气候变暖对中国农作物病虫害的影响

　　摘要：基于已有研究成果，检测农作物病虫害发生危害时空变化对气候变暖时空变化响应的已有观测事实及其变化规律性，汇总气候变暖对农作物病虫害未来发生趋势的已有预估结果，提出其影响的最新认知，并对今后的发展方向进行了展望。气候变暖可使大部病虫害发育历期缩短、危害期延长，害虫种群增长力增加、繁殖世代数可比常年增加1个代次，发生界限北移、海拔界限高度增加，危害地理范围扩大，危害程度呈明显加重趋势。但也使一些对高温敏感的病虫害呈减弱趋势，致使小麦条锈病、蚜虫等病虫由低海拔地区向高海拔地区迁移危害。未来气候变暖将使中国大部农作物病虫害发生呈扩大、加重趋势。气候变暖对农作物病虫害的影响诊断、发生与灾变的影响预估、风险评估及适应对策将是未来需要重点解决的关键问题。

　　关键词：气候变暖；生长季；农作物病虫害

　　农作物病虫害是中国最主要的农业生物灾害之一，受气候变化、耕作制度变化等因素的影响，中国农作物病虫害发生危害呈现出新的态势：一是发生面积逐年增长，由1949年的0.12亿hm2次上升到2006年的4.60亿hm2次，而近5a年均发生面积超过4.20亿hm2次；二是暴发种类逐年增加，20世纪50—7010期霍治国等：气候变暖对中国农作物病虫害的影响1927年代，每年约有10种有害生物暴发，80—90年代每年约有15种有害生物暴发，21世纪以来，每年暴发的有害生物增加到30种左右；三是灾害损失逐年扩大，1949—2009年，虽经大力防治，生物灾害导致的全国粮食作物产量损失仍增加了4倍左右。其中2000—2006年，仅水稻、小麦、玉米、大豆4种主要粮食作物的实际产量损失就由105.39亿kg增加到127.08亿kg，损失率增加了20.58%。一般年景，造成粮食减产10%—15%、棉花减产20%以上。在某些病虫害暴发年份，损失更为惊人，如1990—1991年全国小麦白粉病大流行，导致1990年小麦损失14.38亿kg，1991年虽经大力防治，实际损失仍达7.7亿kg，局部严重地区减产30%—50%，有些高感品种甚至绝收。迄今无论是水稻、小麦、玉米、大豆等主要粮食作物，还是蔬菜、果树等园艺作物的生物灾害都呈加重态势。

　　气候变暖是指气候的总体变化趋势，并不是逐日、月、季、年都在变暖。就气候变暖影响农业生产而言，可将其分为季节性变暖、生长季变暖等。季节性变暖、生长季变暖及其对病虫害的影响，既有联系又有明显的差异，二者不能相互替代。对中国大多数地区而言，单一季节变暖甚至某两个季节变暖，并不代表整个生长季变暖；整个生长季变暖也不能说明每个季节都变暖。季节性变暖主要影响病虫害的越冬、春季扩展、越夏以及秋季滞留等的季尺度变化，生长季变暖主要影响病虫害的发育历期、世代、危害期、危害程度等的年尺度变化。对于多数病虫害而言，一年中单一季节变暖甚至某两个季节变暖与整个生长季变暖，其影响形成的危害后果可显著不同。生长季变暖可对农作物病虫害年际、年代际的发生与灾变产生重大影响。因此，分类研究季节性变暖、生长季变暖对病虫害的影响十分必要。本文基于已有研究成果，从中筛选农作物病虫害发生危害时空变化与生长季变暖时空变化的对应观测数据信息，借鉴Thomson等的分析评价方法，评估气候变暖对农作物病虫害影响的已有观测事实、未来发生趋势。

　　1、中国气温变化概述

　　中国近100a和近50a气温变化情况参照文献：近百年来，中国年平均地表气温明显升高，增幅约0.8℃，增温速率约0.08℃/10a，与全球同期平均增温相当或略强。与全球平均一样，中国近百年的增温主要发生在冬季和春季，夏季有微弱变凉趋势。

　　1951—2004年，中国年平均地表气温升高了1.3℃，增温速率0.25℃/10a，明显高于全球或北半球同期平均水平。全国范围内，除四川盆地和云贵高原北部略有降温趋势外，其它地区年平均地面气温均呈上升趋势。北方和青藏高原北部地区、海南、云南南部以及长江中下游和珠江三角洲地区增温明显，其中西北和青藏高原北部、内蒙古大部、东北大部、华北北部、华南沿海部分地区年平均气温上升尤其显著。

