作物病虫害防控技术研究进展

赵冰欣，卢海博，赵海超，黄智鸿，刘松涛，白雪冬，刘 晨，魏 东

（河北北方学院河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室/河北北方学院张家口市特色农产品质量安全重点实验室，河北张家口 075000）

病虫害防控是为了减轻或防止病原微生物和害虫为害作物或人畜，而人为地采取某些手段防治病虫害的方法。一般可以分为农艺措施防控、物理防控、化学防控及生物防控措施。在实际的作物生产中，病虫害是不可避免的问题。病虫害肆虐会对作物生产造成极大的干扰[1]，同时对我国国民经济、农业生产造成重大损失，给国家粮食安全带来严重威胁[2]。过度的病虫害防控，特别是化学防控，虽然控制了病虫害对作物产量的影响，但同时容易造成作物品质下降和生态环境污染等问题。因此，随着人们生活水平的提高，以及对农产品品质需求的增强，现今病虫害综合防治的目的不是要彻底消灭病原微生物和有害昆虫，而是要与这些生物和谐相处，即通过采取各种措施，经济有效地将它们控制在经济为害水平之下[3]。病虫害防控技术研究的目的是为了保证作物健康生长，同时改善农田生态环境。采用科学合理的病虫害防治措施规避病虫害的发生[4]，能有效降低病虫害对农作物生长所造成的影响，提高农作物产量和质量，避免造成环境污染和农药残留超标等问题。另外，病虫害防治也是保护农业资源、优化生态环境、维持生态平衡的重要举措。积极开展作物病虫害防治工作有利于实现经济效益、社会效益与生态效益三者的增长[5]。强化农作物病虫害防治是推动农业与经济健康稳定发展的关键[2]。因此，总结我国作物病虫害防控技术研究进展，有利于指导未来防控技术的发展方向，保障农产品和食品安全。

1 国内外病虫害防控技术的发展历史

1.1 病虫害防控技术的发展历史

病虫害防控技术主要发展主要阶段及其优缺点如表1 所示。古代病虫害防控以农艺措施防治为主，以生物防治和药物防治为辅。研究较多的为蝗虫和桑虫[6]。古代防治病虫害的具体措施：1）种植抗病虫害作物，合理轮作、间作套种防治病虫害；2）利用益虫蛙类等天敌防治害虫，如利用赤眼蜂防治玉米螟，利用澳洲瓢虫防治吹绵蚧[7]；3）利用药剂防治病虫害，在我国历史上，常用药剂有植物杀虫剂、油类、石灰、草木灰[8]，以及砒剂、硫剂、铜剂等类[9]。

表1 国际病虫害防控技术发展历史

近代病虫害防控以化学防控为主，主要方式是应用化学药剂防治病虫害。首先是瑞典人Muller 发现滴滴涕(DDT)具有显著的杀虫活性[10]，滴滴涕的应用对害虫生物防治实践产生了深远的影响。这一时期研制了生产上急需的DDT、六六六等药剂[11]，同时在农业器械方面主要有稻苞虫耙式梳、稻篦箕和拍板等。

现代病虫害防控时期化学农药产生的一系列严重副作用引起世界各国政府和社会的普遍关注，生物防控和农业防控重新得到重视[12-13]。2006—2017 年王成明等陆续提出“公共植保”和“绿色植保”理念，推进有害生物绿色防控，由此我国全面进入了生态文明发展新时代[14]。

20世纪60年代，化学农药是防治农作物病虫害的主要手段，并且得到了大规模普及。在实际应用中需要严格按照使用方法和标志来应用该技术，对使用量及类型进行合理选择，使其带来的影响减小。

20 世纪70 年代，开始研究生物农药和微生物制剂。这使得农用抗生素和活体微生物农药得以发展，这些产品在环境保护方面发挥了重要作用。

20世纪80年代末，开始研究转基因作物，它能够降低病虫的渗透率，减少病虫的产生。同时还能帮助提高农作物的产量。因此，转基因作物防治病虫害是一个重要的领域。

21 世纪初，开始研究作物病虫害的智能化和信息化防控技术。为了应对作物病虫害的暴发流行，智能化和信息化防控技术可以帮助我们有效防止作物病虫害的繁殖和传播。通过使用智能手机、平板电脑、智能家居等设备，我们可以实时监测作物病虫害的发生情况，并且采取快速的防控措施。这些技术可以帮助我们在作物病虫害的预防、研究和防治上有所提高。

1.2 作物病虫害防控操作技术发展历史

作物病虫害防控操作技术发展大致经历了自然耕作阶段、农药优先阶段、化学防治阶段和综合治理阶段（见表2）。其中，综合防治是从生态学的整体观念出发，采用农业、物理、生物、化学等综合防治措施，对环境污染较小，是当前常用的防治方法[24]。病虫害防治技术已经从农艺防治发展到化学防治再到生物防治，目前已将生物防治技术合理有效地应用到农业生产领域中，取得了良好的效果，做到了精确施药，减少了农药施用量，避免了对生态环境的污染，保证了农产品食品安全。对于病虫害的防治，应以农业和物理防治为基础，提倡生物防治，并根据病虫害发生规律，科学使用化学防治技术，从而达到有效控制病虫害的目的。

