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中国农作物病虫害防控科技 方向
（中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室,北京100193）
摘 要：中国是世界上农作物病虫害发生最严重的国家之一,常年发生1700 余种.近年来,受全球气候变化、经济一体化和农业产业结构调整等诸多因素的影响,中国农作物病虫害问题趋于严重.化学农药是目前中国防治农作物病虫害的最主要手段,农药的大量使用在控制有害生物的同时,也带来了农药残留超标、环境污染、害虫抗药性与再猖獗等一系列问题.因此,发展绿色防控科技,大幅度降低化学农药的用量是中国植物保护科研工作的核心任务,其重点发展方向包括：产业结构调整、全球经济一体化和气候变化等因素对重大病虫害种群演替规律的影响,基于现代生物技术、信息技术、新材料与先进制造的植保新理论、新方法与新产品,绿色防治关键技术与产品,化学农药精准施药和残留检测追溯技术,智能化植物保护装备,以及区域性病虫害绿色可持续控制模式等.
关键词：农作物病虫害；化学农药；绿色防控；科技发展
中图分类号：S4 文献标志码：A
Development Direction of Crop Pest Control Science and Technology in China
Wu Kongming
(State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases of Insect Pests, Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)
Abstract: China is one of the most serious countries damaged by crop pests in the world and more than 1700species occur annually. In recent years, due to the global climate change and economic integration, cropstructure adjustment and other factors, China’s crop diseases and insect pests tend to be serious. Chemicalpesticides are the most important means to control crop diseases and insect pests in China. A large number ofpesticides are used to control crop pests, but also bring a series of problems, such as pesticide residues,environmental pollution, pest resistance and resurgence. Therefore, it is the core task of Chinese plantprotection scientists to develop green prevention and control technology and reduce the amount of chemicalpesticides. Its key development directions include: effects of crop structure adjustment, global economicintegration and climate change on population succession of major diseases and insect pests; new theories,methods and products of plant protection based on modern biotechnology, information technology, newmaterials and advanced manufacturing; key technologies and products of green prevention and control; preciseapplication, residue detection and traceability technology for chemical pesticides; intelligent plant protectionequipment; and the green sustainable control model of regional diseases and insect pests.
Key words: Crop Diseases and Insect Pests; Chemical Pesticides; Green Prevention and Control; Science andTechnology Development
0 引言
中国是世界上农作物病、虫、草、鼠等生物灾害发生最严重的国家之一,常年发生1700 余种,可造成严重危害的超过百余种[1].病虫害的发生危害,一方面造成作物的产量损失和生产成本上升,另一方面还常常带来因病虫害危害和防治病虫害化学投入品引起的农产品质量安全问题.提升科技创新能力,强化病虫害防治工作,对保障国家粮食安全、生态安全和经济安全,推动生态文明建设,促进农民增收和农业绿色发展有重要意义.
1 中国农作物病虫害发生趋势及防治工作存在的问题
进入21 世纪,受全球气候变化、全球经济一体化和产业结构调整等诸多因素的影响,中国农作物病虫害问题十分突出[2-3].
1.1 毁灭性农业重大病虫害灾变风险不断上升
一是中国每年农作物有害生物年发生面积超过4亿公顷次,如不进行防治,产量损失可达30%.据相关部门评估,即使在大力防治后仍造成年损失粮食1600万t、棉花约50 万t、油料约90 万t 和其他作物约1000万t.二是农业重大病虫害的致害性变异和区域性流行事件频繁发生.如小麦条锈菌先后产生了30 多个在全国范围内多次大流行的小种；小麦赤霉病在长江流域和黄河流域连年暴发,水稻稻瘟病在东北稻区大范围流行,不仅造成粮食减产还带来毒素超标等质量安全问题；有些原已长期有效控制的病虫害又成为新的问题.如棉铃虫,中国1997 年开始种植转基因抗虫棉花,到2000 年后的大面积种植切断了棉铃虫在华北地区的寄主转移链条,有效控制了其危害多种作物的区域性灾变.但产业结构的调整导致华北地区的抗虫棉花种植面积迅速下降,失去抗虫棉调控后的棉铃虫种群快速回升,并导致了2017 年在华北、西北和东北多地的严重发生；三是有些次要病虫害逐渐发展演变成毁灭性生物灾害.如灰飞虱,近20 年来在长江流域和黄河流域趋于严重,其传播的水稻条纹叶枯病等多种病毒病连续暴发成灾.此外,水稻苗期条纹叶枯病、玉米南方锈病和柑橘黄龙病等上升成为重要问题.
