害虫行为可塑性通过微生境调节加剧气候变化下全球小麦减产

《Nature Communications》：Behavioural plasticity of a pest species may aggravate global wheat yield loss under climate change

本研究针对气候变化下极端高温事件对农业害虫影响的传统认知提出挑战，通过麦长管蚜(Sitobion avenae)模型系统，首次量化了害虫精细尺度行为热调节(FSBT)对全球小麦产量的潜在影响。研究人员通过系列实验证实蚜虫能通过微生境行为可塑性缓冲极端高温(EHT)胁迫，结合1977-2017年全球气象数据与种群模型，发现FSBT可使全球小麦年均减产达870万吨(占全球产量1.2%)，且减产加剧速率(+2.6%/年)超过全球小麦产量增长速率(+2.0%/年)。该研究为气候变化背景下害虫防控策略制定提供了新视角，发表于Nature Communications。

　　

随着全球气候变化持续加剧，极端高温事件频发已成为威胁农业生产的重要因素。传统观点认为，极端高温虽然会降低大多数昆虫物种的丰度，包括农业害虫，从而可能减轻害虫对作物的危害。然而，这种观点忽略了害虫自身对气候变化的适应能力，特别是其通过行为可塑性在微生境尺度上调节体温的潜力。这导致当前对害虫危害和作物损失的预测存在显著不确定性，可能低估气候变化对全球粮食安全的真实威胁。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，由马格和马春森领衔的国际研究团队，通过小麦-麦长管蚜这一全球性害虫-作物模型系统，首次系统量化了害虫精细尺度行为热调节对全球作物产量的影响。研究发现，蚜虫能通过在其宿主植物表面和土壤表面之间的移动，主动选择更适宜的微生境温度，从而规避极端高温的直接伤害。这种行为可塑性显著提高了蚜虫在极端高温下的存活率，进而促进其种群增长，最终导致比传统预测更严重的小麦产量损失。

研究人员为阐明FSBT的生态学效应，整合了多种实验方法与模型模拟。行为学实验通过记录不同发育阶段蚜虫在模拟昼夜温度波动下的位置变化，证实了蚜虫存在主动热调节行为。种群生物学实验采用剪辑笼限制蚜虫移动，结合土壤湿度调控微生境温度异质性，量化了FSBT对蚜虫关键生活史特征及种群增长的影响。基于实验数据构建的生存模型，进一步用于评估不同FSBT场景下蚜虫对极端高温的耐受性。全球尺度分析则整合了1977-2017年间697个地点的气象数据、蚜虫分布信息及小麦物候资料，通过建立种群动态模型与产量损失函数，估算了FSBT对全球小麦生产的潜在影响。

行为可塑性及其对生存和种群增长的影响

通过观察麦长管蚜在模拟日常温度波动下的行为，研究人员发现蚜虫能够利用微生境中的空间温度异质性来避免过热。在存在白天极端高温的情况下，土壤表面的温度最低，叶片温度居中，空气温度最高。随着温度升高，蚜虫开始从植物向土壤表面移动，导致栖息在宿主植物上的蚜虫比例下降。当温度在中午后下降时，蚜虫大部分返回叶片。相比之下，在没有极端高温的情况下，蚜虫不会离开植物，宿主植物栖息比例始终较高。

剪辑笼实验结果表明，FSBT显著提高了极端高温条件下的蚜虫存活率，并将没有FSBT时观察到的负内在增长率转化为正指数。土壤湿度实验进一步证实，具有FSBT的蚜虫在极端高温下种群数量增加，而FSBT受限的蚜虫种群则出现下降。生存模型显示，蚜虫存活率随日最高气温升高呈反S型曲线下降，但具有热调节行为的蚜虫存活率始终较高。

有和无FSBT时全球S. avenae丰度及小麦产量损失

FSBT能有效缓冲蚜虫在极端高温期间暴露于有害温度的影响。全球模型预测表明，在1977-2017年间，假设中等初始害虫密度且不施用农药，FSBT会导致全球小麦产量损失加剧，年均达870万吨，约占全球产量的1.2%。这种产量损失加剧的速度为每年2.6%，超过了报告的全球小麦产量年增长率。

气候变化下全球小麦减产加剧的趋势

在全球变暖背景下，蚜虫FSBT导致全球小麦减产加剧呈加速趋势。具体而言，小麦种植区温度每升高1°C，减产加剧程度增加0.08%。超过五分之四的国家经历了日益加剧的损失，包括大多数最大小麦生产国，且低收入和粮食短缺国家的损失尤为严重。

研究结论强调，气候变化下害虫通过精细尺度行为热调节缓解极端温度负面影响的能力，会显著促进其种群增长，加剧作物损失。这一效应在主要小麦生产区和低收入粮食短缺国家更为突出，对全球粮食安全构成重大且未被预见的风险。研究结果对害虫管理和粮食安全具有重要启示：通过农业措施改变精细尺度微气候干扰害虫热调节行为可能成为新的防控策略；同时，增加微气候异质性和可及性有助于非作物生态系统的生物多样性保护，进而增强生物多样性介导的自然害虫控制。

该研究的创新之处在于首次将害虫精细尺度行为热调节纳入作物损失预测模型，挑战了"极端高温抑制害虫种群"的传统范式，为全面评估气候变化对农业生态系统的影响提供了新视角。虽然研究聚焦于小麦-蚜虫系统，但研究方法和结论可能普遍适用于其他作物-害虫系统，因为昆虫在微生境内的行为热调节广泛存在。未来研究可进一步考虑不同地理种群遗传背景、灌溉制度差异以及天敌等因素的调节作用，以完善预测模型。