合成

全球农业中的新烟碱:新的农药跑步机的证据?

• 摘要
• 简介
• 农药跑步机的框架
  • 一、农业
  • 2Agro-landscapes
  • 3科学和技术
  • 四、社会
• 过去的教训:封闭和逃离杀虫剂的跑步机
  • 案例研究苏丹
  • 案例研究尼加拉瓜
• 新烟碱类杀虫剂案例
• 讨论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

过去几年，人们越来越关注新烟碱类杀虫剂的广泛环境风险(EASAC 2015年，Giorio等人2017年，Pisa等人2017年，Goulson 2018年)。自20世纪90年代引入以来，新烟碱类化合物因其全身作用模式(MoA)、低剂量高效率以及对包括人类在内的脊椎动物的低毒性而迅速扩散(但参见Cimino等人2017年和Berheim等人2019年)。今天，新烟碱类杀虫剂是世界上使用最广泛的杀虫剂，在120多个国家和450种作物上使用(Douglas和Tooker, 2015年，Simon-Delso等人，2015年)。新烟碱越来越多地用于预防，例如种子处理，从而防止害虫种群的积累。然而，它们的广泛和无指导的使用，加上无数的非目标效应，引发了环境担忧(Hallmann等人2014年，Zimmermann和Stout 2016年，Krupke等人2017年，Calvo-Agudo等人2019年)，并引发了全面暂停预防性杀虫剂使用和更可持续的虫害管理战略的呼吁(Foley等人2011年，Ge等人2016年，Milner和Boyd 2017年)。

尽管促进基于生态的病虫害管理的努力，包括病虫害综合管理(IPM)在某些情况下取得了成功，如保护性种植、美国棉花、巴西甘蔗或墨西哥芒果(Naranjo和Ellsworth 2009, van Lenteren等人2018)，但在大量的宽亩农田作物和蔬菜系统中，这些努力未能达到预期效果(Orr 2003, Zalucki等人2009,Parsa等人2014)。总体净结果是全球农药使用量增加(Popp等人，2013年)，农药在美国农业中的总毒性负荷上升(DiBartolomeis等人，2019年)。

杀虫剂抗药性的发展和害虫天敌因杀虫剂而减少的恶性循环增加了农民对基于化学的害虫管理的使用和依赖，被称为“农药跑步机”(DeBach 1951年，Hansen 1988年，Turnbull和Hector 2010年)，也是社会科学中广泛称为“锁定”的一个例子。如果某个状态中的自我执行机制使主导行为永永化，使其难以改变到其他可能更可取的状态，那么该系统就“锁定”于某个状态(Liebowitz和Margolis 1995, Cowan和Hultén 1996, Kline 2001, Perkins 2003, Kallis和Norgaard 2010)。在农业领域，锁定效应历来以简化主义的方式进行研究，关注系统的部分，例如生态相互作用、经济或技术采用(Cowan和Gunby 1996, Vanloqueren和Baret 2009, Magrini等人2016,Flor等人2019)。在此，我们认为这些领域的动态变化是密不可分的，如果不考虑其他相关领域，就不能理解技术和农业生态领域的锁定。

新烟碱类杀虫剂的迅速使用和相关的环境影响提出了一个问题，即今天的新烟碱类杀虫剂的使用模式是否符合农药迁移现象。为了解决这个问题，我们首先提出了农药跑步机的理论框架，考虑了社会生态系统中四个概念性的、相互关联的领域。其次，为了测试这个框架，我们研究了农药跑步机的历史案例研究，以确定潜在的使能和使能驱动因素。第三，我们描述了全球新烟碱类药物使用的动态在多大程度上与历史病例观察到的特征一致。最后，我们讨论了摆脱农药单调运行的途径，以及我们的研究结果对当前病虫害管理的影响。

农药跑步机的框架

农药运行的特点是过度使用频繁使用的农药、高剂量和使用有限范围的活性成分或MoAs，最终通过耐药性发展降低农药的有效性(Hansen 1988, Thrupp 1990, Deguine等人2008,Turnbull和Hector 2010, Ekström和Ekbom 2011, Jørgensen等人2018)。然而，农药迁移还具有其他具有复杂社会-生态相互依赖性的生态和社会特征。要充分理解这些相互依赖性，需要洞察社会-生态系统内部的相互联系，因为生态系统中的锁定情况是由来自社会系统的驱动因素强制执行的(Yletyinen等，2019年)。相反，为了制定持久的解决方案和追求长期的变化，例如从依赖化学品转向基于生态的虫害管理，需要一种所谓的“全系统方法”(Lewis等人，1997年)，其中适当考虑到潜在农场层面决策的复杂性和变化的障碍(Schut等人，2014年，Wyckhuys等人，2018年，Yletyinen等人，2019年)。我们假设，在复杂的全球农业社会生态系统中，有四个主要领域包含反馈循环(图1)。农业-粮食系统中的这些领域是相互关联的，可能会加强或削弱农药跑步机。

