南繁作物有害生物监测预警体系构建

吕宝乾 郭安平 卢辉 苏豪 唐继洪

(1 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所 海南海口 571101;2 中国热带农业科学院三亚研究院 海南三亚 572025;3 海南大学 海南海口 570228)

南繁有害生物监测是一项基础性、长期性的工作，是科学指导内地来琼育种制种单位（公司）作物病虫害防控的前提，是降低海南土壤农药残留，提高农田生物多样性，确保国家粮食安全的技术保障。南繁在加速品种改良、原种扩繁和制种方面为国家农业发展做出了巨大贡献。在我国育成的杂交水稻新组合中，80%以上经过了南繁加代选育，已经成为新品种选育的孵化器和加速器，南繁基地则被誉为中国种业的硅谷［1-2］。南繁过程中，邮寄或随身携带种子是在海南和大陆间实验材料的主要交流方式，进而种传病虫害也成为海岛与大陆农作物或植物的潜在威胁，高危病虫草害在南繁基地时有发生，尤其是假高粱（Sorghum halepense）、草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）等对南繁育种基地生产造成潜在和现实的巨大损失［3-5］。近年来，在南繁作物上发现假高粱、黄瓜绿斑驳花叶病毒（Cucumber green mottle mosaic virus，CGMMV）、水稻细菌性条斑病（Xanthomonas oryzaepv.oryzicola）、红火蚁（Solenopsis invictaBuren）、草地贪夜蛾、福寿螺（Pomacea canaliculata）、美洲斑潜蝇（Liriomyza sativae）、 瓜 类 果 斑 病 （Acidovorax citrulli）等重大危险性有害生物，致使水稻、玉米等南繁育种产量受到严重影响［6-8］。快速准确地监测预警南繁区有害生物成为近年来国内外植保专家研究的重要课题。

自动化、智能化的监测技术是提升病虫害预警的重要途径。然而，南繁区属于热带地区，病虫害的发生受气温、降雨等众多不确定因素影响，加之南繁区耕地碎片化程度高、季节性强，单一监测技术和模型难以取得好的效果，在长期定点监测及数据维护方面都存在问题。2018 年习近平总书记在庆祝海南建省办经济特区30 周年大会上发表重要讲话时指出，要加强国家南繁科研育种基地（海南）建设，打造国家热带农业科学中心。面对党中央对南繁育种基地新的要求，有必要全面梳理南繁区有害生物监测预警发展情况，在现有技术平台的基础上，借用各地成功的发展经验，提出新形势下南繁作物有害生物监测预警体系的对策建议。

1 南繁有害生物监测预警系统总体框架

1.1 国内有害生物监测预警体系

国内农业病虫害监测预警系统得到了长足的进步与发展，包括远程监测技术［9］、遥感监测技术［10］、监测数据处理［11］以及无人机航空影像分析［12］在有害生物发生危害方面的监测预警应用，同时，农业信息化技术已经在农业上逐步应用［13］，开发应用的重大病虫害远程监测物联网，被广泛应用于农业生产中。我国已建成具有地理信息系统基本功能及决策支持系统（DSS）的全国主要粮食作物病虫害实时监测预警系统［14］，对小麦、玉米、水稻、马铃薯、高粱和谷子6种主要粮食作物的60 余种病虫害进行实时监测、预警和诊断，同时将预警数据转化成电子地图显示，病虫害发生点数及地域分布，可对小麦白粉病（Blumeria graminis）、 赤 霉 病 （Fusarium graminearum Schw.）、纹枯病（Rhizoctonia solani）、稻瘟病（Pyricularia oryzae）、稻曲病（Ustilaginoidea oryzae）、马铃薯晚疫病（Phytophthora infestans）、麦蚜（包括，麦长管蚜Sitobion avenae、麦二叉蚜Schizaphis graminum和禾谷缢管蚜Rhopalosiphum padi）、小麦吸浆虫（包括，麦红吸浆虫Sitodiplosis mosellana和麦黄吸浆虫Comtarinia tritci）和玉米螟（Pyrausta nubilalis）9 种重要病虫害做出短期防治决策，此系统有助于提高对主要粮食作物病虫害管理的科学水平。林业部门也在森林病虫害防治、检疫、中心处理系统研发的基础上，专门构建了用于森林病虫害监测、防治和管理的森林病虫害管理信息系统［15］。近年来，雷达监测技术和大数据分析正蓬勃发展［16－17］，借助于最新通信技术可以通过传感器、雷达、摄像机和无人机收集数据，系统采用Lora（long range） 与 TVWS（TV white space）相结合的技术来满足农场远距离和高宽带数据传输的需求，平台能够长时间持续稳定工作，而且即使在偏远的大型户外农场也可保证网络连接不会中断。