1.2 农业外来有害生物入侵愈发严重
据不完全统计,入侵中国的危险性农业有害生物有400多种,其中造成较大危害的有100余种.在世界自然保护联盟公布的全球100 种最具威胁的外来物种中,中国就有50 余种.近年来入侵中国的外来生物呈现出种类增多、频率加快、蔓延加速、危害加剧、经济损失加重的趋势.危险性外来有害物种往往具有暴发性、毁灭性、突发性的特征,它们的入侵不仅对农业生产造成严重影响,还极大地破坏本土生物资源.从总体上看,一方面已入侵物种仍然在扩散蔓延,如烟粉虱等已遍布全国,稻水象甲在南北稻区迅速扩散蔓延,苹果蠹蛾、葡萄根瘤蚜和西花蓟马发生危害区不断扩大.另一方面,随着中国对外贸易的不断发展,新的危险性农林有害生物不断入侵,如棉花曲叶病毒病、扶桑绵粉蚧等棉花重大病虫害已传入新疆棉区,甘蓝粉虱入侵多地等[4].
1.3 化学农药过量使用带来一系列问题
化学农药是防治农作物病虫害的主要手段,中国化学农药的使用量,在过去30 年一直呈上升趋势.2012—2014年年均农作物病虫害防治农药使用量31.1万t,比2009—2011 年增长9.2%.虽然2016—2017 年农药用量趋于下降,但总量依然很大,尤其是化学杀虫剂单位面积使用量数倍于西方发达国家.化学农药的大量使用,除增加农业生产成本,还带来了一系列的问题.一是增加了食品安全风险,农药残留超标的农产品质量安全事件时有发生,“毒豇豆”、“毒韭菜”、“毒生姜”等不仅让消费者谈药色变,而且直接影响了中国农产品的出口；二是大量杀死非靶标生物,造成有益生物生态服务功能和生物多样性的丧失,破坏了农业生物多样性和生态系统的平衡.此外,农药通过径流、渗漏、飘移等流失,污染土壤和水环境,影响农田生态环境安全；三是病虫害抗药性增长越来越快,形成病虫害越打越多、药效越来越差的恶性循环.因此,研发病虫害防治新理论、新方法和新技术,尽快降低化学农药的用量,是中国农业生产急需解决的重大问题,是建设资源节约与环境友好两型农业,实现农业可持续发展的必然之路.
2 中国农作物病虫害防控科技发展历史与现状中国对农作物病虫害观察和防治的记述,可追溯到春秋战国时期,那时就开始采用药草熏蒸、炭火逼攻、洒石灰和草木灰等方法防治病虫害.农作物病虫害学科建设始于20 世纪初期,新中国成立后形成了完整的学科体系.经过建国以来60 余年的建设,中国已建成了一支在国内地域分布广泛的集植物保护基础研究、应用基础研究和应用技术研究为一体的专业性科研队伍[5].在20 世纪60—70 年代研究明确了水稻、小麦、玉米和棉花等主要作物重要病虫害的基本生物学、发生规律,构建了重大病虫害的测报体系,发展了以化学防治为主的防治技术与方法.对蝗虫、小麦吸浆虫、稻螟虫、棉铃虫、红铃虫、黏虫,稻纵卷叶螟、稻飞虱等害虫,以及麦类黑穗病、小麦锈病、小麦线虫病、棉花枯与黄萎病、水稻稻瘟病和白叶枯病等病害的测报与防治工作取得了巨大的成效.针对化学防治的局限性,中国在1975 年全国植物保护工作会议上,确定了“预防为主,综合防治”的病虫害防治工作方针.此后,在20 世纪80—90 年代之间完成了主要农作物重大病虫害的综合防治技术体系的研究工作,并根据耕作栽培制度、生产水平、主要病虫害的种类和发生特点,分别在不同农业生态区组建了以充分发挥自然控制和生态调控作用为核心的重大病虫害防控技术体系[6].2006年农业部提出了“公共植保、绿色植保”的理念,确定了绿色防控的植物保护工作发展战略.2015年农业部宣布实施《到2020 年农药使用量零增长行动方案》,进一步强化了通过绿色防治持续控制病虫害的指导思想[7].
