利用科技的力量消灭蝗灾：卫星、无人机、基因改造药物和大数据预测

日期: 2020/2/24

事件概述

2020年的年初之际，浩浩荡荡的蝗虫大军从东非出发（图表1），目前已经开始向亚洲蔓延。最新消息报告，蝗虫已经肆虐了印度和巴基斯坦。目前蝗虫侵袭的地区，农作物被大幅破坏，有些非洲国家甚至已经出现粮食危机。

沙漠蝗虫属于蝗虫家族，主要在撒哈拉沙漠、整个阿拉伯半岛和印度境内发现。昆虫通常是无害的，但是当它们成群时可以长距离迁移并造成广泛的农作物损害，例如威胁到非洲、中东和亚洲的粮食安全。

在有利的条件下，它们以周期性的方式形成庞大的种群，并以每天约150公里的速度穿越各国，造成了广泛的破坏。自1900年代以来，全世界已经经历了大约六次沙漠蝗灾。

索马里和埃塞俄比亚目前正面临25年来最严重的沙漠蝗虫侵扰，而这是肯尼亚70年来最严重的蝗灾。一些地区经历了100％的作物歉收，索马里宣布该害虫入侵为国家紧急情况。

联合国农业部与粮农组织FAO（以下简称粮农组织）表示，将需要约7000万美元紧急支持这三个受影响最大的国家的虫害控制和生计保护活动。

非洲的主要出口产品（如西非的可可粉）及其热带森林不太可能受到严重影响，因为害虫在干燥地区不断繁衍，但在雨林地区很难大肆繁殖。

但是，非洲的腰果和蔬菜等其他主要出口产品以及包括玉米，豆类和高粱在内的大部分粮食作物将处于危险之中。

面积为一平方公里的蝗虫群大约有4000万蝗虫，一天之内吃掉的食物数量与35000人相同。换句话说，成群的蝗虫可以吃掉在马里首都或尼日尔首都吃掉相当于该国全部人口一半的食物。

蝗虫肆虐作为一种常见的生物入侵的危机，各国应该从积极预防和预测开始，到利用科技的力量来控制其继续蔓延。


世界粮农组织通过提供实时检测工具eLocust3帮助应对沙漠蝗虫暴发

厄立特里亚是沙漠蝗虫常见威胁的东非国家之一，几乎每年爆发一次，导致该国的农业常常遭到威胁，同时粮食产量大幅减少。

粮农组织和该国其他政府部门组织合作，抗击了部分蝗虫暴发并积极确保该国农业的粮食生产和营养供给。

尽管目前无法控制蝗虫的移动，但粮农组织正在利用数据科学的力量来检测蝗虫数量的波动和移动轨迹，早已触发了紧急响应警告。

粮农组织将当前的入侵描述为“蝗灾高潮”，因为它已影响到整个地区。该机构警告说，如果各国无法控制局势超过一年，局势可能会成为灾难。

粮农组织在一份新闻稿中说：“有害生物的传播速度和侵害的规模远远超出了正常水平，以至于它们将地方和国家当局的能力扩大到了极限 。”

受灾地区的农民一直在计算损失。肯尼亚Mwingi地区Nguni的一位农民告诉媒体：“我期待丰收15袋90公斤袋的绿克（绿豆），但现在一无所有。”

粮农组织通过其沙漠蝗虫信息服务中心，持续监测和预测这些蝗虫对世界各国粮食生产的潜在威胁，并在厄立特里亚及时地实施了eLocust3系统（图表2）来应对此方面的威胁。

该工具使厄立特里亚的官员可以在蝗虫出没的现场进行观察、调查和控制，并通过卫星将数据实时传输到国家蝗虫中心。这些数据是组成粮农组织全球预警系统的基础。

目前有越来越多的工作人员也接受了相关培训，以使用该系统进行对蝗虫的活动的进一步监测、评估和预测。


沙漠蝗虫（一种类似于舴艋的害虫）一般在北非和近东的沙漠中繁殖（图表2）。在最佳天气和适宜的生态条件下，例如有降雨，足够温暖的气候和绿色植被的存在，它们的数量会迅速增加，并形成庞大的群组形态，这样的形态可以在数小时内就轻松破坏农民的土地。

