近日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)所研究員馬春森團(tuán)隊(duì)關(guān)于“極端高溫事件改變種群統(tǒng)計(jì)參數(shù)、相對適合度和群落結(jié)構(gòu)”的研究結(jié)論引發(fā)廣泛關(guān)注。
5月7日,《中國科學(xué)報(bào)》記者來到馬春森的實(shí)驗(yàn)室,就該團(tuán)隊(duì)研究成果的相關(guān)情況采訪了馬春森。
該團(tuán)隊(duì)通過6年的潛心研究發(fā)現(xiàn),全球氣候變化打破了農(nóng)業(yè)害蟲群落原有的平衡,改變了害蟲群落物種間的相對優(yōu)勢度,使優(yōu)勢種發(fā)生了演替,該成果發(fā)表在《全球變化生物學(xué)》上。“氣候變化正在改變農(nóng)業(yè)害蟲群落的優(yōu)勢種。”馬春森告訴記者。
試驗(yàn)一次又一次,但結(jié)論是一樣的
“昆蟲是變溫動(dòng)物,對氣候變化極為敏感。在中國,小麥蚜蟲常見的有4種,禾谷縊管蚜、麥二叉蚜、麥長管蚜,還有一種就是無網(wǎng)長管蚜,對溫度反應(yīng)最敏感,高溫對其生長發(fā)育影響最大。”馬春森向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹道。
氣候變化具有兩個(gè)顯著的特征,包括溫度升高和溫室氣體濃度升高,馬春森認(rèn)為:“氣候變化的背景下,日平均溫度升高是逐漸而平緩的,但極端溫度事件的強(qiáng)度增加和頻率提高則成為氣候變化重要的特征,這種短期劇變的溫度會導(dǎo)致蚜蟲等體形小、生長發(fā)育迅速、繁殖快的農(nóng)業(yè)昆蟲的生長發(fā)育、繁殖、存活率和相對適合度發(fā)生顯著變化,最終導(dǎo)致昆蟲種群動(dòng)態(tài)發(fā)生變化。”
馬春森團(tuán)隊(duì)以在我國最為常見的共同取食為害的三種小麥蚜蟲為研究對象,揭示了極端高溫事件對共同發(fā)生的害蟲群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種演替的影響。“這三種蚜蟲對溫度的反應(yīng)是不一樣的,禾谷縊管蚜比較抗高溫,而麥二叉蚜和麥長管蚜相對差一些。”馬春森說。
他們首先通過分析過去50年的氣象記錄,從中仔細(xì)找出極端高溫的變化特征,發(fā)現(xiàn)極端溫度事件頻率越來越高,最高氣溫不斷沖破氣象記錄,而田間的實(shí)測溫度比氣象記錄還要高。在實(shí)驗(yàn)室里用人工氣候箱模擬這些田間極端高溫事件,設(shè)置24小時(shí)為周期的變溫,然后把這幾種蚜蟲置于這樣的環(huán)境,仔細(xì)考察蚜蟲生長發(fā)育、存活、繁殖和適合度。“通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),高溫事件的頻率和強(qiáng)度增加使禾谷縊管蚜適合度上升,麥長管蚜和二叉蚜的適合度在下降。”馬春森說。
“那么在小麥地里是不是這樣的情況?”馬春森接下來提出這樣的疑問。
該團(tuán)隊(duì)選擇在高溫發(fā)生頻率較高的武漢做了田間試驗(yàn),在麥地里用開頂式的透明生長罩(OTC)圍起來,里面溫度比外面的溫度高1~2攝氏度,看這樣的升溫范圍,里外蚜蟲有何變化。“實(shí)驗(yàn)證明了我們的結(jié)論同樣成立。”6年的田間調(diào)查也表明,高溫頻率大的年份,禾谷縊管蚜的相對優(yōu)勢度較大。
“這樣的情況僅在中國還是在全世界范圍內(nèi)也普遍存在?”馬春森團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對全世界小麥蚜蟲發(fā)生記載的文獻(xiàn)作了系統(tǒng)的調(diào)研、收集和分析,也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。
