害虫生物防治综合效益评价方法

暴可心，罗立平，王小艺，张彦龙，魏 可，张永安，杨忠岐

（1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/国家林业和草原局森林保护学重点实验室，北京 100091；2. 河北农业大学林学院，保定071000；3. 国家棉花工程技术研究中心，乌鲁木齐 830091）

害虫防治方法包括植物检疫、化学防治、物理防治、生物防治及农林技术防治等措施[1-3]。目前评价害虫防治效果的方法主要包括校正虫口减退率、植株受害程度、校正累积虫日、生命表法和模糊数学理论及状态空间分析法等。对害虫生物防治效果的评价方法通常参照化学防治的评价方法，以短期内害虫的死亡率、寄生率等作为防控作用评价的主要指标。其评价结果只针对靶标害虫短时间内的虫口减退率，缺乏对目标害虫的持续控制作用、防治成本投入以及对生物多样性的影响和环境安全等方面的综合评价，因此，没有准确反映生物防治效果的长效性和持续性等作用。

除虫口减退率外，还有一些其他的害虫防治效果评价方法。如夏云龙[4]应用模糊数学理论评价龟纹瓢虫Propylea japonica和七星瓢虫Coccinella septempunctata对麦长管蚜Sitobion avenae的控制效果。Morris和Miller[5]以云杉卷叶蛾Choristoneura fumiferana为研究对象，组建了昆虫生命表。刘树生[6]对各类方法进行了归纳和综述，认为天敌控害作用的评估可分为定性和定量两个方面，其中田间系统调查及相关分析、天敌排除或添加法、实验种群观察法和生命表分析法同样广泛应用于害虫防治效果评价中。采用的评价指标包括受害株率[7]、虫口数[8]、死亡率[9,10]、寄生率[11]、种群趋势指数[12]等，即直接或间接用害虫种群数量的短期变化来评价防治效果。这些评价方法或者难以体现某种防治措施的控害作用持续时间、成本投入及对生态环境影响等综合结果，或者操作过程复杂费时。综上所述，目前害虫生物防治控害效果评价方法要么存在评价指标单一，要么所得结果并不全面、未能反映实际防治效果等问题。对生物防治效果评价的最终目标是要明确生物防治天敌产品在调节害虫种群方面到底起了多大作用，若不能全面、综合反映防治效果，则难以推广和应用。同时，尽管有的评价方法科学、合理，但操作复杂或耗时较长，而不能很好地解决生产中便利化应用问题[13]。基于此，本文尝试应用层次分析法，建立一种简洁实用的害虫生物防治综合效益评价方法。

1 现有害虫防治效果评价方法

1.1 根据植株受害程度或靶标害虫虫口变化进行评价

1.1.1 以害虫虫口数量变化作为评价指标 由于被杀死、被寄生、被捕食或被病原微生物的侵染所导致的目标害虫虫口数量减少，用Abbott公式对虫口减退率进行校正：防治效果（%）＝（防治区虫口减退率—对照区虫口减退率）/（100—对照区虫口减退率）×100。

1.1.2 以植物被害程度作为指标的计算方法 根据植株受害程度进行评价，直接套用化学防治效果评价的方法，评估的结果主要是防治措施的短期效应[14]。防治效果（%）＝（对照区植物受害程度—处理区植物受害程度）/对照区植物受害程度。

