综述：可持续农业与生物精准中的有害生物综合管理

《Discover Plants》：Integrated pest management for sustainable agriculture and biological precision

　　

有害生物综合管理（IPM）是可持续农业的基石，为依赖农药的密集型实践提供了一种生态平衡的替代方案。本系统综述整合了2000年至2025年间发表的200多项同行评审研究的发现，涵盖了六大洲的多种作物和农业生态系统。综述揭示，采用IPM可将化学农药使用量减少40–70%，并将作物产量提高10–35%，展示了其在平衡生产力和环境保护方面的潜力。最有效的IPM框架整合了生物防治剂，如木霉属（Trichoderma）、芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas spp.），并结合生态工程、农艺实践以及采用人工智能和精准农业工具的数字决策支持系统（DSS）。然而，社会经济障碍——包括有限的农民素养、资金约束和薄弱的政策支持——仍阻碍着大规模推广，尤其是在资源受限地区。全球案例研究的证据表明，参与式方法，如农民田间学校（Farmer Field Schools）、社区型IPM和移动端DSS，可提高采用率、盈利能力和对气候诱发病虫害爆发的韧性。本综述认为，IPM的未来在于将传统生态知识与数据驱动创新相结合，以推进适应性强、成本效益高且气候韧性强的害虫管理系统，从而保障全球粮食和环境安全。

1 引言
自农业起源以来，人类社会面临害虫引起的作物损失，并常使用天然物质和植物提取物作为直观驱避剂和生态适应策略。这些早期植根于生物多样性和地方生态知识的实践，预见了有害生物综合管理（IPM）的基本原则，即优先考虑生态平衡而非强力压制。20世纪中叶的化学革命彻底改变了全球害虫控制范式，以二战后合成杀虫剂如DDT的推广为标志。合成农药虽提供短期解决方案，却引发生态破坏，包括传粉者减少、生物累积和抗性发展，揭示了单纯依赖化学害虫管理的生态与进化缺陷，凸显了对IPM等更可持续方法的需求。IPM已成为基于系统、生态信息整合的框架，结合生物防治、寄主抗性、农艺实践和阈值指导下的化学使用。它不仅是环境理想主义，更是全球粮食安全中公认的公共政策，在气候变化和人口增长加剧农业生态系统压力的背景下，维持环境完整性与粮食安全需求间的平衡。农药限制政策、残留法规和有机认证标准也加速了IPM在发达国家和发展中国家的推广。尽管因经济、制度和政策限制存在区域实施差异，IPM如今是农业韧性与可持续粮食系统之间的关键桥梁，有效平衡了产量集约化与生态完整性。

可持续IPM实践是解决环境退化与高生产力需求双重挑战的核心。通过整合轮作、栖息地多样化、生物防治和最低限度农药依赖，IPM减少了化学依赖，保护了生物多样性，维持了土壤和水体健康。通过保护传粉者、天敌和其他有益生物，IPM有助于维护生态平衡，支撑可持续作物生产所必需的农业生态系统功能稳定性。从经济角度看，IPM通过减少农药支出、稳定产量以及满足市场对无残留和环境认证农产品的需求，提高了农场盈利能力。投入成本降低、资源效率提升以及进入高端市场的机会，共同增强了农业系统的经济可行性和韧性。此外，数字诊断、人工智能（AI）和精准农业的最新进展将IPM转变为数据驱动的决策支持系统，实现了实时害虫预测、检测和靶向干预。这些创新增强了农业在气候变化条件下的适应性和韧性。IPM通过促进粮食安全、环境保护和气候韧性，直接贡献于可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 2（零饥饿）、SDG 12（负责任消费和生产）和SDG 13（气候行动）。本综述对IPM作为推进农业可持续性的动态框架进行了整合分析，强调其降低农药依赖、保护生物多样性和增强对气候诱发病虫害压力的韧性。与以往侧重单一组件的综述不同，本研究将微生物拮抗、生态工程和精准决策系统等维度统一在连贯的农业生态与技术连续体中，批判性评估它们如何共同重新定义害虫管理，并阐述概念演变以及阻碍大规模实施的持续限制，尤其是在资源受限地区。本综述将IPM置于气候智慧型、知识密集型农业的新兴范式中，阐明了其作为韧性、适应性和政策一致型粮食生产系统基础的作用。

2 方法学
本综述采用系统综述方法，评估和综合IPM策略的当前状态，关注技术进步、生态整合和社会经济影响。遵循PRISMA 2020指南（Page等人，2021）和CASP清单（CASP，2022）进行方法学质量评估，确保研究搜索、选择和分析的透明性、一致性和可重复性。搜索策略涵盖PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar，时间跨度为2000至2025年，关键词包括“有害生物综合管理”、“IPM”、“生物防治”、“精准农业”、“数字技术”、“气候智慧型农业”和“IPM的社会经济采用”。纳入标准聚焦于农业IPM策略、生物防治/生态工程/数字技术整合、社会经济影响评估以及提供实证数据或案例研究。排除仅涉及单一防治方法、缺乏原始数据或方法论不明确的研究。两名评审员独立进行数据提取，提取内容包括研究类型、地理位置、IPM策略、技术工具（如AI、无人机、DSS）、结果指标（农药使用减少、产量增加、环境影响）以及社会经济因素。使用CASP清单评估研究质量，仅纳入评分为“良好”或“优秀”的研究。采用叙述性综合方法，将数据分为技术进步、生态整合、社会经济影响和全球案例研究四个主题领域。本综述存在地理偏倚、语言偏倚（仅纳入英文文献）以及可能高估IPM有效性的局限性。