一、农业

第一个领域，农业，是围绕农场害虫管理决策。现代农业系统的典型特征往往是大规模、基因一致、投入依赖高、产量高的单一栽培。在这样的系统中，化肥的使用、狭窄的轮作和附近的害虫定植源通常会促进虫害的爆发(burst and King 1994, Settle et al. 1996, Meehan et al. 2011)。此外，许多种植制度的短暂性、植物多样性低和强烈的干扰机制限制了常驻天敌施加自上而下控制的潜力，并充分有助于害虫的抑制(Wiedenmann和Smith 1997, Letourneau等人2012,Lundgren和Fausti 2015)。这些模式由于过度使用合成农药而加剧，合成农药通常对天敌有害(Hansen 1988, Settle等人，1996)，引发害虫抗药性发展(Simon-Delso等人，2015)，并引发二次害虫爆发(Gross和Rosenheim, 2011, Hill等人，2017)。反过来，生物防治服务的削弱进一步加强了农民对杀虫剂的依赖(DeBach 1951年，Hansen 1988年，Turnbull和Hector 2010年)。

2Agro-landscapes

农田层面关于作物选择和管理方式的决策在景观尺度上发挥作用(Schellhorn等人，2008年)，农业景观简化和区域范围的干扰机制影响了自然敌人的生命支持功能(Meehan等人，2011年，Karp等人，2018年)。以农业为主导的景观往往拥有简化的、缺乏物种的天敌群落(Tscharntke等人，2007年)，而更多样化的环境往往受益于更广泛的天敌和增强的害虫抑制(Bianchi等人，2006年，Schellhorn等人，2014年，Liu等人，2016年，但见Karp等人，2018年)。将(半)自然栖息地转变为集约管理的农田，会降低天敌的资源供应水平，从而阻碍天敌在作物上殖民并影响害虫种群的能力(Meehan et al. 2011, Letourneau 2012, Bianchi et al. 2013, Meehan et al. 2013)。此外，当邻近的农民在相似的生物物理和社会经济背景下采取相同的策略时，某些虫害管理策略是最有效的。这可以促进机器和知识的交流，提高成本效益，降低成本，也被称为“集聚经济”(Liebowitz and Margolis 1995, Bowman and Zilberman 2013, Parsa et al. 2014, Bell et al. 2016)。然而，农民并不是技术的被动接受者。个体农民的创新和积极试验的潜力不应被低估，农民制定有效的针对具体情况的综合病虫害管理策略的例子令人瞩目(Van den Berg和Jiggins, 2007年，Wyckhuys等人，2019年)。

3科学和技术

任何(农业)创新的最终命运取决于协调、回报和用户认知，以及最终用户和私营和公共部门众多参与者的投资(Feder et al. 1985, Schut et al. 2014, Juma 2016)。随后，对特定病虫害管理技术的偏好和随之而来的病虫害问题引发了对研发的进一步投资，以实现技术改进和持续用户吸收(Liebowitz and Margolis 1995, Cowan and Gunby 1996, Pardey et al. 2010)。这通常是一个建立在现有主导技术基础上的增量过程(Perkins 2003)，并受到既得利益的指导，例如现有“遗留”技术的所有者(Juma 2016)。农药工作的主要参与者是农化工业、农民和农业咨询部门。尽管知识的商业化和私有化会减缓创新的扩散(Labarthe 2009, Lamine et al. 2010, Lamprinopoulou et al. 2014)，这也会产生“路径依赖”，即在特定类型的设备、知识和技能上进行了投资的农民不太可能采用农业生态创新(Ruttan 1996, Wilson and Tisdell 2001, Vanloqueren and Baret 2009)。对于倾向于依赖预防性种子处理等降低风险技术的大规模农民来说，这种依赖性往往会加剧。私营部门行为体(如商业农业咨询公司)对公共咨询服务的替代可以强化这些路径依赖性(Lamine et al. 2010, Lamprinopoulou et al. 2014)。打破这种循环尤其困难，因为农业工业有自己的利益，即最大化农药销售(Thrupp 1988, van den Bosch 1989)，偏好利用其内部专业知识和知识基础的技术，如转基因作物、种子包衣或农业化学(Popp et al. 2013)。病虫害管理的不同创新通常被农化行业参与者视为威胁，引发积极的游说、扭曲的公众宣传和积极部署路障(van den Bosch 1989年，Lamine等人2010年，Juma 2016年)。

