″在長島站,我們實現了對空中遷飛昆蟲的精準識別與數據監測,是一項具有國際水準的農業昆蟲領域的前瞻性‘問天’工程。″

6月的渤海灣,進入了一年中最美的季節,海天一色,碧空如洗。溫和的季風一路向北,帶來了夏季海上溫暖的季風,也為遷飛的昆蟲們提供了″航道″與″順風車″。華北平原麥田中產生的棉鈴蟲、黏蟲等,順著季風,在數百米的高空中跨越黃海和渤海,飛往更加廣袤的東北平原,在那里,嫩綠的玉米幼苗,將是它們新的目標。

渤海灣中間,長島海洋生態文明綜合試驗區,一座名為北隍城島的小島,是昆蟲遷飛的必經之地。就在這個小島上,有一座常年監測昆蟲遷飛的試驗站,由中國農科院植保所于2003年建立。

二十年來,它扼守著渤海灣中的咽喉之地,時刻監控著棉鈴蟲、黏蟲、小地老虎、草地貪夜蛾等許多農業重大害蟲的遷飛。常年堅守在這里的農業科研人員,研究它們的遷飛規律,探索防治的綜合方案,在煙濤微茫的大海上,建起了一座海上蟲關。

6月20日,航拍長島試驗站所在的北隍城島,這里位于渤海海峽中心。新京報記者 周懷宗 攝

遷飛害蟲,農作物最大的威脅之一

在危害大田作物的農業害蟲中,很多都具有遷飛的特點,它們會隨著季風一起飛翔,短則遷飛數百公里,長則遷飛數千公里,造成異地害蟲突然爆發,會對農業生產構成巨大威脅。

對昆蟲來說,遷飛是它們在漫長的進化中,躲避不良生存環境,開拓新資源的適應性對策。但對人類來說,昆蟲的遷飛,則是導致害蟲跨區域突發和作物病蟲害大流行的重要原因之一。據國家統計局數據顯示,″十三五″期間,遷飛性害蟲及其傳播的作物病害,在我國年均發生15億畝次以上,每年潛在糧食損失超過800億斤。

 

山東東營昆蟲雷達基地航拍圖。中國農科院供圖

″蟲口奪糧″,是農業生產中永恒的話題,中國農科院植物保護研究所所長陸宴輝告訴記者,當前,在全球氣候變暖不斷加劇、作物栽培和耕作制度顯著變化的新形勢下,遷飛性害蟲的爆發頻率、危害程度和所造成的產量損失,正在變得日益嚴重,已經成為制約農業可持續發展的重大瓶頸。而探索和研究昆蟲遷飛的規律,全方位監測昆蟲遷飛的情況,是建立全程防控措施、盡可能防患于未然的基礎,″在系統監測的基礎上,對遷飛性害蟲進行精準預警,并開展可持續治理研究,是保障我國糧食生產安全和食品安全的重大產業需求。″陸宴輝說。

在眾多的監測和防控遷飛害蟲的試驗站、監測站中,長島試驗站無疑是最特殊的一個。陸宴輝介紹,″長島試驗站所在的北隍城島,沒有任何農業,這意味著,在這個島上發現的所有農業害蟲,都是從別處遷飛而來的,是監測和研究遷飛昆蟲絕佳的地點。長島試驗站也是第一個專業進行遷飛害蟲監測預警研究的海上試驗站。″

布網全國,不止有長島一個監測點   

一次漫長的昆蟲遷飛,對昆蟲和人類來說,都是一次嚴峻的生存挑戰。昆蟲需要新的食物來源,而人類則要保衛我們自己的糧食。

在這場人類和昆蟲的大作戰中,整個地球,都是一個巨大的戰場。陸宴輝介紹,遷飛害蟲是全球各國農業生產中的重大危害因素之一,如在英國,每年約3.5萬億頭昆蟲飛過英國南部,其生物量約3200噸,相當于2.2萬頭馴鹿在天上飛。這些昆蟲中的農業害蟲,遷飛距離最高的,往返距離可以達到數千公里,對全球農業造成巨大的危害,如2019-2020年全球遷飛的沙漠蝗蟲,從非洲出發,遷飛范圍涉及兩河流域、印度等地,聯合國糧農組織的數據顯示,1平方公里的沙漠蝗蟲,1天就能吃掉3.5萬人的口糧。

