基于昆蟲性信息素的綜合害蟲防控（IPM）新技術(shù)應(yīng)用

史姝娜 于廣威 李圣辰

摘要 通過對昆蟲性信息素的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出可以將昆蟲性信息素技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)及人工智能相結(jié)合對靶標(biāo)害蟲進(jìn)行監(jiān)測，并制定綜合防控方案對靶標(biāo)害蟲進(jìn)行綜合防治，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

關(guān)鍵詞 昆蟲性信息素;監(jiān)測;人工智能;綜合防控

中圖分類號 S476? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）05-0126-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.031

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Integrated Pest Management Based on Insect Sex Pheromone

SHI? Shu-na1，2， YU Guang-wei1，LI? Sheng-chen3

（1.Weifang University of Science and Technology，Shouguang， Shandong 262700;2.Graduate School of Technology Management，Pukyong National University， Busan， South Korea 45813;3.Qingdao Russell Biotechnology Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong 266100）

Abstract Based on the analysis of the application status of insect sex pheromone， this paper proposed that the technology of insect sex pheromone could be combined with internet of things and artificial intelligence to monitor the target pests， and the comprehensive prevention and control scheme could be formulated to achieve the best economic， social and ecological benefits.

Key words Insect sex pheromone;Monitoring;Artificial intelligence;Integrated pest management

作者簡介 史姝娜（1986—），女，甘肅定西人，工程師，從事科技管理、農(nóng)業(yè)科普研究。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事病蟲害綠色防控研究。

收稿日期 2021-06-24;修回日期 2021-10-27

近年來，化學(xué)殺蟲劑在蟲害防控中的使用越來越廣泛，導(dǎo)致大量靶標(biāo)害蟲對有機(jī)磷類、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類等化學(xué)殺蟲劑耐受力明顯增強(qiáng)，抗藥性現(xiàn)象日漸突出[1]。而且化學(xué)農(nóng)藥過量使用給蔬菜及糧食的安全帶來巨大的隱患，使土壤污染日益嚴(yán)重[2-4]。

昆蟲性信息素是由昆蟲的某一雌性或雄性個(gè)體性腺體分泌、釋放于體外，只能被同種異性個(gè)體的感受器所識別，并引起異性個(gè)體產(chǎn)生覓偶定向、求偶交配等一定的生殖行為，從而幫助同種昆蟲順利交配的極微量化學(xué)物質(zhì)[5]。昆蟲性信息素具有使用量低、生物活性高、不產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)勢，而且昆蟲性信息素只對同種類的異性具有極其強(qiáng)烈引誘作用，專一性強(qiáng)，可以更好地保護(hù)天敵，是一類極具發(fā)展前景的生物農(nóng)藥[6-8]。

1 昆蟲性信息素的發(fā)展進(jìn)程

1959年，德國科學(xué)家Butenandt首次從雌蛾家蠶中提取、分離、鑒定了其性信息素蠶蛾醇[9];1979年，美國正式批準(zhǔn)了紅鈴蟲、家蠅、舞毒蛾和日本麗金蠅4種昆蟲性信息素用于防治農(nóng)業(yè)害蟲;1978年，全球第一個(gè)迷向產(chǎn)品（棉紅鈴蟲）在美國登記;1983年，日本第一個(gè)迷向產(chǎn)品（茶小卷葉蛾）登記;1991年，第一個(gè)蘋果蠹蛾迷向散發(fā)器在美國登記;截至目前，上千種昆蟲的性信息素已經(jīng)進(jìn)行了成功的鑒定，且人工合成其中的絕大部分，上百種昆蟲性信息素已商品化生產(chǎn)[10]。

我國以中國科學(xué)院動物所、上海生命科學(xué)研究院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等為代表的科研機(jī)構(gòu)也很早開始這方面的研究，但大部分產(chǎn)品和技術(shù)僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，并未真正地將這些綠色蟲控產(chǎn)品與技術(shù)實(shí)現(xiàn)商品化。

