作物保护面临的挑战和新技术进展

1.1   日益增长的人口和逐年减少的耕地矛盾

世界人口由1961年30多亿至2016年74亿多翻了1倍多，2022年联合国宣布世界人口总数量达80亿，2037年将达90亿。

持续增长的人口，对粮食需求大幅增长。有限的土地资源面临压力增加，全球人均耕地面积从1961年约0.45 hm2持续下降至2016年0.21 hm2。截至2020年，全球农业用地面积占陆地面积38%，约50亿hm2。其中约1/3为耕地，其余为放牧牲畜的草地和牧场。

据统计，中国耕地年均净减少1957—1996年超600万亩（40万hm2），1996—2008年超1,000万亩（66.67万hm2），2009—2019年超1,100万亩（73.33万hm2）；人均耕地逐年减少，第1次全国土地调查为1.59亩（0.11 hm2）、第2次为1.52亩（0.10 hm2）、第3次为1.36亩（0.09 hm2）。

中国现有耕地19.18亿亩（1.28亿hm2），稍高于18亿亩（1.2亿hm2）红线，为此《中国国土规划纲要（2016—2030年）》确定了2020年和2030年耕地保有量目标，分别为18.65亿亩（1.24亿hm2）和18.25亿亩（1.22亿hm2）。2022年度全国国土变更调查初步汇总结果显示，以2022年12月31日为标准时点，全国耕地面积19.14亿亩（1.28亿hm2），较上年末净增加约130万亩（8.67万hm2）；建设用地6.30亿亩（0.42亿hm2），较上年末净增加约440万亩（29.33万hm2），年度增幅从0.83%降至0.70%。

为满足人类生活所需，解决绝对增长的人口和绝对有限的耕地面积矛盾，必要进一步探索农业增产提质技术以及作物保护技术和方法。

1.2   气候变化引起的自然灾害

自然灾害（旱涝、风灾、极端温度等非生物胁迫）和病虫草害是造成作物损失的最重要因素。快速发展的人类生产和消费活动导致的气候变化也不利于农业生产，气候变化不仅可引起自然灾害造成作物直接损害，还会导致病虫草害偏重发生，进一步损害作物。

《国际植保公约》秘书处主编的《气候变化对植物有害生物影响的科学评论：预防和减轻农业、林业和生态系统中植物有害生物风险的全球挑战》中，不仅发现气候变化将增加有害生物在农业和林业生态系统中传播的风险，特别是在较冷的北极、北方、温带和亚热带地区，还分析了15种已经或可能因气候变化而传播的植物有害生物，并强调有害生物一旦在新领土上扎根，往往不可能被根除。新出现植物病害中，一半是通过全球旅行和贸易而传播，且过去10年数量增加了2倍，而天气是第二大重要因素。由于气候变暖，草地贪夜蛾和果蝇等害虫已经扩散，沙漠蝗虫预计将改变它们的迁徙路线和地理分布。入侵性有害生物也是导致生物多样性丧失的主要驱动因素之一。

Motha研究了1981—2011年共30年内美国经历的90多起与天气有关自然灾害，发现总损失超10亿美元。干旱、洪水、飓风，严重的风暴、热浪、冰冻和野火都是对农业的严重挑战。

美国环保局信息显示，1960—2010年极端天气对玉米产量造成严重影响。其中，3次干旱引起玉米减产分别达17%、26%和29%，湿春和早霜导致玉米减产16%。2010年夜间高温影响玉米带玉米产量，2012年暖冬引起的过早发芽导致密歇根州樱桃损失2.2亿美元。

1.3   病虫草害对作物生产的影响持续存在甚或更加严重

联合国粮农组织（FAO）估计，每年有高达40%的全球作物产量因虫害而损失。而每年植物病害给全球经济造成的损失超过2,200亿美元，入侵有害生物造成的损失至少为700亿美元。

2006—2015年，我国农作物病虫草鼠害总体处于严重发生状态，各类病虫害年发生面积为4.6035亿～5.0753亿hm2次。五大粮食作物水稻、小麦、玉米、大豆和马铃薯每年通过防治挽回损失的比例为分别占55.18%、21.29%、18.97%、1.88%和2.68%，实际造成损失的比例分别占33.67%、23.32%、35.13%、2.11%和5.79%。影响全国粮食生产最为重要的10种（类）病虫害依次为稻飞虱、水稻纹枯病、稻纵卷叶螟、玉米螟、小麦蚜虫、二化螟、稻瘟病、小麦纹枯病、小麦赤霉病、小麦白粉病。其中任一种病虫暴发危害时最高可实际造成200万t以上的粮食损失，10种病虫暴发造成总损失可达2,200万t，占该类粮食总产的12%左右，对国家粮食安全影响巨大。

