用魔法打败魔法,科学家以虫治虫防治虫害

作者:杨泉峰、欧阳芳、戈峰  2021-06-07 19:44  阅读 123 次

《2021年全球粮食危机报告》指出,在2020年,全球有1.55亿人面临重度粮食不安全的问题。

目前,我国粮食尚能保证基本自给、口粮安全,但受极端天气、有害生物等不稳定因素的影响,作为人口大国仍要保持警惕,并且需探索出一条可持续发展的农业道路。

其中,在人类历史上,农业害虫一直是造成粮食大量减产的重要因素之一。

(图片来源:veer图库)

害虫虽小,危害极大

按照昆虫的口器,即昆虫的“嘴巴”的类型划分,农业害虫大多数为咀嚼式和刺吸式两类害虫。

咀嚼式害虫有蝗虫、棉铃虫等,刺吸式害虫有蚜虫、飞虱等。尽管这些害虫的体型一般都不大,但它们以大量个体组成害虫种群,同时取食危害同一株作物或者同一区域的农作物,从而给粮食作物生产造成巨大的产量损失。

以咀嚼式害虫蝗虫为例,成虫体长3-5厘米,但一平方公里的蝗群一天消耗的农作物量,相当于3.5万人一天的口粮!而刺吸式害虫麦蚜(小麦田最主要的害虫),麦蚜成虫体长虽然只有区区2-3毫米,但据测算,麦蚜对小麦产量的损失率达到10%-30%。

(图片来源:veer图库)

以虫治虫,大显身手

在农田生态系统中,害虫取食作物,同时害虫也有天敌。作物-害虫-天敌食物链构成了一个较为稳定的生态系统。害虫的天敌昆虫包括捕食性天敌和寄生性天敌两类。

捕食性天敌昆虫包括瓢虫、蜘蛛、草蛉和食蚜蝇等,直接捕食害虫为食。寄生性天敌有寄生蜂等,寄生于害虫体内或体表,以摄取寄主的营养物来维持生存。农田生态系统中,天敌昆虫对害虫具有良好的控制作用,单头七星瓢虫成虫平均每天可取食一百多头蚜虫;更为吃惊的是,单头食蚜蝇高龄幼虫平均每天可取食几百甚至上千头蚜虫。

天敌昆虫,危机四伏

2010年,《科学》杂志上发表一篇文章指出:相较于1960年,2010年全球的主要粮食产量增长接近3倍。这些产量的大幅增长依靠的是使用大量化学农药、化学肥料,机械化播种、收获等集约化生产措施。然而,长期大量使用化学农药不仅带来了害虫抗药性(Resistance)、害虫发生再猖獗(Resurgence)、农产品农药残留(Residue)的3R问题。

1960-2010年,全球的作物产量增长情况。

(图片来源:参考文献[1])

更糟糕的是,大量化学农药的使用,以及机械化播种和收获等集约化生产措施对生态系统中自然天敌昆虫等有益生物有很强的杀伤作用,它们的种类和数量均大量减少,进而导致天敌对害虫的控制作用减弱,造成作物产量损失增加。

农田中喷洒化学农药(S)或收获(H)等措施后,

天敌昆虫蜘蛛的数量显著下降。

(图片来源:参考文献[2])

种草养花,王者归来

农田中瓢虫等自然天敌昆虫处于很大的环境压力下,那么如何来保护这些有益昆虫呢?

目前主要有两方面的办法:第一、研发对害虫高效控制但对天敌昆虫低毒或无毒的化学农药和生物农药,进而减少其对天敌种群的杀伤作用;

第二、在农田田埂上种植可吸引和喂养天敌昆虫的植物。

对作物喷洒化学农药或机械化操作时,这些植物可作为天敌昆虫的生存与繁衍提供食物和居住场所。此外,这些植物上的植食性有害昆虫可作为天敌昆虫的猎物,从而喂养天敌昆虫。当作物田的害虫发生时,天敌昆虫能捕食作物田上的有害昆虫。

