蝗蟲化學防控研究進展

涂雄兵，李 霜，潘 凡，徐超民，陳 俊，董豐收，張澤華

（中國農業(yè)科學院植物保護研究所，北京 100193）

蝗蟲是世界性農業(yè)重大害蟲，除南極大陸、北緯55°以北區(qū)域，均發(fā)生過蝗蟲災害，全球常年發(fā)生面積4 680萬km2，約1/8的人口遭受蝗災的影響[1-2]。在我國歷史上蝗災、水災和旱災并稱為三大自然災害。公元前976年至今，我國共發(fā)生蝗災1 200余次，平均3～5年一次大發(fā)生[3]。2020年2月10日，聯(lián)合國糧農組織（FAO）向全球發(fā)布了沙漠蝗災害預警，希望全球高度戒備正在肆虐的蝗災，防止被入侵國家出現(xiàn)糧食危機。這也再次提醒人們，蝗災依然是糧食生產和生態(tài)安全的嚴重威脅[4]。

1 世界蝗蟲災害概況

1.1 主要成災蝗蟲

全世界有記錄的蝗蟲約14 000種，隸屬于昆蟲綱（Insecta）、直翅目（Orthoptera）、蝗亞目（Caelifera），分為蝗總科（Acridoidea）、蚱總科（Tetrigoidea）和蜢總科（Eumastacoidea），2 364屬，約300種形成災害。我國有記錄的蝗蟲1 200余種，約占世界全部種類的8.5%，隸屬于283屬，60多種為害嚴重[5-7]。其中東亞飛蝗（Locusta migratoria manilensis）、亞洲飛蝗（Locusta migratoria migratoriaL.）、西藏飛蝗（Locusta migratoria tibetensis）3個飛蝗亞種，以及亞洲小車蝗（Oedaleus asiaticus）、意大利蝗（Calliptamus italicusL.）、西伯利亞蝗（Gomphocerus sibiricusL.）等遷飛性蝗蟲，可形成異地突發(fā)性災害。其他50余種蝗蟲多為害草原，不具備遷飛特性。2020年初，突襲了非洲北部、阿拉伯半島、西南亞地區(qū)的沙漠蝗（Schistocerca gregaria）為大眾所認知[2,4]。另外，還有非洲飛蝗（Locusta migratoria migratorioides）、紅蝗（Nommadacris septemfaciata）、樹蝗（Anacridiummelanorhodon）、塞納加爾蝗（Oedaleus senegalensi）等幾十種蝗蟲，也曾多次導致非洲大陸嚴重的災害。發(fā)生在歐洲大陸的摩洛哥蝗（Dociostaurus maroccanus）、白邊雛蝗（Chorthippus albomarginatus）、意大利蝗等也曾導致數(shù)次嚴重的災害[2,4,7]。美國最典型的蝗蟲是落基山蝗（Melanoplus spretus），暴發(fā)于1870年，數(shù)萬家農場因此變成了廢墟，導致了經(jīng)濟大蕭條，失業(yè)增加，社會動蕩；美國動員全社會共同努力，用盡各種手段，于1902年徹底消滅了落基山蝗，如今人們只能在博物館里見到該種蝗蟲[8]。此外，北美洲還有美洲沙漠蝗（Schistocerca Americana americana）、迷彩車蝗（Oedaleonotus enigma）、血黑蝗（Melanoplus sanguinipes）、雙帶黑蝗（Melanoplus packardii）、雙線黑蝗（Melanoplusbivittatus）等主要成災種類[2]。澳大利亞成立了蝗蟲防治委員會，專門防治澳大利亞的災蝗（Chortoicetes terminifera）、飛蝗（Locusta migratoriaL.）、紅蝗等3種成災蝗蟲[2,9]。

