南京農大教授用大數據預測遷飛害蟲 嚴防死守應對物種入侵

南京農大教授用大數據預測遷飛害蟲 嚴防死守應對物種入侵

南京農業大學植物保護學院胡高教授的博士生陳輝在實驗田裏捕捉草地貪夜蛾的幼蟲。 陳輝供圖

“不怕敵人張牙舞爪,就怕敵人無孔不入。”這是南京農業大學植物保護學院的胡高教授談及病蟲害防治時的感悟。

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這兩年,最牽動胡高教授神經的,就是聯合國糧農組織全球預警的重大遷飛性農業害蟲草地貪夜蛾了。這是一場突如其來的生物物種入侵。草地貪夜蛾,這個起源於美洲熱帶和亞熱帶地區有害昆蟲已經席捲了非洲、歐洲,越過印度,甚至到達了我國的山西、甘肅等北方乾旱寒冷地區。

今年夏天,胡高教授的行程排得滿滿當當,他分別前往雲南、河南等地,調研農作物的受災情況和蟲害的發生規律。

與往年相比,今年的氣候尤其異常。冬春溫度異常偏高,越冬蟲量偏大,遷飛性害蟲乘風而飛,遇雨而停,超長時間的雨季打亂了原有的遷飛路線和發生規律,不少地方出現了遷飛性害蟲大面積爲害的現象。

過去面對這種情況,人們往往只能跟着害蟲跑,追着它們的屁股圍追堵截。

而現在,利用大數據抓取和預測,胡高教授和他的團隊欲化被動追擊爲主動蹲守,化被動戰爲主動戰,全面阻擊物種入侵。

追蹤草地貪夜蛾

2019年年初,草地貪夜蛾在我國雲南被發現。研究病蟲害防治的胡高教授得知這個消息後,神經一下繃緊了。此前,他一直在關注草地貪夜蛾的最新動向。

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草地貪夜蛾的幼蟲呈灰綠色,頭部有倒“Y”形斑,腹部末節有4個黑斑,呈正方形排列。這是一種非常能吃的害蟲,幼蟲寄生在農作物植株上,以農作物的葉、莖爲食,對玉米、水稻、高粱、甘蔗等十幾種農作物危害很大。它們直接在葉片上產卵。幼蟲會切斷種苗和幼小植株的莖,咬掉植物的生長點,造成植株死亡。一個小小的草地貪夜蛾幼蟲能破壞一整株玉米幼苗。遭受蟲害後的作物可能減產20%,嚴重時可導致顆粒無收。

草地貪夜蛾以前只是在西半球活動。2016年草地貪夜蛾在非洲被發現,證明其已經產生了跨大洲的傳播。胡高教授便開始跟蹤研究,他提出要做好草地貪夜蛾入侵亞洲乃至中國的準備。

他的擔心得到了印證。2018年5月,草地貪夜蛾入侵了印度,去年1月就在我國雲南出現了。

作爲一種典型的遷飛性昆蟲,草地貪夜蛾的成蟲藉助風力可以在一夜之間飛行100公里(蒼蠅僅15公里),這個速度在整個害蟲界是前所未有的。除此以外,草地貪夜蛾的繁殖能力也相當驚人。草地貪夜蛾在25℃左右的條件下,30天左右即可繁殖一代。每次可產卵100-200粒,一生可產卵900-1000粒,一年可繁衍數代。

在遷飛路徑尚未明確時,及時預判的難度極大。即使國內採取了“嚴防死守”的態勢,2019年草地貪夜蛾依舊波及了全國26個省(區、市)近1500多個縣市。2019年1月,草地貪夜蛾在雲南被發現,5月遷飛侵入湖北,到了7月山西和甘肅也出現了草地貪夜蛾的幼蟲。

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“一旦草地貪夜蛾在我國形成定居,損失不可估量。”胡高教授認爲,在現階段,掌握草地貪夜蛾的遷飛路徑,及時預判是重中之重。

構建監測網點密切追蹤

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時間緊、任務重,最重要的是農民的財產損失難以計量和預測。胡高教授表示,這兩年草地貪夜蛾尚未在我國形成定居,一方面是由於全國上下的嚴防死守,另一方面也是由於今年異常的天氣將大量的草地貪夜蛾“牽制”在雲南、貴州地區。

今年纔是草地貪夜蛾入侵我國的第二年,今後仍存在大範圍危害的風險。胡高教授和他的團隊便一手抓監測,一手抓建模。

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藉助大量的一手資料,同時根據已有的草地貪夜蛾類似昆蟲的遷飛資料,胡高教授在短時間內建立了數據模型,初步確立了草地貪夜蛾的遷徙路線。