关于第二个方法,2016年,《英国皇家学报-生物科学》国际杂志报道了瑞士一个成功的例子,通过在麦田边缘种植多种开花植物组成花带,来喂养瓢虫、草蛉和食蚜蝇等多种大量的天敌昆虫,成功地控制了邻近麦田的主要害虫黑足负泥虫。

我国也有在农田田埂上种植植物来喂养天敌,控制作物害虫的研究。

在华北平原,小麦-玉米轮作田(小麦收获后,再种植玉米)是面积最大的种植方式。捕食性瓢虫是该区域重要的“农田帮手”,可有效地防止麦蚜、玉米蚜对作物的危害。然而,长时期大量使用化学农药防治麦蚜、玉米蚜等害虫,也杀伤了瓢虫等天敌昆虫,造成小麦-玉米轮作田的瓢虫等天敌昆虫的数量减少。小麦收获后,玉米出苗前,天敌昆虫缺乏栖息的植物生境,导致瓢虫等天敌昆虫数量进一步减少。

蛇床(Cnidium monnieri)是一年生草本,属伞形科、蛇床属,分布在我国华北等大多数地区,其果实称为 “蛇床子”,具有经济和药用价值。

蛇床草花期照片。

(图片来源:作者供图)

近期,我国的科研人员在《害虫管理科学》国际杂志上报道了将蛇床草种植在小麦/玉米轮作田的田埂上,在小麦收获后玉米出苗前,蛇床开花可为瓢虫提供大量的花粉食物和栖息生境,吸引和喂养大量的瓢虫;在玉米出苗后,瓢虫可以转移到玉米地。因此,蛇床草可作为天敌瓢虫的“桥梁”生境,促进其从小麦田转移至玉米田,有助于提升其对玉米田的害虫控制作用。

在山东济南(a)和德州(b)试验地,小麦、蛇床花带和玉米上,

瓢虫随调查时间的数量变化。

(图片来源:参考文献[4])

近期研究还表明,将蛇床草种植在棉田旁边,有利于保护天敌瓢虫,减少棉田主要害虫棉蚜。蛇床草上有一种名为胡萝卜微管蚜的蚜虫,该种蚜虫并不危害棉花、小麦和玉米等作物。该种蚜虫可作为猎物,被多种棉田天敌昆虫取食,比如龟纹瓢虫、异色瓢虫、七星瓢虫、食蚜蝇和草蛉等。因此,蛇床草上这种蚜虫可吸引并喂养大量的天敌昆虫。蛇床草上的天敌昆虫能转移到棉田,减少棉蚜的数量。与不进行防治的棉田相比较,种植蛇床草的棉田中棉蚜数量和棉蚜对棉花的危害率均减少了一半以上。由此,种植蛇床草显著减少棉田害虫数量,同时也减少了化学农药的使用,进而减少了对环境的污染。

2017年,联合国发表《世界人口展望》报道中预测,世界人口在2030年将上涨至86亿。因此,如何生产出足够多的粮食来养活如此庞大的人口,同时减少对地球生态环境的污染和破坏,进而实现可持续发展,成为了目前摆在人类面前的一大难题。

人类在思考解决这些难题的时候,或许可以怀着敬畏和学习之心,从自然中寻找答案。

参考文献:

[1] Godfray HCJ., Beddington JR., Crute IR., Haddad L., Lawrence D., Muir JF., Pretty J., Robinson S., Thomas SM., Toulmin C., 2013. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science, 341: 730-731.

[2] Thomas CFG., Jepson PC., 1997. Field-scale effects of farming practices on linyphiid spider populations in grass and cereals. Entomologia Experimentalis et Applicata, 84: 59-69.

[3] Tschumi M., Albrecht M., Entling MH., Jacot K., 2015. High effectiveness of tailored flower strips in reducing pests and crop plant damage. Proceedings of the Royal Society B-Biological Sciences, 282:20151369.

[4] Yang QF., Men XY., Zhao WL., Li C., Zhang QQ., Cai ZP., Ge F., Ouyang F, 2021. Flower strips as a bridge habitat facilitate the movement of predatory beetles from wheat to maize crops. Pest Management Science, 77: 1839-1850.

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