一種多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

何旭棟李思鈺季慧華陳華才

(1.中國計(jì)量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州益昊農(nóng)業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 310018)

在外界光照的刺激下,昆蟲會(huì)做出定向行動(dòng)反應(yīng),其中靠近光源的行動(dòng)稱為正趨光性,背離光源的行動(dòng)稱為負(fù)趨光性[1]。研究昆蟲對(duì)不同光波的趨性，將特征光波用于農(nóng)業(yè)害蟲的防治，對(duì)實(shí)現(xiàn)誘集害蟲、趨避益蟲的目的具有非常重要的作用，可以更好地為開展綠色防控研究和應(yīng)用提供參考和借鑒。

國內(nèi)外對(duì)昆蟲趨光性相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道有很多，相關(guān)昆蟲行為實(shí)驗(yàn)都是采用自制的實(shí)驗(yàn)裝置，沒有統(tǒng)一規(guī)格和要求。林明江等采用直管實(shí)驗(yàn)裝置，利用暗室/亮室的對(duì)比設(shè)計(jì)，研究甘蔗螟蟲趨光性反應(yīng)，得到誘捕不同種甘蔗螟蟲最有效的波長[2]。還有許多研究者采用暗室/亮室的設(shè)計(jì)，如郭健玲等利用這個(gè)方法研究3種扁谷盜對(duì)不同波長光趨性，裝置將腔體分為3個(gè)部分：棲息反應(yīng)室、趨光反應(yīng)室、避光反應(yīng)室，每次采用一種波長進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到誘捕效果最好的波長[3]。Jun-Hwan Park等人利用自制Y型迷宮腔探究米象蟲的趨光性，將米象蟲放置在連接點(diǎn)，兩端分別用對(duì)照光源和實(shí)驗(yàn)光源進(jìn)行照射，實(shí)驗(yàn)得出藍(lán)光(84.3%)對(duì)米象蟲最有吸引力[4]。與此較為相似的是Min-Gi Kim等人利用L型實(shí)驗(yàn)裝置，將麥蛾成蟲投放到裝置折點(diǎn)，同樣在兩端設(shè)置對(duì)照光源和實(shí)驗(yàn)光源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明365nm波長的光源對(duì)麥蛾成蟲具有最好的誘捕效果[5]。以上這些實(shí)驗(yàn)都是單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)昆蟲只能在實(shí)驗(yàn)光源和對(duì)照光源二者中作出選擇。關(guān)于多種波長同時(shí)實(shí)驗(yàn)的裝置，丁巖欽等曾在1974年利用自制的裝置研究棉鈴蟲和煙青蟲成蟲的趨光性反應(yīng)，該裝置利用波長選擇器得到不同波長，4個(gè)通道的設(shè)計(jì)一次性最多可以比較4種波長，最終得到棉鈴蟲和煙青蟲對(duì)333nm的光源最敏感[6]。Mazza等利用相似的裝置得到薊馬的趨性峰在紫外315nm處[7]。

以上雙通道(單因素)及四通道的實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題是，供試?yán)ハx必須面對(duì)被動(dòng)的選擇壓力，容易引起實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。為此設(shè)計(jì)一種多通道(多光譜)昆蟲趨光性行為實(shí)驗(yàn)裝置，讓供試?yán)ハx在多通道中對(duì)不同波長的光源作出自由的選擇，避免昆蟲趨光性行為受到被動(dòng)選擇壓力的影響，并以此裝置進(jìn)行了庫蚊的趨光性行為研究。

庫蚊屬蚊科庫蚊亞科，分布極其廣泛，是蚊科的第2大屬，已知800余種和亞種。庫蚊是傳播多種疾病的重要媒介，流行性乙型腦炎以及多種馬腦脊髓炎等均是由庫蚊傳播的。蚊蟲的趨光性實(shí)驗(yàn)?zāi)壳昂苌儆腥搜芯?，李思鈺曾?jīng)對(duì)蚊蟲的趨光性進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)[8]。

