基于WRF-Flexpart的一次褐飞虱回迁过程模拟研究

褐飞虱是影响亚洲地区水稻生产的迁飞性害虫,其远距离迁飞与种群分布会受到大气环流和局地天气条件的影响。采用WRF-Flexpart耦合模式、GIS空间分析和Vincenty方位角/距离估计等方法,选取2009年9月30日—10月7日发生在中国15个植保站的褐飞虱迁入过程,并根据模式输出、GIS分析和轨迹计算结果探讨了多种大气物理胁迫共存下大气动力场、降水、温度场和湿度场对褐飞虱秋季回迁过程及其降落虫量分布的影响。研究结果表明:(1)此次重大迁飞过程中,大气动力场、降水、温度场和湿度场在不同地区、不同时间段对褐飞虱种群的迁入和降落起了不同的作用,因而造成了迁入虫量分布的时空差异。(2)从各虫源地迁出的褐飞虱种群是向着温暖而湿润的地方迁飞的,迁飞方向主要受所经区域盛行风向的影响,迁飞距离由途径区的风速所决定。(3)当迁飞种群途径局地降水较多的区域时,初期迁入量并不多,经过短暂的一段时间后降虫量会突然增加。(4)在一定的温度范围内,大气湿度条件会影响褐飞虱的迁入虫量:褐飞虱迁入虫量在近地面温度高于26℃、相对湿度(925 hPa)大于70%且下沉气流较强的地区分布最多,而在近地面温度低于24℃、相对湿度(925 hPa)小于50%、无明显下沉气流的地区未发现有褐飞虱的迁入。     

褐飞虱迁飞参数的数值模拟

迁飞性害虫褐飞虱对中国和亚洲其它国家和地区的水稻有着十分严重的危害,其迁飞参数的时空变化是种群迁飞这一生态行为的重要体现。应用目前国际上先进的中尺度数值预报模式MM5 (V3.2 )对我国褐飞虱北迁、南返的过程进行了数值模拟,根据模拟结果对害虫的迁出虫源地、迁飞路径、降落区、空中迁飞速率、迁飞高度、迁飞历时和迁飞距离等迁飞参数进行了一系列的数值计算和客观分析,得到了与实际虫情普查和雷达观测资料相当吻合的结果,从而比较精确地阐明了褐飞虱迁出起飞、空中定向飞行、降落迁入等迁飞行为的动力学机制。     

褐飞虱吸食量的估测

褐飞虱吸食量的研究,对阐明该虫田间为害特性,改进为害损失率测定的方法,为制定动态的经济阈值和混合种群的复合防治指标等,均具有重要意义。 本文参照 Aculiar(1959)和Bank(1964)研究蚜虫吸食量的方法,结合褐飞虱的特点加以改进后,在实验条件下对有关数据进行了定量的测定,估算了各虫态的吸食量。     

褐飞虱对游离氨基酸的利用

通过测定褐飞虱虫体、蜜露及稻株中16种游离氨基酸的含量及百分率组成,并进行对比分析,初步探讨了褐飞虱对游离氨基酸的利用问题。虫体、蜜露和稻株中含量最多的氨基酸分别为丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸。褐飞虱大量吸收的氨基酸是丙氨酸,稻株中含量最少的蛋氨酸和酪氨酸,在蜜露中检测不到,认为可全部被吸收利用;相反,天门冬氨酸则很少被利用,谷氨酸被利用的相对量也不多;其他氨基酸或多或少地为褐飞虱所利用。     

