基于雷達觀測的草地螟遷飛行為研究

基于雷達觀測的草地螟遷飛行為研究

草地虱屬于鱗狀昆蟲科。這是一種全球疾病。幼蟲具有集中性、突發(fā)性和雜食性等特點。主要分布在歐亞大陸和北美，主要分布在中國北方、東北地區(qū)和新疆阿勒泰地區(qū)。目前,我國對草地螟的發(fā)生危害規(guī)律還了解甚少,無論是對其種群動態(tài)規(guī)律還是成災的環(huán)境特征均不清楚,監(jiān)測和預測預報工作十分困難,在防治上十分被動(羅禮智等,2005)。各地大發(fā)生的蟲源問題和遷飛路線認識不清,全國草地螟科研協作組(1987)研究認為河北壩上、山西雁北、內蒙古烏盟地區(qū)為草地螟的主要越冬地,越冬代成蟲羽化后,隨著西南氣流向東北方向遠距離遷飛。陳曉等(2004)通過分析遷入峰期的天氣學背景和風場的時空分布,認為1999年東北地區(qū)大發(fā)生的草地螟只有少部分來自以往認為的“主要發(fā)生基地”,其主要蟲源來自蒙古共和國東部及中蒙邊境地區(qū)。王秋榮等(2005)通過對呼倫貝爾越冬地的調查發(fā)現該地區(qū)草地螟越冬基數和成活率都很高,成為草地螟發(fā)生的一個潛在越冬區(qū)。蟲源地的復雜性和遷飛路線的多變性也成為制約草地螟早期監(jiān)測預警的主要難題。因此,要準確預測草地螟的遷飛路線,單純依靠傳統的預測預報方法還遠遠不夠,做好草地螟的空中種群動態(tài)實時監(jiān)測具有重要研究意義。昆蟲雷達就是一項重要的研究手段,吉林省農業(yè)科學院植物保護研究所的陳瑞鹿等(1992)和河南省農業(yè)科學院植物保護研究所的封洪強等(2004)先后利用掃描昆蟲雷達對草地螟的遷飛行為進行了相關研究,取得了一定的進展。但由于受掃描昆蟲雷達操作方法限制,一直沒有開展長期的定點觀測。我們利用垂直監(jiān)測昆蟲雷達系統及相關輔助設備,于2007年5月底至6月底在內蒙古集寧市對草地螟越冬代成蟲遷飛進行了雷達監(jiān)測。本文利用雷達監(jiān)測結果,結合低空氣流和大區(qū)環(huán)流分析及各地蟲情數據,對草地螟的春季遷飛路線進行了模擬,并對草地螟的蟲源問題進行了探討。1高空風場觀測和分析1.1數據來源1.1.1地面蟲情資料:地面蟲情數據來自雷達觀測點佳多PS-15頻振式誘蟲燈逐日蟲情數據;各地蟲情數據采用2007年全國草地螟會商會草地螟主要發(fā)生區(qū)高峰期、高峰日,卵巢發(fā)育級別等燈誘資料。1.1.2空中蟲情數據:空中昆蟲種群變化動態(tài)采用雷達觀測點高空探照燈逐日燈誘數據;夜間空中昆蟲飛行行為利用垂直監(jiān)測昆蟲雷達以2000m距離檔長期觀測自動記錄的資料。1.1.3氣象數據:地面氣象數據每日記錄雷達觀測點當日天氣情況;高空風溫場數據由美國國家環(huán)境預報中心(NationalCentersforEnvironmentalPrediction,簡稱NCEP,其前身為美國國家氣象中心NationalMeterologicalCenter,簡稱NMC)和美國國家大氣研究中心(NationalCenterforAtmosphericResearch,簡稱NCAR)提供的再分析數據。1.3研究方法雷達觀測點設置在內蒙古烏蘭察布市植保植檢站(41°02′N,113°06′E),雷達具體參數見張云慧等(2007)。