全球变暖,农作物减产,虫害却来火上浇油? | 目的地Destination

全球变暖,农作物减产,虫害却来火上浇油?

全球变暖,农作物减产,虫害却来火上浇油?

时间是2018年五月的一个清晨,天气晴朗,在英格兰郊区的一片草丛中,一只成年红尾碧蝽正从冬眠中醒来。它震了下翅膀,活动了下筋骨,打算去不远处的麦田里大快朵颐一顿,顺便碰碰运气,看看能否遇到一只雌性红尾碧蝽——毕竟这是个求偶的好季节。

而在稍北边的苏格兰地区,天气还比较寒冷,目前并未发现红尾碧蝽的踪迹。不过没有关系,大约十年之后,苏格兰五月的气温可能就像现在英格兰一样适合它们生存了。

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红尾碧蝽https://www.naturespot.org.uk/species/hawthorn-shieldbug

四五十年前,红尾碧蝽还主要生活在中东、北美、澳大利亚,绝大部分非洲以及地中海沿岸等地区。随着全球气候变暖,它们的生活范围也逐渐北上到英格兰、法国、德国等地。现在,在欧洲大部分地区都能发现它们的踪迹。

生活范围扩张,红尾碧蝽整个种群的发展一片大好,但对于当地的农民来说,却是个天大的麻烦了——要知道,这种吃货虫子基本不挑食,会对几乎所有的农作物造成严重的破坏。

然而,在全球,红尾碧蝽只是大约360000种以植物为主要寄宿和食物的众多昆虫之一。每年,因为这些昆虫而造成的粮食产量减少量,占全球粮食总产量的20%以上,损失超过千亿美元。

近期发表在《Science》上的一篇文章显示1,全球气候变暖是虫害加剧并导致粮食作物减产的重要原因之一。可是,全球变暖为何会影响到粮食作物,又因何导致虫害的蔓延呢?

全球变暖,农作物减产,虫害却来火上浇油?
自1880有数据记录以来,到1980这一百年时间,全球平均气温不过上升约0.5℃左右,而1980至今的短短40年,全球的气温已经上升超过1℃!按照现在的趋势,到2100年,气温将继续升高1.4-5.8℃。图片来源:NASA官网https://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/customize.html

全球变暖对农作物系统的影响

在研究全球变暖与虫害蔓延之间的关系前,我们首先来看一下,全球变暖已经对整个农业系统造成了怎样的影响4-6。气候变暖对农业所造成的影响是多方面的,比较直接的是影响是包括温度、光照、二氧化碳等非生物因素。

比如,温度的升高会加剧和加速土壤的沙漠化,尤其是在比较干旱的地区,导致可耕种土地面积的减少。全球有40%的农业属于旱地农业,生产44%的粮食。迄今,由于干旱和沙化已经使得全球可使用耕地下降了35倍左右。自农耕文明诞生的一万多年间,耕地范围都是极为固定的,全球变暖则使得可耕种范围向高纬度地区移动,而目前的耕地则更有可能被沙漠化。

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全球变暖与土地沙化

另外,人类的主要农作物除玉米等少数种类为C4植物以外,绝大多数都是C3植物。相反,绝大多数杂草包括一些恶性杂草都是C4植物。比如,全世界主要有排名前十的恶性杂草,前九种都是C4植物。C4植物有较高的CO2固定能力和耐高温能力,全球气候变暖会助长杂草的生长,也是农作物减产的因素之一。

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世界上排名前十的恶性杂草。由于它们超级强大生存能力,在全球泛滥,给农作物造成严重损失。右图为香附子,图片来源http://pestplants.aucklandcouncil.govt.nz/plant-search/Cyprot

全球变暖改变昆虫活动

在诸多影响粮食产量的因素中,生物因素,尤其是虫害因素常常被人们所忽略。而昆虫的活动往往又受到气候的影响。

气候变化对昆虫的影响可以具体分为两个方面,一个是种群的分布范围和构成,另一个是对昆虫个体的代谢。

为了考察气候变化对昆虫的影响,一组来自丹麦的研究人员从1992年到2009年间在丹麦国家历史博物馆屋顶收集到超过1500种,大约250000只昆虫。

通过整理、分类以及与馆藏标本进行对比,他们发现博物馆屋顶的昆虫种群结构正在不断地发生改变——一些当地种的昆虫数量在减少,而来自南方的外来种数量增加。可以想象,在欧洲的大部分地区、甚至世界上大部分地区,这种现象也是极为普遍的。为了这项调查,这俩名研究者整整坚持爬了18年屋顶,可以说非常不易了。

另一项来自加拿大的甲虫调查研究也说明了类似的问题。甲虫是全球分布最广的昆虫之一,种类多,数量大,也比较容易捕捉,最重要的是它们对气候变化异常敏感。一组来自加拿大麦吉尔大学的研究人员们在加拿大设立了12个收集区域,由南向北,覆盖大部分加拿大地区,每个收集区域设置了108个收集网,在长达两周的时间里,他们收集到464种共约9000只甲虫7。他们从中发现,在高纬度地区,一些从前没有甲虫分布的区域,也有了甲虫种群的分布,这一研究表明气候变暖扩大了甲虫的种群分布范围。