　　1951—2002年，中国年平均最低气温、最高气温升高，但年平均最低气温上升趋势远较年平均最高气温变化明显；年平均日较差总体呈减少趋势。最低、最高气温上升速率分别为0.28、0.12℃/10a，日较差减小速率为0.16℃/10a。与年平均气温变化趋势相似，年平均最低气温增加最明显的地区也是东北、华北、西北北部和青藏高原东北部等地区。日较差减少幅度较大的地区主要在东北、华北东北部、新疆北部和青藏高原。夏季高温热浪增多，霜冻日数下降，寒潮明显减少。

　　2、生长季变暖对农作物病虫害的影响

　　2.1生长季变暖对病虫发育历期、害虫种群增长力的影响

　　生长季变暖可使大部病虫害生长发育的温度条件优化，发育历期缩短，种群增长力增加。当温度处于下限温度与适宜温度范围之间时，大多数病虫的发育速率与温度呈正相关，即温度升高，病虫生命活动旺盛，发育历期缩短，种群增长力增加。如西瓜蔓枯病潜育期在15℃时，需要10—11d，28℃时只需3.5d；高温有利于大白菜炭疽病的流行，是炭疽病发生的重要诱因。在10—26℃间的5种恒温实验条件下，随着温度的升高，麦长管蚜产仔量逐渐增大、平均世代历期逐渐缩短；产仔高峰期随温度的升高而逐渐提前，在26℃时，产仔高峰期为第9天，而在14℃时为第24天。在网室变温试验条件下，温度对褐飞虱种群的影响随水稻生育期而有差别；取食秧苗或灌浆成熟期水稻的种群，在较低的温度条件下（23—25℃）有利于种群增长；取食分蘖、拔节或孕穗期水稻的种群，在较高的温度条件（27℃左右）有利于种群的增长；这一结果与长江中下游水稻褐飞虱的发生情况相一致。

　　不同恒定温度对害虫种群增长影响的实验研究表明，多数害虫在相对偏高的温度条件下内禀增长力最大。

　　在15—35℃6种恒温条件下，白背飞虱在15—30℃之间发育正常，最适温度在28℃左右，35℃高温和以下的低温对其生长发育和繁殖都有不利影响。在18—35℃5种恒温条件下，温度对白背飞虱内禀增长力的影响较食料条件更为明显，在各个水稻生育期，均以25℃下内禀增长力为最大；在18—25℃范围内，以取食分蘖期水稻内禀增长力最大，30℃时则以取食拔节期稻株内禀增长力最大。在10—35℃6种恒温条件下，15—25℃时玉米蚜的产仔量显著高于10和30℃；25℃最适宜玉米蚜的生长、发育和繁殖，种群增长最快。在17—35℃7种恒温条件下，大螟的世代存活率、种群内禀增长力以29℃时最高。在15.5—40℃11种恒温条件下，甜菜夜蛾种群增长指数在27℃时为最大，而内禀增长力在33℃时最大。

　　在17.5—35℃7种恒温条件下，27.5—30℃最适于美洲斑潜蝇种群增长，而20℃以下的较低温度不适于种群的生存与繁衍。1999—2002年，法国北部主要谷类种植区1—8月的气温越高，秋季蚜虫出现的比例就越高，这也许是由种群增长速率增加引起的。

　　2.2生长季变暖对病虫危害期、害虫繁殖代数的影响

　　生长季变暖有利于病虫危害期延长，害虫繁殖世代可比常年增加1个代次。河南焦作市1991—1999年冬、春、夏、秋季分别较前30a增温1.5、0.6、0.3和0.7℃，纹枯病的危害逐年加重，且发病早、持续时间长；棉铃虫在10月份就出现了第5代。由于1994年4—10月上旬气温持续偏高，河北邯郸市1—4代棉铃虫比常年同期提前3—15d不等，同时5代棉铃虫严重发生，比常年多发生1个世代。年平均气温增加1℃，福建水稻褐稻虱世代增加0.8代。1992—2004年苏北沿海地区稻纵卷叶螟系统调查结果表明，稻纵卷叶螟自然繁殖多1代，其危害虫量基数上升62.2倍。