四、社会

政府、零售商、批发商、消费者和民间社会组织是社会领域的重要参与者。政府监管农药的使用，并可能通过征税或提供激励措施，如对绿化措施或环境计划提供补贴来影响农民的决策(Thrupp 1988, Boyd 2018)。监管机构，如美国的环境保护局(U.S.-EPA)和欧洲的欧洲食品安全局(European Food Safety Authority)，评估农药的安全性，并就风险向政府提出建议。虽然这些组织征求科学家、工业界和其他利益攸关方的意见，但他们的评估并非完美无缺(Brühl和Zaller 2019)。另一方面，零售为质量和物理特性设定了标准，例如收获的农产品的外观(Pimentel et al. 1977)，农民广泛使用农药以满足这些标准(Norgaard 1976, Lamine et al. 2010, Lamine 2011, Morrissey et al. 2014)。食品零售商可以鼓励农民改变他们的生产做法，例如，通过发布包括农民明智使用杀虫剂在内的生产指令(Macfadyen et al. 2015)。相反，农产品中农药残留的存在以及相关的(往往是未知的)对人类健康的风险，可以产生对农药限制政策和无农药生产计划的需求和激励(Boccaletti和Nardella, 2000年，Cimino等人，2017年)。

过去的教训:锁定和逃离农药的跑步机

我们假设，农药跑步机涉及一个复杂的相互作用的使能和使能因素，可以在上述所有四个领域找到。为了检验这一假设，我们选择了符合以下标准的历史案例研究:(i) 30年或更长时间种植系统中农药使用数据的可用性，(ii)农药使用驱动因素信息的可用性，以及(iii)锁定和逃离农药跑步机的记录。我们发现了五个符合这些标准的案例研究:苏丹的棉花生产、尼加拉瓜的棉花生产、美国德克萨斯州的棉花生产、哥斯达黎加的香蕉生产和印度尼西亚的水稻生产。

为了确定是哪些驱动因素控制了农药跑步机的锁定和逃逸，我们进一步将农药跑步机分为三个阶段(Doutt和Smith 1971):生存和开发、危机和灾难、逃逸和重组(表1)。生存和开发阶段的特点是作物产量不断扩大，但对农药的依赖仍然有限。虫害防治措施一般是基本的，范围有限。危机和灾难阶段往往是由对农药的耐药性的发展引发的，并往往导致病虫害问题激增，农药应用增加，作物生产的盈利能力下降。逃离和重组阶段是由这样一种观念启动的，即进一步增加杀虫剂的使用将无法解决危机，并探索了其他病虫害管理方法(Doutt和Smith 1971, Eveleens 1983, Castle 1999)。下文描述了苏丹和尼加拉瓜的案例研究，而附录1给出了美国、哥斯达黎加和印度尼西亚的案例研究。

案例研究苏丹

生存和剥削

在20世纪50年代，苏丹种植园辛迪加在Gezira州集中管理一个主要的灌溉项目，有效地发展了棉花生产(Eveleens 1983年，Castle 1999年)。棉花种植面积从1945年的9万公顷增加到1975年的25万公顷，只使用了有限的棉花品种。1956年，棉花出口占苏丹全国出口的71% (Castle 1999)。作物管理是佃户的责任，但作物保护的决定是由Gezira计划的中央行政部门作出的。棉粉虱(烟)是一种次生害虫，经栽培及卫生措施相结合，已成功控制。Jacobiasca lybica)以广谱除害剂处理。虽然在20世纪50年代，施用有机氯滴滴涕的棉花面积迅速扩大到60%，但直到20世纪60年代，施用频率仍然限制在每个季节的一个早期季节施用一次(图2;Eveleens 1983, Castle 1999)。

危机和灾难

随着滴滴涕应用的失效，害虫问题出现了j . lybica的爆发。与此同时,烟粉虱由于广谱农药对天敌的负面影响而达到关键害虫的地位(Eveleens 1983, Castle 1999)。虫害压力的增加导致有机氯杀虫剂的使用更加频繁和更高剂量。在20世纪70年代，害虫问题因杀虫剂的抗药性、害虫的死灰复燃和几种次级害虫的出现而加剧烟粉虱还有棉铃虫(Helicoverpa armigera)，引发了更广泛的杀虫剂的更多应用，包括滴滴涕、enddrin和乐果(Eveleens 1983年，Stam等人1994年，Castle 1999年，Bashir等人2003年)。棉花种植者和农用化学品公司之间签订了合同“一揽子交易”协议，以确保控制h .来，农用化学品公司负责所有病虫害防治工作，并保证农民获得最低产量。虽然这些一揽子协议下的棉花面积从1973年的3万公顷迅速增加到1978年的8万公顷，但棉花害虫继续达到爆发的水平，并使用空中喷洒喷洒广谱农药，例如单效磷。虽然这种方法最初对h .来在美国，白蝇的数量没有受到影响，并造成了严重的作物损失。随着时间的推移，农药的使用频率从1960-1961年的平均每季喷洒一次增加到1980-1981年的每季喷洒八次(Eveleens 1983年)。

