中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾春夏兩季遷飛軌跡的分析

吳秋琳 姜玉英 胡高

摘要 草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda （J.E. Smith）2019年1月入侵云南西部地區(qū)后，已在中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)形成了蟲源基地。本文利用歷史氣象數(shù)據(jù)分析了中國春、夏兩季925 hPa夜間平均風(fēng)溫場，并模擬預(yù)測了熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾的遷飛軌跡以及主要降落和波及地區(qū)。結(jié)果表明：由于中國東部地區(qū)春季與夏季盛行偏南風(fēng)或西南季風(fēng)，熱帶和南亞熱帶地區(qū)的草地貪夜蛾主要向東北方向遷移，長江以南是其北進(jìn)的必經(jīng)之地和主要的降落地區(qū)。如果連續(xù)遷飛2個夜晚，便可入侵長江以北至黃河以南地區(qū)。在夏季6-7月東部西南季風(fēng)最強時期，草地貪夜蛾連續(xù)遷飛3個夜晚可以到達(dá)黃河以北至內(nèi)蒙古與東北南部的廣大區(qū)域。本文的研究結(jié)果為對中國熱帶與南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾遷出蟲源的監(jiān)測預(yù)警工作提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 草地貪夜蛾; 熱帶和南亞熱帶種群; 風(fēng)溫場; 遷飛軌跡; 監(jiān)測預(yù)警

中圖分類號： S 431.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ADOI： 10.16688/j.zwbh.2019207

Abstract The fall armyworm， Spodoptera frugiperda （J.E. Smith）， invaded western Yunnan in January 2019， has formed a source base in tropical and southern subtropical zones in China. In this study， the nocturnal mean wind and temperature fields of 925 hPa in spring and summer in China were analyzed using historical meteorological data. The migration trajectory and main landing and sweeping areas of the moths from tropical and subtropical areas were simulated and predicted. The results showed that due to the prevailing southerly or southwesterly monsoon in spring and summer in eastern China， the moths in tropical and subtropical areas migrated mainly toward the northeast， and the south of the Yangtze River was the necessary place for their northward movement and the main landing area. If the moths take a twonights flight， they can invade the area of the north of the Yangtze River to the south of the Yellow River. During the strongest southwest monsoon period in JuneJuly in summer， the moths can reach a wide area from the north of the Yellow River to Inner Mongolia and the south east of northeast China by threenights flight. The results of this study provide a basis for monitoring and early warning of fall armyworm migration from tropical and subtropical regions of China.

Key words Spodoptera frugiperda; China tropical and southern subtropical population; wind and temperature fields; migration routes; monitoring and forecasting

草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda（J. E. Smith）是原分布于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重大遷飛性害蟲[1]。2016年1月，因商貿(mào)貨運將在美洲大陸棲居的草地貪夜蛾帶入了非洲西海岸的尼日利亞[23]。這個具有遠(yuǎn)距離遷飛能力、雜食性、高繁殖力和抗藥性的“超級害蟲”僅用了兩年時間就席卷了撒哈拉以南地區(qū)[4]，對非洲糧食安全造成了極大的影響。2018年5月，草地貪夜蛾跨海遷入印度卡納塔克邦[5]并一路北上在印度大部分地區(qū)為害[6];同年12月至今已先后被確認(rèn)入侵泰國[7]、斯里蘭卡[8]、孟加拉國[9]、緬甸[10]與中國[11]，形成了對亞洲糧食生產(chǎn)的巨大威脅。

2019年1月11日在我國云南省普洱市江城縣首次發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾為害玉米[11]，并監(jiān)測到定殖種群[12]。截至2019年4月23日，云南省普洱、德宏、保山、臨滄、紅河、西雙版納、玉溪、文山、楚雄等9市（州）31縣（市）和廣西壯族自治區(qū)河池、百色、南寧、崇左、玉林、欽州、貴港、北海等8市18縣以及廣東省廣州市增城區(qū)先后發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾。模擬分析表明緬甸草地貪夜蛾還可能不斷地遷入云南地區(qū)[13]。因此，研究中國夜間大氣環(huán)境以及季節(jié)性環(huán)流背景場，分析明確已定殖中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾的遷飛路徑和主要遷入波及地區(qū)，對指導(dǎo)監(jiān)測預(yù)警和防控工作有重要的意義。

