浙江入侵草地貪夜蛾的遷入蟲源

羅舉 馬健 武明飛 齊國君3 劉杰4 唐健 胡高,*

浙江入侵草地貪夜蛾的遷入蟲源

羅舉1,#馬健2,#武明飛2齊國君3 劉杰4 唐健1胡高2,*

(1中國水稻研究所，杭州 310006；2南京農(nóng)業(yè)大學 昆蟲系，南京 210095；3廣東省農(nóng)業(yè)科學院 植物保護研究所/廣東省植物保護新技術(shù)重點實驗室，廣州 510640；4全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心測報處，北京 100125；#共同第一作者；*通信聯(lián)系人，E-mail: hugao@njau.edu.cn)

【目的】草地貪夜蛾是新入侵我國的重要遷飛性害蟲，2019年5月8日浙江省建德市發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾入侵為害，已在全省迅速擴散蔓延。明確浙江省發(fā)現(xiàn)的草地貪夜蛾種群的蟲源地分布及遷飛路徑，對浙江省草地貪夜蛾的監(jiān)測預(yù)警及源頭治理有重大意義?！痉椒ā坷没赪RF模式的昆蟲三維軌跡分析程序，結(jié)合草地貪夜蛾的飛行行為參數(shù)和氣象資料，對入侵浙江的草地貪夜蛾的遷飛路徑及天氣背景場進行了模擬分析?！窘Y(jié)果】根據(jù)幼蟲發(fā)育歷期推算，4月26日－30日可能有首批草地貪夜蛾成蟲遷入浙江省。4月下旬，西南低空急流貫穿華南及華東大部，可為草地貪夜蛾遷飛提供運載氣流，而低溫屏障、降雨和下沉氣流可導(dǎo)致草地貪夜蛾的迫降。入侵浙江省建德市草地貪夜蛾種群的有效蟲源地主要分布在廣西東部?！窘Y(jié)論】本研究結(jié)果為浙江省草地貪夜蛾春季遷入種群的監(jiān)測預(yù)警和科學防控提供了依據(jù)。

草地貪夜蛾；天氣背景場；遷入路徑；軌跡分析；蟲源地

草地貪夜蛾[(J. E. Smith)] 是一種原分布于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重大遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲[1-3]。2016年以前草地貪夜蛾僅棲居在美洲范圍，2016年1月因商貿(mào)貨運傳入非洲尼日利亞和加納[3-5]，憑借超強的飛行能力，草地貪夜蛾迅速蔓延到整個撒哈拉以南地區(qū)，給非洲糧食生產(chǎn)造成毀滅性打擊[6]。2018年5月在亞洲印度的卡納塔克邦州首次發(fā)現(xiàn)，此后在南亞、東南亞及東亞地區(qū)迅速擴散[7-9]，并有進一步蔓延之勢。2019 年1月11日在中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[9,10]。截至2019年6月底，已擴散蔓延至云南、廣西、貴州、廣東、湖南、海南、福建、浙江、湖北、四川、江西、重慶、浙江、河南、西藏、安徽、江蘇、上海、臺灣、山東等20省(市、區(qū))，并抵達我國黃淮玉米主產(chǎn)區(qū)。隨著西南季風加強，7月草地貪夜蛾可能繼續(xù)北遷進入東北玉米主產(chǎn)區(qū)[11-14]，這將對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)成嚴重威脅。

頻繁的國際貿(mào)易被認為是草地貪夜蛾快速擴張入侵的重要原因[3]。但是草地貪夜蛾具有極強的遠距離遷飛能力，其成蟲借助高空風力，經(jīng)多晚連續(xù)飛行，其遷飛距離可達數(shù)百上千公里[15-16]。盡管草地貪夜蛾跨越大西洋由美洲進入非洲，然后跨印度洋進入印度，自然遷飛造成其洲際間擴散的可能性較小，但是卻和它在非洲范圍內(nèi)的快速蔓延以及由印度東進入侵東南亞密切相關(guān)[16]。草地貪夜蛾的遷飛習性、大范圍的遷移為害給監(jiān)測、預(yù)警與防控工作帶來了很大難度，而明確其蟲源地分布、遷飛路徑對指導(dǎo)草地貪夜蛾的異地精細化測報及源頭治理具有重要意義。