近年來，隨著國家《農(nóng)藥管理?xiàng)l例》（2017年修訂版）、《關(guān)于創(chuàng)新體制機(jī)制推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的意見》等相關(guān)法律文件的推出，說明在以后的病蟲害防控中，要加快轉(zhuǎn)變病蟲防控方式，大力推行綠色防控替代化學(xué)防治，逐步減少化學(xué)農(nóng)藥用量，改進(jìn)產(chǎn)品品質(zhì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，昆蟲性信息素因其“零”殘留、“零”污染的特性，得到快速發(fā)展，尤其是近年來，部分主要害蟲的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)獲得了登記，國內(nèi)部分昆蟲性信息素登記情況見表1。

2 昆蟲性信息素的基本介紹

2.1 昆蟲性信息素的作用機(jī)理

昆蟲之間的交配行為由一套基于性信息素的化學(xué)通信系統(tǒng)所主導(dǎo)。這套系統(tǒng)是由釋放系統(tǒng)（性信息素釋放器）、傳遞系統(tǒng)（傳播信息素的介質(zhì)）和接收系統(tǒng)（接收信息素分子的器官）所組成[11]。

釋放系統(tǒng)：昆蟲性信息素一般由昆蟲成蟲性腺體成熟后分泌產(chǎn)生，不同種類昆蟲的分泌腺體有所差異[12]。 如鱗翅目螟蛾科的雌性成蟲大多數(shù)種類性信息素釋放腺體位于第 8、9腹節(jié)節(jié)間膜背部[13]，而鱗翅目的多數(shù)蝶類雄性昆蟲成蟲的性信息素釋放器多位于翅上[14]。

傳遞系統(tǒng)：昆蟲性信息素主要通過空氣傳播[15]。

接收系統(tǒng)：即昆蟲性信息素的識別系統(tǒng)，昆蟲性信息素的識別主要依靠昆蟲觸角和感覺毛等部位的化感器。昆蟲性信息素分子的特定的性信息素結(jié)合蛋白與淋巴液中相對應(yīng)的氣味結(jié)合蛋白結(jié)合，然后神經(jīng)系統(tǒng)即對同種異性昆蟲作出相應(yīng)的求偶行為[16]。

昆蟲正是通過這一套化學(xué)通信系統(tǒng)進(jìn)行交配、產(chǎn)卵、繁殖后代，在自然界中，一般情況下昆蟲的雌性成蟲釋放昆蟲性信息素，同種類雄性昆蟲識別后進(jìn)行交配;但也有少數(shù)昆蟲性信息素由雄蟲釋放，引誘同種類雌蟲進(jìn)行交配，或者雌蟲、雄蟲同時(shí)釋放昆蟲性信息素進(jìn)行相互吸引[17]。

昆蟲性信息素就是基于這一原理的仿生產(chǎn)品，通過模擬雌性或雄性靶標(biāo)害蟲釋放的性信息素，搭配固定的設(shè)備，干擾雌雄交配，最終達(dá)到害蟲識別、監(jiān)測及防治的目的。

2.2 昆蟲性信息素的基本特征與功能

（1）敏感度高。大部分昆蟲嗅覺器官發(fā)達(dá)，可以感受幾千米甚至十幾千米外的微量氣味，如雄性蜜蜂可嗅到2 km遠(yuǎn)雌蜂散發(fā)的氣味;雄王蝶在11 km外可以感受到雌王蝶釋放的氣味;1 mg切葉蟻信息素，可引導(dǎo)同伴繞地球3周。

（2）特異性強(qiáng)。昆蟲性信息素只針對同種昆蟲的行為起調(diào)節(jié)作用，對其進(jìn)行監(jiān)測、誘捕及迷向，可以對靶標(biāo)害蟲進(jìn)行防控而很好地保護(hù)天敵。

