應(yīng)用超聲波裝置控制害蟲的研究概況

李 璐，艾洪木*，上官明禹

(1.閩臺作物有害生物生態(tài)防控國家重點實驗室，福建農(nóng)林大學(xué)植物保護學(xué)院，福建福州350002；2.福州大禹電子科技有限公司，福建福州350014)

目前，利用聲波裝置發(fā)出類似于昆蟲發(fā)出的超聲波技術(shù)控制害蟲是蟲害防控的重要途徑之一。隨著對昆蟲聲學(xué)行為的研究日益深入，研究者把昆蟲行為學(xué)與物理聲學(xué)技術(shù)相互結(jié)合，利用超聲波來控制害蟲。1949年，首次報道了Année在揚聲器試驗中，利用聲波成功引誘捕獲蚊子的事例。從20世紀(jì)80年代開始，微電子技術(shù)幫助科研人員成功運用各種規(guī)模和能量級的聲學(xué)裝置來誘捕對聲音具有趨向性或其他定向行為的害蟲，包括蚊子(Offenhauseret al，1949)，蟋蟀(Ulagarajet al，1973)，飛蛾(Ageeet al，1969； Maharjanet al，2019)，蟑螂(Mistalet al，2000)和果蠅(Webbet al，1983)。如今，聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于昆蟲的通訊研究、種群水平檢測、地域分布研究、物種多樣性研究以及土壤、木材和糧儲中隱秘害蟲的探測防控等領(lǐng)域中(Mankin，2012)。近年來，對昆蟲聽覺系統(tǒng)的演變和功能的研究(Stumpneret al，2001)、昆蟲通訊行為原理和進化背景的研究(Drosopouloset al，2005)，以及關(guān)于部分害蟲聽覺和交配行為的研究(Hienton，1974)等為進一步應(yīng)用超聲波技術(shù)控制害蟲提供了廣闊前景。本文基于應(yīng)用超聲波裝置控制害蟲的相關(guān)試驗和研究資料，對目前超聲波裝置的分類和作用進行述評并對提高其實際效用提出建議。

1 超聲波防控蟲害的基本原理

超聲波防控蟲害是人類利用超聲波高頻、高能和仿生的特點對害蟲直接造成物理傷害(高華等，2016)或間接干擾其聽覺系統(tǒng)的過程(汪詩凱等，2018)。當(dāng)超聲波的振動頻率在20 Hz以上時，可直接推動傳播介質(zhì)中的微粒往復(fù)振動產(chǎn)生能量直接震碎害蟲內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其死亡，這是增加聲波信號強度和信號吸引力所導(dǎo)致的直接物理傷害的結(jié)果。而相對低頻(10～15 kHZ)的聲波，可被用于干擾害蟲的聽覺系統(tǒng)，研究者通過裝置模擬害蟲天敵或其異性產(chǎn)生的波動頻次，對其進行趨避、阻礙或誘捕(Hienton，1974)。

在超聲波防控裝置的研究中，研究者們通過蟲口調(diào)查試驗和行為操縱測試了不同尺寸和功率的裝置所產(chǎn)生的聲波源對昆蟲的干擾程度。其中包括：通用揚聲器(Walker，1996；Belton，1994)，泡沫板上的大型壓塑片(Ikeshojiet al，1988)，聲學(xué)激光器(Mankinet al，2004)，高音揚聲器(Mileset al，1995)和 MP3 播放型揚聲器(Barberoet al，2009；Chiuet al，2011)等裝置產(chǎn)生超聲波，使空氣中的微粒往復(fù)振動發(fā)出引誘音誘導(dǎo)昆蟲進入陷阱繼而捕殺之。電動換能器(Cocroftet al，2000)和壓電陶瓷換能器(Cocroftet al，2005)已被用于昆蟲行為操縱中產(chǎn)生阻礙音干擾昆蟲種間的信息傳遞或使昆蟲產(chǎn)生厭惡從而趨避之。而大尺寸超聲波裝置和聲學(xué)激光器被構(gòu)造成能產(chǎn)生高強度、遠(yuǎn)距離傳播的聲波信號發(fā)射器(Hienton，1974；Alemet al，2011)，可在不同的介質(zhì)中擊殺害蟲。值得注意的是，在不同時間不同地點針對不同防控對象或者同一對象的不同發(fā)育時期，其超聲波防控方法都可能有巨大差別。