据文献报道，2010—2012年，有关植保机构和科研教学单位在华南、江南、西南、长江中下游和东北五大稻区开展了较大范围的病虫害危害损失评估测产研究，发现上述区域3年间病虫自然危害损失率均值分别为64.08%、50.31%、26.47%、28.36%和19.67%。以此数据代表五大稻区病虫害危害损失率，再以各稻区的水稻产量和面积进行加权平均，测算全国水稻病虫害危害损失率则为34.44%。这与联合国粮农组织所估计的，全世界谷物生产中，常年因虫害损失14%、因病害损失10%、草害损失11%的结论接近。另外，2011年在广东省佛冈县的一项杂草危害损失试验表明，稻田杂草混合种群，在不防治的情况下，造成的产量损失高达70.51%。尽管“十三·五”期间农作物病虫害总体发生有减轻趋势，但结合病虫发生的一般规律分析认为这一降低除自然变化外，更多为植物保护有效控制病虫害发生流行的结果。综上判断，统计资料显示的粮食作物病虫草鼠害防治挽回损失13.17%，或明显低于病虫害防治实际挽回的损失。

2021年，全国农作物重大病虫害总体偏重发生，特别是上半年小麦条锈病、赤霉病同时严重发生，下半年水稻螟虫、稻飞虱、稻瘟病、南方水稻黑条矮缩病，以及草地贪夜蛾、玉米螟和玉米穗期病虫在部分地区发生严重。据初步统计，全年农作物病虫草鼠害发生面积60亿亩次（4亿hm2次），防治面积80亿亩次（5.33亿hm2次），经防治挽回产量损失1,250亿kg，占全年粮食总产的18.3%。

1.4   有害生物抗药性的挑战

自从有机合成农药问世以来，有害生物抗性问题就一直伴随着化学农药的使用。

在20世纪60年代早期，人们并不认为杀菌剂的抗性是一个真正的问题，因为多年来杀菌剂一直被大量使用在几种作物上，没有明显的抗性迹象。当时杀菌剂市场上的主要杀菌剂产品都是非靶标特异性、非内吸性和中等有效的杀菌剂。当时有关于柑橘绿霉菌（Penicillium digitatum）对苯胺和2-苯基苯酚钠盐（sodium-o-phenylphenate）抗性的报道（Harding，1962），在澳大利亚用六氯苯防治小麦光腥黑粉菌（Tilletia foetida）失效的报道（Kuiper，1965），苏格兰的燕麦核腔菌的某些分离株对有机汞种子处理剂的抗性（Noble等，1966），但是这些极少数的报道被认为没有经济意义。

然而，苯并咪唑类杀菌剂苯菌灵在美国商用于葫芦白粉病防治后仅2年就发现抗药性，这引起了更大的关注。随后很快就有对苯菌灵和其他相关杀菌剂产生耐药性的报告。在这些早期抗性案例之后，对杀菌剂耐药的报告变得更加频繁。20世纪70年代，发表了对重要杀菌剂如多果定、春日霉素和苯基锡类杀菌剂耐药的报道。之后对杀菌剂耐药的案例在数量、重要性和地理分布上都有所增加，苯基酰胺类、二甲酰亚胺类、麦角甾醇抑制剂类如（三唑类）、甲氧基丙烯酸酯类（QoIs）以及琥珀酸脱氢酶类抑制剂（SDHIs）都发生了对关键作物上的病原菌敏感性的变化或完全产生耐药性的变化。

从杀菌剂抗性行动委员会（FRAC）的杀菌剂抗性风险分类可以看出，各种内吸性单作用位点的杀菌剂都有不同程度的抗性风险。A. L. Melander在1914年首次记录了介壳虫对杀虫剂的耐药性，当时介壳虫表现出对无机杀虫剂的耐药性。1914—1946年，又记录了11起对无机杀虫剂耐药的案例。滴滴涕（DDT）等有机杀虫剂的开发让人们觉得昆虫抗药性可能成为过去。但不幸的是，就在1947年，家蝇对滴滴涕的抗药性就出现了。随着每一类新的杀虫剂如环二烯类、氨基甲酸酯类、甲脒类、有机磷类、拟除虫菊酯类，甚至苏云金杆菌的引入，耐药性案例可在2～20年内出现。

除草剂抗性问题始于20世纪70年代。1968年发现欧洲千里光（Senecio vulgaris）对莠去津的耐药性。早期关于除草剂的抗性报道有茅草枯（1962）、2,4-滴（1963）、氨氯吡啶酸（1973）、氟乐灵（1982）、莠去津（1988）、禾草灵（1982）、野麦畏（1987）、氯磺隆（1987）、异丙隆（1995）、草甘膦（2006）等。

1970—1978年，平均每年发现1种杂草抗性。1978年以后，平均每年增加9种。根据国际抗除草剂杂草数据库信息，目前全球有518个除草剂抗性特定案例（杂草种×作用位点），涉及267种杂草（154种双子叶和113种单子叶）。杂草已对31种已知除草剂作用位点中的21种产生了抗性，涉及165种不同的除草剂。报道的抗性涉及72个国家的97种作物。

1908年，Melander首次发现美国加利福尼亚州梨园蚧对石硫合剂产生抗性。到1946年仅发现11种害虫和螨产生抗性。1946年以后，随着有机合成杀虫剂的广泛使用，抗性害虫的总数几乎呈直线上生。20世纪80年代之后，害虫抗性已经成为虫害防治的严重障碍，害虫抗药性研究成为农业害虫防治的重要课题。