1.2 南繁作物有害生物监测预警体系构架

南繁区有害生物监测站点已比较健全，各级政府均建有监测网络系统，包括病虫害预测预报、防治技术、植物检疫［18］、农药管理、信息制作与发布系统。海南省三亚市于2007 年建成区域病虫监测站［19］，实现了害虫的定期监测、及时预警和信息共享，提高了工作效率和病虫害综合防控的科学性，使三亚市农作物病虫害监测预警能力得到全面提升，在指导农民防治水稻重大害虫三化螟Tryporyza incertulas、稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis和稻飞虱（包括：褐飞虱Nilaparvata lugens、白背飞虱Sogatella furcifera和灰飞虱Laodelphax striatellus）方面取得了成效，同时在有效保障地方农业生产安全方面取得了明显的效果。

现有的病虫害监测系统中缺少定量化的长期定点监测、预警模型、快速检测和鉴定、数据分析和诊断等模块，这些模块的缺失将不能及时为南繁区发布病虫害动态信息和提供技术支撑。中国热带农业科学院环境与植物保护研究所在南繁区通过高空灯诱集迁飞害虫，并根据害虫卵巢分级预测其产卵期和害虫的迁入迁出情况；在海南三亚、陵水和乐东固定监测点，通过理化诱控技术监测田间草地贪夜蛾、稻纵卷叶螟和稻飞虱等害虫的发生动态；在三亚安装了昆虫垂直雷达，定量化地获取不同时间和天气条件下昆虫的迁飞数据；在陵水县安马洋安装了远程虫情监测设备和远程孢子捕捉仪，通过物联网技术从云端实时获取病虫害数据，为南繁作物有害生物的监测预报提供信息支撑。通过南繁区现代化植保技术和信息技术的融合，初步构建了监测预警功能模块，包括监测平台、测报平台、检测与鉴定、数据查询和诊断网络5个子系统（图1）。每个子系统分别负责南繁区域的病虫害管理与服务。各子系统之间相互联系，可随时进行线上信息交换，主要专注发布南繁区有害生物的发生分布、趋势动态等信息。

图1 繁南作物有害生物监测预警系统主要功能模块

2 南繁作物有害生物监测预警体系

2.1 南繁有害生物监测技术应用

2.1.1 诱控监测技术

诱控监测包括物理诱控和化学诱控。物理诱控技术应用包括在南繁基地安装粘虫色板和测报灯、高空灯等设备，其优点在于可同时诱控多种害虫且不会伤害人畜和天敌。例如，在南繁瓜菜基地，安装了黄色粘虫板可诱控蓟马、蚜虫和小菜蛾（Plutella xylostella）等昆虫，在田间可根据害虫的趋色性使用特定颜色的粘虫板进行诱捕。灯光诱控目前是南繁基地使用较多的一种监测手段，利用了害虫的趋光性，目前在田间安装的频振式杀虫灯、黑光灯、光波诱控灯、远程测报灯等设备，均能较好地监测虫害发生情况，例如，本研究组通过安装在三亚的高空灯成功诱集了一种检疫性有害生物——中对长小蠹（Euplatypus parallelus）［20］，并对其在海南的发生动态进行了监测预警。

相比于物理诱控，化学诱控有更高的选择性和灵敏度，本研究组在南繁基地使用了新型诱芯及配套的诱捕器监测重要虫害，诱芯具有缓释结构，持效期长，可达45 d 以上，能够满足南繁区水稻、玉米等育种制种的需要，解决了草地贪夜蛾、稻纵卷叶螟的测报难题，可满足测报的需求。