表2 作物病虫害防控操作技术发展历史

作物病虫害防控操作技术发展大致经历了人类手工防治病虫害、机械防治病虫害和无人机施药防治病虫害3 个时期（见表3）。人类手工防治主要是针对不同病虫害所采取的人工防治方法，如人工撒施农药。植保机械发展经历了人背机器、机器背人2 个典型时代[25]，这一阶段的主要标志是植保机械逐渐以发动机动力驱动和拖拉机牵引替代了人力，机械化水平得到大大提高，但在机械发展水平上，我国仍和国外有着明显差距。植保无人机低空施药可以有效地以高科技手段高效应对病虫害[26]，相较于传统的人工操作方式而言，有着高效能与高时效等特征，能够确保病虫害防治效率和质量[27]，实现精准减量施药，同时能够解决地面机具无法作业时的病虫害防治问题[28]，为推进植保现代化做出了新的贡献。

表3 作物病虫害防控机械发展历史

2 作物病虫害防控技术主要研究方向及应用实例

2.1 生物农药和微生物制剂的研究和应用

生物农药作为一种环境友好、无毒、易降解的新型农药，可避免病菌产生抗药性，主要包括微生物农药、农用抗生素、植物源农药、生物化学农药、天敌昆虫农药、植物生长调节剂类等[34]。

毕春兰研究结果显示，多抗霉素、宁南霉素、太抗和农用链霉素4 种生物农药，其防效都大于70%[35]。孙一凡等发现，Bl13 能够增加番茄叶片中的防御酶活性和根区中的益生菌，从而增强植物对番茄早疫病抗性，抑制番茄早疫的发生[36]。李芳等通过在不同植物免疫诱抗剂对番茄早疫病菌丝的抑制作用试验中发现，单个植物免疫诱抗剂抑制效果均比化学农药的抑制效果差[37]。翟晨风研究发现，分别在萌芽至幼果、采果后至落叶阶段，喷施春雷霉素、溃腐灵生物农药，能够较好预防溃疡病发生[38]。吴庆丽等[39]、张敏等[40]研究发现选用枯草芽孢杆菌、蜡质芽孢杆菌等生物农药能够分别对根肿病、姜瘟等有较好的防治效果。

微生物制剂是通过生物工程技术和其他手段对微生物及基因表达所生产的各种有效生物活性成分进行培养、提取，用于病虫防治领域中的各种制剂的总称。微生物制剂的活性很强，用量很少，并且微生物制剂很容易就会被其他生物所分解。不仅如此，微生物制剂生产的原材料很容易就可以得到，它基本为部分农副产品，生产成本很低[41]。

微生物制剂在防治作物病虫害方面效果显著。如张先亮等研究表明，将T42 木霉菌与枯草芽孢杆菌Bs-6联合施用于土壤中，可使土壤中的微生物群落发生明显变化，在大田条件下防治西瓜的连作病效果显著[42]。何天祥等研究结果显示，使用Nah778菌剂可显著降低稻螟的发病率[43]。

同时，微生物制剂对残留农药也有分解功能。微生物制剂可通过转化和矿化两种形式分解残留的农药[44]，解决土壤农药残留污染问题。不仅如此，微生物制剂的应用还能有效地分解或者转化连作土壤植物不易直接使用的营养，从而更易为植物根系所吸收和使用。例如，邵阳等将枯草芽孢杆菌与解磷细菌混合应用于猕猴桃果园一定时间后，发现土壤速效磷和铵态氮的含量分别为对照的1.93倍和1.34倍[45]。

2.2 转基因技术在作物病虫害防治中的应用

转基因技术推动作物育种技术进步，提高产量，增强生物与非生物胁迫抗性，改善食品质量。与此同时，转基因技术显著减少了农药及杀虫剂的使用，有效缓解农药带来的环境压力并降低农业生产成本，提高农民收入。

转基因技术用于抗虫害，其中以中国农业科学院研制成功的转Bt 基因棉花品种抗棉铃虫效果最为明显。随后我国科研院所也利用转基因抗虫棉作为亲本进行杂交，并不断进行筛选，培育出大量抗虫效果较好的转基因抗虫杂交棉新组合。试验结果表明：与对照相比，抗虫棉组合产量提高了15%以上，且具有80%以上抗虫能力和优异的效果。这些转基因抗虫棉已在国内得到大范围推广，产生了较大的经济效益与社会效益，该成果也标志着转基因植物的研究已步入产业化发展阶段[46]。

同时，对抗病原微生物的遗传改良也进行了大量的研究。Arakawa T 等[47]、杨支才等[48]人用番茄中的狂犬病毒表面蛋白在烟草和马铃薯中分别进行了表达，分别对大肠杆菌中的Hormesis B 亚基及大肠杆菌B 亚基进行了分析，结果表明，在番茄中表达了HorMesis B 和Hormosis B。Mason H S 等在烟草中发现了HCMV表面蛋白的表达[49]。Ahpter F 等及其他研究表明，烟草可表达猪传染性胃肠炎病毒B 蛋白[50]。汪正等在烟草、马铃薯中发现了诺沃克包衣蛋白[51]。朱来华研究表明，番木瓜表达抗环斑病毒（PRSV）、小麦表达抗黄矮病和黄花叶病毒[52]。