3 IPM的组成部分
IPM的实际实施依赖于整合生物、生态和技术组件，这些组件协同作用以实现可持续害虫抑制。包括生物防治策略、文化和农艺实践以及先进的监测与决策支持系统，共同形成一个减少化学依赖、增强生态系统韧性和促进环境可持续性的整体框架。

3.1 生物防治策略
截至2023年，全球已注册超过1500种微生物生物农药制剂，细菌类群占活性剂约65%，主要为苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）、枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）。真菌制剂如哈茨木霉（Trichoderma harzianum）和病毒制剂构成其余部分。拮抗微生物剂：超过一半的IPM生物防治剂属于可通过酶促或化学机制进行直接拮抗的微生物属。例如，丁香假单胞菌（Pseudomonas protegens）通过分泌吩嗪和2,4-二乙酰基间苯三酚（DAPG）抑制尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum），同时高效定殖番茄根表面以限制病原体获取营养。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在根际形成厚生物膜，通过竞争性营养隔离和排斥机制限制辣椒疫霉（Phytophthora capsica）。绿木霉（Trichoderma virens）在根际作为强空间竞争者，快速定殖营养贫乏的微区并取代齐整小核菌（Sclerotium rolfsii）。链霉菌属（Streptomyces spp.）通过根际微位点内的生态位互补和产生扩散性抗生素抑制菜豆壳球孢（Macrophomina phaseolina）。绿针假单胞菌（Pseudomonas chlororaphis）通过产生吩嗪-1-羧酸和藤黄绿脓菌素（pyoluteorin）以及竞争铁和有机底物抑制终极腐霉（Pythium ultimum）。昆虫病原线虫如斯氏线虫（Steinernema feltiae）和异小杆线虫（Heterorhabditis bacteriophora）通过释放共生细菌（致病杆菌属Xenorhabdus和发光杆菌属Photorhabdus）产生杀虫毒素，有效寄生蕈蚊幼虫。花蝽天敌（Orius laevigatus）对西花蓟马（F. occidentalis）具有高捕食效率，并间接抑制番茄斑萎病毒（TSWV）传播。十一星瓢虫（Coccinella undecimpunctata）可摄入禾本科布氏白粉菌（Blumeria graminis）分生孢子并在肠道内降解，显示抑制叶部真菌病的潜在新营养互作。内生菌介导的防御激活：内生微生物通过激活植物激素级联反应、调节ROS和加强宿主细胞结构，诱导宿主植物防御反应。昆虫病原真菌如蜡蚧轮枝菌（Verticillium lecanii）、绿僵菌（Metarhizium anisopliae）、玫烟色棒束孢（Paecilomyces farinosus）、球孢白僵菌（Beauveria bassiana）和莱氏野村菌（Nomuraea rileyi）通过分泌几丁质酶、蛋白酶和脂氧合酶降解昆虫表皮。贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）PEA1菌株通过诱导系统性抗性（ISR）抑制番茄和黄瓜中的尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）和青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum），该ISR由茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）途径介导，伴随病程相关（PR）基因上调以及木质素和胼胝质生物合成增强。棘孢木霉（Trichoderma asperellum）通过引发活性氧（ROS）信号和苯丙烷代谢抵抗甜瓜疫霉（Pythium aphanidermatum）。荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）菌株可操纵乙烯/生长素信号，减少大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）定殖并促进根系活力。在香蕉种植系统中，非致病性茄病镰刀菌（Fusarium solani）CEF559激活根中过氧化物酶和酚类途径，限制尖孢镰刀菌古巴专化型（F. oxysporum f. sp. cubense）引起的枯萎病。链霉菌属（Streptomyces spp.）在玉米中触发防御调节因子WRKY70和NPR1。真菌寄生和裂解酶分泌：真菌寄生是生物防治剂识别病原体来源分子信号并酶解植物病原真菌细胞壁的特化拮抗形式。哈茨木霉（Trichoderma harzianum）利用G蛋白偶联受体（GPCRs）进行真菌寡糖的化学感应，激活MAPK信号并诱导细胞壁降解酶基因如几丁质酶（ech42）、β-1,3-葡聚糖酶（bgn13.1）和丝氨酸蛋白酶（prb1）的转录，导致立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）和核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）菌丝裂解。深绿木霉（T. atroviride）分泌低分子量抗真菌代谢物如6-戊基-α-吡喃酮和harzianolide，增强酶解作用并破坏病原体膜完整性。绿木霉（T. virens）在玉米根际定殖导致tvchit和nag1表达上调，使轮枝镰孢（Fusarium verticillioides）菌丝塌陷并抑制孢子萌发。解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）产生β-葡聚糖酶和bacillomycin-D等脂肽，能穿透真菌细胞壁并导致链格孢（Alternaria alternata）结构解体。真菌超寄生菌如白粉寄生菌（Ampelomyces quisqualis）通过吸器结构侵入细胞内，特别是针对丝核菌（Rhizoctonia）和白粉菌（Erysiphe）等病原体，拓宽了生物防治谱。噬菌体介导的生物防治和病毒拮抗：噬菌体是高度特异性的病毒拮抗剂，靶向种或株系水平的植物病原细菌而不显著干扰天然微生物组。多噬菌体组合可增强田间稳定性和拓宽宿主范围。例如，针对解淀粉欧文氏菌（Erwinia amylovora）的裂解噬菌体鸡尾酒φEa21-4和Y2通过干扰群体感应和生物膜形成有效降低火疫病发病率。感染青枯雷尔氏菌（R. solanacearum）的噬菌体通过高效维管定殖和体内增殖限制茄科作物细菌性枯萎病。商业化制剂如AgriPhage?在抑制番茄青枯雷尔氏菌感染方面显示出强效。利用工程化CRISPR-Cas噬菌体沉默野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）的毒力决定因子如xopN和hrpA，可减弱致病性和抗性。噬菌体与内生菌的互作可能触发植物ISR，为可持续病原管理提供生态友好且精准的方法。微生物代谢物：生物防治菌产生的特殊次级代谢物在破坏植物病原体生理代谢过程中发挥关键作用。丁香假单胞菌（Pseudomonas protegens）合成2,4-二乙酰基间苯三酚（DAPG）、藤黄绿脓菌素（PLO）和氢氰酸（HCN），通过阻断线粒体呼吸、损害蛋白质合成和破坏细胞氧化还原稳态，对致病疫霉（Phytophthora infestans）和立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）产生强效抑制。利迪链霉菌（Streptomyces lydicus）产生链霉溶菌素（streptolydigin）和土味素（geosmin）等多酮化合物，干扰大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）的细胞壁生物合成并抑制转录活性。由普城沙雷氏菌（Serratia plymuthica）C1合成的肽-聚酮杂合抗生素对野油菜黄单胞菌（Xanthomonas spp.）和青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）表现强拮抗活性。解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）FJAT-2349分泌的脂肽对青枯雷尔氏菌具有强效拮抗作用，有效控制番茄青枯病。解淀粉芽孢杆菌NJN-6产生iturin、fengycin和surfactin等脂肽复合物，不仅裂解真菌膜，还调控植物免疫反应。洋葱伯克霍尔德菌（Burkholderia cepacia）产生硝吡咯菌素（pyrrolnitrin）和cepacin，抑制镰刀菌（Fusarium）和链格孢（Alternaria）的麦角甾醇生物合成。绿木霉（Trichoderma virens）分泌胶霉毒素（gliotoxin）和viridin，损害核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）的线粒体呼吸。商业化生物制剂和递送平台：微生物拮抗剂的功效取决于靶向递送、制剂稳定性和长期活性。商业制剂使用滑石、褐煤和海藻酸盐等载体，利用链霉菌属（Streptomyces spp.）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）和哈茨木霉（Trichoderma harzianum）等代谢适应性和结构稳定性。例如，RootShield?和Companion?产品分别利用木霉和芽孢杆菌菌株减少土传病原体活性。液态发酵基无细胞制剂如Serenade? ASO使用解淀粉芽孢杆菌（B. amyloliquefaciens）的次生代谢物，已在番茄和葡萄中获得系统保护的田间批准。生物聚合物基质如藻酸盐-壳聚糖复合物可显著提高微生物接种剂在紫外和干燥胁迫下的存活率。纳米级生物聚合物涂层的共封装技术可同时递送促生根际细菌（PGPR）如荧光假单胞菌和噬菌体，实现细菌和真菌病原体的协调控制。封装化学的进步如海藻糖注入和二氧化硅-水凝胶系统可在常温条件下提供≥12个月的稳定性，对低资源环境和气候变化脆弱性至关重要。

