昆蟲諧波雷達的電子標簽研究進展

黃秀琴，李傳仁，王福蓮，桂連友

(長江大學農學院，湖北荊州 434025)

自從美國科羅拉多州州立大學Klempel 研究小組(1977)首先開展利用諧波雷達追蹤單個昆蟲，對螺旋蠅Cochliomyia hominivorax 飛行行為研究以來，隨著現代科技發展，在國外昆蟲諧波雷達技術近十幾年來越來越廣泛地應用于昆蟲行為學研究。昆蟲諧波雷達的基本原理是利用昆蟲諧波雷達系統(Harmonic Radar Transceiver)的發射天線發射出一種高功率的脈沖電磁波，待檢測的目標昆蟲身體上綁有一個很小的電子標簽(Tag)，該裝置吸收雷達波束中的能量并將輸入信號調制為諧波后再發射回去。昆蟲諧波雷達系統的接收天線即可屏蔽地物回波，而將該反射回來的另一種脈沖電磁諧波檢測出來。通過相位比較測量出目標回波的相位、幅度相對于空間、時間和頻率的變化率而言，至少應包含有關目標角度、徑向速度、距離、形狀、自旋和尺寸等信息(翟保平，1999;蔡志堅和曾理江，2002;Colpitts and Boiteau，2004)。

電子標簽是昆蟲諧波雷達系統中最關鍵的組成部分之一。目前，昆蟲諧波雷達分基站式和便攜式兩個類型。被跟蹤昆蟲種類涉及到鞘翅目、鱗翅目、直翅目雙翅目和膜翅目5目24種(桂連友等，2011)。對于一些較小的昆蟲，對電子標簽的要求更為嚴格。一個理想的昆蟲電子標簽應該滿足如下的特性(Hagler and Jackson，2001):足夠時間不脫落、價格便宜、粘膠無毒、使用簡單以及不影響昆蟲的正常行為。

利用昆蟲諧波雷達追蹤昆蟲的運動行為之前，需要選擇合適的標簽。作者2012年1月從加拿大引進了中國的第1 臺昆蟲諧波雷達(Gen Ⅳ)，目前正在開展有關研究工作。本文目的是通過對國內外有關電子標簽的研究進展的介紹，為我國開展利用昆蟲諧波雷達技術跟蹤昆蟲運動行為研究提供參考。

1 電子標簽的制作材料及其類型

電子標簽主要由無感超細金屬絲和肖特二極管(Schottky diode)兩部分組成。制作電子標簽需要使用導電膠將肖特二極管粘貼在無感金屬絲上。制作電子標簽的金屬絲可采用銅、銀、鍍銅－鍍錫、鍍銅－鋼心、鍍銀－銅等材料組成(Osborne，1999;O'Neal，2004)。導電膠一般使用導電銀膠或含錫鉛導電膠。Boiteau 等(2010)使用鍍銅－鋼(AWG #41，#36)和鍍銀－銅(AWG #42)金屬絲材料制作非轉動型電子標簽時，首先將金屬絲繞成一個1 mm 的圓環，一端2 mm，一端6 mm，使用導電膠Conductive Epoxy CW2400 將肖特二極管固定在無感超細金屬絲的圓環上。Brazee 等(2005)證明了使用鋼－銅(CPS)絲的制作電子標簽跟蹤昆蟲的范圍比銅－錫絲的(TC)遠，鋼－銅絲材料不容易變形，傳導性也強，重量也較輕。

綁在昆蟲身體上的電子標簽，其粘貼的部位對昆蟲諧波雷達系統接受信號非常敏感。按照電子標簽與昆蟲身體之間的夾角，電子標簽可分為拖尾型和非拖尾型兩種類型，拖尾型電子標簽與昆蟲身體之間的夾角接近0°，這種類型的電子標簽一般粘貼在昆蟲翅或腹部上，主要適合在地面或地下鉆洞中以爬行為主要運動方式的昆蟲，如Brazee 等(2005)利用諧波雷達追蹤黑葡萄象鼻蟲Conotrachelus nenuphar 的行為時用的是拖尾電子標簽;O'Neal 等(2004)利用拖尾電子標簽研究葉甲Harpalus pensylvanicus 成蟲的行為。非拖尾型電子標簽與昆蟲身體之間的夾角接在0～90°，這種類型的電子標簽一般粘貼昆蟲在胸部上，主要適合以空中飛行為主要運動方式的昆蟲，如Boiteau 等(2001)運用非拖尾型電子標簽研究馬鈴薯葉甲Leptinotarsa decemlineata 的運動行為。使用基站式昆蟲諧波雷達系統跟蹤昆蟲運動行為時，要求電子標簽能夠自行轉動。根據電子標簽是否具有自轉的功能，又可將電子標簽分為轉動型和非轉動型兩種。如Elizabeth 等(2000)利用基站式昆蟲諧波雷達系統跟蹤蜜蜂Bombus terrestris 的采蜜行為時，使用轉動型的電子標簽。而便攜式昆蟲諧波雷達均可使用的轉動型和非轉動型兩種電子標簽。在實際應用中，根據昆蟲運動方式或使用雷達類型不同選用不同的電子標簽類型。