2 超聲波防控害蟲的應(yīng)用

人們利用音、引誘音或產(chǎn)生信息傳遞阻礙音等來防控害蟲，根據(jù)效應(yīng)可將其分為：檢測、誘捕，驅(qū)趕，干擾，擊殺五個方面。

2.1 害蟲的聲信號檢測

利用壓電傳感或光電傳感技術(shù)可以實現(xiàn)害蟲數(shù)量自動記錄，聲信號也可以確定害蟲數(shù)量和害蟲物種或類群的聲識別及分類。由于野外試驗環(huán)境的不穩(wěn)定性，此項技術(shù)常常用于檢測封閉室內(nèi)害蟲(如倉儲害蟲)數(shù)量和種類。人工抽取糧樣，經(jīng)過篩后分析蟲種和數(shù)量是室內(nèi)害蟲檢測的傳統(tǒng)方法。即假設(shè)以糧堆的底面積與高度的乘積確定其規(guī)格，再以規(guī)格的大小對糧堆進行多次分層取樣，但這種方法所需工作量極大且存在明顯的耗時低效的問題。隨著機電設(shè)備分辨檢測聲音震蕩波技術(shù)的發(fā)展，研究者Bertramet al(2004)首次嘗試采用機電設(shè)備對有蟲蛀食痕跡的蘋果進行掃描并且成功檢測到害蟲的吃食聲。他又對谷粒進行了同樣的試驗也相應(yīng)的檢測到了蛀食聲。雖然Bertram的試驗證明了機電設(shè)備檢測害蟲技術(shù)的可行性(鐘偉梁等，2016)，但此設(shè)備受傳感器及環(huán)境噪聲的影響較大。隨著相關(guān)研究的不斷深入，現(xiàn)階段有研究者對Bertram的聲信號檢測設(shè)備進行了改良，后又與糧食害蟲的可視化和計算機管理系統(tǒng)相結(jié)合，使其具備了輕便快速和高靈敏度的特點(齊偉強等，2015)。

此外，現(xiàn)代計算機技術(shù)對超聲波信號的時間和頻率的精確控制具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?，未來可以用這種技術(shù)提高聲波引誘昆蟲的捕獲效率和有效性，尤其是具有二重聲學(xué)效應(yīng)的害蟲，如危害柑橘的亞洲柑橘木虱(Percyet al，2006)。

2.2 UPRS趨避超聲波驅(qū)蟲裝置

Ageeet al(1969)的研究表明，超聲波可以破壞棉鈴蟲的求偶和交配行為。后來Zhaet al(2013)通過進一步的試驗發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲具有能夠檢測到蝙蝠的超聲回聲定位的鼓膜聽覺器官，這可能是它們在超聲波環(huán)境下產(chǎn)生壓力的原因假設(shè)。在超聲波環(huán)境下，棉鈴蟲的取食量和產(chǎn)卵率大大下降。無獨有偶，玉米螟同樣對蝙蝠的超聲波具有回避效應(yīng)，研究者Walker(1996)在以首日清晨為起點的24 h內(nèi)，使用與蝙蝠頻率強度相似的50 ms脈沖聲波對玉米地進行試驗，發(fā)現(xiàn)玉米的受損程度下降了50%。設(shè)定超聲波發(fā)振為28～75 kHz并且選取某葡萄園為試驗地點進行防除嘴壺夜蛾的試驗，最后發(fā)現(xiàn)在一定的音壓范圍內(nèi)，嘴壺夜蛾遷入的數(shù)量明星減少(Walker，1988)。故而推測能夠識別聲波的大多數(shù)蛾類害蟲可利用其對蝙蝠聲波頻率的忌避性進行防控，這種防控的設(shè)備被稱為UPRS(孫凡，1999)。但是部分研究證實，蛾類害蟲和嚙齒動物會逐漸習(xí)慣或慣性躲避這種高頻聲音，受到環(huán)境和昆蟲自身的條件影響，不能達到理想的排斥效果(Gwynne，1995；Drosopouloset al，2005；Conneret al，2012)。 因此，為了提高UPRS的效率，需要產(chǎn)生多個振蕩頻率即發(fā)展掃頻式或合成式的驅(qū)蟲裝置。

目前UPRS趨避超聲波驅(qū)蟲裝置已經(jīng)可以安全高效的防控如蚊子和蟑螂等衛(wèi)生害蟲，這種防蟲方法一方面能有效減少化學(xué)趨避劑的使用，防止土壤和空氣污染；另一方面通過在人口密集區(qū)域內(nèi)加設(shè)聲波信號增強器，可以用經(jīng)濟安全的方法防控瘧疾等蚊蟲攜帶的病害的傳播。因此在部分發(fā)展中國家有大面積推廣的潛力。

2.3 聲波擊殺害蟲

超聲波可通過波振蕩產(chǎn)生的能量將水從昆蟲氣門侵入體內(nèi)，從而使水生害蟲在短時間內(nèi)直接死亡。對陸生害蟲而言，超聲波可將其在空氣中直接擊殺。但由于目前單純使用波的能量對害蟲進行殺害的控制變量較多，故通常需要結(jié)合其他手段綜合滅蟲(Schumake，1995)。