草地貪夜蛾僅在我國云南、廣西、廣東、福建、海南、臺灣等部分省份可周年繁殖，其他地區(qū)為季節(jié)性適宜生境，需每年通過遷飛入侵才能造成暴發(fā)為害[2,12]。浙江省地處草地貪夜蛾遷飛過渡區(qū)，由華南地區(qū)遷入的草地貪夜蛾在此繁殖一代后，其子代繼續(xù)向北遷飛，進入北方玉米主產(chǎn)區(qū)[12]。因此，該地區(qū)是草地貪夜蛾南北往返遷飛的橋梁地帶，防控戰(zhàn)略地位相當重要[12]。2019年5月8日，浙江省建德市發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾入侵為害，并且很快在全省擴散蔓延，為害范圍不斷擴大。為了明確草地貪夜蛾入侵浙江的遷飛途徑、蟲源地分布及天氣背景場，本研究運用基于WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)的昆蟲三維軌跡分析程序[11-14,17-18]，對草地貪夜蛾遷入浙江建德的遷飛過程進行了數(shù)值模擬和分析，以期為浙江省草地貪夜蛾的監(jiān)測預(yù)警及源頭治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 WRF模式氣象資料處理

WRF模式為新一代中尺度預(yù)測預(yù)報模式，本研究利用該模式生成高時空分辨率的氣象背景場。本研究初始氣象背景場數(shù)據(jù)為美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)和美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)的全球再分析數(shù)據(jù)(Final Analysis，F(xiàn)NL，6 h一次，空間分辨率1.0o× 1.0o)。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三維軌跡分析程序所需要的高時空分辨率背景場。

在本研究中，WRF模擬區(qū)域大小為150×160格點，水平分辨率為30 km，設(shè)置了30個垂直層，具體方案選擇和模型參數(shù)見表1。

1.2 草地貪夜蛾遷飛的大氣環(huán)流背景場分析

結(jié)合田間調(diào)查草地貪夜蛾幼蟲蟲齡及發(fā)育歷期，推算遷入成蟲種群可能的降落時間范圍為4月26－30日。根據(jù)WRF模式模擬結(jié)果，選取2019年4月26－30日19:00至次日5:00 850 hPa(大約距離地面1 500 m)高度層的水平平均流場、19:00至次日5:00的夜間累計降雨量、19:00至次日5:00的夜間平均溫度、建德市800－950 hPa垂直風速、建德市850 hPa和900 hPa溫度，利用GrADS 2.1和R語言繪制高空水平流場、降雨、溫度、垂直速度場及溫度的時間-高度剖面，分析草地貪夜蛾遷飛期間的天氣背景場。

對2019年4月26－29日，4月30日－5月7日建德市850 hPa和900 hPa，925 hPa和950 hPa高度上的風速和風向頻次進行統(tǒng)計，分析不同時間段、不同高度層的風速和風向頻次對草地貪夜蛾遷飛降落的影響。

表1 WRF模式方案與參數(shù)

1.3 軌跡分析生物學參數(shù)的設(shè)置

結(jié)合田間調(diào)查草地貪夜蛾幼蟲蟲齡及發(fā)育歷期，推算遷入成蟲種群可能的降落日期，軌跡回推以降蟲區(qū)(建德市)為起點，以推算的成蟲降落日期作為回推起始日期，利用2019年4月下旬逐日夜間氣象數(shù)據(jù)模擬其遷飛軌跡。

根據(jù)草地貪夜蛾的遷飛生物學特征，在回推軌跡分析中設(shè)定以下遷飛特征和參數(shù)：1)夜蛾類昆蟲夜間飛行，傍晚起飛，次日黎明降落[19-20]，根據(jù)4月浙江地區(qū)日出和華南地區(qū)日落時間，設(shè)置起飛時刻為19:00(BJT)，降落時刻為05:00(BJT)，飛行持續(xù)時間10 h，可連續(xù)飛行1~3個夜晚[11-14]；2)與草地貪夜蛾體型類似的夜蛾類昆蟲自主飛行速度約為2.5~4 m/s，本研究設(shè)置草地貪夜蛾自身飛行速度為3.0 m/s[11,12,23]；3)草地貪夜蛾在高空順風遷移[21-22]，暫不考慮定向偏角[11,12]；4)設(shè)定軌跡起始高度為距海平面500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250 m共計8個飛行高度[11,12]；5)草地貪夜蛾飛行的低溫閾值為13.8℃[24]，當高空氣溫低于13.8℃時，當晚回推軌跡計算終止。

2 結(jié)果與分析

2.1 蟲情資料分析及遷入時間推算

2019年5月8日，浙江省建德市發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾入侵為害，幼蟲齡期以2~4齡為主。按幼蟲發(fā)育歷期推算，前推8~13 d較為合理，推測建德市5月8日發(fā)現(xiàn)的草地貪夜蛾幼蟲可能是4月底(4月26日－30日)遷入的成蟲種群所繁育。