我們基于云南、廣西、廣東與海南地區(qū)草地貪夜蛾棲境特點[14]，利用歷史氣象數(shù)據(jù)分析了中國春、夏季925 hPa夜間平均風(fēng)溫場，并在Ubuntu 18.04平臺運用基于Weather Research and Forecasting Model（WRF 3.9模式）[15]的昆蟲三維軌跡分析程序[1617]模擬預(yù)測了熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾春、夏季的遷飛路徑和降落地區(qū)。

1 材料與方法

1.1 草地貪夜蛾遷飛的大氣環(huán)流背景場分析

利用GrADS 2.0軟件解析全球再分析資料（Final Analysis，F(xiàn)NL）并提取1999-2018年3-8月逐日18：00至06：00 925 hPa（距地面高度600～800 m）高度層的水平流場與溫度要素，用于分析在春季（3-5月）和夏季（6-8月）可運載草地貪夜蛾遷飛的天氣背景場。FNL數(shù)據(jù)來源于美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environment Prediction，NCEP）美國國家大氣研究中心（The National Center for Atmospheric Research，NCAR）。該氣象數(shù)據(jù)集的時空分辨率為每6 h一次、1.0°×1.0°（約110 km×110 km）。

1.2 基于WRF模式的三維軌跡分析

1.2.1 WRF模式氣象初始場與地形資料

FNL數(shù)據(jù)同時用于啟動WRF模式的初始場數(shù)據(jù)和邊界條件。氣象數(shù)值模擬過程中采用的地形數(shù)據(jù)為分辨率2′，覆蓋全球的中分辨率空間遙感儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）和地形重力波阻力（Gravity Wave Drag by Orography，GWDO）數(shù)據(jù)。氣象資料輸入WRF模式經(jīng)數(shù)值模擬后，輸出每小時一次的30 km×30 km格距氣象要素場，作為計算昆蟲遷飛軌跡的背景條件。

1.2.2 WRF模式模擬區(qū)域與參數(shù)設(shè)置

以我國熱帶和南亞熱帶地區(qū)（包括云南、廣西、廣東與海南）四個省份1°×1°均勻分布的格點作為遷出起點（可全部覆蓋已經(jīng)入侵發(fā)生站點與玉米種植區(qū)）。其中，云南有36個起點，廣西21個，廣東16個，海南2個，整個研究區(qū)域一共設(shè)置75個起點。為方便統(tǒng)計概率結(jié)果，除熱帶和南亞熱帶地區(qū)外，將中國東部農(nóng)作區(qū)劃分成6個地理區(qū)域，包括西南地區(qū)（四川、重慶與貴州）、華中地區(qū)（湖南、湖北與河南）、西北地區(qū)（陜西、甘肅與寧夏）、華東地區(qū)（山東、江蘇、安徽、上海、浙江、江西與福建）、華北地區(qū)（山西、河北、天津、北京與內(nèi)蒙古）與東北地區(qū)（黑龍江、吉林與遼寧）。利用2017年與2018年3-8月逐日夜間氣象數(shù)據(jù)模擬遷飛軌跡。在本次研究中，采用單層嵌套的WRF模式的網(wǎng)格設(shè)計方法，以及網(wǎng)格設(shè)計的控制試驗邊界層、輻射過程和微物理處理方案（表1）。

1.2.3 軌跡計算

草地貪夜蛾的順推軌跡計算基于以下遷飛特征和參數(shù)：1）在高空順風(fēng)遷飛，定向為向右偏角30°[18];2）自身飛行速度4.5 m/s[1819];3）傍晚集中起飛始于當(dāng)?shù)貢r間18：00，結(jié)合起飛起點地形高度，設(shè)置遷飛高度為距地面高度500 m[2022]，其中，廣西、廣東與海南起點遷飛高度分別為距海平面高度500 m、750 m與1 000 m，云南起點遷飛高度為1 500 m、2 000 m與2 500 m;4）飛行低溫閾值為10℃[2324]，當(dāng)高空氣溫低于該值時軌跡停止計算;5）草地貪夜蛾飛行1～3個夜晚，每個夜晚飛行持續(xù)時間不超過12 h[21]。通過順推軌跡計算昆蟲連續(xù)多個夜晚的可能遷飛路徑時，以前一夜晚的終點作為次日起飛的起點。在每晚飛行過程中，空中個體每一整點時間都可能降落，且模擬的蟲源降落在有寄主種植的區(qū)域為有效落點。最后，將得到的所有落點坐標(biāo)用Visual FoxPro 9.0 轉(zhuǎn)換處理成屬性數(shù)據(jù)庫，再導(dǎo)入ArcGIS 10.3中繪制遷飛軌跡，并與地圖疊加后成圖顯示。中國底圖采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的國家1∶4 000 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國春季和夏季925 hPa天氣背景場的變化規(guī)律