2 昆蟲翅載

一般選擇合適的電子標簽首先做昆蟲翅載試驗，確定昆蟲成蟲平均翅載凈重量。昆蟲翅載能力是指昆蟲成蟲的體重與翅面積的比值，它是評價昆蟲飛行能力的一個重要指標。

Unruh和Chauvin(1993)連續測試馬鈴薯葉甲成蟲翅載能力時，每天取羽化后4～12 d日齡的50頭雄成蟲進行標記，在飛行測試之前，每頭蟲子均需要稱重。每天每次飛行試驗測試20頭，重復兩次，不考慮成蟲的飛行頻率，記錄能夠向上飛行的成蟲數量，得出當次試驗中最小重量成蟲。將這頭成蟲稱重后，用剪刀將成蟲的一后翅剪下，用兩塊塑料薄板壓平放置24 h 變干，然后用紅色墨水染色，測出單個翅面積。因被剪下翅的昆蟲而導致被測定的昆蟲數量減少，需要另外補足缺少的成蟲，使成蟲數量達到50頭。從這個連續試驗中得到了52個最小重量和52個單個后翅的面積，總翅面積為單個后翅的面積的2倍。計算52個成蟲體重與翅面積之比即為單個馬鈴薯葉甲的翅載能力。

對于昆蟲體型(翅)變化較小的昆蟲，也可以采用饑餓方法(Boiteau and Colpitts，2001)。黃秀琴等(2012)在Boiteau和Colpitts(2001)方法上進行修改，測定柑橘大實蠅成蟲Bactrocera minax 的翅載能力。取羽化后2日齡柑橘大實蠅的雌雄成蟲各40頭，分別裝入已編號的80個塑料瓶(直徑8 cm，高14 cm)中飼養。起飛測試在室外網室內進行，將成蟲置于離地面高1 m、頂部面積9 cm2(3 cm×3 cm)木樁上釋放，測試起飛時間為1 min，成蟲降落的落點離地面等于或高于1 m的位置，則被判定該成蟲能夠起飛。否則被判定該蟲不能夠起飛。測試時分別兩次正常喂食和兩次剝奪取食，測試共進行4次，順序是:將2日齡成蟲饑餓24 h 后第1次測試—取食24 h 后第2次測試—又饑餓24 h 后第3次測試—取食24 h 后第4次測試，然后將一對前翅剪下，并編號裝入小瓶(直徑1 cm，高5 cm)中;成蟲單個翅面積是采用坐標紙法(1 mm2/格)測定并記錄。每次測試后，不能起飛成蟲被淘汰，能夠起飛的成蟲進行稱重并記錄，然后置于原來塑料瓶中，接著繼續飼養或者饑餓處理。每只柑橘大實蠅雌雄成蟲的最高和最低重量分別是該成蟲4次稱重中最高值和最低值。雌雄成蟲各有30個最高和最低重量值。結果表明，成蟲翅載能力差值平均為0.208 mg/mm2，平均凈載重量約為11 mg，約占其平均體重的23%，最高占69.93 %。Boiteau和Colpitts(2001)研究結果表明，馬鈴薯葉甲成蟲平均翅載能力為10.9 至15.6 N/m2。

3 昆蟲額外負載

昆蟲成蟲平均翅載凈重量可能不是柑橘大實蠅最大的額外負載重量，成蟲翅凈載重量與額外負載重量在昆蟲身體部位的分布是不同的，因而昆蟲體重重心位置也不同，成蟲是否能夠正常起飛，需要進一步做昆蟲成蟲的忍受額外負載試驗，確定昆蟲最大額外負載重量。昆蟲額外負載是指昆蟲成蟲能夠額外負重的、不影響其正常活動能力的重量。