选择性作用于昆虫鱼尼丁受体的双酰胺类杀虫剂于10多年前投放市场，特别是针对不同农学和园艺种植系统中鳞翅目害虫的控制。它们现已在全球许多国家注册，并在大多数情况下提供可靠的害虫控制。然而，由于频繁使用，导致世界上一些最具破坏性的鳞翅目害虫包括小菜蛾、番茄叶螟、水稻螟虫和甜菜黏虫种群对二双酰胺类杀虫剂产生抗性。由于高水平的抗性，降低了这类杀虫剂在田间推荐剂量下的药效水平。这已被证明是由影响双酰胺杀虫剂结合位点即鱼尼丁受体靶突变（敏感性下降）造成的。从2012年首次报道双酰胺杀虫剂防治小菜蛾失败案例之后，至少已独立发现9种不同种的鳞翅目害虫产生抗性。已报道的害虫包括水稻螟虫、卷叶蛾、草地贪夜蛾、甜菜夜蛾、番茄潜叶蛾、小菜蛾，涉及的国家有中国、印度、泰国、韩国、日本、巴西、意大利、希腊、西班牙等。

1.5   突发疫情和战争对粮食生产的挑战

冠状病毒病在全球范围内造成了意想不到的负面局面，影响了农业部门、经济、人类健康和粮食安全。Okolie等研究了2019冠状病毒（COVID-19）病对农业生产和粮食安全的影响。考虑到2019冠状病毒病大流行对农业生产活动的短缺和对粮食安全体系的威胁所造成的严峻形势和情况，研究人员选择了在Web of Science和Scopus上发表的研究文章，共下载了174篇BibTeX格式的已发表论文供进一步研究。该研究的结论是，疫情导致的农业粮食供应中断影响了供需冲击，对粮食安全的所有四大支柱[数量（产量和生产）、可及性（粮食价格和人群获取食物的能力）、利用（营养和烹饪）和稳定性（数量受影响而出现波动）]都产生了负面影响。

2021年11月23日，联合国粮农组织发布《2021年粮食及农业状况》报告。本期报告聚焦新冠肺炎疫情下提高农业粮食体系韧性和应对冲击及压力等议题。报告指出，疫情暴露了全球农业粮食体系在遭受冲击和压力时的脆弱性，以及全球粮食不安全和人口营养不良状况加剧。报告呼吁全球亟需采取行动，以提高农业粮食体系的韧性、效率、可持续性和包容性。

农业对经济增长至关重要，占全球国内生产总值（GDP）的4%，在一些发展中国家，农业可占GDP的25%以上。

但农业驱动的GDP增长、减贫和粮食安全面临风险。从2019冠状病毒病相关的破坏到极端天气、病虫害和战争（冲突）等多重冲击正在影响粮食系统，导致粮食价格上涨和饥饿加剧。俄-乌战争加剧了全球粮食危机，使数百万人陷入极端贫困，45个国家约2.05亿人的粮食短缺，危及生命。

总的来说，农产品市场对危机的反应是理性的。例如，小麦价格在战争开始后不久飙升，然后回落到战前的水平，有时甚至更低。玉米的情况也类似，美国的基本面因素对价格走势的推动作用要比俄罗斯和乌克兰发生的任何事情大得多。虽然玉米是乌克兰2022、2023年的主要出口产品，但乌克兰可能感受到战争造成的短缺，不会对全球供应或价格产生太大影响。

1.6   农药禁限用和新农药化合物开发日趋困难的挑战

中国已经全面禁止使用的农药有效成分达50种，在部分范围禁止使用的达20种。另外，2,4-滴丁酯自2023年1月23日起禁止使用。溴甲烷可用于“检疫熏蒸处理”。杀扑磷已无制剂登记。甲拌磷、甲基异柳磷、水胺硫磷、灭线磷，自2024年9月1日起禁止销售和使用。

农药行动网（PAN）2022年5月发布的第6版全球农药禁用名单显示，168个国家共禁用了531种农药有效成分。比2021年第5版多73个。其中欧盟未经批准的有效成分共有927个，已批准有效成分453个。

Phillips McDougall公司的研究表明，相较于2005—2008年，在2010—2014年间发现、开发和登记1个农药有效成分的平均研发成本增加了3,000万美元（增11.7%），达2.86亿美元。而在2005—2008年间，农药研发的平均成本为2.56亿美元，较2000年增长了39%；2000年的平均研发成本为1.84亿美元，较1995年增长了21%。研究还发现，与2005—2008年相比，2010—2014年间，成功登记1个新产品需筛选的新化合物数量增加了14.1%，达159,574个。该数据是1995年52,500个筛选化合物的3倍多。尽管有大量的化合物进入农药研发链，但能够进入开发阶段的化合物平均数量从1995年的4个下降至2010—2014年间的1.5个。本质上，这也反映了决定产品进入开发阶段的正确性大幅提高，因为进入开发阶段的产品绝大多数进入了商品化。从产品的首次合成到首次上市所需的时间，1995年为8.3年，2000年为9.1年，2005—2008年统计数据是9.8年，而2010—2014年延长到11.3年。

