生活在中國東部的人們可能不知道,每天夜里,當人們熟睡時,成百上千億的昆蟲,正在他們頭頂飛過,這些昆蟲的質量加起來可能有數百噸。它們之中的絕大部分都是害蟲,在漫長的遷徙中,尋找新的覓食地。

 

這一數字來自河南省農科院植保所所長封洪強團隊的一項新研究,在過去20年中,他們用自主研發的世界上最先進的昆蟲雷達,長期在野外進行昆蟲遷飛監測,最終發現了中國東部地區遷飛昆蟲的數量、種類、遷飛規律等。研究成果在線發表于《美國科學院院刊(PNAS)》上。

 

在此之前,只有英國有過類似的監測和研究,當地科學家們監測發現,每年夜間約9050億頭昆蟲飛過英國南部,其生物量約911噸。而封洪強團隊的研究顯示,我國東部地區每年有9.3萬億頭昆蟲,在夜間悄然飛過東西600公里寬的截面,總質量約有1.5萬噸,平均每年每公里上空,有155億頭昆蟲飛過,昆蟲密度是英國南部的5.15倍。


昆蟲雷達可以全天候實時監測昆蟲遷飛情況(示意圖)。受訪者供圖

 

季節遷飛,對人類和昆蟲都是挑戰

 

候鳥南遷、燕子北歸,動物遷徙是自然界中的普遍現象,有些景象十分壯觀。事實上,小小的昆蟲也會遷徙,但很少有人注意到。

 

這是因為,昆蟲個體往往非常小,飛行的高度很高,多在數百米到兩千米的空中,而且晝伏夜出,很難被人們觀測到。

 

但它們的遷徙對人類又非常重要,因為遷徙不僅會帶來物質和能量的傳送,也可能造成病原體的傳播、蟲害的高發。

 

對昆蟲來說,遷飛是它們離開食物匱乏區、開拓生存之地的一次艱難挑戰,大部分昆蟲會死在遷徙途中。即便它們有季節性遷徙和返回的習性,但回去的,可能已經是它們很多代以后的后代了。

 

對人類來說,昆蟲的遷飛,則是導致害蟲跨區域突發、作物病蟲害大流行的重要原因之一。據國家統計局數據顯示,“十三五”期間,遷飛性害蟲及其傳播的作物病害,在我國年均發生15億畝次以上,每年潛在糧食損失超過800億斤。

 

所以,一次漫長的昆蟲遷飛,對昆蟲和人類來說,都是一次嚴峻的生存挑戰。昆蟲需要新的食物來源,而人類則要保衛我們自己的糧食。

 

而想要更好地預防遷飛昆蟲帶來的危害,了解它們是基本的前提。怎樣才能了解?首先要能夠觀測甚至監測昆蟲的遷飛。

 

封洪強師從于我國著名植保學家、中國工程院院士吳孔明,在學生期間,曾經參與昆蟲遷飛野外監測站的建立。2004年,博士畢業后,他繼續開展雷達昆蟲學的研究,開啟了遷飛昆蟲研究的加速之路。

 

物理捕捉,到天地空全面監測

 

昆蟲雷達,是用來監測昆蟲遷飛情況的雷達。它的原理和其他雷達并無二致,都是使用電磁波對肉眼難以觀察到的空中物體進行探測。不同之處在于,普通雷達更注重及遠的能力,而昆蟲雷達更側重觀測近處,“普通雷達,往往會觀測幾十乃至幾百公里外的事物,有些領域要求越遠越好。但昆蟲雷達不同,昆蟲飛行高度多在300至500米的空中,最高的一般也不超過2公里,所以要及近,同時需要更優秀的識別能力?!狈夂閺娬f。

 