2.2 我國南方地區(qū)4月下旬天氣背景場變化動態(tài)

4月26日我國南方地區(qū)出現(xiàn)8 m/s以上的南風(圖1-A)，華南北部、江西大部分地區(qū)出現(xiàn)較大范圍降雨(圖1-F)，且浙江省大部分(包括建德市)850 hPa高度的溫度較低，建德市850 hPa夜間平均溫度僅為11.50℃(圖1-K)。4月27日受西太平洋副熱帶高壓的控制，華南直至江西、浙江貫穿了12 m/s的強西南氣流，最大風速甚至超過了16 m/s(圖1-B)。南部暖濕氣流與北部冷空氣在贛北、浙江中部一帶交匯，形成強對流天氣(圖1-B)，建德市夜間降雨累計降雨達到55.03 mm(圖1-G)，而降水往往導(dǎo)致空中蟲群停止遷飛而迫降。4月28日，12 m/s以上的西南風繼續(xù)覆蓋華南、江西、浙江一帶，此時這一帶并無降雨(圖1-C)，且溫度適宜(圖1-H)，但建德市950~850 hPa高度上出現(xiàn)大量下沉氣流(圖1-R)，而下沉氣流也是昆蟲集中降落的重要因子。4月29日，華南、福建、浙江再次出現(xiàn)降雨，建德市夜間累計降雨2.65 mm，且此時華南地區(qū)形成了一片雨帶(圖1-B~F)，同時建德市850 hPa高度正好處于13.8 ℃的臨界處(圖1-D)，形成了一道低溫屏障，終止草地貪夜蛾繼續(xù)遷飛。4月30日，中國南部850 hPa高度上風向轉(zhuǎn)為北風(圖1-E)，北方廣大地區(qū)不可能作為浙江草地貪夜蛾合適的蟲源地。

風向玫瑰圖亦表明，4月26－29日期間，850和900 hPa的高度上存在強西南風(圖2-A)，可以為草地貪夜蛾遠距離遷飛提供運載氣流，而925和950 hPa高度上的風向主要為東風(圖2-B)，不適宜草地貪夜蛾向北遷飛。4月30日－5月7日期間，850和900 hPa，925和950 hPa高度上主要為東北風和偏東風(圖2-C, D)，顯然無法為南方地區(qū)草地貪夜蛾蟲源北遷提供運載氣流。此外，4月30日持續(xù)到5月7日，北方廣大地區(qū)出現(xiàn)大范圍降溫，此段時間建德市850 hPa和900 hPa高度的溫度基本低于13.8 ℃(圖3)，因此，4月30日－5月7日草地貪夜蛾不具備遠距離遷飛的氣象條件。

綜上所述，4月26－29日，華南、江西及浙江省上空存在草地貪夜蛾遠距離遷飛降落的大氣動力學環(huán)境，西南方向的低空急流為草地貪夜蛾的遷飛提供了運載氣流，而低溫屏障、降雨和下沉氣流十分有利于草地貪夜蛾的迫降。

2.3 建德市草地貪夜蛾的回推軌跡分析

對回推軌跡結(jié)果進行分析，4月26日、27日、30日草地貪夜蛾的回推軌跡終點位于江西附近或福建部分地區(qū)，該蟲源地尚未有草地貪夜蛾發(fā)生為害的報道，故不能提供有效蟲源，為無效遷飛軌跡(圖4-A，B，E)，而5月1－7日的回推落點分布在浙江東部及海上，也為無效遷飛軌跡(圖4-F)，這也驗證了大氣環(huán)流背景場的分析。

4月28日、29日軌跡分析結(jié)果表明，有效蟲源地主要分布在華南地區(qū)，草地貪夜蛾遷入的有效軌跡是4月29日和4月30日清晨的回推軌跡。具體遷飛路徑如下：4月27日傍晚，廣西東部草地貪夜蛾蟲源起飛，在1 250－1 750m高度上隨強西南風向東北方向遷飛；次日清晨降落于江西中部；4月28日傍晚，該種群再次起飛繼續(xù)向北遷飛；28日夜晚的低溫屏障及下沉氣流可能會導(dǎo)致草地貪夜蛾迫降于建德地區(qū)(圖2-M, R, 4-C)。而4月30日清晨的回推軌跡與之前基本類似，4月29日傍晚，浙江西部地區(qū)的草地貪夜蛾種群再次起飛，伴隨著降雨、低溫屏障和下沉氣流，草地貪夜蛾短距離遷飛迫降至建德地區(qū)(圖2-I, N, S, 4-D)。綜上所述，4月28日傍晚－30日清晨，可能為草地貪夜蛾遷入建德市的有效時期，其蟲源地主要分布在廣西東部，1 250－1 750m為草地貪夜蛾適宜的飛行高度，經(jīng)過2~3晚的飛行可以降落于浙江省建德市。