在过去20年里，作为新活性成分研发关注的主要市场（北美、欧盟15国和日本）在作物保护市场上的份额有所下降。发展中国家市场出现了更大的增长。大公司的研发预算已经从农用化学品转向了转基因（GM）性状的开发，因此新活性成分进入开发并随后被引入的速度已经下降。所以，农药行业变得更加依赖于老的和非专利保护的化学农药产品，尽管老产品的可获得性受到了再登记要求的影响（尤其在欧盟）。目前的登记标准往往会将广谱的农用化学品排除在外，因此导致许多新的活性成分都是具有单一作用位点的高选择性化合物。这样就会增加耐药性发展的可能性，特别是杂草对除草剂的耐药性，虽然情况并非总是如此。

2.1   新型化学农药和生物农药的研究与开发

超高效（＜75 g a.i./hm2）、低毒（LD50＞2,000 mg/kg）、安全（环境安全，对蜂、鸟、鱼、蚕毒性低，符合环境毒性等国际农药生产许可证的标准）的农药被称为绿色农药。

我国是绿色农药的最早提出者，2003年，绿色农药创制被正式列入国家重点基础研究发展计划（973计划），标志着我国绿色农药创制得到认可。李忠教授将中国绿色农药创制分为3个阶段：2003—2008年，绿色化学农药的先导结构及作用靶标的发现与研究；2010—2014年，分子靶标导向的绿色化学农药创新研究；2017—2020年，农业生物药物分子靶标发现与绿色药物分子设计。

宋宝安院士认为当今国际新农药创制研究趋势主要呈现三大特点：一是新的生物技术引领：以功能基因组学、蛋白质组学以及结构生物学为代表的生命科学前沿技术，尤其是以基因编辑为代表的颠覆性技术与新农药创制研究的结合日益紧密。二是生物信息技术应用：高性能计算、大数据以及人工智能等新兴技术开始应用于新农药创制研究，极大地提高了农药创制效率。三是多学科发展的推进：世界农药科技的发展已经开始进入一个新时代，多学科之间的协同与渗透、新技术之间的交叉与集成、不同行业之间的跨界与整合已经成为新一轮农药科技创新浪潮的鲜明特征。

在未来5～10年的时间里，我国绿色农药创新研究的重点：一是新型高效生物农药的创制及产业化技术。以活体微生物、活性代谢产物为有效成分创制安全高效的生物农药新品种，建立绿色高效、低成本、低污染制造工艺，创制安全高效、环境适应性强、持效期长的生物农药。二是绿色化学农药的创制及产业化技术。基于天然产物及化学小分子数据库，发展基于人工智能和计算机辅助技术设计新型农药分子骨架；发展基于靶标抗性预测的药物合理设计新方法，降低农药创制抗性和交互抗性的风险，创制高效、环境安全、绿色化学农药新产品。

在我国科学家提出绿色农药之前，绿色化学的概念早在20世纪90年代初即被英国科学家首次提出，1997年成立了绿色化学研究，1999年出版了英国皇家化学学会公认的绿色化学杂志的第一卷。绿色化学的概念基于十二项原则，旨在减少或消除化学产品的合成、生产和应用中的危险材料，从而减少或消除对人类健康和环境有害的材料的使用。它们是设计新化学产品和工艺的指导框架，适用于工艺生命周期的所有方面，从所用原材料到转化的效率和安全性，以及所用产品和试剂的毒性和生物降解性。

很显然，中国专家提出的绿色化学的概念与国外的不同。中国专家强调的是结果，而国外专家更注重过程。但笔者认为，中国科学家在开发绿色农药的过程中也应该遵守绿色化学的原则。

刘长令指出绿色农药必备的五要素：安全性高、效果好、成本低、专利权稳定、市场潜力大。他强调，研究人员从研究之初就要充分考虑这五要素。在整个研发过程中，化合物结构的设计至关重要，是农药创制的核心所在，它决定了后续的一切，决定了原材料、反应工艺、效果等，决定了产品能否成功上市以及是否具有市场竞争力；而后续的剂型、应用等研究，都是在化合物结构基础上的锦上添花。

周明国提出了“靶向农药”的概念。他认为，“靶向农药”就像“一把钥匙只开一把锁”，是指能够识别、瞄准特定结构的分子靶标，安全高效地防治特定病虫草害的农药活性化合物，或者农药制剂。靶向农药的毒理学是预知的，安全性非常高，可以减少农药登记所需的一些安全性和毒理学评价费用。

尽管“生物农药”在世界各国的定义不尽相同，但对其不同于传统化学农药的特性和优势已达成共识。

传统化学农药的使用每年以2%的速度减少，而生物农药的使用以10%的速度增长。微生物农药、生物化学农药和嵌入植物的保护剂（PIP）是重要的生物农药类别，它们占据全球农药市场5%的份额，其中微生物农药占主导地位。

近年来，无论是大型研发公司、非专利产品制造商，还是许多小型企业和初创企业，对生物制剂的兴趣都有了显著增长。自1960年以来，生物制品（包括天然物质、发酵产物、微生物和信息素、捕食昆虫和螨类、真菌和线虫）的引进速度显著增长。在1960—1990年期间，平均每年有3种新的生物产品被引入全球市场。1990—2016年，平均每年有11种新的生物制剂问世。在过去20年里，新生物产品的引进速度经常超过传统产品，而且这一趋势似乎还将继续下去。在专利申请方面，2017年是生物农药专利数量（173件）首次超过传统作物保护产品（117项）的一年。生物农药的销售额从1993年的1亿美元增长到2016年的30亿美元，从占全部作物保护产品销售额的0.4%增长到5.6%。