2.1.2 昆虫雷达监测技术

昆虫雷达是开展迁飞性害虫监测与研究的一种重要设备，可利用昆虫自身的“回波”，用模式参数计算出迁飞害虫的数量、体型、飞向、高度等，并形成监测数据。根据工作方式，雷达可分为扫描雷达、垂直监测雷达和谐波雷达等，按照波长可以分为毫米波和厘米波雷达，根据调制方式可以分为脉冲雷达和调频连续波雷达［21］。目前，中国热带农业科学院在国家南繁育种基地安装和运行的包括有垂直雷达1台和车载雷达2台［22］，可对南繁基地上空的迁飞昆虫进行预测预报，同时有效地开展害虫的监测和防控，保障国家南繁育种和海南农业生产的安全。此次安装的昆虫雷达也是我国热区农业科研单位首次购置昆虫雷达设备。昆虫迁飞雷达监测技术相比于传统技术，可以获得目标昆虫的飞行高度、方向、速度，以及体型大小、形状、数量和密度等信息，对目标昆虫的识别能力更为精确。三台雷达的配合会提供更多虫情预报信息，能够为海南、热区及全国迁飞性害虫防治提供及时的决策辅助信息，为保障我国热区粮食安全提供了技术储备。

2.1.3 远程监测技术

病虫害远程监测系统是一套完整的农业物联网解决方案，可以实现虫情信息、病菌孢子、农林气象信息的实时采集，还可以对这些数据进行上传分析，提高作物的病虫害监测效率。中国热带农业科学院在陵水县安马洋南繁水稻育种基地安装了病虫害远程监测设备，包括远程虫情监测系统和远程孢子捕捉仪。远程虫情监测系统是利用光、电、数控集成计数，实现虫体远红外自动处理，在无人监管的情况下，自动完成诱虫、杀虫、虫体分散、拍照、运输、收集和排水等系统作业，实时将环境气象和虫害情况上传到指定智慧农业云平台，在使用端（包括电脑、平板和手机等互联网设备）显示识别的害虫种类及数量，根据识别结果，对害虫的发生与发展进行分析和预测。

远程孢子捕捉仪内含高倍显微镜，采用条形码识别追溯、精度限位、自动智能化聚焦、4G 无线传输控制技术，全天候实时采集分析，节省时间，更加人性化，自动模式增加精准定位功能，提高拍照的清晰度对平台进行优化。这2套设备的安装使用，可对南繁育种基地的虫情信息、病菌孢子、农林气象数据进行自动采集及远距离传输，实现远程监测，同时有效开展对迁飞害虫的监测和防控，保障南繁育种的产量和品质。中国热带农业科学院首次在南繁育种区布控病虫害远程监测系统，该技术相比于传统田间监测技术，测报的稳定性和准确性更高，同时诱捕到的害虫经过干燥便于保存，以利于后期实验需要。病虫害远程监测和高空灯监测设备的安装解决了远程实时测报的难题，是我国热区农业生产中重要研究方向之一。

2.1.4 空间分析和数据挖掘

3S 技术包括遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）3 种技术。在南繁作物有害生物监测预警体系方面，GPS 可全方位、全时段、高精度监控南繁作物的生长状况或入侵生物的活动情况及范围；GIS 是建立南繁作物数据库和南繁有害生物信息系统；RS 可应用在南繁作物受病虫害侵袭前后，会导致作物的波谱值发生变化，通过提取光谱信息来分析有害生物的发源地、分布和发展状况［23］。本研究组在作物受病虫害胁迫后高光谱特征参数的关系模型有研究基础［24］。为提高数据挖掘方面的准确性和有效性，在3S 技术模型的基础上，将数据库与WebGIS 技术相结合，提出南繁病虫害知识库的实用设计和构建方法，初步实现基于Web 应用框架的预报系统。现有条件下，将南繁基地现有数据加以整合是一种可行之道，形成“数据采集→数据分析→构建模型→预测预报→信息发布”的信息链条。