由于厄立特里亚在战略上处于通往非洲之角的门户，因此世界各国对该地区已达成了共同的承诺以抗击蝗灾。

如今厄立特里亚政府将蝗虫虫害的控制列为国家优先事项，并与粮农组织密切合作采取了积极的应对措施。

粮农组织eLocust3系统的实施也进一步帮助政府实时评估蝗虫的移动和繁殖速度，然后将此项数据作为全国各地预警机制的一部分。

该系统使用像汽车车顶上的小天线一样的装置连接到卫星，从而可以将野外收集的数据快速传输到位于阿斯马拉的农业部的沙漠蝗虫处（Desert Locust Unit ）。相关数据包含有关蝗虫栖息地、生态条件、天气状况、蝗虫数量、控制和安全措施等详细信息。

卫星预告和检测蝗灾

卫星可以监视可能导致蝗虫恶性繁殖的条件，例如土壤的湿度和绿色植被的出现。

欧洲联合空间（以下简称ESA）最近与阿尔及利亚、法国、马里、毛里塔尼亚、摩洛哥、西班牙和粮农组织的国际合作伙伴进行了合作，以测试如何从ESA的土壤湿度和海洋盐度监测任务或SMOS等卫星获取数据用来预测蝗灾。

粮农组织高级蝗虫预报官员基思·克雷斯曼说：“在粮农组织，我们有数十年的预报蝗虫瘟疫记录，并与面临最大风险的国家密切合作以实施控制措施。”

“通过将我们的专业知识与ESA的卫星能力结合在一起，我们可以显着改善及时准确的预测。预警意味着各国可以迅速采取行动，控制潜在的疫情并防止大量粮食损失。”

SMOS卫星会捕获与地球表面发射的辐射相对应的“亮度温度”图像，可以以每像素50 km的分辨率获取有关土壤水分的信息。

通过将该信息与来自美国航天局NASA的Aqua和Terra卫星上的MODIS仪器的中等分辨率覆盖的范围相结合，该团队将SMOS土壤水分的比例降低到了每像素1km的分辨率。然后将这些测量值用于制作地图，显示了蝗虫爆发前约70天在毛里塔尼亚的可疑地区。

过去，基于卫星的蝗虫预报是从绿色植被信息中得出的，但这通常意味着蝗虫群已经具备了有利条件，那其实只给我们大约一个月的提前预警期。

现在，有关土壤水分的信息表明有多少水可用于最终的植被生长和有利的蝗虫繁殖条件，因此可以提前2-3个月预测蝗虫的存在。这些额外的预警时间对于各国的地方主管部门组织预防措施至关重要。

毛里塔尼亚国家蝗虫控制中心首席信息官艾哈迈德·塞勒姆·贝纳西（Ahmed Salem Benahi）说：“我使用这些数据产品来了解当前状况以及蝗虫爆发的演变。我们现在有可能提前一到两个月看到蝗虫爆发的风险，这有助于我们更好地建立预防控制。”

虽然当前的数据产品基于SMOS和MODIS任务，但另一个哥白尼前哨3任务的信息将很快集成，以确保蝗虫预警的长期可用性。该小组还正在利用Sentinel-1观测值研究类似产品，以降低SMOS土壤湿度的比例，这将使识别分辨率进一步提高到100米。

除了提前预防，但是蝗虫灾害一旦发生，我们又该如何应对呢？

传统的化学农业疗法防治蝗虫

传统的杀虫剂是指任何用于杀死昆虫的有毒物质，这种物质主要用于控制侵染农作物的害虫例如蝗虫或用于消灭特定区域中携带疾病的昆虫。

根据不同的化学性质、毒理作用和渗透方式，杀虫剂可以被分为不同的种类。后来，人们根据不同的渗透方式对杀虫剂进行分类：摄入（胃毒），吸入（熏蒸剂）和身体覆盖物渗透（接触性毒药）。

由于大多数合成杀虫剂都可以通过以上三种途径进行渗透，可以利用它们不同的化学原理更好地进行区分。

除合成物外，植物中天然存在的一些有机和无机化合物也是有用的杀虫剂，其中一些还被允许应用于有机农业中，大多数杀虫剂被喷洒于或撒在植物或其他被昆虫横穿或取食的植物表面上。