1.2 國際蝗災發(fā)生情況

蝗災發(fā)生是世界性的，也是歷史性的。公元前4500年，古埃及法老陵墓中就發(fā)現(xiàn)了關于蝗蟲的雕刻。《舊約全書》記載了古希臘人和羅馬人對蝗災的恐懼。公元前3世紀，《圣經(jīng)》中生動描述了沙漠蝗蟲暴發(fā)成災的場景。公元811年，蝗蟲吞噬了阿拉伯、拉辛、泰拉和埃德莎領土上的所有作物[10]。即使到了20世紀，蝗災也是決定非洲國家糧食供給的重要影響因素。20世紀后半葉，非洲發(fā)生蝗災17次，平均2.9年一次；1900—2000年，南美洲發(fā)生蝗災28次，平均3.6年一次[10-11]；1818—1985年，以色列發(fā)生沙漠蝗災達12次，損失慘重[10,12]。1986—1989年北美采用化學防治措施控制蝗蟲危害面積達8 200 萬hm2[13]。2003—2005年，為防治沙漠蝗，數(shù)百萬升的化學農藥傾倒在非洲2 980萬hm2的土地上[14]。盡管如此，2012年，馬達加斯加再次暴發(fā)蝗災，導致60%人口面臨饑餓問題[15]。2014年，意大利蝗和摩洛哥蝗席卷高加索和中亞地區(qū)670萬hm2農田[16]。沙漠蝗被認為是世界上最為嚴重的成災蝗蟲之一，2020年初大面積暴發(fā)，一天隨風遷飛100～200 km，侵襲了從非洲西部蘇丹和厄立特里亞至巴基斯坦和印度交界地區(qū)，數(shù)百萬人口受災，給近20個國家糧食生產帶來嚴重威脅[4,17]。

1.3 我國蝗災發(fā)生情況

歷史上我國是蝗災為害最為嚴重的國家之一，明代徐光啟曾說：“兇饑之因有三，曰水，曰旱，曰蝗……惟旱極而蝗，數(shù)千里間，草木皆盡，或牛馬毛幡幟皆盡，其害尤慘過于水旱者也”[18]。北宋時期制定了《捕蝗法》；元朝建立了地方首官負責制，有了“除蝗于未然”的預防意識，制定了秋耕曬卵的耕作制度和保護天敵的明令；明朝的徐光啟撰寫的《除蝗疏》中詳盡地論述了如何治蝗；清代的治蝗律例更為完善，在陳芳生撰寫的《捕蝗考》中，介紹了蝗蟲發(fā)生規(guī)律與防治方法，逐漸趨向科學防蝗[19-20]。周堯[21]在《中國昆蟲學史》中系統(tǒng)地闡述了蝗災的歷史。

新中國成立以來，黨和國家高度重視治蝗工作，通過對蝗區(qū)進行大規(guī)模改造，結合化學防治，使蝗災治理取得了明顯成效。1951年，曹驥等[22]首先研究了六六六毒餌治蝗技術。1952年，邱式邦等[23-24]將六六六粉使用量減小，僅為原用量的1/6，并于1975年提出了“預防為主，綜合防治”的植保方針。1954年，馬世駿[25]提出了“改治結合、根除蝗害”指導思想。20世紀90年代，嚴毓華[26-27]提出了“生物防治與生態(tài)治理相結合”的蝗蟲治理理論，李鴻昌等[28]提出了“農田連片、減少入侵”的統(tǒng)一規(guī)劃理念。陳永林[1]提出了“系統(tǒng)生態(tài)學和生態(tài)工程學”的觀點，以及“植物保護、生物保護、資源保護、環(huán)境保護”相結合的“四?！睂Σ?。Wang等[29]建立了蝗蟲分子生物學基礎，揭示了飛蝗散居型向群居型過渡的型變機制。另外，中國農業(yè)大學應用微孢子蟲治蝗取得重要進展[30]。中國農業(yè)科學院植物保護研究所應用真菌防治蝗蟲取得長足進步，與農業(yè)農村部農藥檢定所共同制定了真菌農藥國家標準，啟動了我國真菌殺蟲劑登記，2002年我國第一個真菌殺蟲劑產品上市，截止2017年應用真菌防治蝗蟲面積超過666.67萬hm2，2019年完成了國內首條全過程自動控制生產線建設[31]。