2.2 预警预报技术应用

预警技术有常规数学模型、生态位模型、气候模型，运用这些模型可预测病虫害的发生规律，预判有害生物的发生时间和程度，从而有效防治病虫害。

2.2.1 数学模型

运用数理逻辑方法和数学语言建构的常用科学或工程模型，可以对病虫害进行预报预测，建立常规数学模型可预判下一次病害的发生情况，还可预测有害生物的发生规律和越冬数量，常使用R语言技术、回归模型、判别模型、BP神经网络模型和支持向量模型来评价病虫害发生等级和田间消长动态，适用于做长期的预测预报。本研究组于2019 年调查越南安州县草地贪夜蛾发生情况［25］，通过对3 块玉米田虫株率与百株虫量关系进行回归分析，得到4个幂函数模型，预测了越南北部田间草地贪夜蛾的发生动态，为该虫在此区域的入侵、发生和迁飞规律等方面提供了依据。但由于调查区域有限，时间段较少，还不能全面反映该地区草地贪夜蛾的发生情况；研究组还利用地统计学方法分析了木瓜秀粉蚧（Paracoccus marginatus）在海南木瓜园的空间分布规律，发现木瓜秀粉蚧成虫很难长距离扩散，同时木瓜园的栽培模式也可能使得小气候差异而导致木瓜秀粉蚧扩散存在差异［26］，以此来加强对木瓜秀粉蚧的风险管理和预警措施。数学模型方法能考虑样点的位置和彼此间的距离，可以避免调查出现的系统误差，可用于研究有一定随机性和空间异质性的各种变量的分布规律。

2.2.2 生态位模型

生态位的模型原理主要是利用已有的物种分布资料和环境数据，产生以生态位为基础的物种生态需求，探索物种已知分布区的环境特征与潜在分布区域的非随机关系。MaxEnt 是近几年应用比较广泛的物种分布预测软件，很多研究结果表明，其预测结果要优于同类模型，特别是在物种分布数据不全的情况下。本研究组利用MaxEnt 和GIS 软件预测对了中对长小蠹［20］和对粒材小蠹（Xyleborus penforans）［27］在中国范围内气候条件适宜存活的区域，在此基础上结合寄主分布特征，定量地获得了入侵害虫的潜在发生区，并提供了ArcGIS 适生区预测分布图，分析了影响其发生的主要环境因子，预测均获得较好效果，此类模型可为对南繁区入侵害虫的检疫及防治决策的制定提供科学依据。

2.2.3 气候模型

气候是影响物种分布的主要因素，通过调整气候参数文件使得预测结果与已知区域吻合。一旦确定了物种所需要的气候参数，就以此来预测该物种的潜在适生区。在南繁区生物入侵的发生是不可逆转的，人工控制的成本极高，入侵后即使花费巨资也无法清除，外来物种的研究数据不足时，利用温度、湿度、降雨量等气候因子，通过比较其原产地与潜在入侵地的气候相似性是一种可行的方法，可预测危险性外来种的适生区，为动植物检疫部门及时采取相应控制措施提供科学依据。本研究组以重大棕榈害虫椰心叶甲为实例，应用Climex 模型分析了椰心叶甲（Brontispa longissima）在我国分布危害的原因［28］，发现椰心叶甲的生存、发育繁殖甚至大流行都与气象条件有着密切的关系，因而综合气象条件做出了预测模型。在南繁区利用有害生物适生的气候条件建立预测模型，预测准确率相对其它模型高，能很好地预防外来入侵生物的发生。

南繁作物有害生物的监测预警体系中，监测方面，利用现有的诱控监测、昆虫雷达和远程监测方式，建立基于3S 的模型；预警方面，利用数学模型、生态位模型和气候模型结合不同模型的优势建立预警模型；借助物联网及大数据分析技术建立南繁区病虫害监测预警系统，此系统可进一步扩展，用于监测预警未来有可能入侵全岛甚至全国的入侵危险性物种。