基于两种轨迹模型的褐飞虱迁飞轨迹比较研究

异地预测是迁飞性害虫发生预测的重要内容,迁飞轨迹模拟和预测是能较好地反映害虫迁飞时空动态的一种异地预测方法。褐飞虱作为我国水稻生产上的一种重要迁飞性害虫,其迁飞轨迹的准确预报,可为其灾变预警和有效防控提供科学依据。为了比较选择一些准确性好、分辨率高、易于推广应用的害虫迁飞轨迹模型,选取2006年7月初发生在湖南省洪江市的一次褐飞虱重大北迁过程作为典型个例,运用中尺度天气研究和预报模式WRF,结合NCEP气象再分析数据,利用HYSPLIT和FLEXPART两种轨迹计算模式对褐飞虱迁飞轨迹进行模拟,并验证模型模拟和计算的准确度和精确度。研究结果表明:(1)WRF-HYSPLIT和WRF-FLEXPART两种轨迹计算模式在虫源地、迁飞路径(迁飞方位角和走向)、迁飞高度、迁飞速率和迁飞距离计算上总体趋势一致,但存在一定的差异,后者的起伏变化大于前者。(2)尽管两种耦合模式在调用WRF模式输出的预报场物理变量方面有很多相同之处,但WRF-FLEXPART耦合模式在运行计算过程中比WRF-HYSPLIT耦合模式多考虑了对流参数、地表胁迫和各种地形参数,因而能更全面地反映中尺度天气过程(特别是对流性天气过程)对昆虫起飞、空中飞行和降落的动力作用,也能更真实地反映地表物理过程、大气湍流结构和地形起伏对褐飞虱种群迁飞的影响。(3)从褐飞虱种群对生境和取食条件选择上看,两种模式模拟的各高度迁入种群的虫源区、迁飞路径和降落地都是合理的、准确的。但从褐飞虱迁出、空中飞行和降落所处的三维流场来看,WRF-FLEXPART模式轨迹走向与盛行气流方向的吻合度要明显高于WRF-HYSPLIT模式。(4)两种模式均可作为业务工具在迁飞性害虫测报中推广应用。     

水稻抗褐飞虱基因研究和利用现状

稻褐飞虱（Nilaparvata lugens Stal）是一种单食性水稻害虫,根据其对水稻品种的危害,可分为生物型1、2、3、4等类型。它对亚洲各国水稻生产造成极大危害。实践证明,利用抗虫品种是防治稻褐飞虱最经济有效的方法。本文综述了稻褐飞虱的生物学特征和分布、生物类型,着重介绍抗稻褐飞虱基因的研究和利用现状,并对今后开展抗稻褐飞虱基因研究提出几点建议。     

褐飞虱抗药性研究现状

褐飞虱Nilaparvata lugens(Stal)对杀虫剂产生抗药性是其近年来暴发频繁的重要原因。文章综述国内外关于褐飞虱抗药性的研究成果,包括褐飞虱抗性测定方法、抗药性的发展、交互抗性、抗性遗传、抗性机理及抗性治理等。田间褐飞虱种群对新烟碱类药剂产生不同程度的抗药性,其中对吡虫啉产生高水平到极高水平抗性,对氯噻啉和噻虫嗪分别产生中等水平和低水平的抗药性,对呋虫胺和烯啶虫胺仍然处于敏感性阶段。此外,褐飞虱种群对噻嗪酮(昆虫生长调节剂)产生低水平到中等水平抗性。长期大面积使用化学药剂是褐飞虱产生抗药性的重要原因。因此,必须加强褐飞虱的抗性治理,以延缓其抗药性进一步发展。     

褐飞虱种群生命系统管理模型的研究

本文引用太湖稻区单季晚稻褐飞虱种群动态和为害损失研究的结果,以车厢法(boxcar train)原理为基本框架,建立褐飞虱种群动态模拟模型,并结合Bellman的动态规划最优化原理组建褐飞虱种群生命系统管理模型。经川沙县1984—1989年预测圃资料验证,模型模拟值与田间实查值相当吻合,累积虫量误差在1.4％—16.3％之间,平均11.4％;种群管理的模型决策与实际经验决策的准则不同,造成两种决策结果的差异。     

褐飞虱的飞翔能力

利用飞行磨(flight mill)装置对褐飞虱的飞行能力进行测试的结果表明:褐飞虱雌虫卵巢发育在Ⅰ级末期至Ⅱ级初期时飞行能力最强。种群持续飞行超过50分钟以上的个体比例占47.7%,起始飞行的低温阈值为13.2±0.8℃,最适于飞行的温度范围在22—26℃,高湿有利于飞行;当风速小于1.63米·秒^-1时,可作逆风飞行,超越此值则仅作顺风飞行;光照强度对持续飞行无明显影响。褐飞虱持续飞行后由于能量的消耗体重明显下降。     