垂直監(jiān)測昆蟲雷達、高空探照燈和地面誘蟲燈,每天日落開,日出關(雨天除外),開關機具體時間參閱翟保平(2004)。高空探照燈主要誘集空中飛行的草地螟,與誘集近地面昆蟲的地面燈進行數量對比,用于區(qū)別遷飛和當地種群。每天早上把誘蟲燈誘集的草地螟,先從形態(tài)學上分辨雌雄,計算性比,隨機挑選50頭雌蟲做卵巢解剖,記錄卵巢發(fā)育進度,遷飛高峰期每晚定時取樣。利用NCEP和NCAR提供的高空風場數據,經過GIS的再分析,采用標準時12時(北京時20時)925hPa(百帕)壓力層面u分量、v分量數據合成風場矢量圖,分析草地螟遷飛高峰期高空盛行的風場。利用Hysplit-1.4數據處理與統計分析誘蟲燈內的蟲情數據和雷達采集數據用非實時程序輸出后,采用SAS9.13軟件進行統計分析。2結果與分析2.1草地螟回波點高度的分析雷達觀測到昆蟲回波高峰期出現在6月7-11日,正值當地越冬代幼蟲集中羽化期,6月7日雷達回波突然增多,11-12日受對流天氣影響,當地普降小雨轉陣雨,回波強度相對較少,12日以后雷達回波強度和持續(xù)時間逐漸減少。6月8日雷達回波強度最高,雷達開機后回波點就開始明顯增多,400m高度回波增加較快,10min后回波點主要集中在400m。隨著回波點的增多,300m和500m回波點也開始增多,22:00左右達到一個高峰,此種狀態(tài)一直持續(xù)到00:00左右。00:00-02:00回波強度又出現了一次新的高峰,02:00回波點開始減少,回波高度主要在400m,其它高度回波點很少,400m高度回波點直到天亮(05:00)才基本消失。6月8日探照燈誘蟲盆內在20:00,22:00,00:00,02:00,05:00進行定時取樣,誘集盆內草地螟成蟲的變化趨勢與雷達回波具有很高的一致性(圖1)。判定雷達回波監(jiān)測到的目標昆蟲為草地螟,飛行高度主要集中在300～500m,回波強度較高時可以達到600m,700～800m回波點很少,400m是主要的飛行高度,可以在此高度段完成整夜飛行,持續(xù)飛行時間可達9h。草地螟遷飛主要選擇在夜間,白天很少觀測到其遷飛現象。2.2探照燈誘蟲集中所2007年5月30日-6月7日雷達觀測點探照燈誘蟲盆內先后有3次規(guī)模較小的草地螟突增,數量從幾頭到上百頭,6月7-9日出現一次規(guī)模較大的遷飛過程,6日探照燈誘蟲163頭,7日突增到5632頭,8-9日也維持在較高水平,10日數量開始減少,14日下降到156頭(圖2)。高峰期性比都大于1,6月7-8日性比超過2︰1。高峰期探照燈誘集草地螟數量占總誘蟲數量的百分比(誘蟲百分比)分布在40.1～77.2%(圖3)。高峰期間草地螟雌蟲卵巢發(fā)育級別整齊集中在Ⅰ～Ⅱ級,基本沒有交配,連續(xù)幾天卵巢發(fā)育級別沒有明顯差異(圖4),具有典型遷飛昆蟲生理特征。2.32各地區(qū)、企業(yè)及居民中晚犯情況2007年6月上旬至中旬,草地螟在我國北方地區(qū)先后進入盛發(fā)期。5月25-6月3日內蒙古烏盟地區(qū)的四子王旗、察右中旗、察右后旗、商都、化德等地草地螟相繼進入盛發(fā)期,草場、田間百步驚蛾3000～6000頭,雌蛾卵巢發(fā)育級別Ⅰ級率達90～100%。