1、渗透方式

胃毒只有通过口腔摄入才会显现毒性，因此施用于那些利用口部咬或咀嚼植物的昆虫（比如毛毛虫、甲虫和蚱蜢）最为有效。

胃毒的主要成分是砷类药物，比如巴黎绿（铜丙酮砷酸铜）、砷酸铅和砷酸钙，还有氟化合物（包括氟化钠和冰晶石），以喷雾或粉尘的形式施用到目标昆虫食用的植物的叶子和茎上。胃毒已渐渐被合成杀虫剂取代，因为后者对人类和其他哺乳类动物的危害较小。

熏蒸剂是一种有毒化合物，通过昆虫的气孔或呼吸孔进入其呼吸系统，包括氰化氢、萘，尼古丁和甲基溴之类的化学物质，主要针对储存类产品的害虫或用于熏蒸苗圃。

接触性毒药会渗透到害虫的皮肤，用于抵御那些刺穿植物表面并吸出汁液的节肢动物（如蚜虫）。

接触式杀虫剂可分为两大类：天然化合物和合成有机化合物。

天然存在的接触杀虫剂包括从烟草中产生的尼古丁、菊花和锡菊花中提取的除虫菊，来源于鱼藤和相关植物的根的鱼藤酮以及石油。尽管这些化合物最初主要来源于植物提取物，其中一些有毒物质（例如除虫菊酯）却已经合成。

天然杀虫剂通常在植物上作用时间短，无法为长期的害虫入侵提供保护。除虫菊外，其他的天然接触式杀虫剂都已经在很大程度上被新型合成有机杀虫剂所取代。

2、合成杀虫剂

合成接触式杀虫剂是当下最主流的昆虫防治药剂，它们通常很容易穿透昆虫并对多个物种产生毒性。合成式杀虫剂主要的合成基团是氯代烃，有机磷酸盐和氨基甲酸酯。

· 氯化烃

在发现DDT (Dichlorodiphenyltrichloroethane)（又叫滴滴涕，二二三，化学名为双对氯苯基三氯乙烷）的杀虫特性（1939年）后，人们开始开发氯代烃。

这一系列的化学品还包括BHC (Benzene hexachloride) （又名虫必死，化学名为六氯化苯），林丹、氯苯甲酸酯、甲氧基氯和环二烯（包括艾氏剂、狄氏剂、氯丹、七氯和异狄氏剂）。

其中一些化合物结构稳定，并且具有很长的残留时间，因此它们可以在需要长期提供保护的地方体现特别的价值。它们的毒性作用尚未完全明晰，但其中之一是会破坏害虫的神经系统。有些氯化烃杀虫剂因有害环境而被禁止使用。

· 有机磷酸盐

有机磷酸盐是现行最大规模和最常用的杀虫剂，形成了两种广泛使用的化合物：对硫磷和马拉硫磷，此外还有二嗪农、纳达尔、甲基对硫磷和敌敌畏。

有机磷酸盐主要作用于以植物汁液为食的吸允类昆虫（如蚜虫和螨虫），通过喷洒植物枝叶或将浸有化学物质的溶液喷洒到土壤中，可使植物通过根部吸收该种化学物质。

有机磷酸盐通常具有较少的残留作用，而残留耐受性通常会限制杀虫剂的选择。但它的毒性通常比氯代烃更大，通过抑制胆碱酯酶来杀死昆虫，其中胆碱酯酶对神经系统的功能至关重要。

· 氨基甲酸酯

氨基甲酸酯是一组包括诸如氨基甲酸酯、灭多威和呋喃丹的化合物在内的杀虫剂，它们的毒性能够迅速被解除并从动物组织中清散，一般认为这种毒性来自于某种类似于有机磷酸盐的机理。

3、环境污染与抵抗

合成杀虫剂由20世纪中叶产生，有效地加强了对昆虫和其他节肢类动物害虫的防治，尽管这类化学品有害环境，但仍是现代农业中必不可少的一部分。

通过防止作物损失，提高生产质量并降低耕作成本，1945-65年间，现代杀虫剂使得世界某些地区的作物产量提高了50％。

杀虫剂亦帮助改善人类和家畜的健康，使得疟疾、黄热病和斑疹伤寒以及其他传染病大大减少。

但是杀虫剂的使用也导致了其他几个严重的问题，主要包括环境污染和害虫产生的抗药性。

由于杀虫剂是有毒化合物，它们可能对害虫外的其他生物产生不利影响，实际上，环境中某些杀虫剂的积累可能对野生生物和人类构成严重威胁。

许多杀虫剂效用短暂或易被摄入它们的动物代谢，但另外一些却是持久性的，当被大量使用时，它们会扩散到整个环境中。

施用杀虫剂后，大部分杀虫剂会进入土壤，直接施用地区或该地区产生的径流会进一步污染地下水。土壤的主要污染物是氯化碳氢化合物，如DDT、艾氏剂、狄氏剂、七氯和BHC。