中南半岛前期异常气候条件对中国南方稻区褐飞虱灾变性迁入的影响及其预测模型

近30多年来,气候变化对中国褐飞虱的灾变性迁入带来了明显的影响,为了进一步了解虫源地的异常气候变化对我国褐飞虱迁入量的影响,利用1980—2016年中国各植保站提供的褐飞虱虫情资料及同期美国国家环境预测中心(NCEP)提供的全球气象再分析资料,分析了中国褐飞虱境外主要虫源地中南半岛前期异常气候条件对中国南方稻区褐飞虱发生程度的影响,并对褐飞虱发生等级与影响其迁飞的气象因子进行了相关性分析,筛选出关键预报因子,分别应用支持向量机(SVM)、BP神经网络和多元回归分析3种方法对代表站点褐飞虱年发生等级进行了预测,并比较了3种预测模型的优劣。结果表明:(1)中南半岛气候异常区主要分布在北部,异常气候的发生次数在中南半岛呈现出北高南低的特征,并从北向南呈环状递减。(2)中南半岛前期温度偏高(暖冬、暖春)、相对湿度偏大(湿冬、湿春),易引起褐飞虱在中国南方稻区的偏重以上发生;若中南半岛前期气候偏冷(冷冬、冷春)、偏干(干冬、干春),则常导致褐飞虱在中国南方稻区的偏轻以下发生。(3)通过比较3种模型的历史回代率和预测准确率,发现3种模型对褐飞虱的发生程度均有一定的预测能力,其中SVM模型的预测效果最好,BP神经网络次之,多元线性回归模型最差,表明SVM更加适用于生产实际中的褐飞虱发生程度预测。     

复杂地形下褐飞虱迁飞的数值模拟:个例研究

褐飞虱是影响我国水稻生产的重要迁飞性害虫之一,它的爆发严重影响水稻的生长,并诱发水稻病害,导致水稻减产。研究复杂地形条件下褐飞虱的迁出虫源地、空中迁飞轨迹、降落区,探明复杂地形对褐飞虱迁飞的影响机制,对害虫测报与防治、农业防灾减灾和保障我国粮食安全具有重要的理论意义和实践价值。为了分析覆盖复杂地形的大气动力场、温度场、湿度场对褐飞虱迁入及降落分布的影响,采用WRF-Flexpart耦合轨迹计算模式和GIS空间分析等方法,对2008年9月30日—10月3日发生在广东曲江、肇庆、梅县三站和湖北宜昌、安徽东至、江西吉安三站的褐飞虱迁入和降落过程进行了数值模拟,以揭示复杂地形条件下褐飞虱种群降落和密度分布的时空变化结构。(1)广东曲江、肇庆、梅县三站的后向轨迹模拟结果显示,迁入三站的虫源均来自该站点的西北方向。地形较高且复杂多变时,褐飞虱难以穿越且迁飞距离较短、方向多变。(2)湖北宜昌、安徽东至、江西吉安三站的前向轨迹模拟结果显示,当站点附近的山脉较低且有山谷通道,褐飞虱沿山脉顺风方向迁飞,且迁飞距离较远。当山脉地势较高且没有明显的山谷,则褐飞虱遇到山脉阻挡而转向造成种群滞留。(3)褐飞虱迁飞种群的密度沿山脉走向呈带状分布,山坡较为陡峭、断崖显著时,向远离山体的方向迁飞。若山脉由多个山岭构成,则褐飞虱可从其峡谷穿越,密度分布较为分散。(4)强水平气流有利于褐飞虱的远距离迁飞,下沉气流对褐飞虱降落起着重要的作用,当有强下沉气流且气温较高时,有利于褐飞虱种群的降落,并聚集形成高密度迁入区。(5)垂直方向上,在一定的温度范围内,褐飞虱趋向于在暖层中迁飞。褐飞虱密度沿河谷地带呈带状分布且密度高值区多分布在较温暖的地区。秋季,褐飞虱降落区多分布在相对湿度50%左右的区域。模拟的褐飞虱迁飞轨迹、迁飞方位角和迁飞距离等与实际发生的褐飞虱迁飞路径和降虫区之间偏差较小,该模拟方法较大程度地提高了我国迁飞性害虫的业务预报水平。未来拟提高测报褐飞虱虫情数据的时空分辨率,以为得到较高准度和精度的模拟结果。     