在中國,東部主要農業生產區都處在東亞昆蟲遷飛場中,在東亞季風等多種因素的共同作用下,每年往返遷飛,給不同農業區帶來了巨大的威脅。″在我國,10種國家一類農作物害蟲中,就有8種具有遷飛習性。″陸宴輝說。

在這個巨大的遷飛場中,科學家們正在年復一年地探索昆蟲遷飛的秘密,研發防治農業害蟲的方法。″用人蟲之戰來形容,或許不是特別恰當,我們也在不斷地嘗試理解昆蟲,了解它們的一切習性和特點,以此來更好地利用它們的特點,保護我們的糧食生產。″2003年第一批上島的博士封洪強說。

6月20日,北隍城島上,廢棄小學改造成的中國農業科學院植物保護研究所長島試驗站。新京報記者 周懷宗 攝

建立在渤海灣北隍城島上的試驗站,在二十年中,明確了26科106種農林害蟲的群落結構及動態,而這只是這個巨大工程的一部分。″僅我們植保所,就在山東、廣西、云南、海南等地,建立了十多個試驗站點。而在全國,監測昆蟲遷飛,進行農業預警的試驗站,就有數十個。″陸宴輝介紹。

海上蟲關,夏季正是遷徙最忙碌的季節  

6月16日,太陽剛剛落入海面,絢麗的云霞漸漸隱沒在黑夜中,北隍城島上的試驗站里,三道粗大的光柱升起,刺破沉沉的夜色,直插云霄。幾乎只是一瞬,大量高空遷飛的昆蟲,受到燈光吸引,飛蛾撲火一般,順著光柱盤旋而下,奔向光亮的源頭。那里是一盞1000瓦的鹵素燈,燈下安置了網箱,撲火的昆蟲沿著光線,下雪一般落入網箱中,被科研人員捕獲。

6月中旬,正值棉鈴蟲、黏蟲等重大農業害蟲遷飛的高峰期,它們從華北平原、或者更遠的地方起飛,一路北上,跨越茫茫大海,穿過渤海灣,奔赴東北廣袤的農田,尋找更為合適的繁衍生息之地。

6月21日,航拍長島試驗站所在的北隍城島。新京報記者 周懷宗 攝

北隍城島位于渤海灣的中間,建在島上的試驗站,仿佛一道海上蟲關,扼守住了遷飛通道的咽喉。因此,每到昆蟲遷飛的季節,這里也進入了最忙碌的階段。駐扎在試驗站的年輕科研人員們,在整個夜晚中,每過幾個小時,都要收集一次裝滿昆蟲的網箱,安置新的網箱。

天亮后,逐漸升高的氣溫中,遷飛的昆蟲停駐休息,但科研人員的工作才剛剛開始。他們有各自的科研項目,需要從捕獲的數萬只昆蟲中,挑出自己需要的昆蟲,把剩余的昆蟲放在冰柜中,等到下午,再逐一鑒定種類,分種類統計數量、包裝、儲藏。這樣的工作,五六個人可能需要數個小時才能完成。

在島上,除了用于燈誘的高空探照燈,還有眾多監測和捕捉昆蟲的設備,需要科研人員操作、管理和檢測,比如設立在西山頂的昆蟲雷達、設立在試驗站內的吸蟲塔等各種誘捕昆蟲的設施。除此之外,這些年輕的科研人員,還要完成科研實驗、撰寫論文、匯總數據等各種工作。而在島上這樣忙碌的生活,從4月開始,要一直持續到10月。

6月20日,長島試驗站院子里矗立的吸蟲塔,吸蟲塔通過渦輪裝置改變內外氣壓,可以把飛行的昆蟲吸入塔中。新京報記者 周懷宗 攝

研究害蟲,在14次航捕中發現規律

我國對遷飛性害蟲進行系統性科學研究始于上世紀六十年代。中國農科院植保所曾牽頭組建我國東部地區的黏蟲遷飛研究協作組,利用近3年的時間,在8個省,標記釋放黏蟲200多萬頭,回收標本12頭。首次證實黏蟲是一種遷飛害蟲,直線飛行距離為600-1400公里,遷飛路線初步證實了黏蟲季節性接力式南北往返遷飛為害的規律。