2 蝗蟲化學防治進展

2.1 蝗蟲化學防治的歷史

蝗蟲化學防治見證了化學農藥使用的變遷過程。1874年，德國化學家齊德勒采用化學方法合成了DDT。1939年，瑞士化學家穆勒發(fā)現(xiàn)DDT是昆蟲的神經(jīng)毒劑，能夠有效地防除蚊蟲而控制蟲媒傳播的瘧疾、傷寒蔓延，產品上市后使數(shù)億人從疾病的痛苦中解救出來，挽救了近千萬人的生命。一時之間DDT成為靈丹妙藥，穆勒也因為發(fā)現(xiàn)DDT殺蟲活性于1948年榮獲諾貝爾生理/醫(yī)學獎[32]。隨后，1942—1945年，有機氯同族化合物林丹、六氯環(huán)己烷、艾氏劑、狄氏劑和異狄氏劑相繼被研發(fā)合成。1946年，六氯環(huán)己烷（六六六）被英國帝國化學公司大規(guī)模開發(fā)上市。人們以為找到了包醫(yī)百病的良藥，這些化學藥劑也被認為是害蟲的終結者。這一時期，六六六、狄氏劑也開始用于防治蝗蟲，能迅速減少蝗蟲種群數(shù)量。1952年，六六六粉劑和毒餌在我國蝗蟲防治工作中發(fā)揮了重要作用。1953年以后，有機氯為主要有效成份的農藥被大面積推廣應用，有效地控制了蝗災的發(fā)生[24-25,33]。

20世紀70年代，有機磷農藥馬拉硫磷、樂果、甲胺磷等開始占據(jù)主導地位[34]。有機磷農藥具有選擇性強、藥效高、成本低等特點，在防治工作中被廣泛應用。如美國采用馬拉硫磷和乙酰甲胺磷防治蝗蟲，巴西采用殺螟硫磷和馬拉硫磷防治遷飛性蝗蟲，均取得了很好的防治效果[35]。在我國新疆巴里坤草原，用飛機超低量噴霧進行化學防治蝗蟲試驗，結果表明馬拉硫磷、馬拉硫磷與敵敵畏混劑、樂果、稻豐散和乙基稻豐散分別與敵敵畏混用等5個處理均可替代六六六粉劑防治草原蝗蟲[36]。

20世紀80年代后期，蝗蟲的防控工作逐漸由單一追求防效，向防效與環(huán)保兼顧轉變。人們開始關注高效低毒化學農藥的使用，多種藥劑混用、輪用、交替使用。20世紀90年代，隨著擬除蟲菊酯類農藥的引進，逐漸替代了有機磷類農藥為主的蝗蟲防治[37]。例如，殺螟硫磷和氯氰菊酯混配試驗，對抗藥較強的蝗蟲種類防效達90.0～97.0%，殺螟硫磷與氰戊菊酯混配試驗，施藥后72 h蝗蟲死亡率達到88.5～97.0%[38]。

2.2 蝗蟲化學防治的現(xiàn)狀

20世紀90年代至21世紀初，氟蟲腈在蝗蟲的防治工作中占據(jù)了重要地位。但由于其對水生生物、傳粉昆蟲、昆蟲天敵等非靶標生物的不良影響，2009年7月1日被限制使用。目前，蝗蟲化學防治藥劑種類多樣，有菊酯類、大環(huán)內脂類、新煙堿類農藥等，符合高效低風險要求[39]，在蝗蟲防治過程中發(fā)揮了重要作用。例如，應用4.5%的高效氯氰菊酯和2.5%的高效氯氟氰菊酯超低量噴霧，3 d后蝗蟲防治效果達到86.5%，7 d后就達到90.4%，15 d后達到92.1%[40]。這類藥劑不僅用藥量低，且與有機磷化學農藥相比成本較低，可節(jié)約開支近90%[39]。據(jù)最新統(tǒng)計表明，我國農藥登記用于防治蝗蟲的產品有35個，有效成分12個，其中化學農藥有敵敵畏、馬拉硫磷、吡蟲啉、溴氰菊酯、高效氯氰菊酯、阿維·三唑磷等7個產品，植物源農藥有苦參堿和印楝素2種，微生物農藥有球孢白僵菌（Beauveria bassiana）、金龜子綠僵菌（Metarhizium anisopliae）、蝗蟲微孢子蟲（Nosema locustae）3種。上述產品通過了我國農藥登記風險評估程序，均為低風險防蝗藥劑，正常使用對農產品和環(huán)境安全無不良影響[41]。

