原标题:几千吨的昆虫大迁移,可不只是壮观那么简单

昆虫:被低估的全球“移民”潮

作者 | 陈华燕

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来源 | 我是科学家iScientist

①丫形银纹夜蛾是英国及欧洲其他地区夜间迁飞昆虫的代表。

昆虫中最著名的迁徙莫过于黑脉金斑蝶(Danaus
plexippus)超过4000公里的“生命接力”
了。黑脉金斑蝶又叫帝王蝶,是一种生活在北美大陆的蛱蝶科蝴蝶,这些生命周期只有十几天到几十天的蝴蝶需要三代到四代来完成一次完整的迁徙。每年千百万只帝王蝶在北美大陆从南飞到北,又从北飞到南,可谓大自然的一大奇观。

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②研究完成者在英国洛桑试验站昆虫垂直雷达前合影(胡高左1,查普曼左3,林贾燊右1)。洛桑试验站供图

黑脉金斑蝶(Danaus plexippus)。图片:陈华燕。

该研究通过昆虫垂直监测雷达数据分析后发现,每年约3.5万亿昆虫“移民”飞过英国南部,其生物量约3200吨。而每年约3000万只燕雀从英国飞往非洲去过冬,其生物量也仅是这些昆虫的八分之一。3200吨昆虫,相当于22000头驯鹿在天上飞。

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■本报记者 王方 通讯员 许天颖

壮丽的迁徙

当我们仰望天空的时候,我们会发现鸟儿在飞、蝙蝠在飞,但我们看不见那数以万亿计的昆虫也在飞。它们乘风而来,乘风而去,在我们上空来去自由。

当然,有迁徙习性的昆虫绝非仅此一家。科学家已经发现很多昆虫都有迁徙或迁飞的习性,而且昆虫迁飞的个体数量可能远远超过人们的想象。近期发表在《科学》上的一篇文章揭示,英格兰南部天空中每年的昆虫迁移量达3.5万亿次,把这些昆虫个体加起来总重量能够达到3200吨。单就质量来说,相当于在英格兰和非洲之间迁徙的3千万鸣鸟总重量的7倍还要多。

近日,我国和英国科学家利用昆虫垂直雷达首次测算了英国南部上空的昆虫,发现每年约3.5万亿昆虫“移民者”飞过英国南部,且迁飞方向存在季节性变化。《中国科学报》记者采访了该项研究的主要完成者、南京农业大学副教授胡高,了解迁飞性昆虫的故事。

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“秋天到了,树叶黄了,一群大雁往南飞,一会儿排成个‘一’字,一会儿排成个‘人’字。”这首人们耳熟能详的歌谣描述的是秋季候鸟南迁的场景。事实上,迁徙在动物中非常普遍,景象也颇为壮观,比如非洲角马大迁徙、大马哈鱼洄游等。

经历长距离的飞行后,黑脉金斑蝶成群地在树枝上休息。 图片:Steve Corey /
Wikipedia

动物迁徙,不仅让捕食者、猎物或者竞争者实现了跨区域流动,也带来了物质和能量的传送、病原体的传播,从而对整个生态系统产生深远影响。不过,人们对全球脊椎动物的迁徙了解较深,对无脊椎动物的此类运动却知之甚少。

迁徙的动物对生态系统有双重作用。一方面,动物的季节性迁徙通过汇集大量的捕食者、猎物和竞争者直接对生态系统产生影响;另一方面,大量的能量、营养物质和病原体随着迁徙动物的转移能够间接地影响生态系统。目前已有大量研究揭示了脊椎动物的迁移对生态系统过程和生态服务功能的影响。然而,尽管昆虫的迁徙从数量上远超过其它高空迁徙的动物(如鸟类),大多数昆虫跨纬度迁飞的数量还没有被定量研究过。

无数的昆虫也通过迁飞来适应资源和栖境的季节性变化,但大量昆虫的迁飞运动未被详细描述。南京农业大学昆虫生态课题组在近日发表于《科学》杂志上的论文《昆虫迁飞:大规模的季节性生物流》(Mass
seasonal bioflows of high-flying insect migrants)》中实现了突破。

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该研究通过昆虫垂直监测雷达数据分析后发现,每年约3.5万亿昆虫“移民”飞过英国南部,其生物量约3200吨。而每年约3000万只燕雀从英国飞往非洲去过冬,其生物量也仅是这些昆虫的八分之一。3200吨昆虫,相当于22000头驯鹿在天上飞。