馬春森提起了15年前,在德國作博士研究時(shí)就發(fā)現(xiàn),短時(shí)間的極端溫度對小麥蚜蟲影響非常大。他當(dāng)時(shí)花了兩年多時(shí)間,做了小麥蚜蟲種群動(dòng)態(tài)模擬模型,并通過反復(fù)調(diào)整參數(shù),改善模型的結(jié)構(gòu),想讓模型更準(zhǔn)確,但效果并不理想。后來通過仔細(xì)研究高溫強(qiáng)度,持續(xù)時(shí)間和作用于蚜蟲的階段對其發(fā)育、繁殖和存活的影響,發(fā)現(xiàn)這種溫度變化對昆蟲影響的精細(xì)研究對提高害蟲預(yù)測的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。2001年回國后,他圍繞這一問題展開了系統(tǒng)研究。
他在反復(fù)的試驗(yàn)過程中切身體會到:溫度對蚜蟲等昆蟲的影響決不是傳統(tǒng)的恒溫條件下的研究就能把真實(shí)的情況預(yù)測出來的,必須把細(xì)節(jié)的東西考慮清楚,如一天溫度有多高、這樣的高溫持續(xù)幾天、作用的階段如何、高溫的頻率等。
通過該研究,馬春森認(rèn)為,優(yōu)勢種變化不是突然變化,而是隨著溫度變化不停在變,總體趨勢是隨著氣候變暖,耐熱的害蟲種類逐漸取代對熱敏感的害蟲種類成為當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢種。“越來越多的跡象顯示,禾谷縊管蚜的優(yōu)勢度將從南到北逐漸增加,在南方麥區(qū)逐步變?yōu)閮?yōu)勢種。”
發(fā)生期不同,防治上也有區(qū)別
由于三種麥蚜的危害部位及其造成的經(jīng)濟(jì)損失明顯不同,相對優(yōu)勢度的改變將顯著影響麥蚜防治經(jīng)濟(jì)閾值的制定。在上述三種蚜蟲中,麥長管蚜前期主要生長在葉子上,吸取小麥葉面韌皮部的營養(yǎng)物質(zhì),抽穗后轉(zhuǎn)移到穗子上,影響小麥的產(chǎn)量;禾谷縊管蚜主要在小麥下部葉片和葉鞘危害,加速下部葉片老化;麥二叉蚜介于兩者之間,以葉片危害為主。三種蚜蟲都傳播小麥上的病毒病,特別是小麥黃矮?。˙YDV),但這三種麥蚜在傳播麥類作物病毒病的效率上有顯著差異,二叉蚜的傳毒效率較高。因此其群落結(jié)構(gòu)和相對優(yōu)勢度的改變能顯著影響麥類作物的病毒感染率及病害的發(fā)生流行,進(jìn)而影響病害發(fā)生預(yù)測和防控策略的制定。
“針對傳播小麥病毒病為主的麥蚜防治上,在麥子出苗以后,通過防治蚜蟲控制病毒傳播,主要是針對二叉蚜、禾谷縊管蚜。”馬春森說,“如果是針對以保千粒重為主的麥長管蚜防治,為了節(jié)約成本和保護(hù)生態(tài)環(huán)境,最好是在小麥揚(yáng)花期打藥,要是藥效好,打藥周到,一般一次就夠了,特別嚴(yán)重時(shí),過兩個(gè)星期再打一次。”事實(shí)上,在生產(chǎn)實(shí)際中,農(nóng)民難以分清麥蚜種類,“通常采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)小麥處在揚(yáng)花期,一株小麥達(dá)到5頭蚜蟲,就需要噴藥防治。”馬春森指出,國內(nèi)麥蚜是以麥長管蚜為主,在南方,由于極端高溫事件頻發(fā),以禾谷縊管蚜居多;西部以麥二叉蚜為主。
“其實(shí),麥類作物上的蚜蟲的優(yōu)勢種還與濕度有關(guān),但目前的研究尚未將其作為主要指標(biāo)來考慮。”馬春森告訴記者。
氣候變暖不僅影響蚜蟲,還影響其他害蟲
