基于無人機(jī)投放天敵昆蟲花絨寄甲的生物防治技術(shù)及應(yīng)用研究

尹華陽，李曉娟*，董廣平，郭婉琳，汪青桐

（1.松材線蟲病預(yù)防與控制技術(shù)國(guó)家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2. 安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031）

松材線蟲病是由松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）寄生在松樹體內(nèi)導(dǎo)致松樹迅速死亡的一種毀滅性病害，不僅是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中最具危險(xiǎn)性的病害，而且是重大植物疫情。松材線蟲病依靠媒介昆蟲松褐天牛（Monochamus alternatus）傳播，擴(kuò)散蔓延極快。目前松材線蟲病防治采取以清理病死（枯死、瀕死）松樹為核心，打孔注藥或噴施化學(xué)藥劑為輔助的防治手段，但是清理病死（枯死、瀕死）松樹僅是被動(dòng)的減少病原，難以持續(xù)的遏制松材線蟲病在林間的傳播與蔓延[1]。

近年來，利用天敵昆蟲進(jìn)行害蟲防治的生物防治技術(shù)已成為農(nóng)林業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的重要組成部分，是一條優(yōu)良的、長(zhǎng)效的措施[2]。生物防治主要是利用微生物或其提取物，以及釋放天敵生物的方式減少害蟲對(duì)植物的影響。 花絨寄甲（Dastarcus helophoroides）是松材線蟲病傳播媒介松褐天牛的重要優(yōu)勢(shì)天敵昆蟲[3]。諸多研究證明，釋放花絨寄甲可以降低松褐天牛的蟲口密度[4-6]，是控制松材線蟲病傳播的有效措施。然而，林間釋放花絨寄甲所需的人力成本較高，釋放的效率、覆蓋率和均勻度難以保證，這些因素都限制了該防控措施的發(fā)展。

隨著無人機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其在農(nóng)林病蟲害防治上的應(yīng)用不斷拓展，是革新農(nóng)林業(yè)的治理方式。利用無人機(jī)投放天敵昆蟲可以極大提高釋放效率，在降低人力成本的同時(shí)，確保釋放的覆蓋率和均勻度，顯示了潛在的巨大優(yōu)勢(shì)[7]。為了進(jìn)一步研究無人機(jī)進(jìn)行生物防治的可行性，提高天敵的釋放質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，本文將多旋翼無人機(jī)與生物防治技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一種無人機(jī)投放花絨寄甲裝置?；谶@種裝置進(jìn)行了無人機(jī)投放花絨寄甲防治松褐天牛試驗(yàn)，為推動(dòng)這一生物防治技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 無人機(jī)

與固定翼無人機(jī)相比，多旋翼無人機(jī)不需要跑道，并且具有起降自由、運(yùn)行成本低、維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本研究采用大疆經(jīng)緯M300RTK 多旋翼無人機(jī)（見圖1）。該款無人機(jī)配備出色的飛控系統(tǒng)、全向探測(cè)定位雷達(dá)技術(shù)、紅外傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)（real-time kinematic）等，可以滿足天敵昆蟲投放對(duì)穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性要求。其擴(kuò)展能力較強(qiáng)，支持搭載2.7 kg 以內(nèi)的物體，并能實(shí)時(shí)上傳無人機(jī)操作信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督，在操作過程中能夠創(chuàng)建斷點(diǎn)。如果需要退出操作模式或停止操作，無人機(jī)會(huì)保存當(dāng)前狀態(tài)，方便下次繼續(xù)操作。無人機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 無人機(jī)參數(shù)

