人类的粮食安全竟然被一群昆虫拿捏住了

人类的粮食安全竟然被一群昆虫拿捏住了

食通社说

今年夏天,长江流域罕见的炎热天气让人们感觉“蚊子变少了”。极端高温不仅会让人体中暑,也会影响昆虫的活动。

昆虫活动的变化又会对农业造成怎样的影响?

在食通社联合自然之友主办的《地球不在乎》读书会中,我们已经讨论过气候变化下的农业虫害。9月7日,我们又邀请云南思力生态替代技术中心的王金秀,为我们讲解气候变化对传粉昆虫的影响。

传粉昆虫和植物的亲密关系让我们看到,只有保护好农业所处的生态系统,才能在气候风险面前拥有更强的韧性。

一、什么是传粉昆虫?

我们把凡是习惯于花上活动,并能帮助植物传授花粉的昆虫都统称为传粉昆虫。传粉昆虫遍布世界各地,大约有三十五万种,我们生活中有植被的地方几乎都可以看到它的身影。常见的传粉昆虫主要有五类:蜂、蝴蝶、甲虫、蝇、蛾

昆虫可以为世界上80%以上的植物授粉,确保了数十万种植物的生存繁衍。昆虫为植物授粉,帮助植物结出果实和种子,我们的餐桌上才会有粮、有菜、有水果。我们每吃的三口食物中就有一口依赖于传粉昆虫。

昆虫传粉效率高,通过它们传粉的植物结出来的果实品质也会更好,对农业生产提质增效有很大的功劳。有研究表明,昆虫传粉使全球作物产量增加了75%。

这是因为通过昆虫传粉,不仅可以使植物得到充分选择授精的机会,提高杂交优势,还可以在植物生殖活性最强的时期授粉,增强植物的生命力和再生机能,有助于改良种质,辅助品种复壮。

●授粉不良的西瓜。对于一些反季节种植的作物来说,开花期温度不适宜,缺少粉媒等都会严重影响授粉质量,以至于必须使用植物激素等手段“假授粉”。

而且与风媒传粉相比,昆虫传粉更经济有效。因此,现代经济作物生产越来越依赖人类易于管理的授粉昆虫。

目前,全球农业对生物传粉的需求逐年稳定增长。自上世纪60年代以来,全球依靠昆虫传粉的作物种植面积扩大了3倍。此外,传粉昆虫能为人类提供多种多样的农副产品,如蜂蜜、蜂胶、蜂蜡、蜂王浆等。

二、气候变化如何影响传粉昆虫?

说到“生物多样性”,公众关注多是大型动物,却容易忽略昆虫这类体型小,平日司空见惯的动物。“动物千千万,昆虫占一半”,科学家估计现存的昆虫约有1000万种,占到了已知动物门类的一半以上。

但自人类观测以来,传粉昆虫的多样性和种群数量都在急剧下降。有数据表明,世界上有16.5%的传粉昆虫受到威胁,与1800年末期相比,已有50%的蜜蜂群灭绝,并导致了407对物种间相互作用的缺失,传粉功能退化。这将最终导致食物减产,供应不足,生态安全和粮食安全受到威胁。

●2021年的一期PNAS杂志,题为“人类世中昆虫的全球性衰退”。图中列举了昆虫的主要威胁,其中不仅包括污染、城市化、集约化农业和农药等人类的直接影响,也包括暖化、风暴、干旱、火灾等气候变化因素。图源:PNAS

而气候变化也是威胁传粉昆虫生存的重要原因。昆虫体型比较小,生活在一个很小的范围内,所以对环境变化特别敏感,即便环境的微小变化它也能很快察觉到。温度、湿度的改变、大风强降雨等极端天气都会影响昆虫的生存状态。

昆虫是变温动物,它的体温会随着外界变化。它们就像蛇一样,早上需要晒晒太阳,体温升高了才出来活动。昆虫的活动也需要适宜的温度。一般昆虫最适的温度是25-30℃,低于10℃活动减少,高于35℃会休眠甚至死亡。

温度也是决定昆虫生长发育速率最重要的因子,外界温度的升高能加快昆虫各虫态的生长发育,影响昆虫的体型和寿命等。外界温度高时,它们从食物中得来的能量可以更多的用于生长发育,少数用于维持体温和生理机能。温度低时,它们会通过减少活动,停止生长发育等来维持生命。

高温条件下,昆虫为了散热,体型逐渐缩小,因为身体尺寸越小,表面蒙皮的散热面积相对于体积越大,越有利于散热。加拿大研究人员发现,随着甲虫物种的天然栖息地变暖,其体型在45年间缩小了20%。

高温还会影响到昆虫的行为活动。温度太高时,传粉昆虫为了避免长时间活动导致体温过高,就会通过避开高温路线或者缩短活动路线来维持体温。这就导致它们的传粉范围缩小、传粉行为减少。

除温度外,其他环境因素的变化也会影响传粉昆虫。当外界环境湿度过高或过低时,会打破昆虫体内的水平衡,继而影响到它的个体发育和耐寒性。因气候变化而频发的降雨、大风等极端天气,不仅会直接限制昆虫活动,其物理冲刷作用也会直接致死昆虫。

物候期改变

昆虫的物候是指昆虫的生长、发育、活动规律对节候季节和气候的反应。而气候变化会导致昆虫活动的时间改变,相比以前提前或延后。时间上的变化会对它们改变所处的生存环境,而昆虫不一定能够适应这样的改变。