生物农药在种子处理、土壤处理和收获后应用方面市场前景广阔。预测到2027年，生物农药（微生物、生物化学和有益昆虫）市场预计将达到23亿美元，2021—2027年的复合年增长率为4.7%。

我国生物农药主要包括生物化学农药、微生物农药和植物源农药。截至2022年12月31日，在有效登记状态的生物农药有效成分有142个，产品1900多个。8年来生物农药有效成分和产品的年均增长率分别为6.40%和8.83%，说明我国生物农药登记数量在平稳增长，生物农药行业正逐渐壮大。

2.2   生物刺激剂和植物免疫激活剂的开发应用

在科学文献中，“生物刺激剂”一词的首次定义出现在Kauffman等（2007）的同行评议论文：“生物刺激剂是一种与肥料不同的材料，在少量施用时可以促进植物生长”“生物刺激剂有多种配方和不同成分”。为了创建一个统一的定义，作为生物刺激剂必须具备的一些主要特征：⑴ 生物刺激剂的性质是多样的；⑵ 生物刺激剂的生理功能是多样的；⑶ 生物刺激剂对作物的功效包括提高作物对养分的利用效率及对非生物胁迫的耐受性，或改善作物的品质性状。欧盟、美国和印度等已给出植物生物刺激剂的明确定义，并出台了相应的监管法规。欧盟将生物刺激剂纳入新的肥料法予以管制，印度修订其肥料法规也将生物刺激剂纳入监管。美国经过研究最终决定不将生物刺激剂纳入美国的农药管理法规（FIFRA），而是由美国农业部监管。

植物生物刺激剂作为不同于农药或肥料的一类独特的农业投入品，弥补了农药和肥料的不足，可以在很大程度上改善农产品的品质和提高作物的产量。

生物刺激剂通过以下方式促进可持续农业发展：⑴ 提高植物对非生物胁迫的耐受性，包括干旱、极端温度（寒冷、霜冻和高温）和盐度；⑵ 促进营养物质的吸收和有效利用；⑶ 通过增加有益的土壤微生物来改善土壤健康；⑷ 通过改善植物健康和活力从而提高作物品质；⑸ 提高作物产量。

生物刺激剂在从种子萌发到作物成熟的整个作物生命周期中，通过许多已证明的方式促进作物生长和改善发育，包括但不限于如下几个方面：⑴ 通过改进植物健康和活力而提高作物的代谢效率，从而诱导产量增加和提高作物品质；⑵ 提高作物对非生物胁迫的耐受性和恢复能力；⑶ 促进养分的吸收、转运和利用；⑷ 提高产品的品质属性，如糖含量、色泽等；⑸ 提高用水效率；⑹ 提高营养物质的吸收和有效利用。

植物免疫诱抗剂即植物疫苗，主要是通过增强植物生理功能，增加植物对致病因子的抵抗力，从而提高植物的诱导抗性。它能够激发植物体内多条代谢路径，加强新陈代谢，促进植物的生长发育，达到增产抗病的效果。目前植物免疫诱抗剂主要有植物免疫蛋白、寡糖、水杨酸及其类似物、次生代谢物等类型。

目前报道的免疫诱抗剂类物质主要包括有机酸类（水杨酸、茉莉酸及其甲酯、茉莉酮酸及其甲酯、草酸），无机化合物（磷酸盐、二氧化硅、臭氧），寡糖类（海带多糖、壳寡糖、多聚半乳糖醛酸、寡聚脱乙酰壳多糖、壳聚糖、氨基寡糖素）以及蛋白多肽类（如Harpin蛋白及类似物）。

由国外公司开发的具有抗病诱导功能的农药品种有Messenger（Harpin蛋白）、苯并噻二唑（BTH）、KeyPlex腐殖酸、烯丙异噻唑、Sereenade、昆布素、Oxycom、Chitosan、Actigard、NCI、吡唑醚菌酯等。

已在我国登记的具有抗病诱导功能的农药品种有植物激活蛋白、S-ABA、S-诱抗素、氨基寡糖素、甲噻诱胺、香菇多糖、井冈霉素、氟唑活化酯、阿泰灵（6%寡糖+链蛋白）、毒氟磷等。

生物刺激剂市场的增长是由于对可持续农业的需求激增和有害化肥的使用减少。有市场预测报告指出，生物刺激剂（包括腐殖酸类物质、海藻提取物和微生物改良剂等）的全球市场额2027年预计可达62亿美元，2022—2027年复合年增长率为11.8%。

2.3   微生物脂肽等微生物产品越来越重要

微生物对农业的重要性人所共知。微生物肥料、微生物农药、生物刺激剂、生物堆肥、作物营养利用和管理、作物对生物和非生物胁迫的抵抗力、自然农业等都离不开微生物。

使用微生物（生物肥料和生物农药）作为合成肥料和农药的替代品或补充品来增加土壤肥力以及在农业中防治病虫害的做法日益突出。生物肥料和生物农药是环境友好型产品，可用于综合营养管理（INM）和综合病虫害管理（IPM）技术。微生物在提高土壤肥力、病虫害防治方面具有重要作用，对促进可持续农业的发展不可或缺。