圖1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 天敵昆蟲投放裝置

為了保證天敵昆蟲在林間精準(zhǔn)高效的釋放，設(shè)計(jì)研發(fā)了適配M300 RTK 多旋翼無人機(jī)的花絨寄甲成蟲投放裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。投放裝置由快裝板、15 孔拋蟲筒、拋蟲板、電機(jī)和控制器等結(jié)構(gòu)組成，整體使用超輕質(zhì)碳纖維材料，便于無人機(jī)搭載飛行。投放前，將裝有天敵昆蟲的可降解集蟲管（圖2 d）置于拋蟲筒中，連接于無人機(jī)上，拋蟲筒可同時(shí)搭載15 管花絨寄甲成蟲。無人機(jī)升空進(jìn)行投放作業(yè)，由遙控器控制連接拋蟲板的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)22.5°，拋蟲板上的孔洞對(duì)準(zhǔn)拋蟲筒孔洞后，集蟲管失去拋蟲板阻擋，由重力和無人機(jī)風(fēng)壓使其下落至林間，實(shí)現(xiàn)拋投。接著無人機(jī)巡航至下一點(diǎn)位遙控電機(jī)再次帶動(dòng)拋蟲板旋轉(zhuǎn)，如此循環(huán)工作，直至所有集蟲管拋投完畢。

圖2 天敵昆蟲投放裝置

1.3 可靠性測(cè)試

在投放天敵昆蟲的過程中，投放裝置的準(zhǔn)確性和可靠性將直接影響防治效果。為了測(cè)試無人機(jī)搭載投放裝置釋放天敵昆蟲的準(zhǔn)確性和可靠性，本研究設(shè)計(jì)了相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)。操作如下：在空地上設(shè)置投放目標(biāo)點(diǎn)模擬實(shí)際防治作業(yè)中需要投放的區(qū)域，利用無人機(jī)搭載天敵昆蟲投放裝置對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行投放作業(yè)，無人機(jī)飛行速度為5 m/s，投放方式設(shè)置為不懸停，懸停1 s、2 s、3 s，投放高度設(shè)置為離地高度10 m、30 m、50 m，每個(gè)試驗(yàn)條件下進(jìn)行5 次投放。記錄每次投放集蟲管著陸點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的偏離距離。

1.4 林間投放試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證無人機(jī)天敵昆蟲投放裝置的生物防治效果，在安徽省旌德縣進(jìn)行了林間投放花絨寄甲成蟲防治松材線蟲病試驗(yàn)。

1.4.1 作業(yè)條件和投放方式

試驗(yàn)地為馬尾松林，面積為13.3 hm2；作業(yè)日期為2022 年5 月27 日，天氣晴，風(fēng)力2 級(jí)。在無人機(jī)控制軟件上根據(jù)花絨寄甲成蟲的寄生范圍制定投放點(diǎn)和作業(yè)寬度[8]，并進(jìn)行航線規(guī)劃，如圖3 所示。假設(shè)花絨寄甲成蟲的有效寄生距離為r，投放點(diǎn)間隔距離和作業(yè)寬度均小于等于時(shí)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)花絨寄甲成蟲寄生范圍全覆蓋。根據(jù)試驗(yàn)地情況及可靠性測(cè)試結(jié)果設(shè)置無人機(jī)飛行條件為：飛行高度為離地高度30 m、飛行速度5 m/s、投放點(diǎn)懸停1 s 后投放。

圖3 試驗(yàn)區(qū)及航線規(guī)劃示意

1.4.2 防治效果評(píng)價(jià)

防治效果直接反映無人機(jī)投放天敵昆蟲系統(tǒng)質(zhì)量。本試驗(yàn)以松材線蟲病傳播媒介昆蟲松褐天牛的蟲口密度為指標(biāo)，宏觀評(píng)價(jià)防治效果。試驗(yàn)步驟如下：在無人機(jī)投放作業(yè)前2 周，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3 個(gè)松褐天牛誘捕器，按照廠家要求懸掛并每月更換誘芯，誘捕器間距離100 m 以上；另設(shè)對(duì)照區(qū)，地形、林分與試驗(yàn)區(qū)相似，且間隔1 000 m 以上，不投放花絨寄甲，并按同樣方式設(shè)置3 個(gè)松褐天牛誘捕器。在無人機(jī)投放花絨寄甲當(dāng)天、投放后每2 周觀察記錄誘捕器中松褐天牛的數(shù)量，每次觀察后清空誘捕器，持續(xù)觀察4 個(gè)月。通過公式計(jì)算松褐天牛蟲口密度下降率，得到平均防治效果[9]。