圖1表明，3月份為我國冬春之交，主要氣候特點為氣溫開始逐漸回升，但冷空氣仍有一定勢力。我國熱帶和南亞熱帶地區(qū)925 hPa的平均溫度高于10℃，滿足草地貪夜蛾的飛行溫度。從歷年3月的平均風(fēng)場看，東亞中緯度地區(qū)處于較平直的西風(fēng)環(huán)流控制，云南西部平均風(fēng)向為偏西風(fēng)（圖1a），是該區(qū)草地貪夜蛾東進(jìn)的主要動力。同期，長江以南地區(qū)，云南東部至華南一帶廣泛受東南風(fēng)影響。進(jìn)入4月份，溫度開始升高，在南支槽的控制下，孟加拉灣的西南暖濕氣流向我國輸送和北上，并在我國西南地區(qū)與西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）控制的東南氣流匯合。在此天氣形勢下，我國熱帶和南亞熱帶地區(qū)925 hPa高空的風(fēng)向為偏南風(fēng)，平均風(fēng)速2～8 m/s（圖1b），接近甚至高于草地貪夜蛾的自身飛行速度，將是其在我國北上東進(jìn)的有力攜載條件。5月份，副高中心位置北抬，同時南支槽不斷活動勢力相當(dāng)。亞洲夏季風(fēng)每年平均于5月中旬在南海爆發(fā)。中國南部上空存在一致的南風(fēng)，同期西南地區(qū)盛行西南風(fēng)但風(fēng)速偏?。?4 m/s），其中，云南中部925 hPa高空的夜間平均風(fēng)速小于2 m/s（圖1c）。進(jìn)入6月后，熱帶系統(tǒng)和季風(fēng)槽活躍，副高加強西伸北抬，西北太平洋和南海的熱帶氣旋不斷生成。來自孟加拉灣的西南季風(fēng)強盛的水汽自中國西南地區(qū)北上，導(dǎo)致整個東部農(nóng)作區(qū)受較強西南風(fēng)控制（圖1d）。7月份副高脊線持續(xù)北抬，可控制中國中東部大部地區(qū)。西南季風(fēng)繼續(xù)加強且風(fēng)力強勁（圖1e），中國東部地區(qū)925 hPa盛行一致的南風(fēng)偏西南風(fēng)，風(fēng)速可達(dá)8 m/s，構(gòu)成了熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾遠(yuǎn)距離北遷最有利的動力條件。8月西西伯利亞冷渦開始活躍，西北風(fēng)開始南下，中國南部持續(xù)盛行偏南風(fēng)，中部地區(qū)為偏東南風(fēng)，東北受西南氣流控制（圖1f）。

2.2 中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾春、夏季遷飛路徑與降落地區(qū)

隨著3月份后氣溫的逐漸回升，北方冷空氣逐漸減弱但仍有一定勢力，10℃等溫線位于華南北界（圖1），溫度不再是限制草地貪夜蛾北遷的主要因素。由于春季與夏季盛行西南季風(fēng)，中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)的草地貪夜蛾主要向東北方向遷飛擴散（圖2，圖3）。

廣西草地貪夜蛾在春季有18.99%、夏季有7.86%的落點分布在中南半島，表明廣西與中南半島國家存在直接的蟲源交流關(guān)系（圖2d～f; 圖3d～f）。此外，在春季進(jìn)入我國內(nèi)陸且在廣西以外的落點中有68.40%、55.08%與46.65%分布在湖南，15.99%、9.23%與9.24%在貴州，其次為湖北、安徽，并可波及江西與河南。在夏季，所有從廣西起飛并進(jìn)入南部其他各省的草地貪夜蛾中，湖南（65.39%、48.28%與33.55%）、湖北（4.52%、17.83%與17.71%）以及貴州（17.27%、7.91%與6.03%）是其主要遷入?yún)^(qū)，安徽、河南、山東、江西與江蘇等地為廣西夏季草地貪夜蛾蟲源的遷飛波及區(qū)。