水里的鳄鱼正等待着这一年一度的角马大餐。图片:Andy Rouse / photoshot.com

研究的主要完成者、论文第一作者和第一通讯作者、南京农业大学副教授胡高告诉《中国科学报》记者,该研究关注150米以上高空的、10毫克以上的迁飞昆虫,对英国洛桑试验站两台特制的用于研究迁飞昆虫的垂直雷达提供的2000—2009年间所有监测数据进行了分析,并利用系留气球对高空小型昆虫进行了网捕采样和分析,得出了上述结论。

为了了解昆虫的大量迁徙对生态系统过程和生态服务功能的影响,来自中国南京农业大学的胡高博士和英国洛桑试验站的科学家们对收集了10年(2000年-2009年)的监测数据展开分析。数据通过两种监测方式获得:垂直监测昆虫雷达监测和网捕监测。

研究还发现,除了小型昆虫外,这些昆虫“移民”能够通过主动寻找和利用有利的季节性气流来实现远距离迁飞,通常春季往北飞,秋季往南飞。昆虫数量的季节性变化每年都不一样,但大多数年份,春季北迁和秋季南迁的昆虫生物量基本持平。

垂直监测是通过雷达收集一定范围内飞过昆虫的相关信息。网捕监测是通过挂在离地平面200米左右的捕虫网收集春、夏和秋季飞入网中的昆虫。经过对十年的监测数据进行对比分析,科学家们发现虫子的迁移量有很大的季节变化。大量的昆虫在春季往北迁移,在秋季则往南迁移。

尽管北迁南回的数量差不多,但大规模的昆虫迁飞带来的物质和能量的传输,将影响全球生态系统的生态服务、生态过程以及生物地球化学过程。

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英国人民选择脱欧,希望能限制大批移民的涌入,但数以万亿计的昆虫“移民”仍然来去自由。这些几千吨的小生物可以日行几百公里。当春季北迁和秋季南迁时,风以每小时58公里的速度掠过,它们懂得“好风凭借力”。

马来氏网:昆虫学研究中常用的野外采集工具之一,也是长期监测昆虫种群动态和多样性的有效工具之一。图片:陈华燕。

科学家们目前还不能跟踪每个昆虫,确定它们的出发地和目的地,但不少研究证据表明大多数昆虫从欧洲南部经过英吉利海峡进入英国,并经过北海到达挪威、瑞典、芬兰等北欧国家。

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论文的共同通讯作者、来自英国埃克塞特大学的副教授杰森:查普曼认为,我们远远低估了昆虫迁飞的重要性。

脆弱的平衡

“如果我们根据英国南部观测到的昆虫数量来推算所有大陆上空的迁飞昆虫数量,那么昆虫迁飞是整个陆地生态系统中规模最大,也是最重要的动物迁徙活动。昆虫身体富含营养物质,昆虫迁飞带来了能量和物质的跨区域移动,对全球生物圈的氮磷循环产生影响。”查普曼表示。

昆虫本身富含各种营养物质,每年如此大量的迁移量,其重要性是不可估量的。被监测的昆虫中很多种类能够提供重要的生态服务并且维持生态系统的健康,如传粉作用,作物害虫的捕食和寄生作用,以及为食虫的鸟类和蝙蝠提供食物。它们的迁徙可能会影响到其它物种的种群变化甚至生态系统平衡。

上世纪70年代,英国昆虫学家开始使用移动雷达评估发展中国家的蝗虫和其他害虫的活动。“应用雷达研究昆虫迁飞已有近40多年的历史了,但以往研究仅关注了少数夜间飞行的农业害虫,没有研究关注过夜间和白天高空飞行的所有昆虫。”胡高告诉《中国科学报》记者。

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“事实上,大多数迁飞性昆虫都提供着非常重要的生态服务,维持着生态系统的稳定和健康。比如传播花粉,作为农业害虫的天敌,或者是鸟类和蝙蝠的食物。”胡高说。

许多种类的蜜蜂都承担着为植物传粉的重要任务,是生态系统中关键的一员。图片:Rushenb
/ Wikipedia

“迁飞性昆虫可以作为生态变化的指示生物。动物迁徙,尤其是昆虫迁飞,是经过上万年进化而形成的复杂行为,对气候变化非常敏感。气候变化导致许多物种数量下降甚至灭绝,然而那些适应性非常强的物种一定会快速增长,往往成为农业害虫。”论文的共同作者之一、英国洛桑试验站雷达工程师林贾燊表示。

科学,另外,昆虫的迁徙是一种非常复杂的行为,是经过上百万年演化的结果,并且对气候条件非常敏感。一方面,近年来热议的全球气候变化可能会造成很多昆虫种类迁飞现象的衰退,因为气温的升高会使一些昆虫原来的栖息范围不再适宜它们生存。