1 多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置主體由3個(gè)部分組成，包括昆蟲投放室、誘蟲通道和控制電路，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2是裝置的結(jié)構(gòu)拆分圖。其中昆蟲投放室主要由圓柱形腔體和頂部的昆蟲釋放口組成，誘蟲通道分為3部分，分別是連接管、昆蟲收集器和單色LED誘蟲光源；昆蟲投放室的主要作用是用于投放實(shí)驗(yàn)昆蟲，LED誘蟲光源通過連接管與投放室腔壁上的圓形開口相連。昆蟲收集器由電機(jī)葉輪和昆蟲收集袋構(gòu)成，用于捕獲實(shí)驗(yàn)昆蟲，其通過T型連接管與誘蟲通道連接。

圖1 多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)拆分圖1.昆蟲投放室；2.誘蟲通道；3.控制電路；4.頂蓋；5.昆蟲釋放口；6.懸空隔離條；7.連接管；8.昆蟲收集器；9.單色LED誘蟲光源；10.T型三通連接管；11.電機(jī)葉輪；12.昆蟲收集袋

1.1 工作原理

昆蟲投放室為一圓柱形腔體，內(nèi)壁敷貼黑色燈芯絨布料。LED光源以及昆蟲收集器通過連接管與腔體上的圓形開口相連接。LED光源發(fā)出特定波長的光，通過連接管照進(jìn)昆蟲投放室，昆蟲投放室內(nèi)的昆蟲感受到不同波長的光源，選擇進(jìn)入其最敏感的光源的連接管。當(dāng)昆蟲靠近光源時(shí)，被電機(jī)葉輪產(chǎn)生的倒吸式氣流吸入昆蟲收集袋，風(fēng)干致死。

圖3 裝置工作原理圖

1.2 裝置特點(diǎn)

1.2.1 光譜范圍廣

多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置一共設(shè)有16條單色LED通道，可以自由組合光譜范圍。

1.2.2 多光譜同時(shí)工作，效率高

與傳統(tǒng)的測試?yán)ハx趨光性實(shí)驗(yàn)裝置最大的不同在于其實(shí)現(xiàn)了多光譜同時(shí)工作。每個(gè)通道內(nèi)的光源都是獨(dú)立互不影響的，由于實(shí)驗(yàn)昆蟲均處于同一個(gè)昆蟲投放室中，保證了所處的環(huán)境都相同，避免了環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置無法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，光譜同時(shí)工作的方式可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。

1.2.3 結(jié)果精確

為了降低裝置本身可能帶來的誤差，對(duì)多個(gè)部分都進(jìn)行了處理，如，昆蟲投放室內(nèi)壁貼有黑色燈芯絨，可以減少各個(gè)通道的光線反射避免相互干擾；昆蟲收集袋的鏤空設(shè)計(jì)，保證在電機(jī)葉輪工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓不會(huì)對(duì)昆蟲造成影響，使影響昆蟲趨向性的因素只有光源波長。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)可調(diào)，多樣化

多光譜誘蟲實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以探究蚊蟲對(duì)各波長光源的趨向性反應(yīng)，還可以通過改變連接管的長度進(jìn)一步探究不同光強(qiáng)、工作距離對(duì)昆蟲趨光性的影響。

2 庫蚊趨光性實(shí)驗(yàn)研究

用于實(shí)驗(yàn)的庫蚊為杭州種群，為了保證庫蚊的活力，實(shí)驗(yàn)前需要將其培養(yǎng)于蚊籠中，并定期提供糖水。此外，蚊籠內(nèi)的環(huán)境應(yīng)調(diào)到適宜庫蚊生存的條件，溫度控制在25℃左右，相對(duì)濕度RH保持在70%。從蚊籠中選取450只具有活力的庫蚊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用前述裝置進(jìn)行，選取16條通道參與實(shí)驗(yàn)，且設(shè)置每條通道的工作長度為60cm。實(shí)驗(yàn)開始前利用光譜儀測得參與實(shí)驗(yàn)的光源的峰值波長分別為365nm、380nm、390nm、405nm、420nm、430nm、450nm、460nm、520nm、580nm、590nm、610nm、660nm、730nm，最后一組采用白光光源進(jìn)行對(duì)照，利用功率計(jì)測得各光源的額定功率均在2W左右。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在暗室，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為20∶00—次日8∶00，共12h，為了避免庫蚊對(duì)環(huán)境不適應(yīng)而死亡，將室溫控制在25℃左右，濕度控制為70%。實(shí)驗(yàn)分3組進(jìn)行，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