上世紀八十年代,棉鈴蟲在我國黃河流域和長江流域連年爆發成災,僅1992年,發生面積就達到2.8億畝,防治面積5.3億畝,直接經濟損失超百億元。其發生面積之大、蟲量之多、損失之重,為歷史所罕見。

棉鈴蟲為何能在全國各地連年爆發成災？當時,中國農科院植保所科研人員提出了一個″棉鈴蟲兼性遷飛″的假說。

這一假說的基礎,是科學家們發現,棉鈴蟲每年在同一地區發生的情況、數量并不相同,排除氣候等因素的影響,這種差異很可能是由遷飛造成的。比如一場突如其來的暴雨,就有可能讓正在遷飛的大量害蟲被迫集中降落在一個地區,造成大量聚集為害,或降落海面,葬身茫茫大海之中。

但如何才能證實這一假說？從1996年到1997年,中國農科院植保所科研人員以渤海灣為中心,以″天津-大連-煙臺″為考察路線,14次乘坐客輪,在海上用網捕捉昆蟲。客輪航捕并不容易,但多次的重復終有所得,14次航捕中,發現了包括棉鈴蟲在內的21種昆蟲的跨海遷飛行為,在全球首次證實華北棉鈴蟲種群具有遠距離遷飛的行為,并且闡明了昆蟲遷飛的″渤海灣通道″。

高空探蟲,探明多種農業害蟲遷飛規律

發現了棉鈴蟲的遷飛現象,但它們為何遷飛？又在何時通過怎樣的方式遷飛？更多的問題需要探明。

找到一個合適的地點,進行長期的觀測和研究,成為解決棉鈴蟲危害的當務之急。通過輾轉打聽、反復考察,位于渤海灣中的北隍城島成為科學家們選擇的目標之一。這個只有2.7平方公里的小島上,有兩個村莊,人們都以漁業為生,沒有任何農業生產,不會滋生本地農業害蟲,可以有效避免本地害蟲對遷飛種群的干擾,研究對象高度純凈,是得天獨厚的研究地點。

2002年,中國農科院植保所科研人員到北隍城島設置探照燈誘蟲器,獲得了令人滿意的監測結果。2003年,將專門用來觀測昆蟲遷飛的車載昆蟲雷達運上北隍城島,建立了最初的試驗站。而登島的這輛車載雷達,是由無錫雷達廠1998年建造的我國第二部昆蟲雷達,此前一直在中國農科院植保所的廊坊基地進行昆蟲觀測。

″大多數農業害蟲是在夜間進行高空風載遷飛,人眼難以觀測,必須依賴科技裝備,昆蟲雷達是當時國際上研究昆蟲遷飛最先進的設備。″2023年6月20日,在北隍城島上,封洪強告訴記者,″最初的雷達都是模擬信號,監測時,需要人手持相機,雷達每轉一圈,就要拍一張照片,然后通過沖洗出來的照片,人工計算天空中的回波,推算出蟲群的遷飛參數。″

當時的北隍城島上,科研人員將雷達車開上一處山頂,固定在那里。每天晚上,都有兩個人徹夜待在車里,手動調整雷達觀測仰角,存貯雷達圖像,監控雷達運行。

隨后,更多的科研人員來到島上,他們住在漁民的家里,在一個個夜晚,監測著高空飛過的遷飛昆蟲,探索和研究農業害蟲遷飛的規律、防治的方法等。 

″通過長島試驗站的研究和探索,科學家們成功探明了多種農業害蟲遷飛的規律,在此基礎上,研發了綜合防治的辦法。比如對棉鈴蟲的研究,曾經獲得了2007年國家科技進步二等獎。對棉鈴蟲遷飛規律的掌握,最終為解決棉鈴蟲危害提供了基礎,我國科學家在華北地區種植抗蟲棉,成功切斷了棉鈴蟲遷飛的通道。″陸宴輝說。

昆蟲雷達,領先全球的″問天″工程

在長島試驗站,像揭示棉鈴蟲遷飛規律、解決棉鈴蟲重大危害這樣的案例還有很多。陸宴輝介紹,″2012年,東北黏蟲大爆發之前,長島試驗站就及時發現了黏蟲異常遷飛的情況。盡管當年危害嚴重,經過早期防治,依然把危害控制在點狀爆發的程度,沒有形成大面積絕產的農業災害。黏蟲的密度非常高,從發現到爆發非常快,無防御的情況下,幾天就能把玉米吃光。假如沒有預警、沒有提前做出應對,等到當地發現,可能已經晚了。″