2.3 蝗蟲化學防治技術

除選擇高效安全農藥外，防治指標和防治適期也至關重要。目前，我國蝗蟲防治指標中飛蝗防治指標為0.5頭/m2，其他蝗蟲為5～25頭/m2。根據(jù)種群發(fā)生密度，危害區(qū)分為3個級別，超過防治指標2倍以上為嚴重危害區(qū)；超過防治指標，低于2倍防治指標為危害區(qū)；未超過防治指標但存在暴發(fā)風險的為潛在危害區(qū)。依據(jù)危害區(qū)不同級別采取相應措施，嚴重危害區(qū)域以化學防治為主，危害區(qū)域主要以生物防治為主，潛在危害區(qū)以生物防治結合生態(tài)調控進行預防。建議進行蝗蟲種類普查，蝗區(qū)區(qū)劃，作為分區(qū)分級防控的依據(jù)?；认x種類多、交替發(fā)生，防治適期選擇是關鍵，優(yōu)勢種3齡之前防治效果最佳，此時蝗蝻聚集為害，蟲體小、耐藥性差[31]，同時要兼顧其他種類防治。制定化學農藥交替使用、間隔施藥技術，化學農藥與生物農藥互補應用技術措施，預留天敵避難所，依據(jù)發(fā)生區(qū)面積制定防治方案。小面積、局部發(fā)生區(qū)域采用背負式設備帶藥偵察，發(fā)現(xiàn)高密度區(qū)及時防治；在發(fā)生面積小于500 hm2的集中連片區(qū)域，采用大型地面噴霧設備進行防治；發(fā)生面積大于500 hm2以上的區(qū)域，優(yōu)先使用飛機防治，推廣超低容量噴霧施藥技術和GPS飛機導航精準控制技術。在地形、植被環(huán)境復雜發(fā)生區(qū)域，可以選擇適宜的防治措施提高防治效果[31]。

3 蝗蟲化學防治存在的問題與對策

3.1 蝗蟲化學防治存在的問題

高風險化學農藥用于防控蝗蟲引發(fā)的環(huán)境污染及健康損害問題。1985年～1986年，呋喃丹被廣泛用于加拿大蝗蟲防治，分別占艾伯塔省總噴灑面積的57%（44.06萬hm2）和65%（46.87萬hm2），導致大量動物、鳥類因取食植物而死亡，大量海鷗等天敵捕食蝗蟲二次中毒[42]。薩勒赫地區(qū)因化學防治蝗蟲后禁令管理不善，導致民眾出現(xiàn)了頭暈、頭痛、嘔吐等癥狀，呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等均受到了影響[43]。

化學防控劑型技術落后導致環(huán)境污染及生態(tài)損害問題[44-45]。1970年以前，化學防治蝗蟲的油劑和餌劑以現(xiàn)場配制為主[44]。油劑多以二線油為載體，對噴施設備有腐蝕作用，對環(huán)境影響較大[46]；餌劑配制管理粗放，導致非靶標生物中毒事件時有發(fā)生[47]。懸浮劑易發(fā)生變化，如分層、絮凝、結塊等[48]?？蓾裥苑蹌┯糜诨认x防治，但影響土壤理化性質，對土壤中蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶及細菌等微生物有明顯的抑制作用[49-50]。乳油助劑多為苯、甲苯、甲醇等，比例占到30%～60%，對防治區(qū)人畜、鳥類影響嚴重，導致環(huán)境安全問題[43]。

化學防控技術落后造成的3R問題。防治措施單一和過度依賴化學農藥導致的抗性、殘留和再猖獗問題，已成為世界公認亟待解決的難題[51]。經(jīng)檢測，東亞飛蝗對馬拉硫磷已產生抗性，其中天津地區(qū)的東亞飛蝗抗性水平為2.9倍[52]，海南為14.8倍，河北為57.5倍[53]。部分區(qū)域生態(tài)保護意識落后，農藥使用量逐年增加，蝗蟲天敵等有益昆蟲迅速減少，導致生態(tài)系統(tǒng)失衡進而引發(fā)蝗災再次暴發(fā)。另外，飛機和無人機缺乏精準控制、漂移嚴重、環(huán)境殘留污染問題嚴重。2015年前，北美、澳大利亞、非洲部分地區(qū)已經(jīng)使用GPS導航系統(tǒng)，但仍存在定位精度不夠、設備匹配不到位問題，并未實現(xiàn)真正意義上的精準施藥[54-55]。

