全球變暖，農作物減產，蟲害卻來「火上澆油」？

　　莫軒 發表於  2018-09-16 02:05

　　|· 本文來自「我是科學家」·|

　　2018年5月的一個清晨，天氣晴朗，在英格蘭郊區的一片草叢中，一隻成年紅尾碧蝽正從冬眠中醒來。它震了下翅膀，活動了下筋骨，打算去不遠處的麥田裡大快朵頤一頓，順便碰碰運氣，看看能否遇到一隻雌性紅尾碧蝽——畢竟這是個求偶的好季節。

　　而在稍北邊的蘇格蘭地區，天氣還比較寒冷，目前並未發現紅尾碧蝽的蹤跡。不過沒有關係，大約10年之後，蘇格蘭5月的氣溫可能就像現在英格蘭一樣適合它們生存了。

　　

　　紅尾碧蝽正在享受溫暖的陽光。圖片來源：naturespot.org.uk

　　四五十年前，紅尾碧蝽還主要生活在中東、北美、澳大利亞，絕大部分非洲以及地中海沿岸等地區。隨著全球氣候變暖，它們的生活範圍也逐漸北上到英格蘭、法國、德國等地。現在，在歐洲大部分地區都能發現它們的蹤跡。

　　生活範圍擴張，紅尾碧蝽整個種群的發展一片大好，但對於當地的農民來說，卻是個天大的麻煩了——要知道，這種吃貨蟲子基本不挑食，會對幾乎所有的農作物造成嚴重的破壞。

　　然而，在全球，紅尾碧蝽只是大約360000種以植物為主要寄宿和食物的眾多昆蟲之一。每年，因為這些昆蟲而造成的糧食產量減少量，佔全球糧食總產量的20%以上，損失超過千億美元。

　　近期發表在《Science》上的一篇文章顯示[1]，全球氣候變暖是蟲害加劇並導致糧食作物減產的重要原因之一。可是，全球變暖為何會影響到糧食作物，又因何導致蟲害的蔓延呢？

　　

　　自1880有數據記錄以來，到1980這一百年時間，全球平均氣溫不過上升約0.5℃左右，而1980至今的短短40年，全球的氣溫已經上升超過1℃！按照現在的趨勢，到2100年，氣溫將繼續升高1.4-5.8℃。圖片來源：NASA官網

　　全球變暖對農作物系統的影響

　　在研究全球變暖與蟲害蔓延之間的關係前，我們首先來看一下，全球變暖已經對整個農業系統造成了怎樣的影響[2-4]。氣候變暖對農業所造成的影響是多方面的，比較直接的是影響是包括溫度、光照、二氧化碳等非生物因素。

　　比如，溫度的升高會加劇和加速土壤的沙漠化，尤其是在比較乾旱的地區，導致可耕種土地面積的減少。全球有40%的農業屬於旱地農業，生產44%的糧食。迄今，由於乾旱和沙化已經使得全球可使用耕地下降了35倍左右。自農耕文明誕生的一萬多年間，耕地範圍都是極為固定的，全球變暖則使得可耕種範圍向高緯度地區移動，而目前的耕地則更有可能被沙漠化。

　　

　　溫度的升高會加速土壤的沙漠化。

　　另外，人類的主要農作物除玉米等少數種類為C4植物以外，絕大多數都是C3植物。相反，絕大多數雜草包括一些惡性雜草都是C4植物。比如，全世界主要有排名前十的惡性雜草，前九種都是C4植物。C4植物有較高的CO2固定能力和耐高溫能力，全球氣候變暖會助長雜草的生長，也是農作物減產的因素之一。

　　

　　世界上排名前十的惡性雜草。由於它們超級強大生存能力，在全球泛濫，給農作物造成嚴重損失。右圖為香附子，圖片來源：pestplants.aucklandcouncil

　　全球變暖改變昆蟲活動

　　在諸多影響糧食產量的因素中，生物因素，尤其是蟲害因素常常被人們所忽略。而昆蟲的活動往往又受到氣候的影響。

　　氣候變化對昆蟲的影響可以具體分為兩個方面，一個是種群的分佈範圍和構成，另一個是對昆蟲個體的代謝。為了考察氣候變化對昆蟲的影響，一組來自丹麥的研究人員從1992年到2009年間在丹麥國家歷史博物館屋頂收集到超過1500種，大約250000隻昆蟲。

　　通過整理、分類以及與館藏標本進行對比，他們發現博物館屋頂的昆蟲種群結構正在不斷地發生改變——一些當地種的昆蟲數量在減少，而來自南方的外來種數量增加。可以想象，在歐洲的大部分地區、甚至世界上大部分地區，這種現象也是極為普遍的。為了這項調查，這倆名研究者整整堅持爬了18年屋頂，可以說非常不易了。