3 南繁区监测预警体系发展建议

3.1 强化人才培训

中国热带农业科学院环境与植物保护研究所目前拥有热带作物病虫害生物防治工程技术研究中心、海南省热带作物农业有害生物监测与控制重点实验室、海南省热带作物病虫害生物防治工程技术研究中心、农业农村部热带作物有害生物综合治理重点实验室等植保科研平台。海南省各市县设置有植保植检站、农技中心植保站、农业技术服务局、植保站农作物病虫测报站和农技中心测报站等政府单位或平台。虽然有上述众多平台支撑南繁病虫害监测工作，但南繁作物监测预警方面仍存在管理体制不顺、人员队伍不稳定、缺乏专业人才等问题。有害生物监测预警是一门跨学科的复合型技术，建成完善的体系平台就必须保障复合型人才的输入。目前海南省有害生物监测预警的现状是基层人员科技能力较弱，例如，海南省白沙县、琼中县和五指山市等中部山区市县的基层测报人员，绝大部分由当地村民组成，其中，年轻人学习能力强，但跳槽频繁，年龄较大者，虽工作时间长，但学习能力较弱，对新知识接受能力不强。因此，各级单位可以选派专业人员到南繁区所辖市县基层挂职锻炼，加大对基层人员的补助，着力解决基层工作人员学习和工作上的困难。科研院所，例如中国热带农业科学院、海南大学、海南省农业科学院和海南农业学校等单位可以组织科技人员和学生到南繁基地实习和实践，同时还可以联合三亚、乐东和东方当地政府组织举办基层农技人员培训班，对测报技术人员优先进行培训。

3.2 完善制度建设

降低南繁区种质材料（包括种子、种苗和营养繁殖体等）运输的风险，或控制可能对其他省份及国家构成潜在威胁的入侵源，并采取适当的个人和合作行动以最大程度地降低这种风险，这对于南繁育种区特别重要，因为物种入侵南繁育种基地可以很容易地传播到其它省份。同时，海南地处两大洋和两大陆的交汇地带，是太平洋通往印度洋的海上走廊，是多条国际海运线和航空运输线必经之地，是连接亚太地区与世界的最主要的海上运输通道之一，在港口、国际中转、海运航线、物流配送、邮轮客运等渠道很容易传播有害生物。海南省可以在联合国《生物多样性公约》的基础上，制定更为严格的区域性条约以应对自由贸易港建设中外来物种可能对生态系统造成的不利影响，或尽可能消除它们带来的风险，并建立威胁海南省淡水和海洋生物的入侵物种清单，通过了解具有入侵性的物种所涉及的生物学、社会、经济和其他因素，使用通用的定义和标准将其分类，同时也为南繁作物病虫害生物防治工作提供了依据。

3.3 创新监测预警技术

各级测报人员在监测病虫害时按照国家监测预报技术标准执行，在此基础上创新有害生物监测预警技术。（1）加大科研攻关力度，自主研发或引入监测预警模型，建立监测预警云平台；（2）加快应用昆虫雷达、高空测报灯等仪器，将获取的信息存储入数据库，充分掌握害虫的迁飞路径，全方位把握害虫的信息，做到早发现、早预警；（3）各监测预警中心可采取DNA条形码等快速检测技术，以应对突如其来的有害生物（4）紧跟网络时代的步伐，善于利用大数据、人工智能、云计算等技术，实现海南岛有害生物物联网监测预警，构建海南岛有害生物监测预警物联网概念模型，加强和改进有害生物监测预警网络建设。

伴随着海南建设自由贸易港、打造南繁硅谷、创设全球动植物种质资源引进中转中心，人员交流和贸易往来的日益密切，随之而来的有害生物入侵风险也空前加大。如何更好地整合海南省众多的高校、科研院所、各级组织的平台资源将是我们重点思考的问题。近年来，海南省积极引进高校和科研院所，在三亚建设南繁硅谷、崖州湾大学城、崖州湾科技城，众多高校的实验平台及研究成果也将能更好地服务海南省有害生物监测预警体系的建设。同时，各所高校及科研院所也应很好地管理实验室，以免造成有害生物逃逸的后果。同时，各级植保站可根据现有条件最大化地利用公众号、论坛、网络直播等新媒体多方面地发布有害生物情报，使各级政府及广大农民尤其是种粮大户能提前做好防范准备，更好地发挥南繁作物有害生物监测预警的指导作用。