逃避和重组

到20世纪70年代中期，由于抗杀虫剂白蝇种群的爆发，棉花生产在经济上已不再可行。这导致了一项部长法令，发布了一揽子交易和(含有)滴滴涕的混合物的禁令(Eveleens 1983年，Castle 1999年)。直接的结果是杀虫剂的种类向硫丹、新注册的拟除虫菊酯和灭虫威转变(Eveleens, 1983年)。同时，还开发了基于生物防治的IPM方案h .来以及更高的经济损害阈值水平，允许在不降低产量的情况下将农药使用频率从每季8次减少到3次(Bashir等，2003年)。虽然农民培训和教育是实现这一成就的关键，但另一个关键的成功因素是为早期IPM采用者推出创新保险计划，从而补偿农民因虫害造成的产量损失。这种保险减少了农民的不确定性和相关的风险厌恶行为，并使包括改善水管理、抗虫品种和生物防治的IPM一揽子计划得以采用(Stam等人，1994年，Bashir等人，2003年)。

总之，在苏丹的情况下，我们从概念框架中的所有四个领域中确定了驱动因素(表1;图1)。来自“农业”和“农业景观”领域的驱动因素在“生存和开发”阶段最为突出，而来自“科学技术”和“社会”领域的驱动因素在“逃离和重组”阶段占主导地位(表1)。尽管害虫问题随着棉花生产的扩大和集约化管理实践而出现，Castle(1999)认为，Gezira计划的集中决策导致了一系列影响农业系统的社会经济问题，例如佃农不太关心棉花生产。最终，危机通过实施IPM措施得到解决(Eveleens 1983年，Stam等人1994年，Castle 1999年，Bashir等人2003年)。多种经济、社会和政治驱动因素促成了IPM的成功，其中一个核心因素是对早期IPM采用者的减产补偿方案，减少了农民的不确定性并影响了风险感知(表1;Bashir et al. 2003)。

案例研究尼加拉瓜

生存和剥削

20世纪50年代以前，尼加拉瓜西部种植了3000公顷棉花，棉铃象甲(Anthonomus茅)是主要的害虫。大规模使用滴滴涕和甲基对硫磷防治了棉铃象甲的爆发(图3)。在1960年代，棉花种植面积扩大到15万公顷，棉花成为尼加拉瓜国民经济增长的引擎。不仅国家政府提供直接补贴以便利农民购买农药(Vandermeer 1991, Murray 1994)，化学品生产商也享有自由支配，因为缺乏公共部门基础设施和文化和非化学有害生物防治实践的知识分配(Murray 1994)。尽管人类中毒和死亡促使政府在1953年禁止甲基对硫磷，但棉花种植者协会和相关游说团体迫使该禁令在同一年取消(Swezey等人，1986年)。

危机和灾难

到1960年代中期，棉花生产面积超过15万公顷(占整个尼加拉瓜耕地面积的40%)，1973年进一步增加到17.5万公顷。然而，从1965年开始，棉花产量下降，农药造成的生态破坏变得明显，出现了几种次级害虫，包括美洲棉铃虫(近几年玉蜀黍属),粘虫(Spodoptera sunia),烟粉虱(Swezey et al. 1986)。为了保护产量不受害虫侵袭，农药使用量从20世纪50年代中期的每年5种增加到60年代后期的每年28种，主要是通过农业化学工业设计的基于日历的应用方案。此外，种植棉花的农民严重依赖银行贷款，而银行贷款与作物产量直接相关。贷款合同规定了要使用的化学品种类和为达到目标产量而申请的次数(Murray, 1994年)。然而，平均产量下降了15-30%，杀虫剂抗药性和继发性害虫的出现变得更加普遍(Swezey et al. 1986)。

逃避

1966年成立了国家棉花委员会，以减轻日益严重的棉花害虫问题，并于1967年设立了一个棉花研究站。这些举措与粮食及农业组织(粮农组织)制定一项IPM计划和调整尼加拉瓜病虫害控制做法的举措相一致。这一IPM计划包括培训研究人员和技术人员，建立示范区和监测昆虫种群。促进了非化学和低化学农艺做法，以防止生态破坏，其中包括侦察、提高经济损害阈值、协调释放寄生蜂和推广微生物农药和其他生物防治剂(Murray, 1994年)。IPM项目于20世纪70年代实施，农药使用量减少了30%，棉花产量提高，农民利润大幅增加(Swezey et al. 1986)。

危机和灾难

然而，经过培训的技术人员能力不足和国家农业研究和推广项目发展不佳阻碍了IPM的推广(Murray 1994)。干旱引起的棉花采叶病爆发(Bucculatrix thurburiella),烟粉虱(烟粉虱)，棉铃虫导致了拟除虫菊酯的再次使用(Swezey et al. 1986, Murray 1994)。不断下降的产量和不断升级的害虫问题有利于农药承诺的快速解决方案，促使农药的使用再次出现。此外，银行向棉花产量超过正常水平的农民提供奖励，例如奖金，这刺激了农民的短期眼光，而不是长期方法，如IPM。虽然农药的使用频率在20世纪70年代末没有增加，但农民确实增加了剂量(Murray 1994年)。