　　另一項來自加拿大的甲蟲調查研究也說明了類似的問題。甲蟲是全球分佈最廣的昆蟲之一，種類多，數量大，也比較容易捕捉，最重要的是它們對氣候變化異常敏感。

　　

　　甲蟲對氣候的變化異常敏感。

　　一組來自加拿大麥吉爾大學的研究人員們在加拿大設立了12個收集區域，由南向北，覆蓋大部分加拿大地區，每個收集區域設置了108個收集網，在長達兩周的時間裡，他們收集到464種共約9000隻甲蟲[5]。他們從中發現，在高緯度地區，一些從前沒有甲蟲分佈的區域，也有了甲蟲種群的分佈，這一研究表明氣候變暖擴大了甲蟲的種群分佈範圍。

　　而對昆蟲個體來說，溫度升高，通常會讓它們的的尺寸會變小，小的個體能夠保證較大的表面積體積比，提高代謝速率和熱散失。比如一種寶蝶屬的蝴蝶Boloria chariclea，其體型隨著氣候變暖而變小，在很多地區小個體的蝴蝶成為優勢種群。不過，並非所有的昆蟲都對氣候變暖有積極的響應，比如一種生活北歐地區的蝴蝶Colias hecla由於氣候變暖，找不到更冷的地方生存，種群數量正在急劇減少。

　　

　　左圖為Boloria chariclea 生活在北極圈的一種鱗翅目蛺蝶科的蝴蝶，廣泛分佈與加拿大和格林蘭島，近些年的標本顯示，其體型正在變小。右圖Colias hecla主要生活在芬蘭，挪威北部和瑞典的高海拔地區，種群數量正逐年銳減。圖片來源：butterfliesofamerica.com

　　蟲害問題因全球變暖而加劇

　　2018年年初，美國的科學家系統考察了包括豆青葉甲（Ceratoma trifurcata）、墨西哥豆瓢蟲（Epilachna varivestis）、行軍蟲（Pseudoletia unipuncta）等九種玉米或大豆害蟲的種群分佈，觀測了它們對美國中西部玉米種植帶中的玉米和大豆產量所造成的影響[6]。

　　

　　墨西哥豆瓢蟲。圖片來源：ars.usda.gov

　　通過分析近50年的數據，他們發現氣候變暖促使了這九種害蟲的分佈範圍的移動，部分害蟲因為溫度的升高繁殖和發育速度提高，一些害蟲存活周期延長，而某些目前未形成規模的害蟲類型，也可能會因為種群範圍的擴大而在未來發展成為較為嚴重的蟲害。這些都會對以後農業生產過程中的害蟲控制提出嚴峻挑戰。科學家們發現，氣溫每升高1℃，昆蟲的種群分佈範圍將向高緯度地區移動約200公里。

　　

要控制這麼大規模的蟲害泛濫，勢必要更加廣泛的使用殺蟲劑，據估計到2050年，全球殺蟲劑的使用量將上升2.4-2.7倍。但是，殺蟲劑一般並沒有任何選擇性，也就是說，它不僅能殺死害蟲，還能殺死益蟲，這對生態系統的平衡造成更大的影響。而生態系統的失衡則會引發更大程度的農業災害。

　　

　　全球由於蟲害而造成的糧食減產分布圖, A,B,C依次是小麥，水稻和玉米。圖片來源：參考文獻[1]

　　形勢嚴峻，該如何應對？

　　要緩解這一問題，需要所有人共同做出努力。2017年，全世界159個國家簽署了《巴黎氣候協議》，旨在阻止全球氣溫在本世紀末上升不超過1.5℃。

　　眾多奮鬥在一線的生物科技工作者來說，一方面致力於農作物抗病機制、耐乾旱機制等研究，改良和創造新的抗旱耐抗病的農作物新品種；另一方面通過研究昆蟲的生長和繁殖特點，利用基因工程等技術來控制害蟲的種群數量，同時減少殺蟲劑類農藥的使用。

　　對於我們普通人來說，在日常生活中減少塑料袋的使用，選擇綠色低碳的生活方式，也能夠為保護我們的生活環境、延緩地球變暖產生積極影響。(編輯：Yuki)

　　參考文獻：

　　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).

　　Paiva, S. L. D., Savi, M. A., Viola, F. M. & Leiroz, A. J. K. Global warming des***ion using Daisyworld model with greenhouse gases. Biosystems 125, 1-15, doi:https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2014.09.008 (2014).

　　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).

　　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:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.05.070 (2014).

　　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).

　　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).