由于反复喷洒，这些化学物质可以在土壤中大量堆积（达到每公顷10-112千克[即每英亩10-100磅]），并且由于与食物链联系紧密，它们对野生动植物的影响也大大增加。

DDT及其亲缘化合物的稳定性使它们能够在昆虫的身体组织中积累，而昆虫的身体组织构成了食物链上游其他动物的饮食，由此对后者亦能产生毒害作用。通常鹰和猎鹰等猛禽受此类化合物的影响最为严重，以至于种群锐减。

因此，许多国家在1960年代开始限制使用此类化学品，并在1970年代彻底禁止使用此类化学品。

杀虫剂致使人体中毒事件亦时有发生。1991年，鉴于对农场劳动者产生的毒性伤害，美国大幅度削减了硫磷，一种常见的有机磷酸盐杀虫剂的使用。

杀虫剂产生的另一个问题是某些目标昆虫种群趋于产生抗药性，群体中易感成员被杀虫剂杀死，而那些存活下来的抗性品系则通过繁殖，最终构成了种群中的大多数。

抗药性是指以前易感的昆虫种群，不再能以常规的速率被农药所控制。数百种有害昆虫已获得对不同合成有机农药的抗药性，对一种杀虫剂具有抗药性的昆虫品种亦可能对第二种具有类似作用方式的杀虫剂产生抗药性。

抗药性一旦产生，根据其类型和害虫种类，在没有农药喷洒的情况下，往往可以持续不同的时间。

杀虫剂还可能消灭害虫的天敌，从而助长害虫种群的增长。广谱化学品的非特异性性质使它们更有可能对害虫和益虫产生这种意想不到的影响。

基于大量使用某些化学杀虫剂产生的问题，当前的昆虫防治实践将杀虫剂的使用与生物学方法结合在一起，形成了综合防治方法。

在这种方法中，可以将最少剂量的杀虫剂与抗虫作物品种结合起来，使用抑制有害生物繁殖的农作物方法，释放有害生物的天敌或寄生生物，以及通过释放无菌害虫从而破坏害虫的繁殖。

因此，在此次如此大型的蝗灾面前，化学杀虫剂这种传统杀虫方法，能否又一次经受住挑战 。

基因工程改造杀虫剂

粮农组织多次表达对化学农药的依赖感到不满。粮农组织在最近发布的文件中警告说。

“尽管使用化学农药仍然是控制沙漠蝗虫的主要方法。但是，化学农药可能会对人体健康和环境产生不利影响。因此，需要不断平衡蝗灾的风险与使用农药的风险，”

当2003年至2005年间发生了类似的沙漠蝗灾时，肆虐了东欧和南欧附近的26个非洲国家，当时各国用农药对大约1300万公顷的沙漠蝗虫侵扰进行了处理。

粮农组织认为，这对于环境而言是令人担忧的，因此我们应该积极寻求替代品。

为警告当前杀虫对化学农药的依赖，同时保护环境不再过度遭受破坏，科学家呼吁采取创新的包括利用基因工程在内的方法，以期找到可持续的长期解决方案，以解决蝗虫带来的破坏性灾难。

加纳昆虫学会主席迈克尔·奥萨伊（Michael Osae）博士说：“我们可以想到的其中一种方法是，对生物防治剂进行了基因改造，以使其更有效地对抗沙漠蝗虫。”

他指出，有一种名叫Metarhizium anisopliae的真菌 ，可以有效对抗沙漠蝗虫。如今它已发展成为一种称为“绿肌”的商业生物农药产品。

迈克尔·奥萨伊（Michael Osae）博士在科学联盟的一次采访中解释说：“真菌在野外使用的功效不太好，例如我们无法使用它来对鼠疫。

但是，如果我们可以对其进行基因改造，使其更具毒性，使其能够更快地杀死有害昆虫，阻止它们繁殖。”