●因为气候变化,在过去的130年中,北美东北部早春出现的10种蜂类的物候期平均提前了约10天。而美国西南部干旱地区的壁蜂物候期延迟,适应能力下降,面临局部灭绝的危险。

分布区域改变

气候变化也会改变昆虫的空间分布范围,导致它们的栖息地改变、破碎化,甚至丧失,这可能威胁到它们的长期生存机会。

有一些本来分布范围较小的物种,只在某些区域生存。当这里的环境因为气候变化不再适合它们生存,周围也没有别的地方可以转移,它就会面临灭绝的危险。

●研究报道称,1967-2004年,随着全球气候变暖,西班牙中部16种蝶类的海拔分布范围在30年内平均上升了212 米,生境面积平均减少了1/3,种群数量大幅下降。图源:britannica.com

三、气候变化影响下的传粉网络

昆虫为植物传粉,植物为了吸引昆虫来传粉,会提供一些花蜜、花粉作为报酬,二者互利互惠、合作共赢、协同进化。这种关系甚至从1.4亿年前的白垩纪时期就建立起来了。这种昆虫和植物的关系就是我们所说的“传粉网络”的一部分。

但是气候变化可能改变二者长期以来稳定的关系。昆虫和植物中的任何一方发生变化,都会导致传粉关系发生错配或者丢失。具体有下面4种情况:

时间上的错配

植物和昆虫的活动因受其生物钟控制,对气候变化的敏感程度各不相同。这就导致昆虫活动时间与植物开花时间不同步,比如昆虫出现的时候花还没有开,或者是花开了昆虫还没有出现。最后的结果就是,传粉活动减少,植物结果也变少了。

●对日本长野县的李属植物和菜粉蝶的研究发现,受到气温变化影响,在过去的几十年里,植物开花时间提前,而菜粉蝶出现时间推迟,导致这些植物授粉困难。图源:UC,Davis

空间上的错配

气候变化使植物和昆虫的生存环境发生改变,为了生存,它们会通过转移到更适宜的生境中来应对,但二者间的迁移方式不一样。

植物一般是定植在一个区域内,需要通过种子被风、水、动物等带走,一代一代地繁殖,才能移到别的地方去。而昆虫的活动性更强,它在个体的生命周期内就可以较快地迁移。

这就导致二者的迁移速度不一致。比如,最开始植物和昆虫都生活在A地,当昆虫为了适应环境变化已经迁移到B地时,但植物还停留在A地。当二者生存的地方不一样时,就没有传粉发生。

另外,植物和昆虫对环境的响应也不一样。虽然昆虫和植物都适应A地的环境,但在气候变化后,却可能出现昆虫更喜欢B地,植物更喜欢C地的情况。这也可能导致它们迁移去了不同的地方。

●空间错配的示意图。
●对兰科植物及其传粉昆虫的研究发现,如果考虑传粉昆虫的分布,两种兰花的潜在适宜面积将分别减少约52%和73%。在未来气候变化下,兰花的一些种群可能会缺乏传粉昆虫。左图为其中一种兰花的分布,右图为兰花和其传粉昆虫的共同出现的分布。图源:Nature

功能性状不匹配

气候变化使植物和昆虫的生存环境发生改变,为适应环境变化,一些可塑性强的昆虫和植物可能会快速演化,导致功能、性状等发生改变。但由于二者对环境变化的响应机制各不相同,导致传粉昆虫与植物功能性状的改变不同步、不匹配等。

●研究发现,40年来,两种高山熊蜂的喙长变短,而与其传粉相关的花管长度并没有明显变化。这种改变极有可能会导致二者传粉关系的瓦解。图源:Webster University

限制传粉

由于气候变化和人类的干扰,传粉昆虫的数量和多样性降低,传粉量不足,进而导致植被的结实率降低,无法维持植物的繁殖和作物的产量。

●气候变化对于传粉关系的复杂影响。图源:施雨含等,2021

四、关注气候变化,保护传粉昆虫

气候变化对传粉昆虫的影响目前仍处于一个不断研究和认识的过程,也需要我们持续关注和加深研究。而且,不单单是传粉昆虫,大多数的生物都受到气候变化的影响。只有尽可能地保存下来这些生物资源,我们才有更多机会去应对气候变化。

那么我们要如何保护传粉昆虫呢?

作为农业生产者,你可以通过改变传统的大面积单一化种植模式,改用多样化种植,或采用套种、间作、轮作等模式,增加周边植物多样性,改善传粉生境;

也可以减少杀虫剂的使用,改用对于传粉昆虫更友好的生态防治方式;

还可以构建昆虫野花带、禾草带、甲虫堤等,以及来增加不同种类的开花植物的多样性及花量等。

作为普通人,你也可以积极向身边的人分享传粉昆虫的知识,以身体力行践行环境友好的生活方式。

希望大家跟我们一起来保护传粉昆虫,守护我们充满生机的家园。

●云南呈贡的特产宝珠梨,思力中心曾围绕它的传粉机制展开了一系列研究。除了包括科学研究,他们还在昆明周边通过多种不同方式开展传粉昆虫的保护工作包括联合农户建立昆虫生境花园、举办面向公众的工作坊等。

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食通社作者 | 王金秀

硕士毕业于云南农业大学农业昆虫与害虫防治专业,现于云南思力生态替代技术中心,担任农业生物多样性保护与倡导项目研究人员,主要负责传粉昆虫的相关科研科普工作。

如无标注,图片均由作者提供

编辑:王昊

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