近年来,在科技部973 计划和国家自然科学基金支持下,中国植物保护学家对重大病虫害的基础研究不断深入,在农作物重大病虫害成灾机理和可持续控制原理、重要外来物种入侵机理与监控、农业转基因生物安全风险评价与控制、农业生防微生物制剂的合成与定向改造、农业鼠害暴发成灾规律与控制、植物免疫机制与抗病分子设计、天敌控害机制和可持续利用、分子靶标导向的绿色化学农药创新等方面的理论研究,取得了一批居国际先进水平的研究成果,在《科学》、《自然》、《美国科学院院报》等国际科学刊物上发表了多篇重要论文[8-9].在应用技术方面亦取得了诸多突破,如以蛋白质农药为代表的生物防治新技术和以太阳能诱虫灯为代表的物理防治新技术等已在生产中大面积应用.
虽然过去几十年中国农作物病虫害防控科技研发取得了长足的进步,但总体水平仍远落后于欧美发达国家,尤其是在农药创制与使用技术方面还有很大的差距.欧美等发达国家针对农产品质量安全和环境安全的需求,研发了系列高效低风险化学农药品种、剂型以及生物农药品种,不断推出新型高效环境友好型品种及剂型；针对规模化经营为主的农业生产模式展开了自动化、信息化、精准化技术的研究,结合3S 技术,应用红外线光谱探测器、光学或超声波传感器等对作物形状、施药时间进行确定,严格控制农药使用量.研发了高效精准对靶施药技术、自动控制施药技术、变量喷洒技术、风送喷雾技术、直接注入施药、静电喷雾技术、光电感应喷雾技术、控滴和生物最佳粒径喷雾技术,有效提高了农药的利用率.德国还在植保机械上设置农药回收装置,利用静电或气流负压等技术将靶标外的雾滴进行回收,降低农药对环境的污染.中国虽然是农药生产大国,但多为国外失去专利保护的产品.总体而言,农药和药械科研创新能力不强,缺乏具有独立知识产权的产品.
国内科研单位普遍重视生物防治产品的实验室研发工作,而忽视规模化生产应用过程中的技术标准研究,相关企业科技创新能力弱,不能承接新产品的中后期技术研发工作,导致大量生物防治技术停留在实验室阶段.中国对病虫害局部发生的中短期预测技术研究取得了很大的成绩,但大尺度的长期预报还研究的不够.此外,在抗病虫转基因和基因编辑技术品种培育与利用、重大病虫害抗药性基因检测与治理,以及转基因昆虫的研究与应用等前沿高技术领域也存在较大的差距[10].
3 中国农作物病虫害防控的科技需求与发展方向贯彻新时代中国特色社会主义思想,落实创新驱动战略、乡村振兴战略和可持续发展战略,要求构建农业绿色发展的技术体系,为实现农业绿色发展和农业农村现代化提供强有力的科技支撑.要实现病虫害绿色防控,就要从提升植物保护科技支撑力量和建设覆盖全国的现代公共植物保护服务体系两方面着手.要建立一个全国性的病虫害监测预警体系和全国性的病虫害专业化防治队伍,并形成联防联控的机制.基于现代农业的发展需求和植物保护相关学科发展的趋势,中国病虫害科技创新的重点方向主要包括以下几个方面.
3.1 产业结构调整、全球经济一体化和气候变化等因素对重大病虫害种群演替规律的影响
近年来,中国农业生产正在进行大规模的结构调整,一是按照稳粮、优经、扩饲的要求,加快构建粮经饲协调发展的种植结构；二是深入实施藏粮于地、藏粮于技战略,保护优化粮食产能,保持粮食生产总体稳定,确保口粮绝对安全；三是稳定发展“菜篮子”产品,加强北方设施蔬菜、南菜北运基地建设；四是加快北方农牧交错带结构调整,打造生态农牧区.这些产业的调整将会直接影响农业生态系统的结构和农作物病虫害的种群演化,因此,需要研究产业结构调整、种植制度变革（如保护地的增加、免耕技术和秸秆还田等）、外来生物入侵和气候变化等多种要素交互作用对中国主要农作物病虫害灾变规律的影响,为制定区域性控制策略提供理论依据.
3.2 基于现代生物技术、信息技术、新材料与先进制造的植保新理论、新方法与新产品
植物保护学是一门应用学科,现代生命科学和信息科学等基础学科的新理论与新技术正不断融入植物有害生物的检测、监测、预警与控制各个阶段.地理信息系统、大数据、云计算等现代信息技术可显著提升植物病虫害监测预警能力.转基因技术、基因编辑技术、纳米材料和药物分子设计等现代科技前沿技术将为新的植保产品研发提供技术支撑.