郭建英等[15]应用该方法评价释放天敌瓢虫和施用化学农药吡虫啉对麦田蚜虫的控制效果，结果表明释放瓢虫后5 d和10 d的防效分别为-347.6%和-171.7%，防控效果差，人工助增天敌瓢虫并未达到对麦长管蚜的理想防治效果。杨忠岐等[16]利用白蛾周氏啮小蜂Chouioia cunea Yang控制美国白蛾Hyphantria cunea (Drury)的效果主要用放蜂防治后林分的有虫株率、株平均网幕数和天敌的寄生率作为评价指标，连续5年追踪放蜂防治美国白蛾的效果，发现美国白蛾在放蜂后第2年至第5年有虫株率均保持在0.1%以下的低水平，天敌的寄生率仍高达 92%。魏建荣与牛艳玲[7]对利用寄生性天敌花绒寄甲 Dastarcus helophoroides (Fairmaire)防治蛀干性害虫光肩星天牛Anoplophora glabripennis Motsculsky的效果进行了评价，采用间接方法，没有直接统计天敌寄生率或靶标害虫的死亡率，而是设置对照区和试验区，连续3年统计2个区域光肩星天牛新鲜排粪孔的增加或减少量来评估生物防治的效果。对于生活史较长的林木害虫，实施长期、定点的系统调查，才能得到更加令人信服的评价结果，此方法适用于隐蔽性为害的钻蛀性害虫的防治效果评价。此外，陶忠祥等[17]指出应根据不同的防治对象及田间情况选用不同的方式统计防治效果，例如评价10 d后寄生蜂对橡胶盔蚧Parasaissetia nigra (Nietner)的防治效果，可采用虫口数量变化表达防治效果。

1.2 利用校正累积虫日评价

Ruppel[18]提出了“虫日”和“累积虫日”作为害虫防治效果评价的一个指标，将害虫数量及其在作物上为害时间的乘积称为“虫日”，将所调查“虫日”之和称为“累积虫日”。黄次伟等[19]和黄凤宽等[20]直接以“累计虫日”的数值作为评价防治结果。凌冰等[21]应用“累积虫日”作为评价田间防治效果的参数，即：防治效果（%）＝（对照区累积虫日—处理区累积虫日）/对照区累积虫日。

潘文亮[14]在此基础上按害虫各阶段的取食量分别乘上一个校正系数，得出“校正虫日”，进而可求“校正累积虫日”。赵善欢等[22]和钟国华等[23]以“校正累积虫日”计算防治效果，指出此方法可减少田间试验调查的误差。

1.3 生命表方法

早在20世纪50～60年代生命表方法就已成功应用于昆虫种群的研究，提出了种群趋势指数模型，通过对试验区和对照区害虫种群建立生命表，并对靶标物种的种群趋势指数进行比较，就可以定量得出所研究目标的防治效果[5,24]。这种方法是从某一虫期开始持续观察处理后试虫的一个完整世代或更长时间，以研究防治措施对不同虫态的各种影响及其累加作用[25]。Varley和 Gradwell[26]应用数学模型对致死因子和密度相互关系进行了分析，并利用生命表方法研究了影响害虫种群变化的关键因子。随着昆虫学的迅速发展，研究技术手段的不断创新，经典的昆虫生命表方法在发展过程中不断完善，庞雄飞等[27]利用生命表结合Morris-Watt数学模型，建立了作用因子组配的生命表作为分析害虫和天敌相互作用的方法。胡学难等[28]利用生命表的方法评价了玉米抗病品种对亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis Guenée的控制作用。Kuhar等[29]用生命表评价了玉米螟赤眼蜂 Trichogramma ostriniae Pang对玉米螟 Ostrinia nubilalis Hübner的控害潜能。侯有明等[30]通过建立小菜蛾种群生命表方法估算了1%苦皮藤乳油制剂施用后小菜蛾Plutella xylostella (L.)种群趋势指数和干扰作用控制指数的变化。魏建荣等[12]利用生命表方法评价了白蛾周氏啮小蜂对美国白蛾的控制效果。冼继东等[31]利用生命表方法评价了印楝素乳油制剂对荔枝蒂蛀虫Conopomorpha sinensis Bradley种群的控制效果。Kandasamy等[32]利用生命表方法评价了黄额食螨瓢虫Stethorus gilvifrons Mulsant对咖啡小爪螨Oligonychus coffeae Nietner的捕食作用。Barat等[33]通过利用特定年龄生命表评估了大蒜、牛角瓜的提取物和印楝素的混合物对烟粉虱Bemisia tabaci(Gennadius)的控制效果。