3.2 文化和农艺实践
IPM中的文化和农艺实践侧重于通过利用生物多样性、作物轮作和土壤健康管理来增强农业生态系统韧性以控制害虫。生物熏蒸、生物防治剂和栖息地多样化等技术破坏害虫种群，同时促进土壤微生物活性和肥力。这些实践与物理干预如太阳能化相结合，减少对化学农药的依赖，支持可持续、生态平衡的害虫控制策略。土壤靶向文化干预：文化土壤处理利用微生物动态和生化相互作用减少植物病原体。采用芥菜（Brassica juncea）和香茅（Cymbopogon citratus）的生物熏蒸轮作释放异硫氰酸酯和化感物质，损害镰刀菌（Fusarium）、腐霉（Pythium）和丝核菌（Rhizoctonia）的菌丝结构。蚯蚓粪催化芥子油苷分解以促进二次拮抗，并富集根际芽孢杆菌（Bacillus）和链霉菌（Streptomyces）种群。保护性耕作保存丛枝菌根网络并募集ISR诱导类群如荧光假单胞菌和枯草芽孢杆菌，增强酶稳态和病原体排除。针对因单作而丧失微生物多样性的土壤，用印楝、几丁质或卷心菜残体强化的定制堆肥可特异性刺激伯克霍尔德菌（Burkholderia）和链霉菌。酚氧化酶和土壤β-葡萄糖苷酶活性是有机质引起的微生物拮抗互作和病害抑制的强指标。物理和小气候调控：物理处理通过改变湿度和温度降低微生物。采用聚乙烯土壤太阳能化时，土壤温度升至45°C以上，损害尖孢镰刀菌（F. oxysporum）、核盘菌（S. sclerotiorum）和茄链格孢（A. solani）的存活和孢子形成。释放异硫氰酸酯的生物熏蒸作物进一步增强太阳能化控制土传病原体的效果。70°C以上的热干燥用于控制立枯丝核菌（R. solani）和大丽轮枝菌（V. dahliae），使土壤微生物组恢复抑制状态。滴灌减少叶面湿润期，抑制灰葡萄孢（Botrytis cinerea）和链格孢（Alternaria）等叶部病原体。TOMCAST预报灌溉应用允许在感染窗口期限制冠层湿度，减少病原体扩散。与微生物拮抗剂的协同整合：棘孢木霉（Trichoderma asperellum）和荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）与作物轮作相结合，增加根际抑制性，破坏病原体栖息地，并增加生物防治群落。堆肥添加剂增强次生代谢物如吩嗪、几丁质酶和脂肽的产生，提高定殖效率和对抗土传病原体的拮抗活性。秸秆覆盖促进枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）种群中iturin和fengycin蛋白的田间表达，减少病害发生。减少耕作增强有益根际细菌和丛枝菌根真菌（AMF），通过诱导系统抗性和竞争性排斥抑制核盘菌（Sclerotinia）和轮枝菌（Verticillium spp.）。哈茨木霉（T. harzianum）利用蚯蚓粪作为基质，增加根际有益微生物的持久性并触发茄科作物的防御系统。豆科-谷类覆盖作物通过调节微生物群落组成并促进伯克霍尔德菌和链霉菌，减少多种病害。干旱胁迫下，绿针假单胞菌（Pseudomonas chlororaphis）的抗菌活性保持有效。农业生态适应性和社会经济障碍：限制农业生态害虫管理规模化的重要因素是社会经济和地理因素，尤其在贫困环境中。在东南亚、撒哈拉以南非洲和沙漠等农业生态多样区域，IPM效率取决于土壤肥力、气候和水资源可用性。小农户面临的关键障碍包括资源有限、采用农业生态投入品和技术的高成本，以及资金、技术知识和市场准入受限。政府和开发机构在提供必要基础设施、财政激励或能力建设方面不足，尤其是在农村地区，政策支持和制度框架薄弱。气候变化进一步加剧这些社会经济约束，害虫爆发增加产量和收益的不确定性。为应对这些障碍，需将气候智慧型IPM解决方案如耐旱品种、有机改良剂和生物防治剂整合到农业系统中。基于社区的参与式方法可增强知识传播和IPM技术的本地适应，小额信贷或合作社计划可作为弥补资金缺口的有效手段。在农民犹豫不决阻碍IPM采用的地区，同行教育和农民对农民网络在培养信任和采用新技术的意愿方面已证明有效。小额信贷和补贴可减轻财政负担，帮助小农户向更可持续的实践过渡。通过使用视觉辅助工具、图解指南和视频培训可提高对IPM策略的理解和应用，克服低文化水平挑战。