3.3 绿色防治关键技术与产品创新
包括绿色农药、抗病虫害作物品种、天敌昆虫高效繁育技术装备与配套应用技术、生物源杀虫剂创制与产业化技术、害虫诱杀新型光源与应用技术、害虫化学通讯调控物质利用技术和害虫辐照不育技术等.
3.4 化学农药精准施药和残留检测追溯技术化学防治是病虫害应急防控的重要措施之一,要针对国家农产品质量安全和环境安全的新要求,研究主要农作物农药高效、减量、精准使用技术,低风险化和农药多靶标协调使用技术,以及农产品农药残留检测追溯技术.
3.5 智能化植物保护装备
中国传统的小农户植保机械已经不能满足当前现代农业发展的需求,需要研发适合中国国情的专业化大中型现代植保机械.要研制装备处理芯片和各种各样传感器或无线通讯系统的装置,实现在动态环境下通过电子信息技术逻辑运算传导传递发出适宜指令指挥植保机械完成正确动作,从而达到病虫害准确监测、精准对靶施药等植保工作智能化的目标,解决目前局部发病全田用药的难题.
3.6 区域性和地区特色性病虫害绿色可持续控制模式中国很多种类的病虫害具有大区迁移和流行性特征,这类病虫害的防控需要建立基于区域性监测预警与控制的体系,如棉铃虫和粘虫等迁飞性害虫需要实施以控制成虫迁移危害为核心的防火墙工程.此外,随着国家经济的快速发展,中国一家一户的小农生产方式正发生深刻的变革.政府采取完善土地流转和适度规模经营健康发展的政策措施,大力培育新型农业经营主体和服务主体,通过经营权流转、股份合作、代耕代种、联耕联种、土地托管等多种方式,加快发展土地流转型、服务带动型等多种形式规模经营.积极引导农民在自愿基础上,通过村组内互换并地等方式,实现按户连片种植.不断完善家庭农场认定办法,扶持规模适度的家庭农场.这些扩大生产规模的政策,已推动了病虫害防治方式的转型,到2016 年中国已建成3 万多个病虫害专业化统防统治组织.形成了依托农业龙头企业、农民合作社、家庭农场和种植大户等新型经营主体,打造一批绿色防控技术示范区的植保技术应用新模式.在病虫害防治组织管理上,正在建立以各级农业推广部门为主体,农民专业合作组织、专业协会、涉农企业和农民带头人广泛参与的绿色防控多元化推广机制.因此,在生产技术需求上,需要依据中国各地气候条件、农业生产模式和重大病虫害发生情况及绿色防控技术发展现状,建立区域性示范区,针对病虫害发生危害规律和农业生产特点,以及种植大户、专业合作社、小农户等不同经营主体的技术需求与生产管理特征,制定多样化、配套化、整体化的病虫害绿色防控方案,利用基于互联网+模式的信息化服务平台,实施专业化技术服务.
参考文献
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[2] 中国科学技术协会主编,中国植物保护学会编著,植物保护学学科发展报告(2007-2008)[R].北京:中国科学技术出版社,2008.
[3] 张花龙,杨念婉,李有志,等.气候变暖对农业害虫及其天敌的影响[J].植物保护, 2015,41(2):5-15.
[4] 张桂芬,冼晓青,张金良,等.甘蓝粉虱入侵中国大陆[J].生物安全学报, 2014,23:66-70.
[5] 吴孔明.中国农业昆虫学的现状及发展策略[J]. 植物保护, 2010,36(2):5-15.
[6] 吴孔明,陆宴辉,王振营.中国农业害虫综合防治研究现状与展望[J].昆虫知识,2009,46:831-836.
[7] 中国昆虫不育技术发展战略研究项目组.中国农业害虫绿色防控发展战略[M].北京:科学出版社,2016.
[8] 戈峰,吴孔明,陈学新.植物－害虫－天敌互作机制研究前沿[J].应用昆虫学报, 2011,48(1):1-4.
[9] 国家自然科学基金委员会生命科学部“. 十三五”学科发展战略报告:生命科学[R].北京:科学出版社,2017.
[10] 中国农业科学院科技发展战略研究组“. 跨越2030”农业科技发展战略[Z].北京:中国农业科学技术出版社,2017.
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