在過去,人們依靠多種方式監測這些遷飛的昆蟲,比如設置探照燈誘蟲器,其光源是一個直徑75厘米的探照燈,燈口朝天。天氣情況良好的情況下,夜間的光柱可以達到500米高,仿佛一個巨大的火燭,吸引飛蛾們來撲。研究人員以此吸引并捕捉那些具有趨光性的昆蟲,以此分析他們的種類、種群大小、發生時期等。性誘也是有效的監測方法之一,昆蟲夜晚遷徙,白天落地覓食,會被放置在田野中的性誘設備捕獲,用于監測和研究。事實上,一些昆蟲的遷徙路線非常長,但昆蟲的壽命有限,有一些昆蟲,很難在“有生之年”到達“目的地”。因此,它們會在遷徙途中進行繁衍,實現世代更迭,讓下一代到達目的地,研究人員們很早就發現了這一現象,因此設置了不同的誘捕或監測方式。

 

安裝在河南省農科院新鄉基地的高空測報燈。受訪者供圖

 

還有很多不同的監測和研究方法,比如高空網捕、海上網捕等,但這些方法中,大部分都只能監測到昆蟲的數量。而昆蟲雷達,不但可以監測到數量,而且可以監測到昆蟲遷移的方向和速度,是目前最好的全面監測工具,配合地面誘捕等方式,可以實現從地面到天空的全面監測。

 

昆蟲雷達起源于國外,封洪強介紹,從上世紀90年代末開始,國際上就在使用旋轉極化的垂直昆蟲雷達,對昆蟲的遷飛進行連續的自動觀測。而我國當時還在使用掃描雷達,“掃描雷達有許多局限,比如昆蟲在雷達波束中的位置無法確定,也就無法從回波信號中判斷昆蟲目標的大小、昆蟲的種類等?!?/p>

 

起步之路,從動手改造雷達開始

 

2004年,封洪強畢業的那一年,我國科學家建起了第一座垂直昆蟲雷達。2006年,封洪強所在的河南農科院也建了起來。


安裝在新鄉河南農科院基地的旋轉極化掃描昆蟲雷達。受訪者供圖

 

然而,由于缺乏經驗,我國自主建設的垂直昆蟲雷達,不能采集到昆蟲信號,而雷達廠并不愿意花精力去改造這種小眾的雷達。封洪強因此遠赴國外學習,隨后,聯合工程師,開始自己改造雷達,最終達到監測昆蟲信號的效果。

 

改造雷達,從頭開始設計計算機程序,進行信息化采集,是一件復雜而辛苦的工作。封洪強說,他的導師吳孔明選擇了幾位同學,進行昆蟲雷達的研究,這是國際上也很少有人研究的課題,需要花費巨大的精力和漫長的時間,“其中一個條件,就是能扛著鐵家伙去野外工作?!?/p>

 

2014年,封洪強和團隊完成了旋轉極化昆蟲雷達的數字化改造,隨后又開發出適應高分辨率昆蟲雷達的數據分析軟件,使得我國昆蟲雷達達到國際先進水平。到2019年,我國第一臺昆蟲雷達出口到農業強國以色列。

 

從學習制造到出口昆蟲雷達,中國用了15年,封洪強經歷了全過程,也是其中最重要的推動者。

 

如今,我國已經建立起更加先進的昆蟲雷達陣,可以全天候、全方位監測昆蟲的遷飛?!皬?004年到今天,整整20年做這一件事情,有過絕望的時候,也有過充滿希望的時候。好在,我們最終建立了期望中的昆蟲雷達技術,有了這些技術,我想以后的發展會進展更快一些?!狈夂閺娬f。

 

遷飛路徑,一場跨越中國的往返

 

昆蟲遷飛的現象遍布世界,可以說,整個地球都是一個巨大的昆蟲遷飛場。其中,根據地域的不同,又有許多區域性的遷飛場,中國,正處在東亞昆蟲遷飛場中。

 

監測昆蟲的遷飛,對農業病蟲害的防治至關重要,因為絕大部分重要的農業害蟲,都是遷飛性害蟲。

 

2014年秋天,封洪強和團隊成員打造的第一臺昆蟲雷達開始運行,團隊也進入長期監測和研究昆蟲的遷飛路徑、習性、種類等工作中。

 