（3）操作簡單。昆蟲性信息素在使用過程中只需要與固定類型的誘捕器或迷向設(shè)施進(jìn)行搭配，即可對靶標(biāo)害蟲進(jìn)行誘捕、迷向，與藥劑防治相比具有操作簡單、省時(shí)、省力等優(yōu)勢。

（4）持效期長。將昆蟲性信息素通過溶劑加入緩釋載體（橡膠塞、PVC管、緩釋小瓶等）中，其持續(xù)釋放時(shí)間達(dá)幾個(gè)月;因此在防治靶標(biāo)害蟲方面，昆蟲性信息素的使用頻率遠(yuǎn)低于普通化學(xué)藥劑。

（5）提高作物品質(zhì)。昆蟲性信息素具有“零”污染、“零”殘留等特點(diǎn)，通過對靶標(biāo)害蟲的監(jiān)測及用迷向技術(shù)防治抗藥性強(qiáng)的害蟲，可以做到完全覆蓋，持續(xù)壓低蟲口密度（尤其針對鉆蛀性害蟲的隱蔽階段，更具有化學(xué)藥劑難以企及的優(yōu)勢），從而減少化學(xué)藥劑使用量，降低農(nóng)殘，提升蔬菜、水果、糧食作物的品質(zhì)。

2.3 現(xiàn)階段昆蟲性信息素的主要應(yīng)用技術(shù)

依據(jù)昆蟲性信息素有效成分及含量、使用方法、作用效果的不同可以將昆蟲性信息素分為監(jiān)測及防治（誘捕和趨避）2種[18-21]。

2.3.1 監(jiān)測。昆蟲性信息素單個(gè)誘芯含量為10-4～10-3g。以北方具有越冬特性的靶標(biāo)害蟲為例，在春天靶標(biāo)害蟲發(fā)生前14 d左右，在田間按照3～5套/hm2的數(shù)量懸掛靶標(biāo)害蟲性誘捕裝置，性誘捕裝置內(nèi)含昆蟲性信息素，專一性地吸引同種異性與之交配。通過昆蟲性誘捕裝置對靶標(biāo)害蟲的發(fā)生動態(tài)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測：自誘捕到第一頭靶標(biāo)害蟲雄性成蟲開始，每天記錄誘捕到的靶標(biāo)害蟲數(shù)量，統(tǒng)計(jì)其越冬代靶標(biāo)害蟲的蟲蛹羽化始發(fā)期、高峰期，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臏貪穸取⑼寥罍貪穸?、降雨量等環(huán)境條件預(yù)測越冬代成蟲的產(chǎn)卵高峰期、初代幼蟲的卵孵化高峰期、初代幼蟲的危害高峰期。通過對靶標(biāo)害蟲動態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)掌握靶標(biāo)害蟲發(fā)生動態(tài)，分布、擴(kuò)散、危害及消長動態(tài)情況，指導(dǎo)其科學(xué)用藥，在初代靶標(biāo)害蟲的卵期及幼蟲的低齡期進(jìn)行防治，全面壓低初代靶標(biāo)害蟲的數(shù)量，對控制靶標(biāo)害蟲后續(xù)的發(fā)生具有極其重要的意義。

2.3.2 誘捕。昆蟲性信息素單個(gè)誘芯含量10-4～10-3g。

昆蟲性信息素與固定誘捕器搭配后，按照45～75套/hm2數(shù)量，依據(jù)作物生長情況（蔬菜、玉米等農(nóng)作物按照1.0～1.5 m的高度懸掛，或根據(jù)作物實(shí)際情況而定;果樹一般懸掛于陰面通風(fēng)處的樹干上，懸掛高度在株高的2/3處或根據(jù)實(shí)際情況而定）對誘捕器進(jìn)行棋盤式懸掛。捕獲前來“親密付會”的成蟲，減少靶標(biāo)害蟲成蟲雌蟲或雄蟲數(shù)量，影響雌雄比例，從而減少雌蟲交配產(chǎn)卵的機(jī)會，減少幼蟲數(shù)量，保護(hù)寄主免受傷害[22]。

