《Agricultural and Forest Meteorology》：Modelling and geospatial mapping of whitefly
Bemisia tabaci population dynamics in cassava-growing areas of Sub-Saharan Africa in response to climate change
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为应对气候变化对全球粮食安全的威胁，本研究针对严重危害热带农业的刺吸式害虫——烟粉虱(Bemisia tabaci)，开发了一个集成生态生理数据和木薯物候的机制模型。模型成功再现了坦桑尼亚的田间观测数据，并利用网格化气象数据首次绘制了整个撒哈拉以南非洲地区烟粉虱的年世代数地理分布图。研究揭示了区域脆弱性差异，为制定基于科学的生物安全决策和监测计划提供了关键依据。
论文解读文章
在全球气候变化的背景下，农业生态系统正面临着前所未有的压力，其中作物害虫的分布、物候和危害程度的变化尤为引人关注。温度作为关键的环境因子，直接驱动着昆虫害虫的空间分布转移，预计将增加主要粮食作物的病原体和害虫负担，导致可观的产量损失。然而，物种分布和表现不仅受温度单一因素影响，多种生态组分的综合效应，尤其是害虫种群与寄主作物可用性之间的复杂关系，在现有的害虫种群模型中往往被忽视或未被充分整合。因此，采用一种能够同时考虑多重胁迫因子、并在高时空分辨率下模拟害虫生命阶段特异性响应的建模方法，对于理解气候变化下寄主作物可用性、昆虫物种表现和生存之间的复杂关系至关重要。
木薯是热带地区重要的粮食安全作物，但其正遭受烟粉虱(Bemisia tabaci)这一严重害虫的威胁。这种微小的刺吸式昆虫不仅直接取食导致木薯叶片萎蔫、腐烂甚至整体死亡，更是致命病毒病——木薯花叶病毒病(CMV)和木薯褐条病毒病(CBSD)的传播媒介，对农业生产构成全球性的生物安全威胁。环境生态位模型已揭示烟粉虱复合体有进一步向澳大利亚、美洲和欧洲扩张的风险。为了提升非洲脆弱农户的生物安全准备度，亟需在其潜在入侵区开展针对该害虫季节性生活史动态的研究，以指导监测计划的制定。此前的研究大多停留在环境生态位模型或仅考虑烟粉虱单一生活史事件，而对其整个生命周期温度驱动发育时序与全球范围内木薯物候相结合的机制性（即基于过程的）建模研究尚属空白。
为了解决这一知识缺口，剑桥大学植物科学系的Frank Thomas Ndjomatchoua和Christopher Aidan Gilligan在《Agricultural and Forest Meteorology》上发表了一项开创性研究。他们整合了近年来积累的关于非洲特定烟粉虱品系的温度响应数据（如发育、繁殖和死亡率）以及木薯叶片物候学知识，构建了一个全新的机理模型。该模型首次明确考虑了温度依赖的生育力、发育、死亡率、生殖前后生命阶段、寄主植物物候和适宜性。模型首先利用坦桑尼亚姆特瓦拉地区2014-2015和2015-2016两个种植季的田间观测数据进行了验证。随后，研究人员利用撒哈拉以南非洲木薯种植区的网格化气象数据，模拟并绘制了在不同气候情景下烟粉虱的年世代数（化性）地理分布图，从而直观地揭示了各地区的潜在风险差异。这项研究为政策制定者提供了科学、信息充分的生物安全决策工具，并能帮助聚焦防范准备工作的重点区域。
为了开展这项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，建立了基于过程的烟粉虱-木薯耦合种群动态模型，该模型以日温度数据驱动，模拟烟粉虱卵、若虫、蛹、生殖成虫和生殖后成虫五个阶段的发育、存活和繁殖过程，并同步模拟木薯叶片的出现和衰老物候。其次，利用来自坦桑尼亚Naliendele地区田间试验的烟粉虱成虫出现数据对模型进行了验证。再次，为了进行地理空间模拟，研究采用了高分辨率气候数据集（CHELSA v1.2）的历史（1979-2013）月度气温数据作为基线，并使用了CMIP6框架下ACCESS-CM2全球气候模型在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下的未来（2041-2060）气温预测数据，通过傅里叶级数模型将月数据降尺度生成为日时间序列。最后，结合联合国粮农组织（FAO）的非洲木薯种植日历数据，在整个撒哈拉以南非洲的木薯种植区格点上运行模型，计算并绘制了烟粉虱的年世代数分布图。
2.1. 模型概述