2.3 智能化和信息化技术在病虫害监测和防治中的应用

传统的作物病虫害监测方法主要是依靠植保人员肉眼观察，存在一定的主观性，且费时费力，时效性也差。随着遥感技术的发展，遥感方法成为病虫害监测的一种常用方法[53]。遥感是通过接收作物的辐射信息，对作物的性质、特征和状态进行分析。作物在受到病虫害侵扰后，病虫害会破坏作物的色素系统和细胞结构等，导致作物内在生理生化参数和外在形态发生变化，遥感技术探测到的光谱信息也不同，因此，遥感技术能够用于作物病虫害的监测[54]。

病虫害胁迫会破坏水稻色素、细胞结构等，叶片发育不良，有病虫害造成的明显病斑虫伤、叶面积减少、叶片枯黄脱落等外在症状[55]。这些症状能够被遥感传感器监测到，形成光谱图像特征，进而用于识别作物病虫害，如：Zhang D 等[56]等使用RGB 图像和多光谱图像能够检测出水稻纹枯病；Phadikar S等[57]提出了一种基于费米能量的图像分割方法，将图像的感染区域从背景中分离出来，根据现场专家的意见，利用感染部位的颜色、形状和位置等特征来表征疾病症状，然后使用约简算法，选择特征（共14 个），最后利用所选特征，建立了覆盖所有病株图像的规则库分类器。水稻病虫害监测能够实现病虫害的精准定位，为精准施肥、及时防控提供理论基础。

2.4 区域一体化管理和农业生态系统的构建等综合措施

从地域分布上看，规模化畜禽养殖场主要集中在大、中型城市近郊及人口密集的经济发达区，而小规模家庭饲养业在传统农业地区仍然占主导地位。随着规模畜牧业在整个畜牧业中所占比例的不断提高，种植与养殖的地域分布也随之发生了分化。农牧分离造成了三大问题：1）造成了严重的环境污染；2）对人类的健康造成威胁，增加了公众健康的风险；3）制约了农村经济的快速发展。区域性的农牧分离和种养业的分布不合理，不仅会导致资源的浪费，还会对农业的可持续发展产生不利的影响，而要想解决这个问题，最好的办法就是以种植、养殖为基础，再进行区域整合[58]。

刘宏曼等认为，农业地区的综合比较优势，取决于其资源禀赋、技术条件、社会经济状况、市场需求等多方面的原因[59]。研究拟采用“效率指数”“规模指数”和“效益指数”等方法，对黑龙江省7 种主要粮食作物（水稻、玉米、小麦、小米、高粱、大豆、土豆等）进行综合比较优势指数的测度，对黑龙江7种粮食作物的相对优势进行研究，并对其进行区域布局，为黑龙江省农业产业结构调整与区域生产布局优化提供理论依据。

吕允英运用区位商数指标，对我国几种主要粮食的比较优势进行了研究，分析了部分粮食的空间分布的变动趋势和存在的问题，给出了优化粮食空间分布的目标与原则，并对如何提高粮食空间分布的效率进行了探讨[60]。

雷海等认为，在持续的种植结构调整下，新疆棉花已逐渐向气候适宜、种植基础良好、单产水平较高的地区集中，并形成“南疆”“北疆”“东疆”3 个主要产棉区[61]。在这些地区中，南部地区最适合种植高质量的陆地棉、早熟的海岛棉、彩棉；北部地区适宜种植早熟和特早熟陆地棉和彩棉；东部地区适于中熟棉和高质长绒棉的栽培。

3 讨论与展望

未来农业病虫害防控将是一个在遗传、经济和生态系统不同尺度上保持生物多样性，维持生态平衡[62]，实现农业资源的高效利用和病虫害绿色防控的现代化农业系统[63]。在生物技术研究阶段，通过对病虫害的预测及预防，来降低经济的损失水平[64]。基因工程、微生物工程等已经取得了重大突破[65]，同时深度学习技术的病害检测方法，如图像分类、图像检测、内容推荐等领域，已应用于农业领域。卷积神经网络技术[66]对不同作物病害进行识别和检测，为未来的发展方向提供了参考。未来农业病虫害的研究重点除了防治效果之外，还要减少防治技术对植物生长环境的危害。

要想降低生物技术对植物生长环境或植物土壤造成的损害，可以通过提高植物自身的免疫力以降低病虫害对其造成的威胁[67]。除此之外，降低化学药剂的使用率，增加生物防治和农业防治的比率，可以有效改善环境污染带来的危害。为了高效率、精确地监测病虫害的发生动态，必须建立起完整的病虫害发生预测预报网络和相应的组织机构[68]。通过科学技术实现自动化管理，动态化监控病害实时状况，发掘重要虫害的生物防治新资源，研究重要害虫优势种天敌昆虫的自然保护利用技术[63]，发展新的天敌昆虫资源繁殖、应用及产业化技术。