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黄季焜及合作者发表关于土地利用和农药施用对

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黄季焜及合作者发表关于土地利用和农药施用对

欧美国家的研究表明,土地利用多样性与作物害虫的天敌紧密相关,然而,土地利用多样性与天敌数量关系的定量研究在发展中国家还鲜见报道,发展中国家在田间和农场的规模上与西方国家现代农业有很大的差异,发展中国家的农民经常大量施用农药且农户施用农药差异显著。

转基因棉花的广泛种植使得主要的害虫棉铃虫销声匿迹,但是结果却导致另一种原本处于次要地位的害虫盲蝽蟓急剧增加。

本报讯 近日,中国农业科学院植物保护研究所吴孔明科研团队的研究成果“Bt棉花大规模种植和农药用量的减少促进农业生态系统对害虫的生防作用”发表在《自然》杂志上。 害虫是影响农业生产的重要因素,化学防治是控制害虫发生危害的主要手段,但化学农药的大量使用会导致害虫再猖獗、抗药性等一系列问题。转Bt基因抗虫作物的研发为害虫治理提供了新的方法,迄今为止,全球已有20多个国家推广种植了Bt作物。 吴孔明科研团队以我国华北地区Bt棉花商业化种植为案例,系统研究了Bt作物生态系统天敌昆虫的演化机制。研究表明,种植Bt棉花农药使用的减少使棉田捕食性天敌种群数量上升,天敌的增加不仅有效抑制了华北地区棉花蚜虫的发生和危害,而且进入大豆花生玉米等相邻作物大田,显着提升了整个农业生态系统的生物防治功能。 这是国际上首次从景观生态学的角度对Bt作物生态服务功能和机制进行系统的研究,对深入阐明Bt作物对天敌昆虫的生态调控作用,发展利用Bt植物可持续控制重大害虫区域性灾变的理论与方法有重要科学意义。

本论文基于中国棉花主产区华北的农户棉花田间调查和周边土地利用情况的独特数据,评估了土地利用和棉花的农药使用对棉花蚜虫天敌数量的影响。

棉铃虫曾经是我国棉花种植中为害最甚的害虫,在1992年让整个华北地区减产高达50%。1997年,来自美国的转基因抗虫棉Bt棉开始在我国河北省种植,1999年本土培育的抗虫棉开始商业化种植。随后的年份里,Bt棉所到之处棉铃虫均销声匿迹。转基因技术比农药更为有效地控制了棉铃虫为害。

研究结果表明,在以小规模种植且土地以农作物种植为主的华北地区,采用通常使用的Shannon或Simpson指数来衡量土地利用多样性是难以解释土地利用和蚜虫天敌数量之间的关系,而用农作物类型和及其占地比例却能很好解析以上的内在关系。研究表明,棉花地周边如果种植玉米或草地越多,蚜虫的天敌也就越多;同时农药施用量和施用时间对瓢虫的密度有显著的影响。上述研究结论表明,改善华北地区农作物种植结构和合理使用农药将对虫害的综合防治产生积极影响。

然而,中国农业科学院植物保护研究所吴孔明等人对中国北方作物的一项为期10年的研究发现,Bt棉种植地原本处于次要地位的害虫盲蝽蟓急剧增加,取代棉铃虫成为主要害虫。这项研究结果5月13日由美国《科学》杂志在线发表。“就像任何其他的新技术,转基因Bt棉在害虫控制上发挥重要作用的同时,可能引起无法预计的后果或风险。”吴孔明研究员在2007年的一篇论文中就指出,“我们对大规模种植Bt转基因作物对生态环境带来的潜在影响缺乏经验。”自1999年Bt棉开始商业化种植以后,两年的时间里它就被广泛种植到了包括河北、山东、河南、陕西省在内的黄河流域地区。Bt棉的种植面积在2002-2004年间在长江流域也迅速增长。到现在,我国Bt棉的种植面积已经达到380万公顷,大约占到棉花种植总面积的70%。“大尺度种植Bt棉所带来的环境风险主要是蚜虫、叶螨、盲蝽类次要害虫的种群发生变化,导致棉花虫害控制的新问题。”吴孔明在2007年的文章中表示。

Ke Zhou, Jikun Huang, Xiangzheng Deng, Wopke van der Werf, Wei Zhang,Yanhui Lu, Kongming Wu, Feng Wu, Effects of land use and insecticides on natural enemies of aphids incotton: First evidence from smallholder agriculture in the North China Plain, 2014, Agriculture, Ecosystems and Environment, 183 176– 184.