逃避和重组

桑地诺领导的革命改变了尼加拉瓜的政治格局。第二次向IPM过渡的尝试是在1982年，这一次的推动因素是禁止使用有机氯类杀虫剂，成立国家农药委员会来管理农药进口，并重新努力实施IPM计划。后者是通过对IPM专家和推广官员的协调培训进行的，并特别侧重于抑制主要害虫铃象甲(Swezey等人，1986年)。例如，建立诱捕棉铃象甲的作物作为预防处理，减少了用于抑制棉铃象甲的农药使用量。一项州法令强调了这一措施的重要性，规定在种植季节之间必须采取措施压制铃象甲(Vandermeer和Andow 1986年)。此外，还着重于用细菌杀虫剂取代现有化学产品的试验。这对农民来说是一个很受欢迎的措施，因为它并不意味着棉花生产过程的重大变化。这种IPM方法减少了棉花中杀虫剂的使用次数，到1984年成为中美洲最大的IPM项目之一(Swezey等，1986年)。然而，这一方案的成功由于1980年代后期尼加拉瓜的社会和经济困难而受到影响(默里1994年)，棉花种植面积在1990年减少到35 000公顷。虽然观察到杀虫剂的使用有所下降(图3)，但这可能是由于棉花种植面积下降、尼加拉瓜的经济危机导致杀虫剂价格飙升以及棉花国际市场价格下降(Swezey等人1986年、Thrupp 1988年、Vandermeer 1991年、Murray 1994年)。 Moreover, the Contra War hindered IPM workers and pesticide inspectors (Thrupp 1988).

总之，在尼加拉瓜查明的大多数驱动因素都符合概念框架的四个领域之一(表1;“农业”和“农业景观”领域的使能驱动因素主要出现在“生存和开发”阶段，而在“逃离和重组”阶段几乎不存在(表1)。最终，“科技”和“社会”领域的驱动因素促进了对杀虫剂使用锁定的逃离，导致了IPM方法的实施。

新烟碱类杀虫剂案例

生存和剥削

吡虫啉是20世纪90年代初上市的第一种新烟碱类药物，随后是对乙酰脒(1995)、硝苯吡胺(1995)、噻虫嗪(1998)、噻虫啉(2000)、噻虫啉(2001)和虫呋喃(Jeschke et al. 2011)。在发达国家，一种先发制人的方法(使用预处理或新烟碱包被种子)通常应用于大面积的粮食和油籽作物，而不考虑虫害的存在、侵害压力或种植历史(Douglas and Tooker 2015年，EASAC 2015年，Simon-Delso et al. 2015年)。例如，美国有4200万公顷农田种植了新烟碱包被种子，相当于2011年玉米、大豆和棉花种植总面积的57% (Douglas and Tooker 2015年)。目前，新烟碱在120多个国家被用作140多种作物的种子处理，包括棉花、玉米、谷物、甜菜、油菜等(Jeschke等人，2011年)。新烟碱类杀虫剂占有24%的市场份额，是目前使用最多的一类杀虫剂(Jeschke等人，2011年，Alburaki等人，2015年，Simon-Delso等人，2015年，Sparks和Lorsbach, 2017年)。由于所有新烟碱类药物的专利都已过期，仿制产品的供应很可能会增加并打开市场，这可能导致新烟碱类药物的价格下降(Jeschke et al. 2011)。鉴于新烟碱类化合物在全球主要市场的扩张，预计耐药病例数量将上升(Whalon等人，2008年)。

危机和灾难

新烟碱类化合物的广泛使用和环境持久性引起了人们对其接触及其对非目标生物的相关影响的关注(Chagnon等人，2015年，Douglas和Tooker, 2016年，Woodcock等人，2016年，Calvo-Agudo等人，2019年)。新烟碱类化合物可通过不同途径接触，包括花粉、花蜜、肠道液体、土壤、空气和非作物植被(Roubos等人2014年，Chagnon等人2015年，Mogren和Lundgren 2016年，Calvo-Agudo等人2019年)，据报道，对传粉者(Blacquière等人2012年，Whitehorn等人2012年，Rundlöf等人2015年)和天敌有亚致死和致死影响，可能破坏重要的授粉和生物防治服务(Pisa等人2015年，2017年，Calvo-Agudo等人，2019年)。据报道，不同种类的农田鸟类受到了高水平的接触(human - guilleminot等人，2019年)，鹿等大型脊椎动物也受到了亚致命影响(Gibbons等人，2015年，Berheim等人，2019年)。世界各地的蜂蜜中都发现了新烟碱残留，48%的样本中对采蜜昆虫具有潜在的有害浓度(Mitchell等人，2017年)。