　　2.3生长季变暖对病虫害发生地理范围、危害程度的影响

　　生长季变暖可使大部病虫害发生地理范围扩大，发生界限北移、海拔界限高度增加，危害程度加重。

　　中国小麦白粉病20世纪70年代以前，一般年份仅在西南地区的滇、黔、川等省的一些山区发生较重，发生程度及范围都比较小；70年代末80年代初，扩展到江淮麦区的湖北、江苏、安徽及浙江等省的山区或沿江河地区，一度重发成灾；80年代中期以后，白粉病进一步向北扩展，上升为黄淮麦区冀、豫、陕、甘、晋等省小麦生产上的主要病害；1990—1991年全国大流行，发生范围不仅遍及黄淮、江淮流域等主要产麦区的冀、鲁、豫、苏、鄂、皖、川、黔、甘、陕、晋等省，且发生界限进一步北移，波及到辽宁、吉林、黑龙江等省的春麦区；目前已成为中国麦产区20多个省小麦生产上的重要常发病害。甘肃古浪县小麦蚜虫由低海拔地区向高海拔地区迁飞时间提前、高峰期蚜量增加；黄羊川监测点小麦蚜虫始见期1993—1996年平均出现在6月21日，2000—2002年平均在6月5日，高峰期也由7月27日提前到7月20日左右，分别提前了16、7d；高峰期蚜量由低海拔地区的124.4头/100株、175.9头/100株增加到高海拔地区的441.4头/100株、1171.9头/100株；甘肃凉州1986—2006年小麦蚜虫高峰期蚜量呈线性增加，其中1986—1995年高峰期蚜量平均为286头/100株，1996年以来增加明显，1996—2006年平均增至1884头/100株，约为前一时期的6.6倍；1997年以来，武威市小麦蚜虫、吸浆虫、玉米红蜘蛛等危害面积均有不同程度的增加。河南驻马店地区小麦吸浆虫虫口密度20世纪80年代初不足2头/m2，90年代初增加到4218头/m2，发生面积1985年前不足6667hm2，1987年已达28万hm2，1991—1995年介于8.13—153.13万hm2。

　　由于气候变暖，20世纪90年代以来，鲁西南1、2代棉铃虫的发生期明显提前，3、4代棉铃虫也有提前的趋势；危害程度呈总体加重趋势，其中90年代最重。

　　2.4生长季变暖对一些高温敏感病虫害的影响

　　生长季变暖可使一些对高温敏感的病虫害呈减弱趋势。对生长发育和繁殖危害要求相对较低温度的一些病虫种类，高温不利于一些害虫的种群增长、病菌的繁殖侵染；随着气温逐渐升高，气候环境将逐渐向阶段性适宜、总体不适宜一些病虫害发生的状态演变。

　　如在25℃时，南美斑潜蝇种群的内禀增长率最大，种群加倍时间最短，但温度达到27.5℃时，其内禀增长率、净增殖率等均急剧下降。自然条件下，温、湿度对小麦蚜虫发生和消长起主导作用，温度在13—25℃，相对湿度40%—80%范围内，有利于麦蚜大发生；分布于中国37.N以南地区的小麦红蜘蛛（麦园蜘蛛），生育要求的适宜温度为8—15℃，气温超过20℃以上就会大量死亡；小麦条锈病菌侵入的最适温度为9—12℃，在夏季最热时期旬平均气温23℃以上的地区不能越夏，只能在高寒麦区的晚熟春麦或自生麦苗上越夏，秋季再随气流返回温带或亚热带平原地区，侵染冬麦。一般“中温、低湿”的气候条件常是麦蚜大发生的年份。与气候的持续变暖相适应，甘肃陇南地区麦蚜的发生并不呈单调增加趋势，而是在1992—2000年间麦蚜发生较重，此前和此后的麦蚜发生相对较轻；小麦红蜘蛛的成灾面积从20世纪90年代的6.7万hm2左右缩减到目前的4万hm2左右。旬最高气温对甘肃天水、平凉和成县小麦条锈病发生的总体影响为负效应，平均影响系数分别为-0.13、-0.08和-0.01/℃，陇南山区小麦条锈病流行程度与10—3月平均气温呈正相关、与4—8月平均气温呈负相关，表明时段平均气温低于条锈菌正常生育温度时，气温偏高有利于小麦条锈病发展，反之，则不利于小麦条锈病发展。小麦白粉病适宜发生的温度为15—20℃，低于10℃或高于25℃时对小麦白粉病的发生有明显的抑制，当温度高于26℃时，随着温度的升高，终止小麦白粉病病程的时间缩短。江苏东海县常年5月中下旬日最高气温超过20℃，小麦白粉病菌的生长发育受到抑制，病情在5月中旬就开始进入稳定期；而1998年5月份平均温度为17—18℃，日最高温度小于20℃，比常年同期平均温度偏低，时段温度还处于白粉病生长发育的最适温度范围，有利于白粉病持续发展，导致当年小麦白粉病严重发生，病叶率达99.03%，病情严重度最高达7级。在澳大利亚新南威尔士州南部，气温从13℃升高到16℃，小麦条锈病的发展速率增加；当温度进一步增加，小麦条锈病的发展速率则降低。1961年以来，高于常温的冬季和低于常温的春季使得美国西北太平洋地区小麦条锈病的暴发频率和严重程度都有所增加。20世纪90年代以来，小麦蚜虫、小麦条锈病由低海拔地区向高海拔地区迁移扩展危害加重，正是病虫害为了适应气候变暖所产生的一种自适应调节行为。