吴孔明等人近年来的研究发现,与Bt棉的种植进程形成对应的是,近10年来,我国黄河流域和长江流域棉区盲蝽发生数量急剧增加,危害日益加重。2008年全国棉花盲蝽发生面积390万公顷,产量损失5万吨,分别是2000年的3.9倍和6.2倍,两者均创20年来的新高。盲蝽虫害的加重直接导致了化学农药使用量的大幅度增加,2000年棉田防治盲蝽施药不足1次,而近年来上升到6-7次,严重地区达15-20次。

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美国科学促进会在报道吴孔明等人的最新研究结果时称之为“Bt棉花的非计划性后果”。

奇怪的事情发生了

Bt棉是经过基因工程改造的可以表达苏云金杆菌蛋白的棉花,做这样的基因改造的目的是为了在提高棉花产量的同时减低棉铃虫害以及对农药的需求。2008年吴孔明等人发表在《科学》杂志上的一篇文章证实了Bt棉在多种作物上的抗虫功能。他们分析了中国北方六个省1992年到2007年间中国棉铃虫的种群情况,发现随着Bt棉的种植,棉铃虫在多种作物上的地区性暴发数量有显着降低。“我们的数据显示Bt棉不仅控制计划中的转基因棉花上的棉铃虫,而且可能减少了棉铃虫在其他作物上的出现,并可能总体上减少杀虫剂的施用。”他们给出这样的结论。

研究涉及的六个省中,不单是棉花,大豆、玉米、花生、小麦也都遭受棉铃虫的严重为害。棉铃虫的活动是追随着作物开花的,所以当每年6月份棉花开花时,棉铃虫就一定在棉花上。它们要在这里为后代选择一个好的环境。当棉田里的棉花都种植为转基因棉花时,棉田就成了棉铃虫的死亡陷阱。“一年一年的,都弄一些‘死亡陷阱’。几年之后,不但棉花上面没有棉铃虫了,连其他作物上也都没有了。”吴孔明说,“也就是说六个省里的棉铃虫全被耗光了。”这项研究结果在当时被认为是一个非常成功的转基因技术应用的例子。“大家都认为这个好处大大的,不仅解决了棉花上的棉铃虫问题,其他的也都解决了。但从生态学上来说,这不是一个简单的好或者坏的结果。”吴孔明对南方周末记者说。

他强调,这是调控种群的问题。转基因作物的影响是宏观的,对整个生态系统都构成影响。这样一来,对它的利用、安全性评估和生态学评价也都应放在一个大尺度上来考量。

早在1980年代,吴孔明在豫东农村帮助农民防治棉铃虫害的时候,就注意到了棉田里复杂的生态网络,以及棉铃虫与盲蝽之间的关系。

棉田是个很复杂的生态系统———三百多种害虫和天敌构成一个复杂的关系网。防治害虫时打药打得越早就会越麻烦。因为打农药的时候,天敌比害虫要敏感,农药把天敌毒死了,剩下便都是害虫了。“所以在害虫防治上,农药进入农田,能晚一天是一天。要把潘多拉的魔盒打开了,剩下的都是麻烦事了。”吴孔明说。

“当时重要的实验就是从打3到4次药改成打1次药或者1次不打。当时棉铃虫也不是很严重,也不至于对产量产生严重影响。”吴孔明回忆说,“接下来就发生了奇怪的事情。”那时棉田里主要有三种害虫:棉铃虫、棉蚜虫和盲蝽蟓。它们中对棉花危害最严重的就是棉铃虫和棉蚜虫。吴孔明等人发现,如果早期不打药杀棉铃虫,那么后面就基本没有棉蚜虫出现;相反,如果早期打药越多,后面棉蚜虫就会越严重。

为什么会这样呢?其中的逻辑是这样的:在河南,小麦的种植面积非常大。小麦上面会产生蚜虫,而只要一产生蚜虫,就会产生七星瓢虫,也就是蚜虫的天敌。七星瓢虫起初在小麦地里吃麦蚜虫,在小麦收割了以后,它们就没有麦蚜虫可吃了,于是统统转移到棉花地里去。这个时候如果不打药,这批七星瓢虫就在棉花地里将就吃棉蚜虫,把棉蚜虫吃得干干净净。如果一打药,就把天敌七星瓢虫弄死了,但棉蚜虫抗药性高,打不死。前面打药越多,就相当于把天敌打死越多,棉蚜虫的问题就会越严重。