3.2 蝗蟲化學防治問題對策

新型高效低風險化學藥劑研制開發(fā)為蝗蟲的有效防控提供物質基礎。我國化學農藥創(chuàng)新平臺建設日趨完善，高效低風險農藥設計理念已經(jīng)形成[31]。未來針對分子靶標設計開發(fā)的新藥將會有巨大的商業(yè)前景，包括以發(fā)育抑制[56]、不育誘導[57-58]、滯育調控[59]等為目的的新靶點藥物研發(fā)將會有重大突破，其特點是專一性強，理想狀態(tài)可以一蟲一藥，環(huán)境友好，對人畜無害。另外，緩控釋型新劑型具有良好的開發(fā)價值。針對目前防治蝗蟲應用成熟的高效低毒化學農藥，如擬除蟲菊酯類[37]、新煙堿類[60]等常規(guī)農藥開發(fā)新劑型，能夠顯著克服原有助劑污染環(huán)境、有效利用率低的局限，為蝗蟲高效精準防控提供有力支撐。

大力發(fā)展精準高效施藥技術為蝗蟲應急快速精準防控提供技術基礎。利用紅外傳感和3D識別技術，研發(fā)基于施藥場景和靶標生物特征識別技術，研制人工智能精準變量施藥裝備[61-62]?；葹陌l(fā)生區(qū)面積大，識別困難，無人機遙感平臺可以輕易實現(xiàn)大面積監(jiān)測與防控。通過土壤特征及理化性質分析，建立蝗卵密度、發(fā)育進度預測模型，可以準確描述發(fā)生區(qū)及其蝗卵分布特征[62-63]。既可以減少工作量，又能彌補衛(wèi)星遙感分辨率低的缺陷。無人機用于防治蝗蟲單機一天作業(yè)量超過66.67 hm2，實現(xiàn)省水90%、省藥30%，有效解決了漏噴、重噴的問題。對于局部高密度蝗群防治，具有重要的應用價值[64]。

蝗蟲具有突發(fā)性、暴發(fā)性、遷飛性特征，化學防治是應急治理的主要技術手段，而有蝗無害，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)平衡是未來蝗災綠色可持續(xù)防控的理想目標，因此，應推廣與應用綠色可持續(xù)防控技術。①構建蝗蟲防治生態(tài)經(jīng)濟閾值，蝗災防控不能只考慮經(jīng)濟，還要兼顧生態(tài)；②化學防治要考慮與生物農藥互補應用，既可以快速壓低蝗蟲種群又能夠實現(xiàn)持續(xù)。同時要保護天敵，實現(xiàn)生態(tài)治理；③實行分級分區(qū)策略，應根據(jù)蝗災的不同發(fā)生區(qū)域和危害程度采取相應的防治手段，多種防治措施相結合建立蝗蟲綜合防控技術體系，才能從根本上控制蝗害[31,65-66]。

此次沙漠蝗災害引起世界各國的關注，因涉及糧食安全、生態(tài)安全，屬全球公共事件。如果蝗災導致糧食供給短缺，勢必會波及全球市場，沒有人能置身事外。現(xiàn)階段，草原蝗蟲仍然是我國面臨的重大威脅。如果草原生態(tài)遭到破壞，將會造成結構性失衡，進而引發(fā)草原沙化、荒漠化的惡性循環(huán)，或導致生態(tài)移民。因此，堅持“預防為主，綠色防控，系統(tǒng)平衡，和諧共生”的新理念，堅持“生態(tài)與經(jīng)濟并重，生態(tài)優(yōu)先”的防控策略，是實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)平衡、有蝗無害的根本保障。我們只有一個地球，希望加強國際合作，共同應對蝗蟲災害！