A~E－850 hPa水平平均風場的模擬流線和等值線(陰影為風速，單位m/s)；F~J－模擬累計降雨量(單位mm)；K~O－850 hPa溫度的模擬等值線(陰影為溫度，單位℃)；P~T－建德市800－950 hPa垂直風速的時間-高度剖面圖(單位m/s)。三角形表示建德市位置。

Fig. 1. Atmospheric circulation field during 19:00 to 05:00 in Guangdong, Jiangxi and Zhejiang provinces from April 26th to April 30th, 2019.

顏色部分的面積與落在每個22.5°風向的數(shù)量成正比。

Fig. 2. Circular histograms of wind directions at 850~950 hPa during 20:00 to 06:00 in Jiande City from April 26th to May 7th.

圖4 2019年4月26日－5月7日建德市草地貪夜蛾的回推軌跡分析

Fig. 4. Backward trajectories ofin Jiande City form 26 April to 7 May, 2019.

圖3 2019年4月26日－5月7日建德市850和900 hPa溫度的時間-高度剖面圖。

Fig. 3. Time-height profile of temperature at 850 and 900 hPa in Jiande City from April 26th to May 7th, 2019.

3 討論

軌跡分析是確定遷飛性昆蟲蟲源地和降落區(qū)常用、有效的方法之一。草地貪夜蛾為小型遷飛蛾類，在高空遷飛過程中可視為一個空氣質(zhì)點，運用氣象動力學原理和有關(guān)數(shù)學模型可模擬其運行軌跡，追溯其蟲源地和預(yù)測向外擴散的路徑[17,18]。本研究根據(jù)高空的溫度和氣流場，并設(shè)置了起飛降落時間、續(xù)航時間、飛行高度、遷飛次數(shù)等生物學參數(shù)，進一步優(yōu)化了昆蟲三維軌跡分析模型，通過軌跡分析明確了浙江省草地貪夜蛾遷入種群的有效蟲源地分布在廣西東部。根據(jù)廣西梧州市植保站的調(diào)查結(jié)果，4月中旬以來，以廣西梧州市為代表的廣西東部地區(qū)草地貪夜蛾已經(jīng)有不同程度的發(fā)生，至4月下旬應(yīng)可完成一代繁殖，有可能為浙江省建德市的遷入提供有效蟲源，這也與推算的幼蟲發(fā)育歷期吻合，一定程度上說明本研究蟲源地的分布結(jié)果較為可靠。廣東地區(qū)雖也有少量有效落點，但廣東報道發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾的時間為4月23日，田間調(diào)查齡期以高齡為主，按照幼蟲及蛹的發(fā)育歷期，可能無法提供4月28－30日的有效遷出蟲源，但如果有更早期的遷入蟲源定殖繁殖，完全有可能為浙江提供有效蟲源。

由于昆蟲飛行能力的限制，必須要借助外力因素。遷飛性昆蟲為了完成每年的季節(jié)性遷飛，必須適應(yīng)并利用這種周期性的大氣特點，充分利用不同季節(jié)和時刻的盛行氣流[25,26]，其遷飛模式主要與溫度和風速的垂直分布有關(guān)，遷飛方向與風向關(guān)系密切[23]。我國東半部地處典型的東亞遷飛場[27]，受東亞季風環(huán)流的影響，春夏季的偏南氣流和秋季的偏北氣流為昆蟲遠距離遷飛提供了運載條件。本研究通過分析2019年4月下旬逐日19:00至5:00 850 hPa高度層的風溫場，認為4月26－29日，受西太平洋副熱帶高壓的控制，我國南方大部分地區(qū)的高空存在草地貪夜蛾遠距離遷飛降落的大氣動力學環(huán)境，且強西南氣流一直維系并貫穿華南、江西、浙江一帶，可為草地貪夜蛾的遠距離遷飛提供合適的運載氣流。