2.3.3 迷向。昆蟲性信息素單根迷向絲含量10-2～10-1g。通過在空氣中釋放大量人工合成的昆蟲性信息素，使靶標(biāo)害蟲的雌雄成蟲長久處于高濃度的人工激素環(huán)境中，感受器產(chǎn)生適應(yīng)性，對性信息素失去反應(yīng)，令靶標(biāo)害蟲雌性或雄性成蟲不能準(zhǔn)確定位異性，破壞靶標(biāo)害蟲的正常交尾，導(dǎo)致雌雄交配概率降低，從而不能完成交配、產(chǎn)卵，使下一代種群密度降低[23]。昆蟲迷向劑的使用時(shí)間：越冬代成蟲揚(yáng)飛期前，懸掛監(jiān)測誘捕器，誘到第一頭成蟲時(shí)，開始使用迷向散發(fā)器，直至作物完成整個(gè)生育期。

2.3.4 昆蟲的鑒別。昆蟲性信息素在對靶標(biāo)害蟲進(jìn)行監(jiān)測與防治的同時(shí)，可以依據(jù)專一性強(qiáng)的特性對近似昆蟲或者分類上容易混淆昆蟲進(jìn)行鑒定。

3 昆蟲信息素發(fā)展優(yōu)勢與缺陷

作為一種在國內(nèi)興起不久的生物農(nóng)藥，具有以下優(yōu)勢：①專一性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、對環(huán)境友好、使用方便;②可以通過大量誘捕靶標(biāo)害蟲的成蟲及對靶標(biāo)害蟲的成蟲進(jìn)行迷向等方法，大幅度降低靶標(biāo)害蟲雄蟲與雌蟲的交配概率，從而從根源上大幅度降低其靶標(biāo)害蟲主要危害階段幼蟲的數(shù)量[24];③對靶標(biāo)害蟲的監(jiān)測能力可以有效指導(dǎo)農(nóng)藥的使用，在靶標(biāo)害蟲的低齡期對其滅殺，以最小的經(jīng)濟(jì)成本最大程度上降低靶標(biāo)害蟲對作物的危害;④化學(xué)結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性和特殊性，可以有效保護(hù)天敵，維持生態(tài)平衡;⑤降低農(nóng)藥用量和勞動力成本，解決農(nóng)藥殘留問題，有利于恢復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[25]。

然而昆蟲性信息素在蟲害防控中也存在諸多不足，導(dǎo)致其發(fā)展受到一定的限制：①性迷向類產(chǎn)品具有很高的專一性，如梨小食心蟲性迷向技術(shù)只防治梨小食心蟲，不能同時(shí)兼治其他害蟲，可能使盲蝽蟓等次要害蟲的危害上升;②某些危害較重的靶標(biāo)害蟲（薊馬、煙粉虱、白粉虱、螨蟲、瓜絹螟等），目前市面上并未有效果良好的產(chǎn)品，當(dāng)多種蟲害同時(shí)發(fā)生時(shí)，農(nóng)業(yè)種植者仍需要進(jìn)行噴藥，并不能顯著降低其施藥、用工成本;③使用迷向技術(shù)時(shí)，處理果園的面積越大效果越好，最好的使用面積不低于2 hm2，且其周邊200 m的范圍內(nèi)不應(yīng)有未防治的其他寄主果園。而我國農(nóng)業(yè)種植仍以小農(nóng)戶為主，這極大地限制了昆蟲性信息素的發(fā)展;④種植戶的技術(shù)水平有限，不能掌握昆蟲性信息素對靶標(biāo)害蟲的監(jiān)測技術(shù)，以及對昆蟲性誘捕裝置、迷向絲進(jìn)行合理使用。

4 基于昆蟲性信息素的蟲害綜合防控技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)（AI）的快速發(fā)展，可以將昆蟲性信息素與AI進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，制定針對某種作物的蟲害綜合防治方案。