選定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選取150只大小相近，具有活力的庫蚊作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，誘蟲通道的長度統(tǒng)一定為60cm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間定為20∶00—次日8∶00，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為25℃,相對(duì)濕度RH為70%。

打開裝置頂部的昆蟲釋放口，將選取好的庫蚊投入昆蟲投放室中，關(guān)閉釋放口。接通電源前，先對(duì)用于實(shí)驗(yàn)的庫蚊進(jìn)行1h的暗處理。

暗處理結(jié)束后，接通裝置電源，各波長光源發(fā)光，電機(jī)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)開始。

次日8∶00，關(guān)閉裝置電源，統(tǒng)計(jì)并記錄各波長光源對(duì)應(yīng)的昆蟲收集袋中的庫蚊數(shù)量，并清理昆蟲收集器。

打開裝置頂蓋，拆下連接管，清理未進(jìn)入昆蟲收集器中的庫蚊，并記錄數(shù)據(jù)，清理結(jié)束后重新連接裝置準(zhǔn)備進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

光源對(duì)庫蚊誘集率通過下式計(jì)算：

式中，Q為光源的蚊蟲誘集率；T為實(shí)驗(yàn)組光源誘集到的蚊蟲的數(shù)量；C為用于實(shí)驗(yàn)的蚊蟲的總數(shù)量。

通過專業(yè)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，經(jīng)過Duncan法的多重分析后，得出各波長光源的平均誘集率和標(biāo)準(zhǔn)差及其顯著性差異。

圖4 庫蚊趨光性行為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)果與分析

庫蚊對(duì)不同波長光源的趨光率如表1所示。

表1 不同波長LED光源對(duì)庫蚊的誘集率

可以看出庫蚊對(duì)不同光源的趨向性存在一定的差異。中心波長為365nm、405nm、420nm以及450nm的LED光源誘集到的蚊蟲數(shù)量顯著多于其它光源，特別是365nm、420nm的光源對(duì)庫蚊的誘集數(shù)量極顯著高于其它光源，其次是405nm和450nm的光源，誘集的蚊蟲數(shù)量都顯著高于對(duì)照組白光光源。中心波長為520nm、580nm、590nm和850nm的LED光源對(duì)庫蚊并無誘捕作用。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)庫蚊對(duì)不同光波長的趨向性的實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論:在環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為70%的暗室條件下，庫蚊對(duì)365～460nm波段的紫外和藍(lán)紫光光源的趨向性明顯；在365～460nm這個(gè)波長范圍內(nèi)，庫蚊對(duì)365nm、405nm、420nm和450nm的趨向性相對(duì)突出，其中光源波長為365nm和420nm，誘蚊效果最顯著，誘集率均在23%左右，405nm和450nm波長的光源庫蚊誘集率均在10%以上，盡管誘集效果沒有365nm和420nm突出，但是仍優(yōu)于其它光源波段。分析實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，并結(jié)合對(duì)照組白光光源，可以發(fā)現(xiàn)，除了紫外和藍(lán)紫光，庫蚊對(duì)其它光源的趨向性都很弱，誘集率均不足2%。庫蚊對(duì)黃光和紅外光均無趨向性，進(jìn)一步分析可知蚊蟲復(fù)眼無法識(shí)別紅外光波段，對(duì)830nm的光源不會(huì)存在趨向性，而蚊蟲是可以識(shí)別黃光的，由此推斷庫蚊對(duì)其具有趨避性，可以做出進(jìn)一步的探究。