黃秀琴等(2012)和Boiteau和Colpitts(2001)分別測試了柑橘大實蠅和馬鈴薯葉甲額外負載重量。使用同樣重量的回形針代替電子標簽，將回形針截成若干長度，分別取5 mg、7 mg、9 mg 重量各130個，共390個。分批取3日齡成蟲780頭，每個額外負重成蟲處理各需130頭，其余390頭作為相應的對照成蟲。用Instant Krazy Glue 非導電粘膠，將標簽橫粘在相對應的成蟲的前胸背板上，每粘一根標簽需要耗費導電粘膠0.3 mg，即成蟲額外負重分別為5.3 mg、7.3 mg、9.3 mg。額外負重5.3 mg、7.3 mg、9.3 mg 三種成蟲(處理)與相對應未額外負載重量的性別相同的成蟲(對照)成對隨機取出，然后同批次進行起飛測定試驗，每個處理的負載試驗的額外負載和未額外負載的成蟲雌雄性比均為1∶1。每天試驗分3～4批次，當天粘標簽成蟲當天試驗完畢，參加試驗后的所有額外負重的和未額外負重的成蟲均不能重復參加下一次試驗，并記錄每次起飛的和未起飛的成蟲數。研究結果表明，成蟲額外負載7.3 mg重量對于其向上起飛行為有較少或沒有直接的影響。Boiteau和Colpitts(2001)研究馬鈴薯葉甲的額外負重試驗結果表明，成蟲額外負載29 μN(1 mg=9.8 μN)，對其正常的飛行行為沒有直接影響。Dudley(2000)研究認為，昆蟲一般額外負載重量可以達到自身體重的0.5～3倍。

4 電子標簽的適合性

一只理想的昆蟲電子標簽應該滿足如下的特性:足夠時間不脫落、便宜、粘膠無毒、使用簡單和不影響昆蟲的正常行為(Hagler and Jackson，2001)。因此在選擇適合的昆蟲電子標簽時，必須考慮電子標簽的重量、長度、粘貼部位、粘膠種類等因素對昆蟲正常活動行為影響程度為沒有或者較小。

4.1 重量和長度

電子標簽重量并不是是成蟲的最大額外負載重量，如雌蟲在懷卵或覓食等行為時，需要占有一些的凈載重量。在最大額外負載重量與電子標簽重量之間需保留合適的差值。在不影響電子標簽其它特性的條件下，盡量將電子標簽做的更輕。

電子標簽長度與它的重量和昆蟲諧波雷達的探測距離之間存在相關性。電子標簽的長度增長，探測范圍擴大，但電子標簽重量會隨著增加，有可能影響了昆蟲正常行為;電子標簽的長度縮短，電子標簽重量會隨著降低，探測范圍將縮小，影響跟蹤效果。同時，電子標簽過長，由于昆蟲運動、撕咬、與其它物體摩擦或碰撞，電子標簽易受損或脫落。因此，選擇合適的電子標簽程度既要考慮長度影響，又要考慮重量影響。不同的昆蟲在選擇電子標簽的重量常常因昆蟲種類不同而不同。在確定電子標簽長度時，還需要進行飛行測試試驗。

電子標簽的長度一般為16～200 mm，重量為0.4～27 mg(桂連友等，2011)，大約為昆蟲體重的10 %。但也有昆蟲(如馬鈴薯葉甲)電子標簽占本身體重的14.7% 時同樣適用。Riley 等(1996)研究表明，長度為16 mm、重量為0.3 mg的電子標簽沒有明顯影響歐洲熊蜂Bombus terrestris飛行速度。Roland 等(1996)研究表明，長度為80 mm、重量為0.4 mg 的電子標簽沒有導致Arachnidomyia aldrichi(雙翅目)飛行行為異常;Mascanzoni和Wallin(1986)用長度為20 cm、重量為3～8 mg 電子標簽追蹤昆蟲Pterostichus cupreus(鞘翅目)爬行行為，沒有發現電子標簽對昆蟲行為有明顯影響。Boiteau 等(2011)研究表明，占馬鈴薯葉甲體重2.2%、長度為16 mm 的電子標簽綁在馬鈴薯葉甲上，僅導致葉甲的水平運動速度稍微有所降低，對其它運動行為無明顯影響;李樹象鼻蟲Conotrachelus nenuphar 在攜帶0.55 mg(占體重3.9%)、長度為40 mm 的的電子標簽下水平運動速度降低36%;而綁在玉米螟Diabrotica virgifera virgifera 身體上的0.6 mg(占體重5%)、長度為40 mm 的電子標簽，會使導致玉米螟水平運動速度稍微加快。

4.2 粘貼部位

由于昆蟲體型千差萬別，身體重心位置也不同，昆蟲在搜索食物、交配等行為情況下，身體重心也會發生改變，因而，不同的昆蟲攜帶的電子標簽部位選擇在不同位置。主要選擇粘貼部位有前胸(Motuweta isolata，Stringer and Chappell，2008;B.minax，Gui et al.，2011;L.decemlineata，Gui et al.，2012)、中胸(Apis mellifera，Elizabeth et al.，2000)、后胸、腹部(Patelloa pachypyga，Roland et al.，1996;)、翅(L.decemlineata，O'Neal，2004)或其它的位置。