大气低温胁迫对中国褐飞虱年内初始迁入的影响

为了揭示大气低温胁迫对中国褐飞虱年内初始迁入的影响,更好地预警来自境外的褐飞虱早期迁入,通过统计2000-2017年中国华南、西南两个稻区褐飞虱年内的始见期和首次迁入峰日,逆推其迁飞轨迹和虫源区,分析大气温度场对迁飞过程产生的作用,比较了褐飞虱在我国不同稻区、不同年内初始迁入期受大气低温胁迫产生的作用差异。结果表明：（1）近年来褐飞虱初始迁入中国的时间提前,初始迁入华南稻区的时间比西南稻区早,华南稻区始见期提早可能与褐飞虱种群越冬北界北移有关。（2）西南稻区褐飞虱年内初始迁入的境外虫源主要来自缅甸,华南稻区年内初始迁入的境外虫源主要来自越南和老挝的中北部。（3）对盛行迁飞层的温场分布研究表明,在褐飞虱年内初始迁入过程中低温屏障发生的概率约为54.4%,迁入当晚降虫地的平均低温强度为13.45℃,平均降温幅度为1.88℃。其中低温胁迫在华南稻区表现更为显著（发生概率为58.3%,平均强度为13.18℃）,在始见期表现得更明显（发生概率为70.6%,平均强度为12.53℃）。     

桂东北稻区第七代褐飞虱迁飞规律及虫源分析

褐飞虱是我国水稻上的一种重要迁飞性害虫,在桂东北稻区不能越冬。近年来,作为次害代的第7代褐飞虱在桂东北稻区频繁暴发,桂东北稻区作为褐飞虱南北往返迁飞的重要通道,研究阐明该稻区第7代褐飞虱的迁飞规律及虫源分布,对第7代褐飞虱的早期预警和有效防控意义重大。利用灯光诱捕的方法研究了2007—2010年桂东北稻区褐飞虱的迁飞动态,并运用大气质点轨迹分析平台HYSPLIT(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)和气象图形处理软件GrADS(Grid Analysis and Display System)对褐飞虱迁入、迁出峰次进行轨迹分析和气象背景分析。结果表明:(1)桂东北稻区第7代褐飞虱每年都会出现2—3次迁飞高峰,虫量高峰期主要集中在9月底至10月上旬。(2)迁入虫源主要来自江西中西部和湖南中东部稻区,从本地起飞的部分褐飞虱飞行24 h或36 h后能到达广西南部沿海、越南北部和海南等越冬区。(3)925 hPa的温度高则褐飞虱虫量高;盛行东北气流较多的年份,褐飞虱发生严重;微弱的下沉气流和无雨天气有利于褐飞虱的迁飞。     

温度对Bt水稻及其非靶标害虫褐飞虱生态适应性的影响

【背景】温度是影响植物生长发育最为重要的环境因子之一。明确温度对Bt水稻及其非靶标害虫的影响有助于今后Bt水稻的推广应用。【方法】设置不同的温度梯度(26、30和34℃)分别处理Bt水稻T2A-1(表达Cry2A蛋白),在处理后不同天数内分别测定Cry蛋白、叶绿素、草酸、可溶性糖和总氮含量,同时评价不同温度处理下Bt水稻上褐飞虱的生态适应性。【结果】Cry蛋白含量显著受温度影响,随着温度升高Cry蛋白含量下降。温度、处理时间及两者相互作用均显著影响Bt水稻T2A-1的叶片叶绿素、叶鞘草酸、可溶性糖和总氮含量。叶绿素含量在26℃处理20 d时高于30、34℃的处理。随着温度的升高,Bt水稻叶鞘草酸含量升高。可溶性糖含量高温(30和34℃)处理后20 d低于26℃处理。Bt水稻叶鞘内可溶性氮含量随着温度的升高而升高。温度对非Bt水稻MH63上叶绿素、草酸、可溶性糖和总氮含量的影响与T2A-1趋势一致。高温(34℃)处理的Bt水稻上的褐飞虱雌雄虫寿命、每雌产卵量及卵孵化率显著低于26℃处理。温度对非Bt水稻MH63上褐飞虱生态适应性参数的影响与T2A-1趋势一致。【结论与意义】温度对Bt水稻具有显著影响,且对Bt水稻上非靶标害虫褐飞虱的生态适应性产生不利影响。本研究有利于今后Bt稻田的害虫综合治理措施的制定。     

