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南京农大教授用大数据预测迁飞害虫

2020-11-11 14:22:05       来源:中国青年报    作者:记者 李润文

  

  南京农业大学植物保护学院胡高教授的博士生陈辉在实验田里捕捉草地贪夜蛾的幼虫。 陈辉供图

  “不怕敌人张牙舞爪,就怕敌人无孔不入。”这是南京农业大学植物保护学院的胡高教授谈及病虫害防治时的感悟。

  这两年,最牵动胡高教授神经的,就是联合国粮农组织全球预警的重大迁飞性农业害虫草地贪夜蛾了。这是一场突如其来的生物物种入侵。草地贪夜蛾,这个起源于美洲热带和亚热带地区有害昆虫已经席卷了非洲、欧洲,越过印度,甚至到达了我国的山西、甘肃等北方干旱寒冷地区。

  今年夏天,胡高教授的行程排得满满当当,他分别前往云南、河南等地,调研农作物的受灾情况和虫害的发生规律。

  与往年相比,今年的气候尤其异常。冬春温度异常偏高,越冬虫量偏大,迁飞性害虫乘风而飞,遇雨而停,超长时间的雨季打乱了原有的迁飞路线和发生规律,不少地方出现了迁飞性害虫大面积为害的现象。

  过去面对这种情况,人们往往只能跟着害虫跑,追着它们的屁股围追堵截。

  而现在,利用大数据抓取和预测,胡高教授和他的团队欲化被动追击为主动蹲守,化被动战为主动战,全面阻击物种入侵。

  追踪草地贪夜蛾

  2019年年初,草地贪夜蛾在我国云南被发现。研究病虫害防治的胡高教授得知这个消息后,神经一下绷紧了。此前,他一直在关注草地贪夜蛾的最新动向。

  草地贪夜蛾的幼虫呈灰绿色,头部有倒“Y”形斑,腹部末节有4个黑斑,呈正方形排列。这是一种非常能吃的害虫,幼虫寄生在农作物植株上,以农作物的叶、茎为食,对玉米、水稻、高粱、甘蔗等十几种农作物危害很大。它们直接在叶片上产卵。幼虫会切断种苗和幼小植株的茎,咬掉植物的生长点,造成植株死亡。一个小小的草地贪夜蛾幼虫能破坏一整株玉米幼苗。遭受虫害后的作物可能减产20%,严重时可导致颗粒无收。

  草地贪夜蛾以前只是在西半球活动。2016年草地贪夜蛾在非洲被发现,证明其已经产生了跨大洲的传播。胡高教授便开始跟踪研究,他提出要做好草地贪夜蛾入侵亚洲乃至中国的准备。

  他的担心得到了印证。2018年5月,草地贪夜蛾入侵了印度,去年1月就在我国云南出现了。

  作为一种典型的迁飞性昆虫,草地贪夜蛾的成虫借助风力可以在一夜之间飞行100公里(苍蝇仅15公里),这个速度在整个害虫界是前所未有的。除此以外,草地贪夜蛾的繁殖能力也相当惊人。草地贪夜蛾在25℃左右的条件下,30天左右即可繁殖一代。每次可产卵100-200粒,一生可产卵900-1000粒,一年可繁衍数代。

  在迁飞路径尚未明确时,及时预判的难度极大。即使国内采取了“严防死守”的态势,2019年草地贪夜蛾依旧波及了全国26个省(区、市)近1500多个县市。2019年1月,草地贪夜蛾在云南被发现,5月迁飞侵入湖北,到了7月山西和甘肃也出现了草地贪夜蛾的幼虫。

  “一旦草地贪夜蛾在我国形成定居,损失不可估量。”胡高教授认为,在现阶段,掌握草地贪夜蛾的迁飞路径,及时预判是重中之重。

  构建监测网点密切追踪

  时间紧、任务重,最重要的是农民的财产损失难以计量和预测。胡高教授表示,这两年草地贪夜蛾尚未在我国形成定居,一方面是由于全国上下的严防死守,另一方面也是由于今年异常的天气将大量的草地贪夜蛾“牵制”在云南、贵州地区。

  今年才是草地贪夜蛾入侵我国的第二年,今后仍存在大范围危害的风险。胡高教授和他的团队便一手抓监测,一手抓建模。

  借助大量的一手资料,同时根据已有的草地贪夜蛾类似昆虫的迁飞资料,胡高教授在短时间内建立了数据模型,初步确立了草地贪夜蛾的迁徙路线。

  与胡高教授的辗转多地考察调研不同,他的几位研究生则是长时间在害虫发生地驻扎研究、蹲点监测,努力收集第一手资料。在云南的乡间,这些年轻人已经驻扎了5个多月。

  南京农业大学博士生陈辉就是其中的一员。从今年3月起,陈辉就在云南省元江哈尼族彝族自治县蹲点监测调研。

  他经常早上6点就起床,田间实验、下乡宣传、下地捉虫。天气虽热,但他们干起活儿来绝不含糊。晚上是草地贪夜蛾的活动时间,他们常常赶在这个时间段去检测数据,完成相关课题。