而对昆虫个体来说,温度升高,通常会让它们的的尺寸会变小,小的个体能够保证较大的表面积体积比,提高代谢速率和热散失。比如一种宝蝶属的蝴蝶Boloria chariclea,其体型随着气候变暖而变小,在很多地区小个体的蝴蝶成为优势种群。不过,并非所有的昆虫都对气候变暖有积极的响应,比如一种生活北欧地区的蝴蝶Colias hecla由于气候变暖,找不到更冷的地方生存,种群数量正在急剧减少。

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左图为Boloria chariclea 生活在北极圈的一种鳞翅目蛱蝶科的蝴蝶,广泛分布与加拿大和格林兰岛,近些年的标本显示,其体型正在变小。右图Colias hecla主要生活在芬兰,挪威北部和瑞典的高海拔地区,种群数量正逐年锐减。butterfliesofamerica.com

虫害问题因全球变暖而加剧

2018年年初,美国的科学家系统考察了包括豆青叶甲(Ceratoma trifurcata)、墨西哥豆瓢虫(Epilachna varivestis)、行军虫(Pseudoletia unipuncta)等九种玉米或大豆害虫的种群分布,观测了它们对美国中西部玉米种植带中的玉米和大豆产量所造成的影响8。通过分析近50年的数据,他们发现气候变暖促使了这九种害虫的分布范围的移动,部分害虫因为温度的升高繁殖和发育速度提高,一些害虫存活周期延长,而某些目前未形成规模的害虫类型,也可能会因为种群范围的扩大而在未来发展成为较为严重的虫害。这些都会对以后农业生产过程中的害虫控制提出严峻挑战。

科学家们发现,气温每升高1℃,昆虫的种群分布范围将向高纬度地区移动约200公里。

要控制这么大规模的虫害泛滥,势必要更加广泛的使用杀虫剂,据估计到2050年,全球杀虫剂的使用量将上升2.4-2.7倍。但是,杀虫剂一般并没有任何选择性,也就是说,它不仅能杀死害虫,还能杀死益虫,这对生态系统的平衡造成更大的影响。而生态系统的失衡则会引发更大程度的农业灾害。

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全球由于虫害而造成的粮食减产分布图, A,B,C 依次是小麦,水稻和玉米 Science.2018

形势严峻,该如何应对?

要缓解这一问题,需要所有人共同做出努力。2017年,全世界159个国家签署了《巴黎气候协议》,旨在阻止全球气温在本世纪末上升不超过1.5℃。众多奋斗在一线的生物科技工作者来说,一方面致力于农作物抗病机制、耐干旱机制等研究,改良和创造新的抗旱耐抗病的农作物新品种;另一方面通过研究昆虫的生长和繁殖特点,利用基因工程等技术来控制害虫的种群数量,同时减少杀虫剂类农药的使用。而对于我们普通人来说,在日常生活中减少塑料袋的使用,选择绿色低碳的生活方式,也能够为保护我们的生活环境、延缓地球变暖产生积极影响。

文章首发于公众号:我是科学家iScientist

全球变暖,农作物减产,虫害却来“火上浇油”?

参考文献:

1 Curtis A. Deutsch, J. J. T., Michelle Tigchelaar, David S. Battisti, Scott C. Merrill, Raymond B. Huey, Rosamond L. Naylor. Increase in crop losses to insect pests in a warming climate. Science 361, 916-919 (2018).

2 Kosaka, Y. & Xie, S.-P. Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling. Nature 501, 403, doi:10.1038/nature12534 (2013).

3 Smith, N. & Leiserowitz, A. The Role of Emotion in Global Warming Policy Support and Opposition. Risk Analysis 34, 937-948, doi:10.1111/risa.12140 (2014).

4 Paiva, S. L. D., Savi, M. A., Viola, F. M. & Leiroz, A. J. K. Global warming description using Daisyworld model with greenhouse gases. Biosystems 125, 1-15, doi:doi.org/10.1016/j.biosy (2014).

5 Betts, R. A. et al. When could global warming reach 4°C? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 369, 67-84, doi:10.1098/rsta.2010.0292 (2011).

6 Goglio, P. et al. Impact of management strategies on the global warming potential at the cropping system level. Science of The Total Environment 490, 921-933, doi:doi.org/10.1016/j.scito (2014).

7 Ernst, C. M. & Buddle, C. M. Drivers and Patterns of Ground-Dwelling Beetle Biodiversity across Northern Canada. PLOS ONE 10, e0122163, doi:10.1371/journal.pone.0122163 (2015).

8 Cudmore, T. J., Björklund, N., Carroll, A. L. & Staffan Lindgren, B. Climate change and range expansion of an aggressive bark beetle: evidence of higher beetle reproduction in naïve host tree populations. Journal of Applied Ecology 47, 1036-1043, doi:doi:10.1111/j.1365-2664.2010.01848.x (2010).

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:莫轩

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