3.3 监测、预测和决策
IPM依赖有效的害虫监测和预测以实现及时、针对性的行动，减少经济损失和环境影响。视觉巡视和性信息素陷阱仍是追踪关键害虫的重要工具，提供实时信息指导害虫管理决策。地理信息系统（GIS）和配备多光谱传感器的无人机（UAV）在精准农业中的整合日益增多，可远程评估害虫引起的植物胁迫，改善大规模系统的空间监测。对于土传害虫和入侵物种如松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus），宏基因组学和qPCR水平的分子诊断越来越多地用于在遗传层面评估害虫种群，提供对害虫抗性和动态的见解。经济损害水平（EIL）和行动阈值（AT）是害虫决策的核心指标，指导害虫控制决策以实现最优经济和生态结果。这些阈值是动态的，考虑环境因素、害虫毒力和作物价值。结合遥感和实时监测系统提高了EIL和AT估计的精度，实现更精确及时的害虫评估，减少不必要的农药施用和成本。人工智能（AI）、地理信息系统（GIS）和物联网（IoT）平台通过整合气候、物候和昆虫学数据进行预测建模，进一步改进这些阈值。这些技术实现害虫压力的微尺度监测和特定地点的害虫控制计划制定，最小化预防性农药使用，符合农业生态学原理。作物改良的决策支持系统（DSS）整合数据采集、基于模型的模拟和专家知识，促进明智决策以增强作物生长、管理病害和优化环境因素。在澳大利亚，AI驱动的害虫监测系统与IoT传感器和卫星图像集成用于棉花种植，通过AI算法分析实时环境数据预测害虫爆发，使农药使用减少40%，作物产量提高30%。在巴西，AI和机器学习（ML）用于甘蔗田害虫管理，无人机搭载高分辨率相机捕捉害虫活动数据，AI模型处理并提供实时、特定地点的害虫管理建议，使农药使用减少50%，害虫控制精度提高35%。先进的DSS利用机器学习（ML）和基于传感器的诊断，使用高分辨率环境数据预测多种作物的害虫爆发。结合AI与UAV成像和作物健康数据的集成系统，正在提高IPM的精度、可持续性和财务回报。由于气候变化对害虫物候的影响更大，实时天气分析必须纳入预测模型以保持准确性。数字技术、生态阈值和气候信息建模的结合标志着向数据驱动、适应性害虫控制的范式转变，兼具可扩展性和稳健性。

4 害虫管理实践的演变
4.1 传统和早期害虫控制方法
害虫管理实践起源于数千年前，从原始手工去除演变为使用天然和化学物质。约一万年前，随着农业、永久定居和粮食储存的引入，有目的的害虫管理开始。苏美尔人在公元前2500年之前使用含硫物质管理害虫。中国人在公元前1200年已发明植物基农药用于熏蒸和种子处理，并使用砷化合物、木灰、白垩和汞防治储存产品和室内环境中的害虫。到公元300年，中国柑橘种植者使用织叶蚁（Oecophylla smaragdina）控制毛虫和甲虫，这是最早的生物控制记录。在农业安全技术和病虫害生物学理解发展之前，焚烧被感染植物以消灭害虫，并燃烧附近树木枝条制作灰烬肥料，是欧洲、非洲等地区常见的文化和物理作物保护实践。欧洲农民在1660年发现小麦秆锈病与小檗的相关性，导致法国和北美实施小檗根除法。19世纪认识到抗病植物存在，但通过选择性育种有意开发抗病品种直到1900年孟德尔遗传原理被重新发现后才加速。20世纪初使用农药和寄主抗性防治植物病害的成功使植物病理学家偏离了文化控制。Whetzel首先将病害控制分为排除、根除、保护和免疫四类，这些概念导致了包括清洁种子、检疫和清洁在内的有效病害控制方法。早期人们使用文化、机械、物理和生物方法控制农业害虫，这些方法虽缺乏系统检验，但为更有序的害虫控制策略奠定了基础。