　　3、气候变暖对农作物病虫害未来发生趋势的影响

　　3.1气候变暖对虫害发生趋势的影响

　　综合多种气候变化的数值模拟结果，选择假定一定的年平均温度升温情景，依据不同农作物害虫对越冬温度条件和发育起点温度要求，通过分析1月0℃等温线、冬季≥0℃日数、害虫完成1个世代所需有效积温的空间变化，预估农作物害虫越冬界限、发生繁殖代数的空间变化，评估对害虫迁飞区域变化的可能影响。主要结果如下：

　　（1）气候变暖可导致农作物害虫的越冬界限北移1—3个纬度，繁殖代数增加1—2个世代。在年平均温度升高1.5℃的情景下，粘虫越冬北界可达33.—34.N地区，大致可向北推移1个纬度，在33.N以南地区可多繁殖1个世代，在33.—34.N地区接近多繁殖1个世代；稻飞虱安全越冬北界将由22.N推向23.—24.N地区，常年越冬北界将由23.5.N推向26.—27.N地区，安全越冬、常年越冬北界大致可分别向北推移1—2、2.5—3.5个纬度，在30.N以南地区可多繁殖1—2个世代。稻纵卷叶螟越冬北界将由29.N推向32.N地区，大致可向北推移3个纬度，在32.N以南地区可多繁殖1—2个世代。在年平均温度升高2.69℃的情景下，粘虫越冬北界将由33.N地区向北移到36.N一带，约北移3个纬度。

　　在CO2倍增时，河北省棉花生长季≥10℃的积温将增加328—709℃·d、持续日数将延长17—28d，棉红铃虫发生界限将由河北省南部北移至冀中部保定、定州一带，棉铃虫可多繁殖1代。气候变暖将使浙北地区水稻二化螟的繁殖代数比常年增加0.5—1代。在基于全球气候渐变模型（TransientB）生成的2030、2050年江苏省气候渐变情景下，气候变暖可使江苏省稻纵卷叶螟、稻飞虱发生世代增加1—2代。气候变暖将使温带地区的各种害虫的繁殖世代数增加；气温增加1℃，仅小型节肢动物的繁殖世代数增加；气温增加2℃，除仓储害虫外的大部分节肢动物的繁殖世代数增加；气温增加3℃，仓储害虫的繁殖世代数将会增加1个代次。

　　气候变暖可以延伸谷类种植的北界，预计到2050年芬兰南部地区可以种植玉米，同时，马铃薯线虫因每年额外的代次增加可能会成为一个严重的问题。日本年均温升高1℃，足以使蝽类害虫繁殖世代数增加1个代次。

　　（2）气候变暖可使农作物害虫春季北迁时间提前、秋季南迁时间推迟，迁飞范围扩大。气候变暖后，南北纬向温差减小，从而减弱了经向环流和四季温差，夏季风较现在将更为强盛。因此，害虫春季迁出的时间将会提前，秋季因冷空气出现延迟，田间食料丰盛，害虫向南回迁的时间将推迟，使农田多次受害的机率增加。在年平均温度升高1.5℃的情景下，稻飞虱较多虫源迁入中国南部稻区的时间可能提早至3月中、下旬，春季由南向北可扩展迁入至30—31.N地区；稻纵卷叶螟第一次北迁可能提早至4月上旬末或4月中旬初，并波及到南岭北部地区；粘虫较多羽化成虫向北迁飞的时间可能提早至2月下旬，春季由南向北可扩展迁入至33—37.N地区。在年平均温度升高2.69℃的情景下，粘虫春季迁飞始盛期可能提早到2月中下旬至3月，春季向北迁入的地区将由当前的33.—36.N扩展至36.—39.N地区，秋季向南回迁的时间可能推迟到9—10月上旬左右。