隨著先進技術的應用,大量的數據被快速積累起來。團隊成員、河南省農科院副研究員黃建榮介紹,長期的監測和研究發現,我國的遷飛昆蟲存在北遷南回的規律,每年春季4至5月份昆蟲往北遷飛、6至7月份夏季昆蟲仍然往北遷飛,8至10月份昆蟲往南遷飛。

 

研究發現,昆蟲會利用風的力量,每個季節大規模遷飛發生時,風向明顯更加集中。在春夏季,更加集中往北遷飛,在秋季更加集中往西南方向偏,證明昆蟲遷飛具有明顯的選擇性,“它們選擇更有利于其遠距離遷飛的風向進行遷飛?!秉S建榮說。

 

這些遷飛的昆蟲中,包含了絕大部分農業害蟲,尤其是重大害蟲,如棉鈴蟲、黏蟲、小地老虎等。

 

那么,到底有多少昆蟲在遷飛?它們又會造成怎樣的危害?科研團隊收集了河南孟州、山東德州、山東萊州、江蘇姜堰、南京江浦等地不同的數據,進行比較,發現整個東部地區昆蟲總量差別不大,“通過多種方式,最終測算出了我國東部地區昆蟲的總量和總生物流量。我國東部地區每年夜間遷飛的昆蟲數量,達到了9.3萬億頭,生物質量大約為1.5萬噸。其中有7.3萬億頭是害蟲,約1.2萬噸?!秉S建榮說,“7.3萬億頭害蟲,假定1頭只吃1克植物,就有730萬噸植物被吃掉?!?/p>


夜間遷飛的昆蟲。受訪者供圖

 

一次實踐,堵住草地貪夜蛾的擴散之路

 

農業農村部發布的10種一類農業害蟲中,有8種是遷飛性害蟲,包括草地貪夜蛾、稻飛虱、黏蟲等,水稻、小麥、玉米三大主糧作物都是它們主要為害的對象。

 

草地貪夜蛾是一種我國新增的重大害蟲,也是近年來備受關注的入侵物種,起源于美洲,遷飛了大半個世界,于2018年底入侵我國。

 

得益于我國完善的植保體系,早在入侵我國之前,科學家們就開始準備抵御這種可能帶來重大危害的害蟲。而昆蟲雷達,無疑起到了重要的作用。

 

研究發現,我國草地貪夜蛾通過東、西兩條路線由南向北遷飛,東線快于西線。每年3月份,開始真正向北遷飛,4至5月份為快速擴張期;7月份進入北方玉米產區。

 

南京農業大學植保學院教授胡高長期進行草地貪夜蛾防控,他和封洪強團隊有密切的合作,他也是這項持續20年研究的成員之一。胡高介紹,草地貪夜蛾具有極強的飛行意愿和遷飛能力,最長累計飛行達到36.51小時,飛行距離達到116公里。

 

2017年1月1日在新鄉河南農科院基地,團隊成員和工程師們標定昆蟲雷達的發射功率。受訪者供圖

 

對草地貪夜蛾的迅速了解、認識,是防控的關鍵,而更快地了解它的遷飛規律、習性等,無疑需要更加先進的監測體系。事實上,在草地貪夜蛾入侵我國后,主要危害一直被控制在長江以南,在黃淮海、東北平原上,雖然也有遷徙而來的草地貪夜蛾,但并沒有造成重大危害。

 

隨著昆蟲雷達的不斷建設,我國的監測網絡正在變得更加廣泛和嚴密。但對封洪強來說,還有更廣闊的領域等待探索,“目前,昆蟲雷達還只是用于監測遷飛昆蟲和開展科學研究,我們的目標是直接進行害蟲的預報,但想要做到還需要很長時間的努力。這也是未來我們致力要做的事情,從實時監測,到提前預警,如果可以做到,未來就能在蟲口奪回更多的糧食?!?/p>

 

新京報首席記者 周懷宗

編輯 張樹婧 校對 盧茜