響。因此，未來有必要建立一套基於人工氣候控制條件下的系統的實驗生態學數據，構建的昆蟲生長發育、壽命、繁殖、存活、遷移等過程的溫度響應生態機理模型和昆蟲的生活史廂車模型，在通過有限的蟲情和氣候歷史獨立數據的有效性檢驗後，來模擬預測在任何溫度變化模式下的害蟲發生時期和密度變化。

（責任編輯：顏昕）