2.4 EPR電子滅蟲器

為了提高殺蟲的效率，人們常常利用害蟲的趨性或其生活習(xí)性，設(shè)計誘殺，如使用引誘音結(jié)合化學(xué)引誘劑、黑光燈或粘蟲紙等手段，通過監(jiān)測設(shè)備得到害蟲活動時間和頻率進行防控。

日本研究者Ikeshojiet al(1985)將誘集和誘殺相結(jié)合，把100只伊蚊放進一定大小(約30 cm2)的籠子里，并在籠子內(nèi)側(cè)糊上捕蠅紙，底部放置一個裝有揚聲器的大燒杯。其中揚聲器被設(shè)置與雌蚊羽音相當(dāng)?shù)?66 Hz的聲音，每天發(fā)振48次，每次15 min，結(jié)果在3～4 d內(nèi)所有的雄蚊都被引誘捕殺，導(dǎo)致雌蚊受精率大大減少。這是最早出現(xiàn)的EPR防控害蟲的試驗，為后期超聲波裝置大范圍誘捕害蟲提供了依據(jù)。

超聲波也可以是確保出口無蟲產(chǎn)品的方法之一。例如，Hansen(2001)研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以消除一些水果表面的有害生物，在植物檢疫中具有累積效應(yīng)。從而推測比研究中測試的更強大的超聲波單元可能具有消除果實表面上鱗片和卵的能力，聲波可以直接檢測到隱匿于水果和谷物中害蟲的聲信息和侵害程度，從而進行量化和處理。

2.5 信息傳遞阻礙音的應(yīng)用

信息傳遞阻礙音對半翅目害蟲防控有著較好的應(yīng)用前景。Cicadatra alhageos(Kolenati)(半翅目：蟬科)是中東葡萄的主要害蟲。由于其交配機制是雄性產(chǎn)生聲音以吸引雌性，研究者Mehdipouret al(2016)大膽猜測：破壞Cicadatra alhageos的性交流可能是控制其危害的方法之一。故而他研究了超聲波干擾對求偶雄性的破壞性影響，通過試驗發(fā)現(xiàn)，離田間破壞信號源越近的葡萄枝，雌性在其枝干上的產(chǎn)卵量越少。故而推測聲刺激可能是針對使用聲學(xué)振動求偶害蟲的有效且低成本的控制方法。人工模擬雄性地中海果蠅類求偶聲對雌性果蠅的吸引力研究(Silver，2007)中，觀察了存在和不存在雄性果蠅聲音的情況下雌性蠅的求偶行為，發(fā)現(xiàn)最強的引誘陷阱是在67 dB聲壓級下播放150 Hz信號，比非聲誘餌陷阱吸引的雌性多28%。這項研究表明，使用聲音陷阱，可以用來加強對尋找配偶的雌性蠅的引誘力。利用聲音使昆蟲產(chǎn)生抗引誘物質(zhì)，從而間接地使昆蟲產(chǎn)生忌避行為，也是防御害蟲的一種有效方法。此外，在一項研究中發(fā)現(xiàn)，長時間暴露于超聲波之中的棉鈴蟲其乙酰膽堿酯酶活性發(fā)生了顯著的變化，故而推測蛾類暴露于超聲波引起的壓力可能是其膽堿能系統(tǒng)在進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)(Zhaet al，2008)。

2.6 超聲波的綜合應(yīng)用

值得注意的是，利用超聲波綜合防控室內(nèi)(如糧倉、圖書館等)害蟲是高效可行的手段。儲糧害蟲聲學(xué)測報技術(shù)始終是昆蟲聲學(xué)這一領(lǐng)域中的研究熱點。超聲波技術(shù)具體可用于倉儲害蟲的聲信號的檢測，檢測器捕獲害蟲，EPR電子滅蟲，利用壓電傳感或光電傳感技術(shù)實現(xiàn)害蟲數(shù)量自動記錄，聲信號確定害蟲數(shù)量，儲糧害蟲物種或類群的聲識別及分類等幾個方面。

有資料記載，僅在1914—1918年間，倉儲害蟲就在澳洲造成了巨大的儲糧損失，當(dāng)?shù)啬臣Z食堆存場一天之內(nèi)竟然篩出1 t的米象，其損失連同防除費用超過100萬澳元。曾有人估計，全世界糧食每年因倉儲害蟲啃食危害造成的豆類、糧食、油料的損失約占總儲存量的5%(Sherritet al，1999)。小尺寸超聲波裝置被安置室內(nèi)(如糧倉、圖書館等)發(fā)散聲波，為定位害蟲位置和預(yù)估種群數(shù)量提供了便利(Belton，1972)。研究倉儲害蟲物種的識別問題，有利于盡早制定防控方案，最大限度地避免使用化學(xué)藥劑，提升防治效率，增強防控效果，達到科學(xué)保糧的目的。