1.4 利用模糊数学理论进行评价

1.5 现代控制论的状态空间分析法

在进行害虫防治措施效果评价时，不仅需要评价单种措施作用问题，而且往往需要评价多种措施的综合作用问题，即多输入多输出问题。状态空间法不仅有利于把系统划分为若干组分或子系统对各种措施的防治效果进行评价，同时更好地解决多输入和多输出问题，因而可提供解决这类问题的有效途径。

状态空间法方程式：X（t＋1）＝AX（t）＋BX（t），Y（t）＝CX（t）。式中X（t）为状态向量，Y（t）为输出向量，A为系统矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵。

随着控制论的发展，该方法被应用于研究害虫种群数量问题。庞雄飞等[27]曾进行过有关这方面的研究，认为状态空间法可能成为研究这类问题的重要手段。吴进才等[38]应用现代控制论的状态空间分析法建立了褐稻虱Nilaparvata lugens Stål状态方程，用以研究褐稻虱的种群数量预测和控制。

1.6 害虫增长指数与时间的超越函数定积分方法

邹运鼎等[39]利用此方法评价了自然界天敌对蚜虫的综合控制作用。通过定期调查蚜虫的种群数量，得到蚜虫的消长规律，将第一次调查的蚜虫数量作为基数，其后调查的数量除以基数即可得增长指数，调查日期数量化以后与增长指数进行拟合建模，再根据超越函数定积分公式进行定向积分，可得积分值。在天敌昆虫控害效果的评价中，可设置对照区和处理区，比较二者的积分值即可得防治效果。

2 害虫生物防治效果评价方法

目前常用的害虫生物防治效果评价方法包括应用害虫死亡率、植株受害程度和生命表评价方法等。以单位时间内靶标害虫虫口减退率或植株受害程度变化评价生物产品的防效，仅能反映采取措施后短期内的效应，并未体现出这些措施对害虫种群持续控制作用，无法准确评价该种天敌昆虫的控害效果。虽然这种方法评价生物防治效果存在诸多缺点，但由于操作简单易行且能节约工作量，是目前最常用的评价方法。自作用因子组配的生命表提出后，因具有反映不同作用因子的效果而广泛用于评价天敌的控害能力。但作用因子组配的生命表仅考虑了靶标物种存活率、产卵量及性比，更适合于世代分离或世代重叠不严重的种群，另外这种生命表也未考虑到致死因子之间的相互作用导致的增效和减效作用。此外，利用“累积虫日”作为防治指数，体现了害虫种群数量和为害时间的关系，但对于构成害虫防治因素复杂的自然天敌控制作用，这种评价方法则无法表达出来[25]。应用模糊数学理论对天敌控制害虫的能力进行评价，既适合于捕食性天敌，也适合于寄生性天敌，同时也可用于对人工释放天敌效果的评价，但如何把不确定性降低到较小的程度，把复杂化的公式转用通俗、合理、简单的方式表达，是需要进一步解决的问题。害虫增长指数法应用面较窄，计算复杂，仅适用于特定条件。

3 害虫生物防治综合效益评价

害虫生物防治是一个系统的、综合的过程，不适于直接套用评价化学防治效果的方法。在生物防治上不仅是以天敌释放后对害虫当时的寄生率来评价其作用效果，而且涉及到天敌对目标害虫长期持续控制作用、非目标生物及生态环境等多方面的综合影响。为了克服仅以目标害虫死亡率作为生物防治效果为评价标准的缺陷，本研究通过利用层次分析法建立有害生物防治综合效益评价指标，获得了更加合理准确的评价结果。

层次分析法（Analytical hierarchy process，AHP）是将一个复杂问题视为一个系统，通过分析复杂问题所包含的指标及其相互关系，进而选择解决问题的最佳措施[40-43]。现已广泛应用于企业资源规划[44]、工程管理[45]、交通运输[46]等领域。在此基础上，本文借鉴李霓雯等[47]基于加权信息量模型的油松毛虫灾害发生危险性评价和王羽扬等[48]基于层次分析法的软岩巷道支护方案优化方法，将评价指标按照不同层次分为两级，以生物防治中经济效益和生态环境效益开展多层次多指标的综合分析，并考虑其科学性和可操作性，对有害生物防治的综合效益进行评价。