研究构建的模型核心是整合烟粉虱温度响应数据（发育、繁殖、死亡率）和木薯叶片物候数据，以模拟种群动态。模型采用分阶段（卵、若虫、蛹、生殖成虫、生殖后成虫）追踪队列年龄和大小的方式，并考虑了若虫阶段的密度依赖性死亡。木薯叶片数量基于温度依赖的叶片出现率累计计算，当叶片数达到5片时，烟粉虱开始产卵。模型代码使用Intel? Fortran编写，结果可视化使用R软件完成。
2.3. 数据来源
模型验证数据来源于坦桑尼亚姆特瓦拉地区2014-2016年的田间试验。温度数据来自NASA的POWER项目。地理空间模拟使用的是撒哈拉以南非洲有木薯种植记录地区的1公里分辨率气候数据（CHELSA），历史基线期为1979-2013年，未来情景（2041-2060年）采用SSP1-2.6和SSP5-8.5路径下的ACCESS-CM2气候模型数据。木薯种植时间信息来自联合国粮农组织（FAO）的作物日历。
2.5. 烟粉虱物候和种群动态模型
烟粉虱的生命周期动态由日温度调节。模型通过一系列差分方程描述了各生命阶段个体数量随时间的演变。阶段间的转换概率由累积发育速率决定，当∑ri→j[T(l)] ≥ 1时，个体转入下一阶段。日存活率Si(T(l)) = (1 - mi(T(l)))ri→j(T(l))，其中mi为温度依赖的死亡率。雌虫的日产卵量f = SR· φ(T) · ψ(T)，其中SR为性比（50%），φ(T)为产卵率，ψ(T)为最大终身产卵量。生殖期结束后，成虫进入生殖后阶段直至死亡。
2.6. 木薯叶片物候模型
模型假设温度是驱动木薯叶片物候的主要因素。播种后，第k天的叶片数量NL = ∑LAR[T(l)]，其中LAR(T)为温度依赖的日叶片出现率。当叶片数达到5片时，烟粉虱种群动态开始。木薯的成熟通过积温（TT）来追踪，每日积温增量ΔTT根据日最高温(Tmax)、日最低温(Tmin)和基点温度(Tbase= 12°C)计算。叶片进入衰老期后，若虫的存活率逐渐降低直至种群灭绝。
3. 结果与讨论
模型验证与情景模拟
模型成功模拟了坦桑尼亚姆特瓦拉地区两个种植季烟粉虱成虫的出现动态，与田间观测数据吻合良好，验证了模型的有效性。基于验证后的模型，研究绘制了历史气候基线（1979-2013）下撒哈拉以南非洲木薯种植区烟粉虱的年世代数分布图。结果显示，世代数分布具有明显的空间异质性，高世代数区域主要集中在赤道附近的低海拔地区，如刚果盆地、西非沿海和东非部分地区，这些地区温暖潮湿的气候条件有利于烟粉虱的快速发育和繁殖。相比之下，南非高原、东非高原和萨赫勒地区北部，由于温度较低或季节性干旱，年世代数较少。
未来气候变化的影响
在SSP1-2.6（低碳排放）和SSP5-8.5（高碳排放）两种气候情景下，到2041-2060年，烟粉虱在非洲的潜在分布范围和年世代数均呈现增加趋势。SSP5-8.5情景下的变化更为剧烈。具体表现为：
- 1.
适宜区扩张：当前世代数较低或不适定的区域，如非洲南部和东部的高原地区、萨赫勒地区北部，未来可能变得更加适宜烟粉虱生存和繁殖，世代数增加。
- 2.
高世代数区强化：现有的高世代数核心区域，其世代数可能进一步增加，导致这些地区的害虫压力持续加大。
- 3.
种植时间的影响：模拟还考虑了早播和晚播两种木薯种植时间。结果表明，种植时间对某些地区的烟粉虱世代数有显著影响，突出了农业管理措施（如调整播期）在适应气候变化、缓解害虫压力方面的潜在作用。
研究结论与意义
本研究通过开发一个机理性的烟粉虱-木薯耦合模型，首次在考虑寄主植物物候的前提下，模拟并绘制了气候变化下非洲木薯种植区烟粉虱种群动态（以年世代数为指标）的地理空间分布图。研究得出以下核心结论：
第一，所建立的模型能够可靠地模拟烟粉虱在田间条件下的种群动态，为预测工具的开发奠定了基础。
第二，历史气候条件下，烟粉虱在非洲的潜在危害区（高世代数区）分布不均，识别出了多个高风险区域。
第三，未来气候变化将显著改变烟粉虱的分布格局，导致其适宜区向北、向南及向高海拔地区扩张，并在现有核心危害区加剧其危害潜力。SSP5-8.5高排放情景下的负面影响远大于SSP1-2.6低碳情景。
第四，木薯种植日期等农业管理措施可能调节局部地区的害虫风险，这为适应性管理提供了线索。
这项研究的重要意义在于：它超越了传统的物种分布模型，提供了一个能够解析气候变化如何通过影响害虫发育速率和寄主植物物候来共同改变害虫种群动态的框架。所生成的高分辨率风险地图为非洲各国政府、农业研究机构和国际组织提供了明确的科学依据，可用于优先配置生物安全资源、加强高风险地区的监测预警系统、以及制定和推广气候智能型的害虫综合治理策略。最终，该研究成果有助于增强非洲木薯生产系统应对气候变化的韧性，保障小农生计和区域粮食安全。