  云南省元江县地处低热河谷地区,盛夏常常连着40多天不下雨,夏季均温高达37℃。“一开始我们还穿着长袖、长裤,戴着帽子工作,后来觉得太热就放弃了。”直到现在,陈辉的手臂上还留着酷暑时节晒出来的斑点。

  然而,在田间构建监测点,工具不完备让这位博士生体验到了“赤脚医生”般的窘迫。

  这种感觉,在记录迁飞昆虫的路线时尤为强烈。

  记录昆虫迁飞路线,需要用专业的飞行模拟器。陈辉的实验室有进口的飞行模拟器,但没法带到田里,他只能自己手动做飞行模拟器。

  在研制飞行模拟器的过程中,最难的部分是解决如何使用单片机的问题。即在飞行模拟器中的单片机与编码器是怎么连接,又怎么向电脑传输数据。“数据收集了,无法可视化上传,也会前功尽弃”。

  陈辉专门买了网课,又买了一个51单片机学习机,但是有很多关键问题靠自学不行,网课缺少反馈,遇到困难没地方问。包括胡教授在内的实验室成员都没有相关经验。机缘巧合,有一天陈辉在刷朋友圈时看到一个朋友转发了相关知识,他又赶忙与这位朋友联系。

  最后,陈辉把这个飞行模拟器装置的单片机部分拿下。这使得他所有收集到的数据,最后转化成了可以被研究的图表与迁飞路径图。

  在整个过程中,陈辉得到了胡高教授的很多帮助:“他非常支持学生的想法,我做飞行模拟器的时候,他让我大胆地放开手去做。”

  正是胡高教授和他的团队分驻各地构建的“监测网”,才使得数据预测成为可能。

  化被动灭虫为主动卫田

  目前,胡高教授和他的团队在云南的实验地区设置了十几个试验小区,使用诱虫灯、高光灯、性诱剂等方法捕捉草地贪夜蛾,再进行数目统计。监测点建设好了,将无数次草地贪夜蛾迁飞的路径整合在一起,这就是飞行迁徙路线图。

  这是一个漫长而繁琐的过程。胡高教授介绍说:“数据量很大,录入的次数频繁而且数据结构繁杂,一位研究生一个晚上录入的数据修改了9次。”

  根据构建的预测模型显示,1月,在华南南部包括广东、广西、云南、福建、台湾等省份以及海南岛,在当地存在草地贪夜蛾本地越冬种群外,三四月,开始不断会有境外草地贪夜蛾的虫源迁入国内。而长江以南大部分区域,3月即可出现成虫迁入,主迁入期为四五月。江淮、黄淮地区、华北平原、四川盆地和贵州省大部地区从四五月开始有长江以南地区的虫源零星迁入,主迁入期为五六月。黄河以北的地区主迁入期为7月,而甘肃省东部,宁夏回族自治区、陕西、山西和河北等省份的北部,内蒙古自治区南部以及东北地区,到7月才可能会有成虫迁入。他们的预测结果也与最近两年草地贪夜蛾爆发的趋势基本一致,为全国草地贪夜蛾三区三带布防方案的制订提供了有力的理论支撑。

  胡高教授认为,华南越冬区、黄淮海地区以及西南、西北玉米片区是防治草地贪夜蛾的重点。在目前草地贪夜蛾尚未在我国形成定居的情况下,一两年内应当建立以化学防治、物理防治、生物防治和农业防治综合的防治技术体系。基本的防控思路是因地制宜实施分区治理,提早监测和诱杀成虫,防止草地贪夜蛾的大规模迁飞,重点防治幼虫,避免爆发性危害。

  在了解害虫动态和迁飞行为的同时,胡高教授基于美国NOAA数据库提供的过去5年气象数据,通过的昆虫迁飞轨迹算法,将昆虫自身的飞行能力作为参数进行数据运算与分析,作出准确预测。

  胡高教授希望,未来可以通过大数据的预测,在害虫到来之前就做好准备,化被动灭虫为主动卫田。“现在,我们至少可以说,明年草地贪夜蛾袭来的时间和地点都是可预测的。”胡高教授说。

  迁飞害虫与农田卫士的搏斗,在静静的田野上暗潮涌动着。

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责任编辑:程明
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