3.1 评价体系框架的构建

在构建害虫生物防治效果评价体系之前，需要构建体系框架和确定层次指标，选择评价指标体系的主要原则是有典型代表性、可观测性和可度量性，尽量采用综合指标，且各指标间相互独立和无显著相关关系，无直接作用关系[49,50]，指标所形成的体系需全面反映系统的各种功能特征，构成一个完整的体系[51]，同时也需要考虑害虫生物防治效果影响因素的复杂性和评价系统的可操作性。目前对害虫生物防治效果评价方法中相对而言最为科学合理的是生命表方法，但该方法主要考虑天敌对害虫的控制能力[52]，尚未考虑到控害作用的持续时间、投入成本及生物防治带来的生态环境效益等一系列因素。

本研究所构建的评价体系框架分为3个层次，最高层为害虫生物防治综合效益，是分析问题的预定目标或理想结果，称目标层；中间层包括了为实现目标所涉及的中间环节，包括所需要考虑的准则和子准则，称为准则层，包括经济效益和生态环境效益；最底层表示为实现目标可供选择的各种措施、决策、方案等，称为方案层。方案层是对准则层的延伸、细化及操作指标体系框架的设计（表1）。

表1 害虫生物防治综合效益评价体系框架Table 1 Framework of integrated benefit evaluation system for pest control

3.2 评价体系各层级指标权重配比

3.2.1 构造判断矩阵及一致性检验 依据层次分析法原理，对同一层次的不同指标进行成对比较相互之间的重要程度，建立一个比较判断矩阵。进行各评价指标成对比较判断时，参照Saaty[53]的1～9比例标度法判断指标之间的重要程度，若用指标A和B作比较，1表示A与B同等重要，3表示A稍重要于B，5表示A明显重要于B，7表示A非常显著重要于B，9表示A极显著重要于B，2、4、6、8表示A与B的重要性介于上述两个相邻等级之间，若A与B的重要性比为k，那么B与A的重要性比为1/k。

基于每个判断距阵所赋予的标度值，参照邓雪等[54]对层次分析法的研究求得特征值和特征向量值，并将特征向量值进行归一化处理得到各评价指标权重值。为了保证评价系统的合理性，需要对每个判断矩阵进行一致性检验，计算所得的一致性比率CR＜0.1时，一般认为该矩阵具有满意一致性，所求得的权重值符合标准，若不满足此条件，应该适当调整矩阵比对的标度值，直至通过一致性检验为止。

如对本文中准则层进行判断矩阵A的构建，将经济效益B1和生态环境效益B2进行比较，得出相应的标度值，并计算求得其相应的权重值WB1＝0.6670和WB2＝0.3330，最后经过一致性检验（CR＜0.1）判断其权重值合理。其余各级指标按照此方法进行计算权重值并检验，直至获得符合检验要求的权重分值。各级判断矩阵及其相应权重见表2。

表2 害虫生物防治效益判断矩阵及其权重Table 2 Judgement matrix of biological pest control benefit and its weight

3.2.2 构建害虫生物防治效果评价体系 根据上述判断矩阵的输入，基于Yaahp V11.3软件实现AHP模型下害虫生物防治效果评价各指标权重计算，将体系总分设为100分，各级权重值相应乘以100，在不影响一致性的前提下，对各个权重值结合实际使用情况进行微调并设置赋分指标，其结果如下表（表3）。