6月7-9日據內蒙古自治區(qū)植保植檢站和烏蘭察布市植保植檢站聯合調查,在這些地帶草地螟越冬代成蟲蛾量百步驚蛾仍為3000～5000頭,卵巢發(fā)育級別Ⅰ～Ⅱ級率95%以上,仍然有大批越冬代幼蟲羽化遷出。同期河北省康?？h、萬全縣、張家口壩上地區(qū)也出現誘蟲高峰,田間百步驚蛾1000～3000頭,卵巢發(fā)育Ⅰ～Ⅱ級率在75%以上。遼寧省阜新、朝陽、鐵嶺市,吉林省洮南、鎮(zhèn)賚縣,內蒙古的興安盟等地,6月10日開始有草地螟遷入,卵巢發(fā)育以Ⅱ～Ⅲ級為主。6月12日黑龍江的大慶、齊齊哈爾及內蒙古呼倫貝爾等地相繼進入始盛期,田間百步驚蛾量上千頭,最多可達上萬頭,卵巢發(fā)育級別整齊Ⅲ～Ⅳ級率為80%以上(表1)。6月15日以后在內蒙古的興安盟、呼倫貝爾、黑龍江中西部的齊齊哈爾、大慶等地田間幼蟲嚴重暴發(fā)。2.4草地飛段分析2.4.1草地螟營養(yǎng)成分分析5月底6月初,華北及東北地區(qū)主要受蒙古氣旋和副熱帶高壓的影響,蒙古氣旋逐漸減弱,副熱帶高壓相對增強,使華北及東北地區(qū)主要盛行偏南或西南氣流。雷達觀測點草地螟高峰期為6月7-9日,6月6日探照燈下誘蟲數量為163頭,7日突增到5632頭,8日6103頭,9日數量下降到2109頭,此后幾天數量逐日遞減。6月7日的空中風場分析顯示華北及東北地區(qū)受多個氣旋與反氣旋控制,風場變化較大。軌跡分析7日起飛的草地螟由于沒有合適氣流運載,主要進行近距離遷飛擴散。6月9日00:00時空中風場分析,受副熱帶高壓影響華北北部和東北大部主要為偏南和西南氣流,同時在蒙古共和國的中西部形成的蒙古氣旋逐漸增強并向我國東北方向移動(圖5)。軌跡分析顯示,6月8日晚草地螟從內蒙古中部烏盟等地遷出,向蒙古共和國方向遷飛,在中蒙邊界地區(qū)受氣流影響轉向我國東北方向,6月10日大部分遷飛到中蒙邊界地區(qū),少量到達內蒙古的呼倫貝爾地區(qū)(圖6)。6月9日東北、華北地區(qū)盛行典型的西南氣流(圖7),9日晚從內蒙古烏盟等地起飛的蛾群順西南氣流,經河北省北部,內蒙古赤峰、通遼等地11日到達吉林省西北部、內蒙古興安盟、呼倫貝爾的部分地區(qū)(圖8)。2.4.2內蒙古草地螟植物物種源及來源6月11日蒙古氣旋減弱并繼續(xù)東移,受在蒙古共和國中部形成的反氣旋影響,東北地區(qū)主要盛行西北氣流(圖9)。6月11日遼寧省朝陽、阜新,吉林省白城、松原,內蒙古興安盟、赤峰等地出現草地螟遷入高峰。6月11日對這些地區(qū)的逆推分析顯示,內蒙古的興安盟、赤峰與吉林省的白城等地蟲源主要來自內蒙古的烏盟和河北北部等地(圖10)。6月12日以后,內蒙古的呼倫貝爾、黑龍江的齊齊哈爾、大慶等地相繼出現草地螟的大規(guī)模遷入?？罩酗L場顯示,反氣旋中心移到了我國東北地區(qū),受其影響東北大部分地區(qū)盛行東北氣流(圖11)。12日對內蒙古呼倫貝爾,黑龍江齊齊哈爾、大慶等地遷入的草地螟逆推分析顯示,蟲源主要來自中蒙與中俄邊界等地(圖12)。通過上述結果推測,2007年東北地區(qū)嚴重暴發(fā)的草地螟蟲源,一部分來自草地螟的主要越冬地內蒙古烏盟等地,一部分來自于蒙古共和國中東部(包括6月6-10日由我國遷入蒙古共和國的越冬代蟲源)和中俄邊境地區(qū)。3草地螟遷飛成層與軌跡分析通過高空探照燈的誘集和探照燈下定時取樣與雷達回波具有一致性分析確定,6月7-9日雷達回波為草地螟遷飛所引起。