在長島試驗站,有多種觀測和誘捕遷飛昆蟲的方法、設備,其中最重要的,仍然是昆蟲雷達。封洪強告訴記者,最開始,我國的昆蟲雷達,主要是借用其他領域的雷達改造而成,如航海雷達主機加裝氣象雷達天線,昆蟲雷達觀測和數據分析也需要國外專家幫助。

6月20日,北隍城島上的一處山頂上,中國農業科學院植物保護研究所長島試驗站設置的昆蟲雷達。新京報記者 周懷宗 攝

但隨著遷飛昆蟲研究的不斷深入,我國昆蟲雷達也在迅速發展,封洪強介紹。上世紀九十年代,英國、澳大利亞等國開始轉而采用效率和自動化程度更高的旋轉極化垂直昆蟲雷達,我國也開始研發自己的垂直昆蟲雷達,″在長島試驗站建站的早期,我們就針對昆蟲雷達,開始開發和建立數字化的信息采集與處理系統,擺脫了人工拍照分析的局面,實現了數據采集與分析的自動化。″

2010年,第一臺垂直昆蟲雷達登上了北隍城島,同時,由過去的系統改造而成的新系統也隨之配備成功,此后十多年中,我國昆蟲雷達技術不斷更新。封洪強告訴記者,目前,我國已經成為昆蟲雷達技術和遷飛昆蟲研究領域的全球領跑者,″以前我們使用昆蟲雷達,需要利用國外的技術,但現在,國外的專家會主動推薦我們的雷達和技術。事實上,我們的昆蟲雷達已經在對外出口。″

從2003年長島試驗站建立至今,二十年中,無數科研人員常駐在這個2.7平方公里的小島上,在渤海灣的中心、萬頃碧波中,建立了世界上一流的昆蟲雷達監測站,″在長島站,我們實現了對空中遷飛昆蟲的精準識別與數據監測,是一項具有國際水準的農業昆蟲領域的前瞻性‘問天’工程,更是一項原創性的‘探蟲’科技創新工作。″陸宴輝說。        

高空天眼,讓農業害蟲再無處遁形

而就在山東東營,一座更加先進的高分辨相控陣雷達已經制造成功,陸宴輝介紹,″雷達通過高分辨相控陣掃描加多個單脈沖雷達協同跟蹤,可以實現群體監測、個體信息分離、持續跟蹤等多種功能。以前的雷達很難辨識生物種類,也很難分析遷飛軌跡,新的雷達克服了這些困難,可以讓任何飛過的昆蟲無所遁形。″

陸宴輝將新的雷達監測系統,稱為″天眼″,就像在高空中安置了一枚天眼,在人類肉眼不可達的地方,默默地守護著天空,任何害蟲都不能避開這枚天眼悄然過境。

如今,對遷飛昆蟲監測和研究工作來說,還有一項更加艱巨的任務,那就是把全國所有的試驗站、雷達、觀測點等連成一張網。″以前,針對遷飛昆蟲的監測、預警等,大多是各自為戰。″陸宴輝說,″各地的農業部門、科研單位都非常重視監測和預警工作,也安裝了許多雷達,但因為各自獨立運行的原因,數據格式、監測方式等都不相同,雷達的性能也不同,如何才能做到協同作戰？我們花了兩年多的時間,突破了這個難題,而隨著加入這個網絡的雷達越來越多,這個高空天眼發揮的作用也將越來越大。″

從長島試驗站,到廣西、云南、海南,再到華北平原乃至東北平原,陸宴輝覺得,未來的″天眼″,必然會為農業植保打開新的局面,″單點的監測預警,仍然有局限,比如某一個點發現了某種遷飛的昆蟲,但為了保證準確,必然要經過反復驗證,但幾天的時間,就有可能導致農業災害的發生。如果全國能夠聯網,任何一個點發現遷飛昆蟲,附近的點位都可以聯動佐證,這樣就可以在最短時間內確定遷飛的情況,及時發出預警。″陸宴輝說,″從單一臺站到多位協同,網絡化的監測體系一旦實現,農業遷飛害蟲的監測和預警,也將實現地區性到全國性的拓展,而這并不遙遠,很可能在不遠的將來就會實現。″