Markets and Markets预测，全球农业微生物市场（土壤改良和作物保护）2027年将达到126亿美元，2022—2027年复合年增长率为14.6%。

2.4   纳米农药的开发利用

纳米技术是21世纪最有前途的技术之一。它是通过观察、测量、操纵、组装、控制和制造纳米尺度的物质，将纳米科学理论转化为应用的能力。美国国家纳米技术计划（NNI）将纳米技术定义为“在纳米尺度（1～100 nm）上进行的科学、工程和技术”。纳米科学不同于纳米技术。纳米科学是物理学、材料科学和生物学的融合，涉及在原子和分子尺度上操纵材料。而纳米技术是在纳米尺度上观察、测量、操作、组装、控制和制造物质的能力。

纳米技术是一门相对较新的科学分支，其应用范围广泛，从能源生产到工业生产过程再到生物医学应用。纳米材料（NMs）可以被设计成具有独特的组成和功能，这可以提供新的工具和技术。

一些国际组织如国际标准化组织（ISO）、经合组织（OECD）和欧盟（EU）以及一些国家主管机构如美国环保署（EPA）对纳米技术和/或纳米材料都有定义，但是目前为止还没有见到对纳米农药的官方定义。但是，这些国际组织和国家主管机构都在研究如何监管纳米农药。

ISO将纳米材料定义为任何外部尺寸或内部结构或表面结构具有纳米尺度的材料，其中长度范围约为1～100 nm被视为纳米尺度。

与常规颗粒相比，纳米颗粒可能具有不同的物理甚至化学性质的改变。因此，纳米农药的环境安全性和毒理学特性可能都需要更深入的评价，这给监管带来了新的压力。

纳米技术在农业上有广泛的应用潜力，但就作物生产和作物保护而言，纳米肥料和纳米农药的开发和利用将会给农业生产带来变革。

纳米农药制剂具有不同于传统农药制剂的诸多优点，主要表现在：⑴ 改进农药在植物叶面上的黏附性和穿透性；⑵ 防止农药过早降解；⑶ 减少农药使用频次；⑷ 提高水不溶性农药的溶解度；⑸ 控制或缓慢释放农药；⑹ 改进农药的生物可获得性；⑺ 靶向传递农药；⑻ 促进靶标害物对农药的吸收；⑼ 改进农药制剂的稳定性；⑽ 降低抗性产生的风险；⑾ 降低环境污染的风险；⑿ 降低有害生物防控成本。

目前，全球范围内获得登记和商品化的纳米农药产品还很少。美国登记了纳米银制剂作为抗微生物产品使用，不是农业用药。另外，各种农药微乳剂产品也是人们在无意识的情况下登记了的符合纳米定义的纳米农药产品。但是目前研究中的纳米农药重点都不在微乳剂产品上。

在中国，纳米农药研究正处于火热状态中，还成立了一些专门研究机构。一些研究机构和农药生产企业也宣称已经开发出了某些纳米农药产品。有些产品处于登记状态，但是并不是以“纳米制剂”申请的登记，因为中国还没有对“纳米农药制剂”的登记做出任何特别的规定。如河北中天邦正生物科技股份公司已经获得登记的45%联肼·乙螨唑悬浮剂。

我国纳米农药研究取得了重大进展：创制了一批高效、安全与低残留纳米农药新制剂；针对大吨位与主导性杀虫剂、杀菌剂和除草剂，开发了纳米微乳剂、混悬剂、胶囊剂、水溶胶与固体分散体等绿色纳米农药新剂型，判明了其增效减排效果、适用范围、优选剂量与施用方法；可以平均提高药效30%～50%，延长持效期4～5倍，显著降低残留污染。

为了加强纳米农药的质量管理，2021年我国农业农村部农药检定所发布了中华人民共和国农业行业标准即纳米农药产品质量标准编写规范的征求意见稿。

根据联合市场研究公司（Allied Market Research）发布的一份名为“纳米农药市场”的新报告，2021年，纳米农药（纳米杀虫剂、纳米杀菌剂、纳米除草剂及其他）市场价值为5亿美元，预计到2031年将达到16亿美元，2022—2031年的复合年增长率为12.5%。另有预测报告指出，预计到2030年全球纳米农药市场规模将达到19亿美元左右，2022—2030年的复合年增长率为13.66%。可见，2份预测报告对纳米农药市场的发展趋势预估基本一致。

2.5   育种新技术（基因编辑和RNA干扰技术）在作物保护中的应用

利用育种技术改善作物品质，或者提高作物对各种非生物和生物胁迫的抵御能力是始终伴随着作物生产。随着技术的进步，传统的育种技术被现代转基因技术替代。作物转基因育种始于20世纪80年代，经过40多年的发展，已育成多种作物的转基因品种，并在生产中广泛应用。转基因技术能将一个生物体中结构明确、功能清楚的基因取出，让其在另一个作物体内发挥作用，实现基因在不同物种间的重组。这项新技术不仅更精准，而且利用其他物种的基因资源能极大扩充作物自身的基因库，使作物具备抗虫、耐除草剂、抗旱等特性。抗草甘膦的转基因玉米和大豆以及抗虫的转基因棉花等已经在全球很多国家栽种。我国也要大力发展转基因大豆和玉米的种植。