4.2 向化学控制的转变
尽管传统技术有益，但农业规模扩大和传统实践的局限性要求向化学处理过渡。合成杀虫剂成为对抗农业害虫的有力工具。17世纪砷和蜂蜜混合物用于蚂蚁控制；19世纪末美国农民开始使用硫、砷酸钙和硫酸烟碱。1867年使用含砷铜形式（巴黎绿）控制科罗拉多甲虫爆发。19和20世纪工业化和机械化以及除虫菊和鱼藤等植物性杀虫剂的发展导致化学害虫管理的广泛使用。化学农药的发展如二氯二苯三氯乙烷（DDT）标志着20世纪的重大进步。该时期以发现迪厄耳丁（Dieldrin）、β-六六六（BHC）、DDT、艾氏剂（Aldrin）、2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）、异狄氏剂（Endrin）和氯丹（Chlordane）等强效化合物为特征。1939年保罗·米勒发现DDT的驱虫特性，开启了农药时代。随后公共和私营部门迅速采纳化学害虫控制，常以牺牲传统方法为代价。1950-1955年间引入草甘膦（glyphosate）和克菌丹（captan）等杀菌剂以及有机磷杀虫剂马拉硫磷（malathion），随后1955-1960年发现三嗪类农药。DDT在二战后期被广泛采用作为解决昆虫问题的万能药。这一从1940年代末到1960年代的时期通常被称为害虫管理的“黑暗时代”，因过度依赖化学品而忽视生态影响。1962年蕾切尔·卡逊在《寂静的春天》中描述了DDT等农药如何危害环境并杀死非靶标物种，开启了关于农药安全和监管的全球讨论。DDT于1972年在美国被禁用。到2001年，179个国家签署斯德哥尔摩公约以消除持久性有机污染物（POPs），如DDT等抗降解并在生态系统中积累的化学品。2013年，欧盟因环境担忧对新烟碱类农药实施限制。化学控制仍是最依赖的害虫控制方式，但传统和生物控制方法正日益流行。化学品最初减少了问题害虫，却引发了可持续性、健康危害和抗性等难以察觉的问题。

4.3 IPM的出现
《寂静的春天》的出版标志着对化学害虫控制的重新思考转折点。尽管农药使用被意外中断，一种新的生态方法——IPM于1960年代末出现。IPM包括生物控制以及文化、机械和有限化学控制，采用基于生态系统的方法将害虫种群维持在经济学上不可接受的水平以下，并将健康和环境风险降至最低。假单胞菌（Pseudomonas）、芽孢杆菌（Bacillus）和木霉（Trichoderma）等拮抗微生物以及苏云金芽孢杆菌（Bt）等商业生物制剂抑制主要病原体和鳞翅目害虫，同时减少化学依赖。Stern等人基于生态平衡进一步发展了综合控制概念。“害虫控制”术语大致被“害虫管理”取代，由Geier和Clark于1961年提出。在美国，IPM领域的发展分为三个不同时期。第一个主要项目是Huffaker项目（1972-1978），由美国农业部（USDA）、国家科学基金会（NSF）和环保署（EPA）联合资助，在160万公顷土地上针对苜蓿、柑橘、棉花、松树等关键作物实施IPM。1993年克林顿政府建立了国家IPM项目，由USDA合作州研究服务处和国家IPM协调委员会管理，目标到2000年将IPM使用扩展到美国75%的农业用地。第三阶段始于2000年，建立了四个USDA区域IPM中心（中北部、东北部、南部和西部）。2003年成立联邦IPM协调委员会，确定集中于经济可行性、公共卫生和环境责任的国家优先事项。印度的IPM举措始于水稻和棉花作物系统的操作研究项目，随后是多个大型项目，如1993年FAO跨国家项目、CABI区域棉花IPM项目、FAO-EU项目、2000年国家农业技术项目以及2002年基于IRM的棉花IPM项目。中国IPM模型演变经历了三个不同世代，每代以实施理念的变化为特征：第一代（1981-1985）以害虫为中心的IPM，主要集中于目标害虫；第二代（1986-1995）以植物为中心的IPM，优先考虑作物环境的全面评估；第三代生态系统为中心的IPM，将生态概念更广泛地整合到害虫管理系统中。孟加拉国于1981年启动IPM举措，以FAO跨国家项目的首阶段为开端。IPM对持续农业韧性至关重要，融合了传统知识与现代进步，提供经济和生态可持续的害虫控制方法。尽管在某些发展中国家采用率低，IPM仍是实现可持续粮食安全最有希望的方法。IPM代表了从反应性害虫控制向主动、基于知识的生态系统管理的重大转变。