自引进新烟碱类药物以来，已报告了1000多例耐药病例(Mota-Sanchez和Wise 2020)。据报道，超过一半的耐药病例发生在世界各地，特别是在美国、欧洲和亚洲(Nauen和Denholm 2005年，Jeschke et al. 2011年)。例如，报告了250和105例耐药病例烟粉虱而且答:棉，分别是棉花和蔬菜中重要的多食性害虫(Mota-Sanchez和Wise 2020)。绿桃蚜虫，Myzus persicae(Sulzer)是世界上最具经济价值的蚜虫害虫，在花卉、作物、水果、树木、谷物、烟草或蔬菜中报告了120例新烟碱类药物耐药性(Bass等人，2015年，Mota-Sanchez和Wise 2020年)。褐飞虱的n .选择性是水稻中最具经济意义的害虫(Mota-Sanchez and Wise 2020)n .选择性(Stål)显示亚洲各地普遍存在耐药性(Bass et al. 2015)。在某些情况下，杀虫剂耐药性导致新烟碱类杀虫剂的使用率增加，或用更古老和更有害的杀虫剂取代新烟碱类杀虫剂(Jeschke等人2011年，Chagnon等人2015年，Simon-Delso等人2015年，Douglas和Tooker 2016年)。

新烟碱类杀虫剂的预防性使用加深了农民对杀虫剂的依赖，并创造了一种系统，在该系统中，农民经历了“去杀”，缺乏足够的资源或经验，无法过渡到更以生态为基础的病虫害管理方法(例如，LaCanne和Lundgren, 2018, Wyckhuys等，2019)。IPM方法的核心组成部分，如害虫监测和基于阈值的决策，由于预防性使用新烟碱类杀虫剂而变得多余(EASAC 2015年)。此外，相对较低的成本、方便的应用模式、量身定制的供应链以及农场应用所需的技术和机械，促进了新烟碱类化合物的当前使用。即使农民更喜欢使用未经处理的种子，获取它也是一项挑战(Simon-Delso et al. 2015, Busch et al. 2020)。

逃避和重组?

目前，有几个立法案例来规范新烟碱的使用。2018年，欧洲联盟(EU)禁止在露天种植中使用经新烟碱类药物噻虫啶、噻虫嗪和吡虫啉处理过的种子(法规(EU) 2018/784;欧盟2018年)。美国环保局宣布了2020年吡虫啉、噻虫啶、噻虫嗪和虫呋喃注册审查的最新情况(U.S.-EPA 2020)，美国马里兰州发布了一项2018年生效的新烟碱类杀虫剂销售禁令(马里兰州2016)。虽然一些限制是针对开花田地作物，以防止它们对传粉者和其他访花者的影响，但非开花作物也会对这些生物体构成同样高的风险(Calvo-Agudo等人，2019年)。针对欧盟早些时候暂停使用新烟碱类化合物，多个欧盟成员国申请了继续使用新烟碱类化合物的紧急授权(欧洲食品安全局2018年)。一些农民和相关游说团体正试图获得减损，因为新烟碱被认为是现代农业不可或缺的。显然，这场辩论的结果将对农民、农化工业和整个社会产生重要影响。

讨论

通过对比全球对新烟碱类杀虫剂的快速使用与五个历史上的农药迁移案例(表1、图2、3和4，附录1)，我们得出了三个关键见解:(i)杀虫剂的吸收和减少受到来自不同社会生态领域的驱动因素的影响，包括“农业”、“农业景观”、“科学和技术”和“社会”，(ii)来自所有四个领域的司机都在执行农药跑步机，而来自“科技”和“社会”的司机是逃离农药跑步机的最重要因素。(iii)新烟碱类案例与历史案例研究有许多相似之处，但也有一些偏离。重要的区别在于，对几种作物来说，新烟碱的吸收速度很快，而且是在全球范围内发生的，而有文献记载的杀虫剂“踏车”的历史例子相当局限于特定的地区和经济作物。此外，虽然历史案例研究中的农药流失只是在作物遭受重大损失后才得以抵消，但目前监管新烟碱类杀虫剂使用的立法主要是出于对非目标生物和环境影响的担忧，而不是出于减轻耐药性发展和相关作物损失的考虑。

历史案例研究表明，已确定的驱动因素可以被归类到概念框架的四个领域(表1)，在苏丹、尼加拉瓜、美国、哥斯达黎加和印度尼西亚也有类似的模式(表1，附录1)。案例研究表明，在“农业”和“农业景观”领域，有两个重要因素引发了农药的跑步;(i)频繁使用农药引发抗药性发展和虫害爆发，(ii)农药对天敌的影响使害虫从自上而下的控制中释放出来(Settle等，1996年)，从而将农民锁定在基于农药的管理中(Swezey等，1986年)。然而，农场层面的决策也可能受到社会和技术领域驱动因素的影响(图1)，其中许多因素超出了农民个人和“农业”领域的控制范围。因此，重要的是要考虑可以在哪个级别上启动转换(Kinzig等人，2006年)。