3.3 综合效益评价指标的定量化

表3 害虫生物防治效果评价体系Table 3 Evaluation system of biological pest control effect

害虫生物防治效益结果由多个评价指标综合考虑所得，计算得分结果随机分布在0～100，本文采用等间距法将生物防治效果分值G划分为5个等级，并给出相应分值（表4）。

表4 害虫生物防治评价等级划分Table 4 Evaluation classification of pest biological control

4 案例对比分析研究

选择 17例国内外害虫生物防治案例代入上述评价系统进行评估，通过文献检索和专家咨询选择相应赋分标准，并按照分值从高到低排列（表5）。结果表明，应用产品澳洲瓢虫、荔蝽卵平腹小蜂、埃塞食甲茧蜂、白蛾周氏啮小蜂及茎象食甲茧蜂评价等级为I级。白蜡吉丁啮小蜂、松毛虫赤眼蜂、花绒寄甲、花角蚜小蜂、椰心叶甲啮小蜂、管氏肿腿蜂、斯氏线虫、小地老虎核多角体病毒、苏云金杆菌、聚集信息素、性诱剂及白僵菌评价等级为II级。

表5 害虫生物防治案例评估验证Table 5 Evaluation and verification of pest biological control cases

同时，本研究用该方法也对一些其他防治方法案例进行了分析（表6），结果表明，鱼藤酮、扑虱灵、印楝素效果评价等级为II级，灭幼脲、阿维菌素、氯菊酯、高效氟氯氰菊酯、杀虫灯、西维因、辛硫磷、克百威、黄板、甲胺磷、硫丹和DDT为III级。其中杀虫灯和黄板为物理防治，防治效果和专一性较差，其分值仅为51.66和43.04。

表6 其他害虫防治案例评估验证Table 6 Evaluation and verification of pest non-biological control cases

5 讨论

随着害虫生物防治应用的推广，人们也越来越关注生物产品对环境和生态的负面影响[154]，例如天敌产品是否降低了生物的多样性。此外，推广生物防治其中一个主要目的是通过减少劳动力和防治产品的经济支出，达到降低成本提高收益的效果。而在传统的生物防治案例中，仅通过各种措施测量靶标害虫的死亡率，进而量化生物产品对害虫的影响来确定天敌产品的防控效果，其评价方法均未考虑生物产品的经济效益及生态环境效益等因素。著名国际生物防治学家Roy Van Driesche[155]也明确反对生物控制不考虑成本效益，支持扩大生物防治的前提是必须符合成本效益的观点。

本研究借助层次分析法，通过对大量已有害虫防治效果评价方法的参考，以经济效益和生态效益为主要评价指标，并结合相关实例建立了害虫生物防治综合效益评价体系。魏建荣等[12]利用种群生命表评价了周氏啮小蜂对美国白蛾连续2年共4个世代的控制作用，其结果表明释放天敌对靶标物种美国白蛾种群有显著控制效果，本文应用综合效益评价方法表明周氏啮小蜂对美国白蛾防效评估分值为 82.78，效果评价等级为I级。梅芝健等[156]通过测定储藏害虫的数量变化表明黄色花蝽的生物防治效果，杨远亮等[8]通过统计松褐天牛虫口数已确定花绒寄甲具有良好的控制效果，本文测定花绒寄甲对松褐天牛防治的评估分值为73.61，效果评价等级为 II级。其两种评价方法均表明周氏啮小蜂对美国白蛾的防效优于花绒寄甲对松褐天牛的生物防效，但综合效益评价方法的结果更具有全面性，操作性更强。田茂仁等[112]和邱光等[115]仅以害虫虫口密度作为评价扑虱灵对稻飞虱防治效果的指标，评价结果均显示扑虱灵具有高效的防治效果；刘浩官等[114]不仅评价了扑虱灵对稻飞虱的防治效果，也评价了扑虱灵对其捕食性天敌的影响，表明扑虱灵对捕食性天敌具有一定选择性。此外，覃志辉[113]同样利用层次分析法建立了一种针对杀虫剂防治效果的综合评价方法，并以害虫防治效果和保护天敌效果为评价指标，结果也表明扑虱灵对防治稻飞虱有特效。本文利用害虫生物防治综合效益评价方法，得出扑虱灵对稻飞虱综合防治效益分值仅为 61.11，效果评价等级为II级。如果仅以害虫的数量变化作为评价指标，结果为化学药剂硫丹对粉虱类的防治效果优于扑虱灵[146]。而利用综合效益评价法，将杀虫剂对环境的安全、生物多样性的影响、投入成本及防治持续时间等均作为评价指标，结果表明硫丹对烟粉虱综合防治效益仅为 40.02，效果评价等级为Ⅲ级，远低于扑虱灵的综合防治效益。此外，谢国林等[80]仅从天敌寄生率、扩散速度、定居能力及害虫虫口密度等方面分别分析了花角蚜小蜂C. azumai对松突圆蚧H. pitysophila的控制效能，结果显示各方面防控效能均为一般，而考虑生物防治还具有专化性强、无污染及低成本等特点，利用害虫生物防治综合效益评价方法，得出了花角蚜小蜂对松突圆蚧防效评估分值为78.05，防治综合效益优良。