5 化学害虫控制的不利影响和挑战
为避免害虫侵扰和作物损失，农民常使用化学农药作为缓解害虫压力的紧急措施。然而，合成农药的使用及其反复滥用带来若干障碍，包括促进害虫抗性和健康影响。广泛使用化学农药导致多种不利影响，包括环境退化、非靶标生物破坏、农药残留污染农产品和动物饲料、害虫抗性发展、植物遗传多样性丧失以及生物多样性影响。这些相互关联的后果凸显了农药滥用对生物和社会系统的多维影响。农药中毒对农业社区构成重大威胁。据世界卫生组织（WHO），农药中毒每年导致约300万中毒案例和25万人死亡。尽管发达国家有监管限制，许多危险化学品仍在发展中国家或欠发达国家广泛使用。此外，依赖常规农药带来广泛缺点，包括高制造和采购成本、害虫抗性、土壤污染、健康风险、环境退化、产品拒收和受污染农产品处置导致的经济损失、化学漂移、未使用农药和常规容器的处置以及过期或不需要物品的处置。农药抗性是作物保护中的关键挑战。抗性通过自然选择出现，具有抗性性状的个体在农药暴露中存活并将这些性状传递给后代。这种现象在杀虫剂、除草剂和杀菌剂中普遍存在，使综合害虫和疾病管理策略复杂化。尽管现代农药设计为高度选择性以最小化非靶标效应，这种选择常促进靶标害虫物种的快速进化适应。许多土壤真菌，包括共生和拮抗物种，受到杀菌剂不当使用的伤害，导致某些植物病原体抗性发展。例如，DDT曾是疟疾控制的基石，但由于抗性蚊虫种群的出现而基本无效，该问题最初在1960年代被认识，后来与农业过度使用相关。IPM通过结合化学、生物和文化控制措施延缓抗性发展提供可持续解决方案。减少农药施用频率允许非抗性种群恢复并抑制抗性菌株，在重新引入时恢复农药功效。农药通过吸入、摄入受污染食物或水以及皮肤接触进入人体。大量报告记录了残留农药在各种环境介质中的存在及其对非目标生物如鸟类、鱼类、蜜蜂、两栖动物和小型哺乳动物的致命影响。20世纪中期合成化合物的出现标志转折点，其盈利能力掩盖了长期生态持久性和生物累积潜力，导致局地和全球污染。作物上施用DDT通常导致该化合物污染水体，迅速转化为DDE并进入水生食物链，最终返回人体。毒杀芬（toxaphene）、六六六（HCH）和氯丹（chlordane）等化合物在美国南部广泛使用，挥发后通过大气输运，在较低温度下冷凝，最终沉积到加拿大五大湖。第一代有机氯（OC）农药在环境中持久存在，留在沉积物和土壤中，并在非人类物种中生物累积，导致显著种群水平影响。硫丹（endosulfan）残留普遍存在于环境中，目前被指定为“普遍污染物”。不同类别化学品的残留如DDTs、HCHs、林丹（lindane）、艾氏剂（aldrin）、毒杀芬和硫丹已在菲律宾马尼拉湾、越南湄公河三角洲和墨西哥西北沿海泻湖的沉积物中发现。进入海洋和海洋环境的农药残留对大生态系统如珊瑚礁构成威胁。农药毒性程度取决于暴露持续时间、浓度和化学特性。毒性可急性或慢性发生。急性毒性快速表现为恶心、头晕、皮疹、神经功能障碍甚至死亡，而慢性暴露导致长期病理如内分泌干扰、生殖障碍和癌症。1998年至2006年间，报告了近3000例农药漂移相关健康事件，农业工人和附近居民最易受影响。全球每年估计发生300万急性中毒案例。越来越多的研究将农药暴露与多种癌症联系起来，包括白血病、淋巴瘤、肉瘤以及肺、膀胱、结肠和生殖器官癌症，尤其长期或职业暴露人群。神经毒性化合物如百草枯（paraquat）、鱼藤酮（rotenone）和代森锰锌（maneb）通过产生活性氧（ROS）触发氧化应激，导致线粒体损伤和帕金森病等疾病。经济上，农药过度使用带来巨大隐性成本。Pimentel等人估计美国农药使用的年间接成本为80-96亿美元，包括抗性管理、天然传粉者和捕食者的损失、地下水污染以及对牲畜、野生动物和人类健康的不利影响。随着害虫进化抗性，需要增加农药数量或更昂贵的配方，进一步提高投入成本和环境负荷。严重情况下，当抗性害虫逃避控制或过量农药损害作物本身时，作物产量下降。化学农药在全球粮食生产中发挥了关键作用，但其不可持续的依赖已引发抗性、生态失衡、健康危机和经济负担的连锁反应。迫切需要向整合的、生态的和生物基础的害虫管理策略转变，以保障农业生态系统和公共卫生。

6 成功IPM实施的案例研究
本节介绍一系列说明IPM策略在不同农业生态系统中成功应用的案例研究。这些案例研究展示了区域特定的IPM方法如何有效减少化学农药依赖、提高作物产量和促进生态可持续性。后续小节探讨区域成功案例、关键经验教训以及IPM对农业生产力和环境韧性的更广泛影响。