2013年，以CRISPR/Cas9系统为标志的第3代基因编辑技术取得了决定性突破，打破了常规育种瓶颈，成为基因编辑主流技术。基因编辑是指对目标基因进行精确操作，使基因实现定点突变、插入、删除，从而直接启动、关闭某些基因，甚至直接在分子水平对致病基因做编辑、修改，进而对未知功能基因进行研究和基因治疗的技术。这个过程既模拟了基因的自然突变，又修改并编辑了原来的基因组，真正实现了“基因编辑”。为推进该技术在中国农业上的应用，2022年1月24日，中国农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》。

基因编辑是当前全球发展农业生产、满足农产品需求所高度重视的革命性颠覆性技术，全球农业大国高度重视。2018年美国政府发布《2018—2023年战略计划》，将基因编辑列为5个颠覆性技术之一长期投资；2019年俄罗斯公布约17亿美元的联邦计划，支持基因编辑研究，旨在培育基因编辑作物和动物新品种。世界多国积极推进基因编辑技术产业化，放开基因编辑产品监管，目前已经在水稻、玉米、大豆、小麦和番茄等农作物以及猪、牛、羊等农业动物中广泛应用，国外已有百余种植物基因编辑产品成功上市。

基因组编辑（GE）技术有助于有针对性和快速地实现作物育种计划，增强对害虫和病原体的抗性。GE不需要杂交，因此避免了在优秀品种中通过连锁引入不良性状，加快了整个育种过程。GE技术可以通过直接编辑有害生物基因组或植物敏感基因组或作为生物防治剂（BCA）的微生物基因组，对植物敏感性基因及害虫和病原体的毒力因子进行编辑，以获得植物保护效果。

据文献报道，1995年有研究人员发现注射正义RNA（sense RNA）和反义RNA（antisense RNA）均能有效并特异性地抑制秀丽新小杆线虫（Caenorhabditis elegans）par-1基因的表达，该结果不能使用反义RNA技术的理论做出合理解释。直到1998年，Fire和Mello课题组接手了此课题。他们以秀丽新小杆线虫为模型，发现在此课题中，引发线虫par-1基因沉默的是小片段的双链RNA，而不是正义单链RNA或负义单链RNA。他们之后又研究了秀丽新小杆线虫的unc-22基因，进一步阐述了双链RNA在基因沉默中的作用，并将这一现象命名为“RNA干扰（RNAi）”。他们的研究成果激起了其他科学家研究RNA干扰现象的浓厚兴趣，由于他们的发现揭示了分子生物学中一个全新的，具有普遍性的机制，2位科学家Andrew Fire和Craig C. Mello因此在2006年获得诺贝尔奖。

RNAi是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（dsRNA）介导的同源mRNA高效特异性降解的现象，也称为转录后基因沉默（PTGS），在植物、线虫、昆虫、脊椎动物等真核生物中普遍存在。该现象在20世纪90年代发现之后便成为一种重要的基因干扰技术。RNAi技术是一种多功能、有效、安全、环保的作物保护替代方案，有大量证据表明通过宿主诱导基因沉默（HIGS）和喷雾诱导基因沉默（SIGS）技术都可以用于控制病毒、细菌、真菌、昆虫和线虫。RNAi技术也是一种强大的、多功能的作物病虫害控制替代技术，它在农业领域的应用扩展到病毒、细菌、真菌、昆虫、线虫和植物。

与基因敲除、基因编辑等技术相比，RNAi极具优势。dsRNA在农业上的应用方式，特别是在病虫害防治中的应用方式，可以通过3种方式来实现：⑴ 寄主诱导的基因沉默（host-induced gene silencing，HIGS）；⑵ 病毒诱导的基因沉默（virus-induced gene silencing，VIGS）；⑶ 喷雾诱导的基因沉默（spray-induced gene silencing，SIGS）。HIGS需要通过转基因作物来表达针对害虫或病原物的dsRNA。VIGS基于病毒工程在昆虫体内产生足量的dsRNA。如利用CTV（柑橘衰退病毒）表达载体在柑橘植株内获得长期、稳定表达的抗黄龙病外源基因，成功抑制了黄龙病的发生和蔓延。SIGS则更类似于传统农药的施用方法，通过非转基因手段，直接向环境中喷施或注射dsRNA，通过害虫取食或病原体侵染的过程而起作用。

2.6   大数据、人工智能和精准农业在未来作物保护上的应用

人工智能是一组使计算机能够模拟人类智能的技术。人工智能的子领域包括自动化机器学习（AutoML）和机器学习，这是指使用算法在没有人为干预的情况下学习和执行任务；深度学习，即使用神经网络识别大容量数据中的复杂模式；认知计算，即用于模拟人类大脑的功能来解决复杂问题；以及自然语言处理，即帮助计算机理解和解释人类语言。