　　（3）气候变暖可使主要农作物虫害发生趋势加重。

　　随着全球CO2浓度增加、北纬地区平均温度在很多地方大约增加1.0—1.4℃，许多害虫和病原物在繁殖、重组以及选择具有关键致病基因、健康性和攻击性的变种等方面显示出巨大的能力。温度增加会扩大受低温限制的一些害虫的分布范围，更长的生长季使得害虫可完成更多数量的繁殖周期。气候变暖将导致中国水稻稻飞虱、稻纵卷叶螟、小麦蚜虫、吸浆虫、红蜘蛛、玉米螟、棉花蚜虫、红蜘蛛、棉铃虫等发生趋势加重，将有全国大发生或区域大发生的可能。

　　3.2气候变暖对病害发生趋势的影响

　　气候变暖有利于农作物病害的越冬、繁殖和侵染，发生流行地理范围扩大，并使原危害不严重的温凉气候区危害加重。气候变暖导致暖冬、暖湿气候条件出现的几率增加，有利于水稻纹枯病、白叶枯病、稻瘟病、小麦条锈病、白粉病、赤霉病、纹枯病等病害的发生、发展和流行，危害的地理范围扩大、程度加重。由于升温幅度冬季大于夏季，将有利于小麦锈病、白粉病的越冬、越夏，完成周年侵染循环，并有南下发展的趋势。玉米南方锈病已北移至黄淮海地区，有可能继续向北扩展。

　　但气候变暖可使一些对高温敏感的病害减轻，如在CO2倍增时，河北省棉花枯萎病、黄萎病发生危害将减轻。

　　4、问题与展望

　　生长季变暖可使大部病虫害的发育历期缩短、危害期延长，害虫种群增长力增加、繁殖世代可比常年增加1个代次，发生界限北移、海拔界限高度增加，危害地理范围扩大，危害程度呈明显加重趋势。但也使一些对高温敏感的病虫害呈减弱趋势，致使小麦条锈病、蚜虫等病虫由低海拔地区向高海拔地区迁移危害。未来气候变暖将使中国大部农作物病虫害发生呈扩大、加重趋势。可使农作物害虫的越冬界限北移1—3.5个纬度，繁殖代数增加1—2个世代；害虫春季北迁时间提前、秋季南迁时间推迟，迁飞范围扩大；虫害发生趋势加重。有利于农作物病害的越冬、繁殖和侵染，发生流行的地理范围扩大，并使原危害不严重的温凉气候区危害加重。

　　目前有关气候变化对中国农作物病虫害影响研究的进展十分缓慢，在已有影响事实检测方面，几乎没有针对性、系统性的研究成果报道，相关的研究多是基于病虫害历史灾情资料与气象资料的统计分析，进行气候变化对一些病虫害影响的定性评价或定量估计。在未来发生趋势预估方面，少数专家于20世纪90年代前期，通过选择假定一定的年平均温度升温情景，依据不同农作物害虫对越冬温度条件和发育起点温度要求，预估了气候变暖对几种农作物害虫越冬界限、繁殖代数、迁飞区域的影响；但有关病害影响的预估研究报道甚少。近10多年来，相关的研究基本处于停滞状态。从总体上看，基于不同气候变化情景下的主要农作物病虫害的发生消长、地理分布、发生时间、危害程度变化等研究，或处于空白，或存在着很大的技术不确定性和地域不确定性。已有研究成果，有些已不能完全解释现有的检测事实，如在年平均温度升高1.5℃的情景下，稻飞虱越冬北界最大可北移约3.5个纬度；CO2倍增时，河北省棉铃虫可多繁殖1代。而目前在年平均温度升高0.8℃的情况下，稻飞虱越冬北界已最大北移了约4个纬度；河北省棉铃虫已于1992年开始即多繁殖1代。

　　气候变暖后，中国的耕作制度、熟制、品种、农业措施等也将随之发生变化，将对农田有害生物生态系的功能、结构和进化产生重要影响。为此气候变暖对农作物病虫害的影响研究，应在考虑未来农业布局、结构、品种等变化的基础上，重点开展以下方面的研究：基于近100a的观测资料和不同情景下的气候变化预测结果，研究诊断气候变暖对农作物病虫害的影响事实，揭示触发病虫害灾变的气象环境成因，研究气候变暖对病虫害发生与灾变的影响预估、风险评估及适应对策。

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