6.1 区域IPM成功案例
针对区域农业生态系统的IPM方法通常通过减少化学依赖、提高作物产量和促进生态平衡产生显著效果。在东南亚，生态工程技术如田埂植被和同步种植增加了自然天敌种群，并将杀虫剂使用减少超过80%。在东非，利用Desmodium和Brachiaria的推拉系统抑制了独脚金（Striga）和茎螟虫，使玉米产量增加2-3倍，并改善土壤肥力。在欧洲葡萄园，结合交配干扰和基于物候的决策工具，将农药使用减少60-70%，同时保持作物品质。在撒哈拉以南非洲，成功IPM项目使用推拉技术整合Desmodium和Brachiaria草控制害虫并提高产量，在肯尼亚、乌干达和坦桑尼亚使玉米生产力提高多达3倍，同时减少农药依赖。在尼日利亚和加纳的木薯生产中，使用生物防治剂如Xanthopimpla stemmator（一种寄生蜂）控制木薯粉蚧，显著减少农药使用并提高产量。在厄瓜多尔，香蕉IPM系统整合了生物防治剂如苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）和木霉（Trichoderma spp.）以管理关键害虫。在哥伦比亚，球孢白僵菌（Beauveria bassiana）和印楝生物防治使园艺产量提高超过40%。印度通过生物密集型IPM技术如诱集作物、间作和印楝包膜尿素，减少害虫发生率并增加土壤微生物活性。在中美洲，结合木霉和遮荫树的咖啡农林复合系统使咖啡叶锈病菌（Hemileia vastatrix）感染率降低45%。中东保护地作物通过释放丽蚜小蜂（Encarsia formosa）获得60-70%的害虫抑制。美国北方平原的向日葵基于物候的IPM通过及时处理关键害虫保持30%的产量。中国通过棉花轮作与芽孢杆菌生物农药结合，使农药消耗减少50%同时提高产量稳定性。澳大利亚基于监测和轮作的谷物IPM技术减少了化学投入依赖，同时提高生态可持续性和经济效率。越南整合水管理与基于无人机的监测和AI预测模型，使农药使用减少40%并提高害虫控制效率。印度将赤眼蜂（Trichogramma spp.）与AI预测结合，使棉花种植中农药使用减少80%，改善害虫控制并最小化环境影响。墨西哥使用同伴种植和轮作结合无人机监测和传感器技术，使玉米产量提高15%并显著减少农药使用。

6.2 经验教训和最佳实践
IPM在小农户和商业系统中的实施依赖于解决重大障碍并利用高效知识转移方法。小农户系统面临资金有限、教育机会受限和对传统害虫控制方法的依赖。参与式教育举措特别是农民田间学校（FFS）在提高认识和鼓励使用可持续害虫管理技术方面获得成功。商业系统中，经济激励和可持续性目标常驱动IPM使用，但仍存在挑战包括与当前农业方法的整合和高初始成本。自上而下的方法在促进采用方面效果不如知识转移机制如同行网络和本地推广服务。此外，根据农民的社会经济和环境背景定制IPM干预措施至关重要。商业系统需要先进的DSS进行有效害虫监测和管理，而小农户受益于实践性参与式方法如FFS。实施性别敏感培训以确保通常负责家庭害虫控制的女性参与采用过程至关重要。尽管IPM已证明其有效性，但小农户资源有限和知识不足阻碍了采用。同时，商业农场面临整合复杂性和短期经济权衡的困难。在多个地区，有效的政策框架对于促进IPM采用至关重要。中国和拉丁美洲等地的政府支持补贴和激励计划鼓励使用生物防治剂，显著减少农药依赖并改善农业可持续性。这些财政激励与技术培训计划成功解决了政策相关障碍，使农民能够过渡到生态害虫控制方法。

6.3 对产量、质量和生计的影响
实施IPM通过减少投入成本和提高农场盈利能力来改善农业生产率、质量和农村生计。在稻米和蔬菜等系统中，IPM带来了更稳定的产量和更低的农药成本，直接提高了小农户的收入。此外，通过减少农药残留，IPM改善了产品质量，使农民能够进入更安全的无农药产品的高价值市场。与十年前实施的IPM项目相比，近期由生态工程、生物防治和精准技术增强的综合方法在多个地区实现了约40-70%的农药使用减少和10-35%的产量增长，反映了可持续性和食品安全方面的可量化技术进展。IPM通过使小农户更适应害虫爆发和市场波动，提供了更大的财务稳定性。长期农业韧性和社会经济稳定与IPM融入更广泛的可持续性框架如联合国可持续发展目标（SDGs）相一致。例如，IPM通过提高粮食安全助力实现SDG 2（零饥饿），并通过减少外部投入成本促进当地知识助力实现SDG 12（负责任消费和生产）。因此，IPM提高了农业产出，同时有助于实现总体可持续性目标。IPM通过减少农药暴露对公共卫生的成本以及创造害虫管理和培训服务领域的就业，促进了农村发展。性别敏感IPM策略特别是针对女性农民的做法，带来了性别平等和改善家庭福祉的益处。

7 IPM的经济影响
IPM是使用旨在与合成农药协同、最小化或减少合成农药使用的组合控制方法。它通过消除使用有毒昂贵化学品杀灭害虫的需要，保护作物的同时节省资金并使农业更盈利和更具竞争力。IPM可采取从最低到集约化的多种形式。由于它是一个动态进化过程，所有策略很少同时应用，使其组成部分之间的协同作用导致部分或增量采用的可盈利性分析具有挑战性。IPM对成本的影响不仅取决于农药使用减少，还取决于替代品的价格。生物防治的成本效益比远高于化学控制。农药确实带来益处，但对环境和人类的次级成本具有抵消效应。Pimentel报告2005年美国农药使用的间接成本总计约96亿美元。经通货膨胀调整后，该估计值在2024年相当于约154亿美元。目标在于建立一种监管体系，能准确平衡生物农药与合成农药之间通常不明确的成本和效益。IPM涉及整体害虫管理决策过程，使农民基于农业生态系统的健康和韧性做出决策。这一实践侧重非化学实践和基于经济阈值与害虫监测的靶向农药使用，旨在将害虫或病原体维持在非经济损害水平，并通过减少环境污染、保护天敌和野生动物以及促进生态系统能力使作物保护更可持续。通过强调非化学害虫控制技术和选择性农药施用，IPM通过减少对非靶标物种的直接和间接影响有助于保护生物多样性。为加强IPM的经济分析，有必要通过结构化分析框架将微观农场经济学与宏观政策结果联系起来。在农场层面，部分预算分析通过比较采用IPM实践时的增加和减少成本与相应回报，提供估计增量盈利能力的稳健工具。这允许量化农药支出、劳动力和低残留作物潜在市场溢价的变化。在中观层面，荟萃分析方法可汇总跨作物和地区的成本效益证据，产生合并成本比率和产量影响估计，增强通用性。最后，这些微观和中观结果可放大到宏观层面，为农业政策、补贴和生态系统服务估值提供信息。IPM为生产者提供即时和长期优势，但这些优势不易显现或衡量，可能导致认为IPM主要旨在减轻农业对外部利益相关者的环境影响而非改善农民生计。