尽管农药跑步机可能由所有四个领域的驱动因素强制执行，但农业生态问题往往是农药跑步机的基础(表1)。对有限数量作物的大规模单一种植为食草动物提供了丰富和高质量的食物资源，并经常引发害虫种群的积累。主要害虫对杀虫剂的抗药性、害虫的死灰复飞和次级害虫种类通常导致用于管理害虫的杀虫剂的MoA数量、频率和多样性的增加。此外，在历史案例研究中，集中管理和决策，例如通过与作物产量挂钩的银行贷款、农药补贴和农业工业一揽子协议，加速了农药的使用。然而，“科技”和“社会”经常帮助解锁和加速“逃离和重组”阶段。也就是说，科学进步和农民主导的创新，例如农业生态和生物控制，成为苏丹、尼加拉瓜和印度尼西亚等国农民田间学校(FFS)的核心内容(Swezey等人1986年，Settle等人1996年，Bashir等人2003年)。农场对IPM和生物防治的验证直接导致数百万农民逃离跑步机(Matteson 2000, Sigsgaard 2000)。例如，印度尼西亚的农民田间学校运动包括三个支柱:(i)农药的使用被广泛认为是病虫害爆发的主要驱动因素，(ii)数百万农民接受了非化学病虫害管理培训，(iii)农药的使用大幅减少，生物防治取得了巨大成功(Settle等人，1996年，Matteson 2000年，Thorburn 2015年)。

我们的分析表明，目前新烟碱的使用正处于农药使用的“危机和灾难”阶段(图4)。新烟碱的广泛使用、持久性和对广泛有益生物体的毒性强烈表明，如我们的案例研究中所述，伴随农药使用发展的许多生态和社会问题仍然存在(图2和图3 vs. 4;夏侬等人。2015)。就害虫种类和国家数量而言，对新烟碱类药物的耐药性病例不断增加(Mota-Sanchez和Wise 2020)。例如，在亚洲水稻系统中，新烟碱被确定为新的害虫问题和杀虫剂使用增加的驱动因素(Bottrell和schoely 2012)，这表明从IPM培训中吸取的教训已经被放弃。虽然通常通过用一种有效成分替换另一种有效成分来解决耐药性问题，例如用氨基甲酸酯和拟除虫菊酯取代有机氯(Sparks和Lorsbach 2017)，但案例研究表明，这不是未来农业生产的可持续战略。从社会技术的角度来看，特别是预防性使用新烟碱作为一种标准做法，已经形成了一个许多农民缺乏资源、技能和经验来实施不同的病虫害管理战略的系统(EASAC 2015年)。尽管可以有各种替代品取代新烟碱，例如侦察、决策支持工具、低影响杀虫剂或生物防治，但仍需要关于(预防性)使用新烟碱的功效和成本效益的准确和公正的信息。由于推广服务通常由化工公司提供(Giannakas和Fulton, 2005年，Savary等人，2012年)，关于新烟碱使用的信息往往是片面的，因为它是通过农药制造商赞助的项目到达农民的(Tooker等人，2017年)。农民经常被误导，认为逐步淘汰新烟碱将导致产量下降和利润损失，因此他们不愿减少杀虫剂的使用(Goulson 2013, Furlan等人，2018)，这种说法可能是蓄意误导策略的一部分(Oreskes和Conway 2011, Juma 2016, Furlan等人，2018)。然而，新烟碱类种包膜在美国大豆的产量增长微乎其微(Myers and Hill 2014, Mourtzinis et al. 2019)，在美国玉米的产量增长令人怀疑(Seagraves and Lundgren 2012, Krupke et al. 2017)，而对于放弃这些技术的种植者来说，农场层面的利润可以大幅增加(LaCanne and Lundgren 2018)。