一些特定的天氣系統(tǒng)和天氣過程等會迫使空中蟲群集聚，進而中途迫降，形成局地大發(fā)生的種群[25,28,29]，其中下沉氣流和雨水沖刷是導(dǎo)致空中蟲群大規(guī)模集中降落的主要原因[29]。本研究通過分析4月下旬天氣背景場變化動態(tài)，認為低溫屏障、降雨和下沉氣流均可能是導(dǎo)致草地貪夜蛾迫降的天氣條件，其中低溫屏障和下沉氣流主要影響了4月28日夜間降蟲，下沉氣流、低溫屏障和降雨主要影響了4月29日夜間降蟲。而5月1日－7日持續(xù)低溫以及不適宜的風向?qū)Σ莸刎澮苟昀^續(xù)向北遷飛不利，從而導(dǎo)致草地貪夜蛾遷入種群滯留當?shù)?、定殖為害?/p>

本研究在模擬草地貪夜蛾遷飛高度時，設(shè)置了距海平面500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250m共計8個飛行高度參數(shù)。最終篩選得到的有效軌跡中，飛行高度在1 250－1 750m之間。風玫瑰圖分析結(jié)果也表明，4月下旬850和900 hPa高度上存在較為強勁的西南低空急流(圖2-A)，而925和950 hPa高度上的風向主要為東風(圖2- B)，不適合草地貪夜蛾蟲源向北遷飛。事實上，草地貪夜蛾在空中的飛行高度不僅與高空的風溫場有直接的關(guān)系，還與遷飛季節(jié)、地形地貌環(huán)境等密切相關(guān)[ 21, 30-32]。

自2019年1月草地貪夜蛾入侵我國云南后蔓延速度極快，僅5個月便已遷飛至我國20省，并已抵達我國黃淮玉米主產(chǎn)區(qū)，隨著西南季風加強，可繼續(xù)北遷進入東北玉米主產(chǎn)區(qū)[11]。已有研究分析了東南亞及華南地區(qū)草地貪夜蛾蟲源的季節(jié)性遷飛路徑及遷飛規(guī)律[11-14,33]，浙江省地處草地貪夜蛾的遷飛過渡區(qū)，本研究以浙江省建德市為例，分析探討了草地貪夜蛾遷入浙江的路徑及氣象背景場。受東亞季風環(huán)流的影響，草地貪夜蛾已在中國及東南亞地區(qū)形成東擴北進的遷飛格局[11-14]，其季節(jié)性南北往返遷飛將成為常態(tài)，應(yīng)基于遷飛路徑加強監(jiān)測、測報工作，對蟲源集中降落區(qū)和重發(fā)區(qū)實施統(tǒng)防統(tǒng)治，防止較大面積成災(zāi)現(xiàn)象發(fā)生。

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Original Area of Fall Armyworm Individuals Newly Invaded in Zhejiang Province

LUO Ju1,#, MA Jian2,#, WU Mingfei2, QI Guojun3, LIU Jie4, Tang Jian1, HU Gao2,*

(China National Rice Research Institute，，; Department of Entomology，，，；,,,;Division of Pest Forecasting, China National Agro-Tec Extension and Service Center,,;;,)

【Objective】Thefall armyworm, [(J. E. Smith), FAW] is a significant migratory pest newly invaded China. It was discovered in Jiande City of Zhejiang Province on 8 May 2019, and thereafter spreaded rapidly throughout Zhejiang Province. A better understanding of the distribution of the source areas and the migration path of FAW populations will be beneficial for the monitoring, early warning and the source control of this pest in Zhejiang Province. 【Methods】The migratory routes and weather fields for the newly invasive population in Zhejiang Province were analyzed by using a trajectory simulation approach, combined with flight behaviour and meteorological data.【Result】According to the larval developmental period, the first batch of FAW adults may immigrate into Zhejiang Province from 26 to 30 April. In late April, the southwesterly airflow passed through most part of southern and eastern China, providing a carrier airflow for the FAW migrants, while low temperature barriers, rainfall and sinking airflow can cause a forced landing of the FAW. The effective source of the FAW invasive population in Jiande City, Zhejiang Province is mainly distributed in eastern Guangxi.【Conclusion】This research results lay a basis for the monitoring, early warning, scientific prevention and control of the spring immigrants of FAW in Zhejiang Province.

(J. E. Smith); weather condition; migratory route; trajectory analysis; insect source area

S435.112+.9

A

1001-7216(2020)01-0080-08

10.16819/j.1001-7216.2020.9076

國家自然科學基金資助項目(31822043)；浙江省自然科學基因資助項目（LY20C140008）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（KYZ201920、KJJQ201803）；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團隊建設(shè)項目（2017LM1078）；廣西農(nóng)業(yè)科學院基本科研業(yè)務(wù)專項（桂農(nóng)科院2019Z15）。