入侵廣東的草地貪夜蛾一旦成功定殖，在春、夏兩季將同樣向東北方向遷飛擴散（圖2g～i; 圖3g～i），最遠(yuǎn)可遷飛至朝鮮半島。在這些遷出的軌跡落點中，江西為主要降落區(qū)，春季落點分別占13.90%、23.26%與19.43%;夏季落點分別為16.39%、24.27%與18.20%。其次為湖南（春季：5.20%、9.39%與12.36%;夏季：6.94%、9.56%與9.47%）、福建（春季：4.86%、5.64與3.90%;夏季：7.49%、8.03%與4.83%）、安徽、湖北、江蘇與浙江，并可波及山東、河南和海南等地區(qū)。

對海南的分析表明，該地遷出的草地貪夜蛾大部分也朝東北方向飛行（圖2j～l; 圖3j～l），兩廣地區(qū)為其春、夏季的主要降落區(qū)，而湖南、江西、福建、湖北、安徽與江蘇等華東地區(qū)為波及區(qū)。春季飛行1～3個夜晚的草地貪夜蛾進(jìn)入廣東的軌跡落點占所有落點的26.09%、58.65%與32.72%，夏季落點概率分別為46.37%、50.27%與19.73%。同時，分別有4.09%、24.89%與23.27%（春季）以及5.97%、17.03%與10.85%（夏季）的可能性遷入廣西。

總的來看，中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾后代成蟲將主要朝東北方向遷飛，華中、華東與西南落點的平均概率分別占熱帶和南亞熱帶地區(qū)外所有落點的33.26%、32.19%與28.23%（表2）。長江以南地區(qū)將是其在春夏兩季北進(jìn)的必經(jīng)之地和降落的主要地區(qū)（圖4與圖5），如連續(xù)遷飛2個夜晚，便可直接入侵長江以北至黃河以南地區(qū)。每年6-7月份為西南季風(fēng)最強時期（圖1），草地貪夜蛾連續(xù)飛行3個夜晚可遷入黃河以北至內(nèi)蒙古與東北南部的廣大地區(qū)。

3 討論

玉米是草地貪夜蛾定殖我國云南的首選寄主植物[25]，也是云南的主要農(nóng)作物，常年種植面積為153.3萬hm2，且一年四季都有種植。廣西常年玉米播種面積超過53.3萬hm2[26]，西部與中部種植面積較多且品種類型多樣，春玉米占總玉米種植面積的75%以上，播種期在每年2-3月份[27]。廣東全年均可種植玉米，2016年玉米種植面積超過18萬hm2，甜玉米占種植面積的89%以上[28]。海南也是我國在冬季適宜玉米生長的地區(qū)，鮮食玉米種植面積超過2.67萬hm2[29]。因此，我國熱帶和南亞熱帶地區(qū)的玉米可為草地貪夜蛾的種群發(fā)展和大量繁殖提供豐富的寄主條件。草地貪夜蛾在美洲已分化成“玉米型”和“水稻型”兩種生態(tài)型系，前者嗜食玉米和高粱，后者則主要取食水稻和牧草[30]。截至2019年4月中旬，入侵我國的草地貪夜蛾經(jīng)分子鑒定表明均為“玉米型”[31]。由于玉米等作物周年種植，形成了草地貪夜蛾在中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)周年為害和蟲源持續(xù)建立的優(yōu)越條件，其擴散或遷飛可發(fā)生在各個季節(jié)。作為世界第二大玉米生產(chǎn)國，中國玉米集中分布在“西南華北東北”地區(qū)。其中，東北是我國春玉米主產(chǎn)區(qū)，黃淮海平原盛產(chǎn)夏玉米，是草地貪夜蛾種群繁殖、遷飛與再定殖的絕佳棲境。

草地貪夜蛾寄主廣泛[32]，甘蔗也是其嗜好作物。全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心已發(fā)現(xiàn)了其對甘蔗的為害。甘蔗可在我國熱帶與亞熱帶地區(qū)廣泛種植，分布于廣西和云南等地[33]，其中云南種植30萬hm2。由于中國多種農(nóng)作物的生育期隨季節(jié)和緯度變化，由南至北遞次推移，這種寄主資源在時間空間上的互補性，形成了草地貪夜蛾種群區(qū)域性遷移為害的食物資源。在草地貪夜蛾具有較強的繁殖力、遷飛能力和對化學(xué)農(nóng)藥高度抗性的背景下[3437]，區(qū)域性大范圍的遷移為害給監(jiān)測、預(yù)警與防控工作帶來極大的難度。