新烟碱类药物使用的逃逸和重组

Cowan和Hultén(1996)提出了持久摆脱技术锁定的六个条件。这些是现有技术的危机、不断变化的法规、技术或成本的突破、社会“品味”的变化、活跃的利基市场和新兴技术的早期采用者，以及对正在使用的技术提出质疑的科学结果。鉴于上述情况，我们认为正在缓慢而稳定地摆脱新烟碱类化合物的使用锁定。首先，抗药性的持续发展、更严格的残留要求以及不断变化的监管格局都给农化工业和农民带来了重大挑战(Sparks and Lorsbach 2017, Jørgensen等人2018,Pretty 2018)。尽管我们认识到禁止一种流行杀虫剂所带来的多重挑战，但合理地设计和实施有效的、经济上可行的、切实可行的替代品，以及更广泛的农业系统重新设计，可以实现虫害管理系统的大规模、持久变革(Pretty 2018, Sponsler等人，2019)。在社会上，“品味”的变化体现在消费者、非政府组织、政府和农民对“绿色”和环境友好型农业的日益支持(Byerlee et al. 2009, van Lenteren et al. 2018)。与此同时，科学报告强调了新烟碱类化合物的环境和非靶标影响，并质疑其有效性(Seagraves和Lundgren 2012年，EASAC 2015年，Cimino等人2017年，Mourtzinis等人2019年)。最后，农业生态位的发展，农业食品价值链的创新，以及早期采集者采用无农药或低农药的做法，使适应性学习成为可能，并使非化学替代品得到更广泛的推广(Cowan和Hultén 1996, Vanloqueren和Baret 2009)。案例研究阐明了有效减少农业粮食系统中农药使用的各种关键因素，从而为更公平和可持续的农业生产形式创造空间。例如，苏丹IPM倡议被证明是成功的，因为为早期IPM采用率量身定制的减产补偿计划，从而减少了农民的不确定性并影响了风险认知(Bashir等，2003年)。 In Nicaragua, key components were the coordinated training of IPM specialists and extension officers, and the promotion of microbial pesticides that could be easily incorporated in farming operations (Swezey et al. 1986). The case of Texas cotton shows how a coordinated effort by farmers was needed to switch practices (Cowan and Gunby 1996). In Costa Rica, an increased awareness of pest issues, the development of economic damage threshold levels, and an ultimate ban on all insecticide treatments brought about change (Thrupp 1990). Although a country-wide ban on 57 pesticides constituted a first step toward change in Indonesia, the official (government) endorsement of IPM and hands-on training of millions of farmers on nonchemical pest management ultimately permitted an up to 60% decrease of insecticide use (Oka 1991, Settle et al. 1996, Thorburn 2015). The IPM FFS movement fostered the escape of the treadmill for millions of farmers through farmer innovations, tailored extension programs, and on-farm validation of IPM and biological control. Endorsement of these developments by national governments and international organizations, like FAO, permitted a fast transition toward ecologically-based management techniques (Swezey et al. 1986, Bashir et al. 2003).

目前，已有一套替代虫害控制方法，包括经济损害阈值水平、微生物控制剂、符化学方法和生物控制(Barzman等人，2015年，Furlan和Kreutzweiser, 2015年，Furlan等人，2018年，Jactel等人，2019年)，尽管并非所有替代品在有效性、适用性、持久性和实用性方面排名都很好(Jactel等人，2019年)。最近出现的“颠覆性创新”(Juma 2016)，如机器人除草机、农场级传感、杂草抑制间作作物或基于无人机的天敌递送具有很大的前景(Lamichhane等人，2016年，Iost Filho等人，2020年)。需要采取政治行动来克服最终的经济限制，缓解农民的过渡，并影响使用杀虫剂的成本和收益之间的权衡(Clark和Tilman 2017, Milner和Boyd 2017, van Lenteren等人2018)。一旦替代技术得以成熟并达到可扩展性，无需农化工业的参与，它们就可以打破几十年来依赖化学物质的农业模式。然而，在社会领域也需要发生转变，有效的(双向的)科学家和农民的沟通、协调和合作是成功的决定因素。对农民进行有针对性的教育，例如，填补现有的农业生态知识空白(Wyckhuys等人，2019年)，可能会促进农场试验和采用非化学管理替代品(Pretty 2018年)。

总之，病虫害管理的转型不能脱离社会生态系统的其他组成部分(Lewis et al. 1997, Lamine et al. 2010, Lamine et al. 2011, Letourneau 2012, Barzman et al. 2015)。案例研究表明，法规(如禁令或州法令)、IPM项目和生物控制策略的引入有助于开发对农药依赖性较低的系统(表1)。因此，促进可持续管理实践的采用需要培训、教育和农民对新方法的接受，同时需要政策制定者和监管机构的促进(EASAC 2015年，Furlan和Kreutzweiser 2015年，Dudley等人2017年，Milner和Boyd 2017年，Sponsler等人。2019)。为了促进当前基于新烟碱的病虫害管理的“逃逸和重组”，自上而下的法规需要与自下而上的农民优先的病虫害管理方法相结合(Matteson 2000, MacMillan和Benton 2014, Wyckhuys等人2019)，并积极追求不涉及合成农药的管理实践，如农业生态学。新烟碱的使用引发了一个新的、跨越全球的农药“踏车”循环，但正在采取有希望和坚决的步骤来摆脱这种锁定。当与充分的技术创新、配套政策、健全的公共教育和制度变革相结合时，目前的产品禁令能够大规模、持久地采用以生态为基础的农业计划，这将同时使农民、消费者和环境受益。

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