氣候變暖拓寬了農(nóng)業(yè)病蟲害的適生區(qū)域,導(dǎo)致地理分布擴(kuò)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(biāo)志的氣候變暖必然對蟲害的地理分布產(chǎn)生重要影響。
“從長期數(shù)據(jù)觀測,全球氣候變暖是不爭的事實(shí)。”馬春森說。
歷史數(shù)據(jù)表明,在1960年至2000年期間,由于溫度升高,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(dòng)了70千米。由于受限于冬季最低溫,桔小實(shí)蠅目前主要分布在非洲南部、中美洲等熱帶和亞熱帶地區(qū),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(qū)擴(kuò)展。
“氣候變化不僅影響小麥蚜蟲,而且對大多數(shù)病蟲害都有不同程度的影響。”馬春森說,“我們實(shí)驗(yàn)室就選擇了三類典型害蟲為研究對象,十幾年來系統(tǒng)開展了氣候變暖對害蟲的影響和害蟲對氣候的適應(yīng)研究,以揭示氣候變化條件下病蟲害的發(fā)生規(guī)律,提高預(yù)測預(yù)報(bào)的水平”。
“小麥蚜蟲個(gè)體特別小、繁殖特別快、對溫度特別敏感。”馬春森說,“如果是大一些的昆蟲生物,熱幾個(gè)小時(shí)影響不太大,但蚜蟲、粉虱、葉螨、紅蜘蛛等小型害蟲則不然,因此我們選擇小麥蚜蟲為代表,研究這類氣候變化對這類害蟲的影響。”
“另一類害蟲是具有遠(yuǎn)距離遷移習(xí)性,且無滯育習(xí)性的突發(fā)性害蟲,如黏蟲和小菜蛾等,我們選擇世界性害蟲小菜蛾作為代表,研究冬季氣候變暖對這類害蟲越冬分布和夏季種群消亡的影響。”他向記者表示,冬季變暖已經(jīng)使小菜蛾越冬界限整體往北遷移。
對于全球氣候變暖對農(nóng)業(yè)病蟲害影響的總體趨勢,馬春森認(rèn)為,對北方病蟲害發(fā)生加重,對南方喜溫病蟲害種類會加重發(fā)生,喜涼種類則會減輕,主要發(fā)生區(qū)會向高緯度、高海拔遷移。
“我們團(tuán)隊(duì)主要是針對氣候變暖中的溫度升高對農(nóng)業(yè)重大害蟲的影響展開研究。”馬春森說,“溫度升高的幾個(gè)特征比較突出,一個(gè)是冬季變暖比夏季顯著,二是北方氣溫升高比南方明顯,三是夜間變暖比日間變暖明顯,四是極端高溫事件增加。我們針對這幾個(gè)特征展開了系統(tǒng)而有新意的研究,并取得了顯著進(jìn)展,近年來,已經(jīng)開始得到國際上一些知名實(shí)驗(yàn)室和專家的認(rèn)可。”
該團(tuán)隊(duì)對夜間溫度升高對小麥蚜蟲影響的相關(guān)成果在2014年7月發(fā)表在英國《動(dòng)物生態(tài)學(xué)》上,并作為“新發(fā)現(xiàn)”推薦到“Faculty of 1000(F 1000Prime)”。而Faculty of 1000是由生物學(xué)和醫(yī)學(xué)國際頂尖科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì),該機(jī)構(gòu)對全球每年發(fā)表的SCI論文中不足0.2%的極具科學(xué)價(jià)值和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)的優(yōu)秀論文進(jìn)行推薦和點(diǎn)評。
“氣候變暖對農(nóng)業(yè)重大害蟲影響的相關(guān)成果將陸續(xù)發(fā)表,我相信會推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)病蟲害監(jiān)測與預(yù)報(bào)邁向一個(gè)新臺階。”馬春森說。
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