本研究表明，春、夏兩季中國熱帶和南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾遷出后主要降落在華中地區(qū)，其次為華東和西南地區(qū)。從我國熱帶和南亞熱帶地區(qū)起飛的草地貪夜蛾的降落分布并無顯著季節(jié)性差異，其經(jīng)過兩個夜晚的連續(xù)飛行便可進(jìn)入西北地區(qū);在夏季西南季風(fēng)加強背景下，其通過三個夜晚連續(xù)飛行還可遷入東北地區(qū)。從省份上看，云南草地貪夜蛾在春季與夏季主要遷入貴州、四川與廣西;廣西則為湖南、貴州與湖北提供蟲源;廣東草地貪夜蛾的遷出，將對江西、湖南的玉米生產(chǎn)構(gòu)成威脅;此外，廣東與廣西地區(qū)還是海南草地貪夜蛾北侵的主要落區(qū)。因此，應(yīng)基于遷飛路徑，加強監(jiān)測、預(yù)測工作。

草地貪夜蛾在北美的季節(jié)性遷飛活動也體現(xiàn)了對大氣和生境變化的適應(yīng)性[21]。北美落基山脈東側(cè)平原發(fā)生的低空急流是著名的昆蟲“傳送帶”[3839]，草地貪夜蛾短時間內(nèi)遠(yuǎn)距離遷飛與低空急流有著極其密切的聯(lián)系[20，40]。低空急流是全球廣泛存在的重要天氣系統(tǒng)之一[41]，其時空分布取決于季節(jié)性大氣環(huán)流的形式[42]。同草地貪夜蛾在北美的遷飛規(guī)律相似，中國主要遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲如黏蟲、棉鈴蟲、稻飛虱、稻縱卷葉螟、斜紋夜蛾等也同樣具有明顯的“覆瓦式”季節(jié)性遷飛規(guī)律。中美兩國在北半球的緯度分布十分相近，但中國地勢地貌更加復(fù)雜且具有更豐富的氣候特點。受東亞季風(fēng)環(huán)流的影響，東亞季風(fēng)可控制中國大部分地區(qū)[43]，印度季風(fēng)則影響云南地區(qū)[44]。這些季風(fēng)系統(tǒng)在中國昆蟲的遠(yuǎn)距離遷飛過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用[37， 4549]，形成了草地貪夜蛾北擴東進(jìn)的遷飛格局。

廣西、廣東與海南的遷出蟲源主要降落在東部農(nóng)作區(qū)，但云南草地貪夜蛾主要以省內(nèi)擴散為主，這主要是云南地形與其獨特的季風(fēng)系統(tǒng)相互作用形成的。云南西部地處東亞、南亞和青藏高原三大地理區(qū)域的交匯處，是中國地勢第一與第二階梯的分界線，也是印度洋暖濕氣流進(jìn)入中國的通道，來自孟加拉灣的印度季風(fēng)和來自南海的東亞季風(fēng)在云南中部匯合[44]。在此處，哀牢山山脈貫穿云南中部綿延500 km，山脊多在2 km以上。山脈兩側(cè)的地形、水汽、氣溫以及植被分布均表現(xiàn)出明顯的差異， 形成了云南東寒西暖的氣候。已有研究表明，山體地勢的升高和溫度的降低，是云南稻飛虱等集中迫降的最主要因素[5051]。

鑒于當(dāng)前草地貪夜蛾的快速蔓延形勢，基于計算機處理的遷飛軌跡分析方法是目前確定其遷飛格局、遷飛過程、主要降落與波及區(qū)最普遍、有效的方法之一[52]。但任何方法都有其一定的局限性，接下來仍須結(jié)合草地貪夜蛾入侵?jǐn)?shù)據(jù)動態(tài)，利用更長時間、更大空間尺度的軌跡分析，定性定量地分析其北遷規(guī)律，以達(dá)到精準(zhǔn)模擬和預(yù)測的目的，為異地預(yù)測與治理提供技術(shù)支撐。

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（責(zé)任編輯：田 喆）