（1）建立蟲害監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)要監(jiān)測的靶標(biāo)害蟲選擇其相應(yīng)的昆蟲性信息素誘芯，依據(jù)靶標(biāo)害蟲誘集行為變化特征選擇固定類型的誘捕器（上行螟蛾類，下行燈蛾類和雙向葉蛾類），結(jié)合紅外計(jì)數(shù)，形成智能監(jiān)測設(shè)備。智能監(jiān)測設(shè)備可以融合風(fēng)向、風(fēng)力、溫度、濕度、光照度、雨感等小氣候系統(tǒng)。將誘捕到的靶標(biāo)害蟲的成蟲情況形成大數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及云空間儲存的配合下，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，預(yù)測靶標(biāo)害蟲卵、幼蟲、蛹、成蟲等各個(gè)階段的始發(fā)期、發(fā)生高峰期、發(fā)生末期等指標(biāo)，為靶標(biāo)害蟲防治提供科學(xué)依據(jù)[26]。

（2）建立實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。通過多方位、多角度安裝攝像頭，對作物生長情況、蟲害的發(fā)生情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（3）蟲害綜合防控技術(shù)的制定。依據(jù)土壤墑情、小氣候系統(tǒng)、作物生長情況、作物蟲害發(fā)生、發(fā)展的預(yù)測，與大數(shù)據(jù)比對后，提供針對該農(nóng)田系統(tǒng)的靶標(biāo)蟲害綜合防控方案，指導(dǎo)科學(xué)用藥，即在蟲害發(fā)生初期，優(yōu)先使用微生物農(nóng)藥或?qū)Π袠?biāo)害蟲低毒高效的化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行防治，堅(jiān)決杜絕高毒、劇毒及違禁化學(xué)農(nóng)藥的施用。

基于昆蟲信息素的作物蟲害綠色防控技術(shù)集成方案，可以及時(shí)監(jiān)測靶標(biāo)害蟲發(fā)生動態(tài)，準(zhǔn)確及時(shí)掌握害蟲的分布、擴(kuò)散、危害及消長動態(tài)，對保障國家的食品生產(chǎn)安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全意義重大，不僅有助于保護(hù)生物多樣性，降低病蟲害暴發(fā)機(jī)率，實(shí)現(xiàn)病蟲害的可持續(xù)控制，而且有利于減輕蟲害危害損失，保障糧食、蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品的有效供給;另外，病蟲害綠色防控也是促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平的必然要求和降低化學(xué)農(nóng)藥使用風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

5 結(jié)語

自2015年《食品安全法》修訂至《中共中央 國務(wù)院關(guān)于深化改革加強(qiáng)食品安全工作的意見》的發(fā)布等相關(guān)法律法規(guī)的日益完善，充分體現(xiàn)了以習(xí)近平主席為核心的黨中央對 “人民群眾舌尖上的安全”的高度重視，作物病蟲害的綠色防控提上日程。2017年習(xí)近平主席主持召開的中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第三十七次會議通過了《關(guān)于創(chuàng)新體制機(jī)制推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的意見》，《意見》指出：要強(qiáng)化病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治和全程綠色防控，完善農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，加快實(shí)施高劇毒農(nóng)藥替代計(jì)劃。因此，在后續(xù)的作物病蟲害防治上，應(yīng)提升人們的綠色防控意識，落實(shí)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在全國農(nóng)作物病蟲綠色防控推進(jìn)落實(shí)會上提出的“綠色植保”和“公共植?！?個(gè)理念及“替、集、制、品”四字真言，盡量減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，改變以往災(zāi)后治理的被動局面。在蟲害防治方面，可以形成以昆蟲信息素為核心的作物蟲害綜合防控方案，結(jié)合AI、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)對靶標(biāo)害蟲實(shí)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測，指導(dǎo)科學(xué)用藥、科學(xué)防控、綠色防控，將靶標(biāo)害蟲的危害控制在經(jīng)濟(jì)損害允許水平（EIL）以下，在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

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