云南省褐飞虱早期迁入虫源及其发生大气背景分析

为了探明我国西南稻区褐飞虱早期迁入种群的虫源地,为后期预测和防治提供依据,通过对2007—2016年云南植保站4—5月份褐飞虱虫情进行分析,选取出云南省勐海、芒市、江城、师宗、麻栗坡、广南6个代表性站点,利用WRF-FlexPart耦合模式对2013年、2015年和2016年这些站点的早期迁入峰进行了数值模拟,得到近年来云南省褐飞虱早期迁入虫源的虫源地。选取了2013年褐飞虱早期迁入量较大的迁入峰进行了大气背景分析,结合峰期影响褐飞虱迁飞的大气动力场、温度场和相对湿度场,探讨了影响云南省褐飞虱早期迁入的大气背景。研究结果表明:(1)近年来云南省褐飞虱迁入的虫源主要来自缅甸,部分来自老挝和泰国,少数来自越南,还有极少量来自孟加拉国。(2)这一时期,当释放高度分别为1500、2000 m时,褐飞虱的迁飞高度分别集中在2216 m和2489 m,平均迁飞高度分别是2167、2454 m,从不同释放高度回推的褐飞虱迁飞高度的起伏趋势具有较好的一致性,表明模式能较好地反映系统性垂直气流和下垫面起伏对其上层三维流场和种群迁飞的影响。(3)选取2013年5月22—26日发生在云南勐海、麻栗坡和广南的一次典型褐飞虱迁入过程,分析了大气背景场对褐飞虱迁飞的影响,结果显示:受印缅低压控制或影响,高空从境外虫源区至云南降虫区有西南水平气流作为种群输送动力;温场在降虫区东北侧有"低温屏障墙"存在,阻止了种群的继续北迁;垂直速度场上虫源区有上升气流促使种群起飞迁出,降虫区有下沉气流促使种群降落;弱降水形成的拖曳下沉气流对降虫也十分有利;相对湿度场对此次迁飞过程不形成任何胁迫。     

Antifeedant effects of plant lectins and an enzyme on the adult stage of the rice brown planthopper,Nilaparvata lugens

The feeding activity of adult rice brown planthopper,Nilaparvata lugens (Stal) on selected proteins incorporated into artificial diets was examined, based on quantitative analysis of honeydew excretion, in order to determine the mechanism of action of antimetabolic proteins towards homopteran pests. The lectinsGalanthus nivalis agglutinin (GNA), wheat germ agglutinin (WGA) and the enzyme soybean lipoxygenase (LPO), previously demonstrated to be toxic to this insect, reduced honeydew excretion levels of adultNilaparvata lugens over a 24 h period when incorporated into artificial diet at 0.1% {w:v}, indicating that these proteins acted as antifeedants. Of the proteins tested GNA was the most effective antifeedant, reducing honeydew droplet production by 96%, although after 24 h there was some recovery in the honeydew excretion levels and thus the insects appeared to tolerate the presence of the antifeedant with time. The lectinPisum sativum agglutinin (PSA), previously demonstrated to be non-toxic, showed no antifeedant properties.     

Antimetabolic effects of plant lectins and plant and fungal enzymes on the nymphal stages of two important rice pests,Nilaparvata lugens andNephotettix cinciteps

Insect feeding trials were carried out to determine the effects of incorporating a range of plant derived proteins into artificial diets fed to leafhopper and planthopper pests of rice. The lectins Galanthus nivalis agglutinin (GNA) and wheat germ agglutinin (WGA), and the enzyme soy bean lipoxygenase (LPO) were shown to exhibit significant antimetabolic effects towards first and third instar nymphs of rice brown planthopper (Nilaparvata lugens Stål) when incorporated into artificial diet at 0.1% (w/v), 0.1% (w/v) and 0.08% (w/v) levels respectively. The lectin GNA was also shown to exhibit a significant antimetabolic effect towards third instar nymphs of the rice green leafhopper (Nephotettix cinciteps Uhler). A number of inert proteins, lectins, protein inhibitors and enzymes also tested showed relatively little or no effect towards both insects.