式中，Ci為松褐天牛蟲口密度下降率（%），ai為對(duì)照區(qū)誘捕器中松褐天牛數(shù)量平均值（頭），bi為試驗(yàn)區(qū)誘捕器中松褐天牛數(shù)量平均值（頭）。

式中，C 為無人機(jī)投放花絨寄甲成蟲的平均防治效果（%），n 為無人機(jī)投放作業(yè)后的調(diào)查次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 可靠性測(cè)試結(jié)果

由表2 可以看出，不懸停的投放方式準(zhǔn)確度較差，懸停1 s、2 s、3 s 在相同投放高度下準(zhǔn)確度差距不大；投放準(zhǔn)確度會(huì)隨著投放高度升高而降低，但是準(zhǔn)確度下降幅度不明顯。因此，在實(shí)際林間作業(yè)時(shí)，為了在保證準(zhǔn)確度的前提下提高作業(yè)效率，無人機(jī)應(yīng)在抵達(dá)目標(biāo)位置后懸停1 s 再進(jìn)行投放。投放高度應(yīng)選擇確保飛行安全的最低高度。在整個(gè)測(cè)試中，共計(jì)投放60 次集蟲管，全部一次成功，說明該裝置性能穩(wěn)定，可靠性高。

表2 可靠性測(cè)試結(jié)果

2.2 林間投放試驗(yàn)結(jié)果

通過前期計(jì)算和航線規(guī)劃，本次試驗(yàn)共計(jì)投放花絨寄甲成蟲10 000 頭，飛行36 架次。集蟲管全部投放成功，實(shí)際落點(diǎn)與投放點(diǎn)基本吻合，理論上完全覆蓋試驗(yàn)區(qū)域。

2.3 防治效果評(píng)價(jià)

在無人機(jī)投放花絨寄甲試驗(yàn)后，共進(jìn)行了8 次調(diào)查（不包括無人機(jī)投放前一天的本底調(diào)查），防治效果調(diào)查見表3，數(shù)量調(diào)查結(jié)果見圖4。5 月26 日，無人機(jī)投放花絨寄甲前的本底調(diào)查顯示，試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)在誘捕器中松褐天牛數(shù)量相近，說明防治前兩區(qū)域的松褐天牛蟲口密度基本一致。無人機(jī)投放花絨寄甲成蟲后的松褐天牛蟲口調(diào)查結(jié)果顯示，試驗(yàn)區(qū)松褐天牛的蟲口密度相較對(duì)照區(qū)明顯下降，并隨著松褐天牛羽化高峰期的到來，這種趨勢(shì)越發(fā)明顯，松褐天牛蟲口密度最高下降了69.52%，最終計(jì)算得出，無人機(jī)投放花絨寄甲成蟲的平均防治效果為49.48%。由此可見，通過無人機(jī)投放天敵昆蟲花絨寄甲可以顯著降低松褐天牛的蟲口密度，具有良好的生物防治效果。

表3 防治效果調(diào)查

圖4 松褐天牛數(shù)量調(diào)查結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本研究探索了無人機(jī)技術(shù)在生物防治領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于多旋翼無人機(jī)的花絨寄甲投放裝置，進(jìn)行了可靠性測(cè)試及林間投放花絨寄甲成蟲防治松褐天牛試驗(yàn)。通過無人機(jī)投放花絨寄甲成蟲，有效地降低了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)松褐天牛的蟲口密度，投放后4 個(gè)月的平均防治效果達(dá)到了49.48%。研究結(jié)果表明，基于多旋翼無人機(jī)的天敵昆蟲投放系統(tǒng)可以較好地完成林間生物防治作業(yè)，實(shí)現(xiàn)病蟲害的綠色防治。

利用無人機(jī)進(jìn)行生物防治的成本約為人工防治的四分之一[10]，在相對(duì)復(fù)雜的山區(qū)也能做到全覆蓋，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。該模式為林業(yè)病蟲害的生物防治提供了一種新的、可持續(xù)的技術(shù)途徑，為未來實(shí)現(xiàn)更加智能化和環(huán)保的防治手段打下了基礎(chǔ)。