3 超聲波防控蟲害的局限性

超聲波裝置的實際效用受多種因素制約，主要是受目標(biāo)昆蟲和環(huán)境影響(Cocroftet al，2000)。雖然在倉庫等密閉空間中自然環(huán)境對聲波干擾的程度會大大降低，但糧食害蟲不同物種活動行為及體能存在著明顯差異，其種群在形態(tài)特征、生物功能、生理代謝、行為及生態(tài)適應(yīng)性方面存在著反映本身生物學(xué)屬性的信息。害蟲在發(fā)育的不同階段，其發(fā)聲不盡相同，尤其在時間地域特征上更是截然不同(Stumpneret al，2001)，研究者由此認(rèn)為不同物種的聲信息必然存在著一定的差異，從而開始將倉儲害蟲發(fā)聲特征發(fā)展為種類鑒別的手段之一，結(jié)合壓電傳感技術(shù)為有針對性地防治害蟲提供了依據(jù)，總的來說這一技術(shù)仍有較大的發(fā)展空間。陷阱的吸引力強弱也隨著時間的推移和不同的種群群體而變化。例如，模擬雄性蟋蟀的呼喚聲通?？梢晕菩?，但當(dāng)聲波強度過高時，卻抑制了雌性的運動甚至驅(qū)使雌性離開。因此在環(huán)境多變的野外農(nóng)田中超聲波裝置能否完全發(fā)揮其功效有待商榷。

除此之外，已經(jīng)有很多試驗表明，許多被蝙蝠捕食的昆蟲(尤為蛾類)會在探測到類似回聲定位的超聲信號時潛入地面或逃離。在一項研究(Forrestet al，1995)中，將含有超聲揚聲器的光陷阱放置在含有棉鈴蟲和歐洲玉米螟的玉米田中。揚聲器按照1/100～1/1000的占空比，發(fā)出1 ms，25 kHz的脈沖，模擬局部食蟲蝙蝠在回聲定位時發(fā)出的脈沖率和持續(xù)時間，最后發(fā)現(xiàn)高脈沖率比低脈沖率對光陷阱捕獲產(chǎn)生更強的負(fù)反饋，并且棉鈴蟲受到的影響比歐洲玉米螟更強。這些相關(guān)研究的結(jié)果表明，昆蟲的行為習(xí)慣和聲音陰影(聲音陰影是聲波不能傳播的區(qū)域，由于地形障礙或通過諸如風(fēng)流，建筑物或聲障等現(xiàn)象破壞波浪)的影響使超聲波驅(qū)避信號無法有效的抑制昆蟲產(chǎn)卵或減少農(nóng)田經(jīng)濟損失(Agee，1969)。

4 結(jié)語與展望

以上概述了超聲波防控害蟲的原理和效應(yīng)。到目前為止，超聲波技術(shù)在害蟲的控制方面已取得良好的成效，特別是在倉儲、圖書館等室內(nèi)害蟲和家庭衛(wèi)生害蟲的除治等方面頗見成效。通過各個方法之間的取長補短，多種防控技術(shù)的結(jié)合是超聲波防控害蟲的必然趨勢。

超聲波裝置管理害蟲的效能與蟲害本身、自然環(huán)境和傳播介質(zhì)等因素密切相關(guān)，針對目前國內(nèi)在農(nóng)田森林等野外場所超聲波裝置研制推廣不夠普遍，本文提出以下幾點建議：(1)利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)傳遞不同時間模式的多種聲音和振動信號頻率，對特定狀態(tài)下的害蟲進行程序化的超聲波防控設(shè)計，基本可以達到超聲波管理裝置精確化，高效化和經(jīng)濟效益最大化。(2)利用目前世界上使用的超聲波干擾和誘捕陷阱的成熟技術(shù)，通過改變信號強度以不可預(yù)測的間隔呈現(xiàn)脈沖信號，混合頻率信號，使移動信號源或傳遞信號源等技術(shù)途徑達到超聲波防治病蟲的有效性。(3)加強超聲波產(chǎn)品的生物學(xué)研究效應(yīng)，為物理方法控制有害生物研究探討提供技術(shù)支持，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行改良和新型產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品的市場化開發(fā)。

總而言之，超聲波防控蟲害技術(shù)還有很大的提升空間，需要我們不斷研究和創(chuàng)新，為我國害蟲的綜合防控決策提供科學(xué)和可操作的依據(jù)。