8 IPM的未来方向和创新
IPM不是独立策略，而是可持续农业系统的一部分，旨在实现自然资源更高效利用、改善生态系统服务和韧性农业生态系统。有必要增强对害虫-作物互作分子基础以及可能构成害虫适应和抗性基础进化因素的理解。此外，需要提供允许负责任开发和使用害虫控制相关技术的监管框架，包括产生用于环境释放的生物农药、转基因微生物和植物。鉴于基因组学和生物技术的快速进展，更新现有监管框架十分紧迫。这些工具可能有助于提供对驱动害虫行为、生理和生态机制和途径的额外理解维度。随着植物遗传学、肥料和农药的改进，农业研究已从整体科学转向日益还原论的科学，害虫通过预防性日历喷雾或治疗性处理来避免。常规和最新植物育种技术，包括CRISPR-Cas和RNAi，将有助于为IPM项目开发成功品系。例如，精准农业技术如GPS、遥感、IoT传感器与生物技术工具包括微生物接种剂和转基因作物整合。具有抗虫或抗除草剂性状的转基因作物可通过遥感检测来估计作物健康并早期发现害虫或杂草侵扰。通过先进育种技术如CRISPR-Cas9实现了对病虫害易感性的降低。该技术实现精确高效的遗传修饰，加速了具有增强性状如抗病性、耐旱性、环境胁迫韧性和改善营养品质的作物开发。最新研究表明，AI驱动的精准喷洒可在保持或改善产量稳定性的同时将农药使用减少25-40%，并提高农场层面的成本效益比。为获得政府和公众更多支持，生物控制研究人员和实践者必须与害虫管理中的所有利益相关者合作，使他们参与并认识农业的巨大经济、环境和社会效益。生物农药现通过执行器无人机精确直接施用到田地特定位置。使用无人机施用生物农药通过最小化农药漂移提供了显著优势。常规方法因漂移可能不利影响有益昆虫、野生动物和生态系统，而无人机促进更精确施用，从而减少所需生物农药数量并减轻对非靶标生物的伤害。AI和精准技术与传统害虫监测的整合具有巨大潜力。然而，仍存在重要研究空白，特别是在RNAi喷雾的长期验证以及将AI与小农户本地监测整合方面。需要多方面策略填补这些空白，包括为小农户实施低成本精准农业工具、开发与常规害虫监测兼容的AI驱动决策支持系统，以及建立多季节、多地点的RNAi田间试验。这些整合框架可通过提高可扩展性、效率和公平性来改善IPM实施。通过实时监测和更好的决策，未来无人机技术的发展如更大载荷能力、更长飞行时间以及与AI和数据分析结合的改进自动化，应大大提高无人机辅助害虫管理的有效性。AI和数字技术的整合除了带来IPM预期进步外，还引发重要的伦理和公平问题。小农户可能因数据隐私和技术进步的不平等获取而难以有效使用这些工具。确保负责任和包容性的IPM需要加强数据保护框架、增强农村数字基础设施并促进智能技术的公平获取。此外，AI集成到无人机系统（UAS）中，通过使深度学习模型如卷积神经网络（CNN）分析病变和斑点模式来分类植物图像并识别致病病原体，推进了IPM中的精准诊断。无人机系统与AI的整合有望通过提高操作精度和最小化生态干扰，显著影响可持续害虫控制的轨迹。

9 结论
IPM已被证明是可持续农业应对害虫抗性、粮食安全和气候变化挑战的核心组成部分。本文回顾了全球农业病虫害综合管理的历史、策略和新兴方法。进一步强调了IPM作为维持粮食生产与环境可持续性之间平衡的关键策略的重要性。IPM策略通过整合生态工程和生物管理并得到DSS支持而发展起来。基因组抗性进一步使农民能够显著减少化学施用、优化作物品种以对抗害虫攻击并促进生物多样性。然而，社会、经济和制度限制阻碍了IPM实践广泛采用，尤其在发展中国家。贫困、小农户地位以及技术、信贷和农业教育获取受限仍是充分挖掘IPM潜力所需解决的重要限制。数字技术的整合如基于AI的害虫预测和精准农业工具为推进IPM提供了巨大潜力。这些技术提供实时、基于信息的选择，增强了害虫管理的效率和环境绩效。需要进一步研究通过创新政策方法、加强多利益相关者合作和有针对性的教育努力来克服这些挑战。为实现更广泛的农业可持续性，实施性别响应型IPM实践至关重要，特别是在农村社区。此外，迫切需要扩大整合害虫管理的气候智慧型农业实践，以促进对未来生态和生计挑战的适应。IPM的未来取决于传统知识与现代技术的和谐融合。实现这一点需要开发能够迅速响应不断变化的全球粮食挑战的灵活农业系统。IPM的有效性不仅取决于技术进步，还取决于涉及所有利益相关者的整体视角。从农民到立法者，每个人都在塑造一个既有盈利又可持续的农业未来中发挥着重要作用。