于是吴孔明就形成了一个观点———把棉铃虫放一放,不要打那么多农药杀棉铃虫,在棉铃虫和棉蚜虫之间寻找一个平衡点。在农村的几年里,吴孔明从经验上形成了对害虫关系的基本判断。

1991到1992年,棉铃虫的问题开始严重起来。之前的几年里棉铃虫慢慢形成可抗药性,到了这个时候集中暴发,虽然农民不断增加打药的次数和剂量,但棉铃虫的抗药性也越打越高。不仅如此,棉蚜虫的数量也越打越多。“整个棉田生态系统就乱了。棉铃虫多了之后又跑到西瓜、大豆、苹果、玉米、小麦地里去,没有它不吃的。”吴孔明说。

这个时候,在整个华北地区,盲蝽蟓还不是个问题。人们的注意力全都放在棉铃虫上,很多人根本不认识盲蝽蟓。

历史有可能重演?

转基因棉花种植之后,早年间在小规模棉田里的经验让吴孔明对后面害虫的走势有了一个明确的判断:有了转基因棉花,棉铃虫的数量肯定会下降,药不需要打了,那么棉蚜虫也就不会成为大问题。但第三种害虫———盲蝽蟓———就可能成为大问题。

吴孔明的团队由此开始监测盲蝽蟓的走势,自1997年以来,他们监测了中国北方38个地方,覆盖了300万公顷棉花和2600万公顷其他农作物。他们发现,在过去的年份里,盲蝽蟓的数量增加了12倍。

在《科学》杂志的最新论文中,吴孔明等人措辞谨慎地指出,盲蝽蟓的暴发与Bt棉的广泛种植存在“相关性”。

他们在最近发表的另一篇论文中论述了其中的原因:盲蝽蟓一般于6月中下旬从早春寄主迁入棉田,此阶段恰为棉田2代棉铃虫的防治期。防治棉铃虫大量施用的化学农药,间接地杀死了刚侵入棉田的盲蝽蟓。此后,在对3、4代棉铃虫实施连续防治的情况下,盲蝽蟓一直被控制在较低水平。因此,Bt棉花种植之前,特别是在棉铃虫严重发生年份,我国盲蝽蟓种群得到了有效的兼治,危害程度轻。而自1997年黄河流域和长江流域棉区大面积种植Bt棉花品种后,棉铃虫的危害得到了有效控制,棉田用于防治棉铃虫的广谱性化学农药使用量显着降低,给盲蝽蟓的种群增长提供了空间,最终导致盲蝽蟓的区域性种群剧增,并在枣、葡萄等多种作物上猖獗为害。

现在,农民为了控制盲蝽蟓,又重新开始使用农药。这让人担心防治棉铃虫时那种“道高一尺魔高一丈”的循环又将重演。“只要盲蝽蟓的数量上升到一定限度就要对它打药,又要走棉铃虫的过程。这个过程需要5年、10年乃至50年,这要看我们给它施加多大的压力。”吴孔明说。

除了使用农药这种方法,另一种防治的办法就是继续使用转基因技术,将新的对盲蝽蟓具有抗性的基因放到棉花里去了。“这样这个问题马上就得到了解决,像棉铃虫一样。”吴孔明说。

“我们的研究工作给转基因棉花的研究提出了新的课题。”吴孔明继续说,“我们需要做抗盲蝽蟓的转基因棉花,如果不做,问题就会越来越严重。”在国际上,美国孟山都公司的第三代抗虫棉已经携带有抗盲蝽蟓的基因,他们表示这个产品将在2015年进入市场。

最新的论文发表之后,有一名记者找到吴孔明,让他“说说抗虫棉的坏处”。但是在吴孔明看来,盲蝽蟓的问题只是人们在解决了棉铃虫这个主要矛盾的基础上衍生出来的一个新问题。

“我们在生态学上只说盲蝽蟓是一个物种,因为措施的改变,它的种群上升了,另外一个物种的种群下降了。我们只是从生态学的角度来看这个问题。”他对南方周末记者说,“但是从害虫的角度来说,它是作为一个害虫的种群上升了。一般人的理解就是我们2008年那篇文章说抗虫棉好,现在这篇文章又说抗虫棉坏。其实不是这样。新的结果不是在否定抗虫棉,只是说生物技术做得还不够,需要新的基因新的技术来做植物保护。”

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