由于昆虫个体小,迁飞运动又发生在数百米、甚至二三千米的高空,远超出人类肉眼所及的范围。因此,人们对于昆虫迁飞行为以及它对生态系统的影响仍知之甚少。但特定设计的昆虫垂直雷达则为监测和研究迁飞性昆虫提供了一种无可替代的强有力的工具。

另一方面,一些具有高适应性的昆虫由于不受气候变化的影响,其分布范围不仅不会缩小,反而可能扩大。分布范围扩大意味着它们可以到达原来没有到达的地方,吃到新的农作物而变成当地的害虫;即使范围不变,由于其它害虫或天敌减少了,它们就可以吃更多的农作物而变成更厉害的害虫。

该项研究所利用的雷达数据来自英国洛桑试验站昆虫迁飞和空间生态学课题组。该课题组所研制的两台昆虫垂直监测雷达于2000年开始运行,至今已在英国境内正常运行了16年,积累了海量的监测数据。

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这两台昆虫垂直雷达不仅可以获得空中的昆虫数量和密度,还可以测量空中飞行昆虫的个体大小、体形以及飞行速度、飞行方向、飞行时的头向。基于此,科学家们计算了2000—2009年十年间所有迁飞昆虫种群的数量和生物量。

蝗虫群几乎可以将所到之处的绿色植物一扫而光,给农业带来了极大的影响。图片:Iwoelbern
/ Wikipedia

垂直雷达共记录了大中型(如丫形银纹夜蛾、小红蛱蝶)昆虫白天1320次、夜间898次的大规模迁飞运动。胡高告诉记者,这项研究结果不仅揭示了昆虫迁飞的宏伟场景,也展现了昆虫雷达的应用前景。

洛桑试验站的这个发现对研究昆虫迁徙对态系统过程和生态服务功能的影响有重要的意义。例如,如果由于人类活动的影响,迁徙昆虫中的大部分被阻碍,这将对生态系统有灾难性的后果。

目前,国内多家单位利用昆虫雷达开展昆虫迁飞学的研究,并期望昆虫雷达能够用于重大农业害虫种群动态的自动化监测。我国先后建立了多台昆虫垂直雷达,但一直存在数据分析的技术瓶颈。该论文的发表,将对我国昆虫雷达技术的发展具有显著推动作用。

长期监测最重要

胡高说:“虽然目前我们的工作是基于英国雷达的数据,讲的是英伦故事。但我们一直在努力研制我们自己的昆虫雷达。”

生物的生态,进化和保育等方面的研究涉及生物的历史信息,而这些信息一般只能通过长期的监测获得。这个发现可以说是长期生物监测产生重大发现的又一成功案例。

“我国几种重大的农业害虫都具有迁飞性,如水稻稻飞虱。2006年,南京、上海等城市虫雨纷飞,大家印象都很深刻。另外还有粘虫、草地螟、稻纵卷叶螟等。该论文的发表,也意味着我们在数据分析方面实现了重大突破。我相信我们的故事一定会更精彩。”胡高说道。

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《中国科学报》 (2017-01-04 第6版 科研)

黄盘诱集法:利用昆虫对黄色的趋向性而收集掉入装有肥皂水的黄盘中的昆虫,是采集和监测各种生境的昆虫群落最高效的方法之一。图片:陈华燕。

值得一提的是,文章的主导作者胡高博士来自于南京农业大学,进行此项研究时正在英国洛桑试验站做访问学者。这再一次说明,中国学者毫无疑问也能做出高质量的研究。但为什么很多中国学者的高水平研究都是在国外的时候做出的呢?

仅就这个案例而言,是因为我们国内没有数据供研究者使用以完成这样的发现。纵观近年来昆虫学乃至生物学上的原创性发现,多是基于对生物现象进行长期监测的结果。类似的发现没有出现在中国,根本原因就是我们缺少这样的长期生物监测,所以根本就没有数据可用。

可喜的是,中国的这种状况有好转的趋势。例如中国科学院生物多样性委员会从2004年开始组织建设了中国生物多样性监测网络;2015年中国科学院在中国生物多样性监测网络的基础上提出建设中国生物多样性监测与研究网络,将建立10个专项网和1个综合监测管理中心。

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中国森林生物多样性监测网络。图片:CForBio

不是都在呼吁做创新性研究吗?那就请从建立长期生物监测网做起吧。

本文授权转自我是科学家iScientist。

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