與胡高教授的輾轉多地考察調研不同,他的幾位研究生則是長時間在害蟲發生地駐紮研究、蹲點監測,努力收集第一手資料。在雲南的鄉間,這些年輕人已經駐紮了5個多月。

南京農業大學博士生陳輝就是其中的一員。從今年3月起,陳輝就在雲南省元江哈尼族彝族自治縣蹲點監測調研。

他經常早上6點就起牀,田間實驗、下鄉宣傳、下地捉蟲。天氣雖熱,但他們幹起活兒來絕不含糊。晚上是草地貪夜蛾的活動時間,他們常常趕在這個時間段去檢測數據,完成相關課題。

雲南省元江縣地處低熱河谷地區,盛夏常常連着40多天不下雨,夏季均溫高達37℃。“一開始我們還穿着長袖、長褲,戴着帽子工作,後來覺得太熱就放棄了。”直到現在,陳輝的手臂上還留着酷暑時節曬出來的斑點。

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然而,在田間構建監測點,工具不完備讓這位博士生體驗到了“赤腳醫生”般的窘迫。

這種感覺,在記錄遷飛昆蟲的路線時尤爲強烈。

記錄昆蟲遷飛路線,需要用專業的飛行模擬器。陳輝的實驗室有進口的飛行模擬器,但沒法帶到田裏,他只能自己手動做飛行模擬器。

在研製飛行模擬器的過程中,最難的部分是解決如何使用單片機的問題。即在飛行模擬器中的單片機與編碼器是怎麼連接,又怎麼向電腦傳輸數據。“數據收集了,無法可視化上傳,也會前功盡棄”。

陳輝專門買了網課,又買了一個51單片機學習機,但是有很多關鍵問題靠自學不行,網課缺少反饋,遇到困難沒地方問。包括胡教授在內的實驗室成員都沒有相關經驗。機緣巧合,有一天陳輝在刷朋友圈時看到一個朋友轉發了相關知識,他又趕忙與這位朋友聯繫。

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最後,陳輝把這個飛行模擬器裝置的單片機部分拿下。這使得他所有收集到的數據,最後轉化成了可以被研究的圖表與遷飛路徑圖。

在整個過程中,陳輝得到了胡高教授的很多幫助:“他非常支持學生的想法,我做飛行模擬器的時候,他讓我大膽地放開手去做。”

正是胡高教授和他的團隊分駐各地構建的“監測網”,才使得數據預測成爲可能。

化被動滅蟲爲主動衛田

目前,胡高教授和他的團隊在雲南的實驗地區設置了十幾個試驗小區,使用誘蟲燈、高光燈、性誘劑等方法捕捉草地貪夜蛾,再進行數目統計。監測點建設好了,將無數次草地貪夜蛾遷飛的路徑整合在一起,這就是飛行遷徙路線圖。

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這是一個漫長而繁瑣的過程。胡高教授介紹說:“數據量很大,錄入的次數頻繁而且數據結構繁雜,一位研究生一個晚上錄入的數據修改了9次。”

根據構建的預測模型顯示,1月,在華南南部包括廣東、廣西、雲南、福建、臺灣等省份以及海南島,在當地存在草地貪夜蛾本地越冬種羣外,三四月,開始不斷會有境外草地貪夜蛾的蟲源遷入國內。而長江以南大部分區域,3月即可出現成蟲遷入,主遷入期爲四五月。江淮、黃淮地區、華北平原、四川盆地和貴州省大部地區從四五月開始有長江以南地區的蟲源零星遷入,主遷入期爲五六月。黃河以北的地區主遷入期爲7月,而甘肅省東部,寧夏回族自治區、陝西、山西和河北等省份的北部,內蒙古自治區南部以及東北地區,到7月纔可能會有成蟲遷入。他們的預測結果也與最近兩年草地貪夜蛾爆發的趨勢基本一致,爲全國草地貪夜蛾三區三帶佈防方案的制訂提供了有力的理論支撐。

胡高教授認爲,華南越冬區、黃淮海地區以及西南、西北玉米片區是防治草地貪夜蛾的重點。在目前草地貪夜蛾尚未在我國形成定居的情況下,一兩年內應當建立以化學防治、物理防治、生物防治和農業防治綜合的防治技術體系。基本的防控思路是因地制宜實施分區治理,提早監測和誘殺成蟲,防止草地貪夜蛾的大規模遷飛,重點防治幼蟲,避免爆發性危害。

在瞭解害蟲動態和遷飛行爲的同時,胡高教授基於美國NOAA數據庫提供的過去5年氣象數據,通過的昆蟲遷飛軌跡算法,將昆蟲自身的飛行能力作爲參數進行數據運算與分析,作出準確預測。

胡高教授希望,未來可以通過大數據的預測,在害蟲到來之前就做好準備,化被動滅蟲爲主動衛田。“現在,我們至少可以說,明年草地貪夜蛾襲來的時間和地點都是可預測的。”胡高教授說。

遷飛害蟲與農田衛士的搏鬥,在靜靜的田野上暗潮涌動着。

雷浩然 中青報・中青網記者 李潤文

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