草地螟高峰期雌雄性比、卵巢解剖證實高峰期內草地螟具有典型的遷飛昆蟲生理特征。本次雷達觀測草地螟遷飛高度主要在300～500m,400m是其主要的飛行高度。吉林省農業(yè)科學院植物保護研究所陳瑞鹿等(1992)報道1984年6月利用掃描昆蟲雷達在山西應縣海拔1650m處觀測草地螟遷飛的高度在400m以下,多在80～240m之間。因該雷達盲區(qū)為250m,對于250m以下草地螟的成層和遷飛情況沒有研究。另外,山西應縣海拔較高,不同海拔對草地螟飛行高度也存在一定影響。雷達長期的觀測結果顯示昆蟲的空中飛行行為在不同的氣候背景下有著不同的反應,不同季節(jié)、夜間不同時間及不同海拔遷飛高度也具有明顯差異(Drakeetal.,2002)。因此,本觀測結果和陳瑞鹿先生的觀測結果并不矛盾。河南省農業(yè)科學院植物保護研究所封洪強等通過雷達觀測和低空風溫場分析發(fā)現草地螟春季遷飛成層與最大風速和最佳風向有關,遷飛高度隨空中風場變化(Fengetal.,2004)。本次雷達觀測也顯示草地螟遷飛基本選擇在風速較大的高度借助氣流運載完成遠距離遷飛。昆蟲的遷飛高度在昆蟲軌跡模擬方面具有重要意義,雷達的長期觀測為弄清昆蟲季節(jié)性遷飛高度提供了直接依據(吳孔明等,2006),長期的觀測數據結合大區(qū)氣流和軌跡分析能更準確、有效地對遷飛性昆蟲進行早期預警(Chengetal.,2002;程登發(fā)等,2005)。根據雷達的觀測結果結合遷飛高度的氣流場進行軌跡分析也更具有事實依據(Fengetal.,2007;張云慧等,2007)。軌跡分析是研究昆蟲遷飛的重要手段,國內通過軌跡分析方法已對我國農業(yè)上重大遷飛性害蟲,在大發(fā)生年的遷飛蟲源和遷飛路線進行了模擬。例如,封傳紅等(2002)分析了我國北方稻區(qū)1991年稻飛虱大發(fā)生蟲源的形成,陳曉等(2004)分析了1999年東北地區(qū)草地螟發(fā)生的蟲源,周立陽等(1995)分析了江淮稻區(qū)稻縱卷葉螟的蟲源地及遷飛路徑。本次試驗,根據雷達觀測草地螟夜間遷飛高度,以草地螟的主要遷飛高度400m作為起始高度對遷出地進行順推,對遷入地進行逆推,并通過大區(qū)氣流分析空中風場進行驗證,結果更具有說服力。由于空中風場不斷變化,而風場圖只是某一時刻空中風場的反映,因此,軌跡分析結果與空中風場會存在著一定的差異。另外,全國農技推廣服務中心2006年秋季和2007年春季組織的草地螟越冬調查發(fā)現,內蒙古烏盟等地草地螟越冬蟲源占全國越冬總面積的92.47%,其中四子王旗是集中越冬區(qū)。6月7-9日內蒙古烏盟、河北康保等地,相繼出現大的蛾峰,但后期田間調查該地區(qū)沒有發(fā)現幼蟲危害,證明越冬代幼蟲羽化后大量遷出。6月20日以后內蒙古的興安盟、呼倫貝爾,黑龍江的齊齊哈爾、大慶等地田間幼蟲大暴發(fā),根據草地螟發(fā)育歷期推斷應為同一批蟲源。本次軌跡分析結果與各地蟲情信息基本相符。草地螟的蟲源問題一直是預測預報和防治的難點。蟲源問題也一直存在著爭議(全國草地螟科研協作組,1987;陳曉等,2004)。從已查到的越冬蟲繭的情況看,每年草地螟越冬場所是不同的,其發(fā)生主要隨氣候與寄主變化,存在著大范圍水平方向(向東