對于大型昆蟲，如光肩星天牛Anoplophora glabripennis，由于在它們個體之間有相互撕咬的習性，身體表明非常光滑，不容易找到持續固定電子標簽的膠水，通常采用牙線固定電子標簽方法(Williams et al.，2004)。用牙線將電子標簽橫綁在星肩天牛前胸背板上，牙線避開前胸背板兩側刺突。

4.3 膠水的持續性及毒性和昆蟲的取食

電子標簽固定在昆蟲身體上還需要非導電的超強粘膠，目前常用的非導電的超強粘膠有Crazy Glue、Bowman FSA和Loctite 膠水(Boiteau et al.，2009)。其主要化學成分為氰基丙烯酸鹽類，它對一些昆蟲存在毒性上差異。同時，因為電子標簽被粘在昆蟲身體上，由于昆蟲運動、昆蟲撕咬、與其它物體摩擦或碰撞，電子標簽標定易受損或脫落，為了保持電子標簽不脫落時間足夠長和足夠高不脫落率以及對昆蟲正常取食無影響，選擇合適種類或品牌的非導電的超強粘膠十分必要。

Boiteau 等(2009)曾研究氰基丙烯酸鹽類膠水的毒性對美國科羅拉多州馬鈴薯葉甲、李子象鼻蟲和玉米螟的影響。一小滴大約0.1 mg 的瘋狂膠、樂泰或Bowman FSA 粘附昆蟲的前胸背板，對科羅拉多州馬鈴薯葉甲和李子象鼻蟲存活5～7 d沒有影響，但是引起玉米螟僅僅4 h 死亡率就高達40%以上。三種膠水均能夠保持電子標簽在馬鈴薯葉甲身體上4～5 d 不脫落，存活率大于85%。同樣方法，李子象鼻蟲存活率也大于50%。膠水處理后的馬鈴薯葉甲的取食和爬行行為沒有直接影響。

4.4 昆蟲的垂直和水平運動

在自然條件下，昆蟲因為各種活動需要在垂直和水平方向運動，電子標簽的重量或長度對昆蟲運動的距離、時間、速度可能存在一定的影響。在選擇電子標簽的重量或長度時，要求電子標簽對昆蟲正常垂直和水平運動的距離、時間、速度較小或無影響。

Boiteau 等(2010)研究電子標簽不同的金屬絲重量對馬鈴薯葉甲和李樹象鼻蟲垂直運動的影響，結果表明，帶電子標簽的葉甲雌成蟲和不帶標簽的葉甲雌成蟲垂直向上或向下飛行沒有顯著差異;不同重量金屬絲制作的標簽對李樹象鼻蟲的垂直爬行也沒有顯著差異。

5 展望

昆蟲諧波雷達技術目前還不成熟。在電子標簽制作技術上，雖然有很大程度上提高，已經制造出重量為0.4 mg(Jens et al.，1996)重量水平，如15% 天敵昆蟲可適于研究(Colpitts and Boiteau，2004)對象，但仍然存在一定的局限性。對于一些體型微小重量極輕的昆蟲或螨類，例如蚜蟲類、飛虱類、螨類等，需要更輕的電子標簽，目前的制造技術還是達不到要求，因而還不能利用昆蟲諧波雷達技術跟蹤研究這類型的昆蟲。其次，一些常用的膠水對某些昆蟲的可能存在較大的毒性，暫時找不到合適的粘膠。另外，對于鉆入地下較深的昆蟲跟蹤，電子標簽的重量與長度矛盾還沒有得到滿意的解決。

隨著新材料和芯片等研發技術的進步，電子標簽的制作技術也會不斷提高，適合體型更小、體重更輕的昆蟲及螨類的電子標簽將會出現。如將重量極輕的芯片置入若蟲或蛹體內，等待羽化為成蟲后，昆蟲諧波雷達跟蹤含有芯片的成蟲，可以避免電子標簽脫落和出現粘膠對昆蟲毒害現象發生。

盡管昆蟲諧波雷達跟蹤技術還不成熟，電子標簽不能夠做到更小，以至于一些微小的昆蟲不能跟蹤研究，但是在野外研究一些昆蟲運動行為上，比傳統上用標記－釋放－引誘回收、引誘劑引誘、風洞、錄像等技術有著“可在自然條件下進行”、“可以定量化分析”、“可跟蹤運動距離相對較遠的和單個昆蟲”和“可實時跟蹤”等優點(桂連友等，2011)，已受到越來越多的昆蟲學者的關注。另外，還可以利用昆蟲具有異常靈敏的嗅覺能夠記住大量不同的氣味特性，攜帶電子標簽同時，也帶回一些化學物質(如花粉)，它可以準確探測出生物武器所在位置。

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