尽管目前探索对付有害生物的基因改造尚无明确进展，但昆虫学家相信这是值得关注的可持续发展方向。

无人机跟踪及治理蝗虫技术的应用

从西非到印度的沙漠降雨之后，植物便开始生长，沙漠蝗虫开始觅食，寻找新的粮食供应。独居的昆虫聚集在一起觅食而植被又非常少，它们很快就会变成极具危险性和破坏性的瘟疫。

为了防止这些小团体变成消耗大量农作物的群体，并破坏国家的粮食供应，科学家们密切观察植被的生长，跟踪蝗虫的活动和数量，并喷洒农药来避免灾难。

沙漠蝗虫的栖息约占地球陆地表面面积的20％。在这片干旱的土地上预防蜂群几乎是不可能的，但是现代科学已经彻底改变了蝗虫的监测和处理方式，而无人机是世界蝗灾武库中的最新武器。

负责监视沙漠蝗虫的联合国粮食及农业组织（FAO）已与民间社会无人机技术公司HEMAV合作，将无人机技术整合到蝗虫的预防和治疗中。

始于2016年的四年发展计划在2019年底达到顶峰，向涉及沙漠蝗虫的30个国家中的大多数派遣了无人机。

根据HEMAV网站，无人机将配备高清视觉传感器和热像仪。他们可以绘制潜在爆发区域的地图，并监测植被和成群的蝗虫。

粮农组织高级蝗虫预防官员基思·克雷斯曼告诉媒体：“如果不进行仔细的监视，这些看似无害的团体就会变成成群的害虫，在沙漠中行进，而这些成群的成虫像乌云一样遮挡着阳光”。

克雷斯曼说，沙漠蝗虫的食欲使其成为地球上最危险的蝗虫之一。他们从沙漠迁徙到人类的栖息地，吞噬道路上的所有植被。

他说：“像罗马一样大规模的成群的蝗虫（相对算是小规模）， 一天之内也可以吃掉相当于意大利一半人口的食物。如果我们能够找到这些聚集成群的害虫并加以治疗，那么我们就可以防止虫群的形成，甚至可以防止鼠疫的发生。”

自从1950年代粮农组织开始监测昆虫以来，追踪和处理蝗虫的方法已得到了显著发展。克雷斯曼说。“过去，他们曾经在沙漠中的骆驼身上寻找蝗虫，并且常常将这些信息写在便笺或信件中，然后在两到三个月后寄到首都或罗马。”

此后，四轮驱动汽车取代了骆驼，而GPS装置，数字数据记录仪和卫星则取代了手写的蜗牛一般慢的信件。现在，地面小组可以将蝗虫数据实时发送到其国家办事处和粮农组织在罗马的总部。

但是卫星图像往往不合时宜且质量偏低。航测成本高昂，对于较贫穷的国家而言，这是很难实现的。尽管车辆可以增加地面工作队的人数，但许多前线国家越来越不安全的状况阻碍了预防工作。

无人机可以立即传输数据，从而减少等待时间。它们不仅比直升机和飞机便宜得多，而且无人机还具有无人值守的优势。

如果爆发即将来临或是已经发生，我们可以为无人机装配生物和化学农药。机械喷涂会更加精确，及时，高效，而且对于人类来说也是一种更加安全的选择。

克雷斯曼先生在接受HEMAV采访时说：“人工使用农药是相对危险的，因此使用无人机技术对于施药者和参与控制行动的人员来说更加安全。我们希望使用无人机技术可以使对蝗虫的监测更加有效。另外，这对蝗虫的预警也至关重要。”

沙漠蝗虫近来肆虐非洲和亚洲部分地区，印度一些地方受灾严重，导致大面积农作物减产或绝收。

但当前印度蝗灾已基本结束，目前仅西部拉贾斯坦邦部分地区仍有少数蝗虫聚集。巴基斯坦也受损严重，中国已经向巴基斯坦派出了防治蝗灾工作组。

专家指出，由于气候环境等因素，中国并非这种蝗虫的适宜生存区，历史上的中国蝗灾也并非此物种。目前沙漠蝗虫灾害对中国会造成的影响尚不明朗，但是我们需要知道的是，如今的世界已经成为一个巨大的经济共同体。

非洲或者其他地方遭受的灾害也会从很多其他方面影响到中国，我们千万也不能掉以轻心，要做好提前预警，实时监控，积极防护等措施，这样才能在稳住世界第一人口大国的粮食安全之外，向受灾地区提供相应的援助。

（作者：周倩昀）