简单地说，大数据是更大、更复杂的数据集，尤其是来自新数据源的数据集。这些数据集是如此庞大，传统的数据处理软件根本无法管理它们。但是这些海量的数据可以用来解决人们以前无法解决的业务问题。大数据有3个特点，也称3个“V”，即种类更多（variety）、数量（volume）不断增加，速度（velocity）更快。

大数据是人工智能运行的燃料。大量不同的数据使机器学习应用程序能够完成它们的设计任务：获得并完善一项技能。

人工智能通过自动化和增强数据准备、数据可视化、预测建模和其他复杂的分析任务，使大数据分析变得更加简单，否则这些任务将是劳动密集型和耗时的。人工智能可以帮助用户更快地从大型、复杂的数据集中处理、操作和显示可操作的见解。人工智能获得的数据越多，它就越能学习并提高其模式识别能力。

人工智能在农业和上的应用场景包括：⑴ 实时作物和土壤监测；⑵ 作物产量预测和价格预测；⑶ 有害生物识别和及时喷洒农药；⑷ 更明智地配置资源；⑸ 改善食品和环境的可持续性；⑹ 分析市场需求，管理风险；⑺ 作物保护、施肥和收获作物。

人工智能在有害生物治理中的作用如下：⑴ 简单的侦察方法：人工智能可以侦查和提供准确的有害生物描述和它们在田间的确切位置。⑵ 解决病虫害诊断方面的挑战：正确识别田间特定病虫害对其成功管理至关重要。有害生物管理的另一个重要方面是定期监测有害生物，这有助于确定发病率和开始进行有害生物管理干预的时间。⑶ 及早预测有害生物问题：应用人工智能技术可以帮助自动化和加快过程，在有害生物管理的重要方面，如有害生物识别、有害生物监测和选择适当的有害生物管理策略，向农民提供及时和正确的决策支持。⑷ 大规模有害生物监测和监视：基于人工智能原理的无人机用于森林监测和监视。⑸ 有害生物管理：利用基于人工智能的无人机喷洒农药，通过确保作物完全覆盖，在更大范围内有效控制有害生物。

精准农业（PA），有时被称为“处方农业（prescription farming）”或“可变速率技术（variable rate technology）”，是管理空间和时间变化的实践。精准农业是一种基于观察、测量和响应作物田间和田内变化的农业管理概念。可以说精准农业的发展和人工智能技术的发展密切相关。精准农业的发展始于20世纪90年代中期，得益于由卫星提供的全球定位系统（GPS）服务的广泛可用性。首次应用是联合收割机的产量制图和土壤养分制图，根据田地的空间变化进行磷肥和钾肥的施用。随后是作物生长成像，指导氮肥施用。传感器用于记录来自卫星、飞机、无人机或拖拉机上的可见光波段和近红外摄像机的图像。土壤结构制图也使用电导率设备进行，该设备可用于操作空间可变播种率。使用GPS的自动拖拉机制导系统现在在英国被广泛采用。

到目前为止，精准农业的大部分发展都应用于谷物和欧洲的油菜，以及北美的玉米和大豆等作物。然而，在葡萄藤和果园中也有潜在的机会。精准农业在作物保护领域的商业化应用相对有限。

总之，大数据、人工智能和精准农业3者相互联系，相辅相成，它们在未来的作物保护中必将发挥重要的作用。

2.7   再生农业与未来的作物保护

位于美国明尼苏达州明尼阿波里斯市的再生农业基金会（RAF）认为，再生农业是很难定义的。再生农业不是一个新概念。再生农业并不是一套精心描绘的实践或某种认证的农业类型，也不仅仅是基于一系列的指标如土壤有机碳含量和水质给出的定义。最好把再生农业看作解决多种危机的步骤。再生农业使人们朝着一个丰富的食品和纤维生产、恢复生态系统、运转良好的水和碳循环、繁荣的社区以及一个公平而繁荣的食品经济的世界发展。

再生不会在一夜之间削弱农药市场，但对气候变化和碳封存的关注及持续的监管压力，消费者对生产系统可追溯性的需求，以及农民寻求削减生产成本，将在短期内逐步减少投入使用，并可能使许多化学类别在未来10年淘汰。

如前所述，当前的作物保护面临着诸多挑战，因此科学家们一直在不断探索作物保护的新技术和新方法。同时，其他行业的各种新技术的发展也可为未来的作物保护提供更多的可能性。然而，未来的作物保护如何能以史为鉴采取更为智慧的指导思想开发和利用各种新旧作物保护技术和方法是非常重要的。

笔者认为，未来的作物保护应该在尊重自然法则的基础上发展先进技术，并利用好符合自然法则的老旧技术：⑴ 首先不能过多依赖化学品的投入；⑵ 其次以土壤、种子、作物为本，利用现代技术尤其是生物产品的投入为主，充分利用微生物资源，保障土壤、种子和作物的健康，实行作物全生命周期保护；⑶ 与作物育种、生态协同技术以及营养投入（肥料）密切配合；⑷ 倡导和发展再生农业理论和技术，走与自然和谐的作物保护道路；⑸ 实施作物全生活周期（从播种-幼苗-长成-收获-收获后）的作物健康保护，而不是见虫杀虫，见病防病。