由于生物防治评价涉及的因素众多，且部分指标的评价标准难以精确量化，因此，获得较准确全面的评价指标，还需要进一步研究和以大量案例样本分析为基础进行完善。值得注意的是，权重是“心理价值”，仅在心理因素影响较小时，才能将结果与现实作对比[157]。利用层次分析法可确定评价的指标顺序关系，不能明确规定评价权重的大小，要确定评价方案的优先权重，必须考虑决策者对权重的分辨能力[158]。从本文建立害虫生物防治综合效益评价方法的过程可以看出，对于评价体系框架中各评价指标中权重比值的确定，具有一定主观因素的干扰，即不同的决策者具有不同的权重比值确定标准。不同生态系统中生物防治的评价指标重要性也存在一定差异。如在农业生态系统中“虫口减退”和“投入成本”等评价指标的重要性较高，而林业生态系统中“生态环境效益”等评价指标的重要性较高，但在实际评价防治效益中，很难找到完全符合不同生态系统的评价方法。本文综合考虑了不同生态系统下防治效果评价指标的重要程度及实际操作性，而选择通用性及操作性较高的评价指标，如“经济效益”和“生态环境效益”。同时，在考虑不同生态系统的基础上，对于不同评价指标赋予了不同的权重值，也是综合考虑不同生态系统所定的一种适中性评价方法。此外，本文仅选择单独的生物防治方法进行了评价，而对于多种生物防治方法同时应用时，建议在评价“防治效果”指标时将多种评价方法视为一种防治方法进行计算求值，“投入成本”评价指标则进行累加计算；评价“生物多样性”及“环境保护”时，则取多种生物防治方法中的最低值进行取值评价。

害虫生物防治效果评价体系中，同一方案层具有不同等级及分值，但对于不同决策者所划定的结果并不一致，因此对于害虫生物防治综合效益评价指标权重及等级分值的确定还不尽成熟，需根据应用实际情况进行调整，使评价结果更加准确可靠。此外，害虫生物防治综合效益的评价要与实际情况及生物防治产品特性相结合，后期根据应用考虑以下方面：一是对现有评价指标分数比值进行完善优化，设置评价指标分数的合理比重，以体现各评价指标的合理权重。二是根据应用实际要求，进一步完善综合效益评价的科学性、可操作性及合理性，生物防治效益评价体系的指标选择及结构优化也可进一步完善。三是应用层次分析法提出的综合效益评价方法可将定性化指标进行定量化，复杂的问题简单化，进而得出数据用于重要程度进行量化描述[159]。

本文提出采用定量研究方法，弥补了传统评价方法的局限性，在理论上更加客观严谨，不仅对防治害虫本身具有一定的评价作用，也考虑了防治措施的经济效益和生态环境效益。应用本研究提出的方法对国内外一些害虫防治案例的评价结果显示，害虫生物防治综合效益评价指标更具有综合性及可操作性，评价指标体系和模型在各种生物防治效益评价中均具有较好的普适性，可为评价生物防治效益提供进一步的理论依据。