一種多光譜誘蟲實驗裝置的設計

何旭棟李思鈺季慧華陳華才

(1.中國計量大學光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018；2.杭州益昊農業科技有限公司，浙江 杭州 310018)

在外界光照的刺激下,昆蟲會做出定向行動反應,其中靠近光源的行動稱為正趨光性,背離光源的行動稱為負趨光性[1]。研究昆蟲對不同光波的趨性，將特征光波用于農業害蟲的防治，對實現誘集害蟲、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用提供參考和借鑒。

國內外對昆蟲趨光性相關實驗報道有很多，相關昆蟲行為實驗都是采用自制的實驗裝置，沒有統一規格和要求。林明江等采用直管實驗裝置，利用暗室/亮室的對比設計，研究甘蔗螟蟲趨光性反應，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/亮室的設計，如郭健玲等利用這個方法研究3種扁谷盜對不同波長光趨性，裝置將腔體分為3個部分：棲息反應室、趨光反應室、避光反應室，每次采用一種波長進行實驗，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，兩端分別用對照光源和實驗光源進行照射，實驗得出藍光(84.3%)對米象蟲最有吸引力[4]。與此較為相似的是Min-Gi Kim等人利用L型實驗裝置，將麥蛾成蟲投放到裝置折點，同樣在兩端設置對照光源和實驗光源，實驗結果表明365nm波長的光源對麥蛾成蟲具有最好的誘捕效果[5]。以上這些實驗都是單因素實驗，實驗昆蟲只能在實驗光源和對照光源二者中作出選擇。關于多種波長同時實驗的裝置，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，該裝置利用波長選擇器得到不同波長，4個通道的設計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)及四通道的實驗裝置存在的問題是，供試昆蟲必須面對被動的選擇壓力，容易引起實驗的系統誤差。為此設計一種多通道(多光譜)昆蟲趨光性行為實驗裝置，讓供試昆蟲在多通道中對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選擇壓力的影響，并以此裝置進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。蚊蟲的趨光性實驗目前很少有人研究，李思鈺曾經對蚊蟲的趨光性進行探究性實驗[8]。

1 多光譜誘蟲實驗裝置的設計

多光譜誘蟲實驗裝置主體由3個部分組成，包括昆蟲投放室、誘蟲通道和控制電路，裝置結構如圖1所示。圖2是裝置的結構拆分圖。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驗昆蟲，LED誘蟲光源通過連接管與投放室腔壁上的圓形開口相連。昆蟲收集器由電機葉輪和昆蟲收集袋構成，用于捕獲實驗昆蟲，其通過T型連接管與誘蟲通道連接。

圖1 多光譜誘蟲實驗裝置示意圖

圖2 多光譜誘蟲實驗裝置結構拆分圖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光源發出特定波長的光，通過連接管照進昆蟲投放室，昆蟲投放室內的昆蟲感受到不同波長的光源，選擇進入其最敏感的光源的連接管。當昆蟲靠近光源時，被電機葉輪產生的倒吸式氣流吸入昆蟲收集袋，風干致死。

圖3 裝置工作原理圖

1.2 裝置特點

1.2.1 光譜范圍廣

多光譜誘蟲實驗裝置一共設有16條單色LED通道，可以自由組合光譜范圍。

1.2.2 多光譜同時工作，效率高

與傳統的測試昆蟲趨光性實驗裝置最大的不同在于其實現了多光譜同時工作。每個通道內的光源都是獨立互不影響的，由于實驗昆蟲均處于同一個昆蟲投放室中，保證了所處的環境都相同，避免了環境因素對實驗結果的影響，這是傳統實驗裝置無法實現的。同時，光譜同時工作的方式可以縮短實驗時間，提高實驗效率。

1.2.3 結果精確

為了降低裝置本身可能帶來的誤差，對多個部分都進行了處理，如，昆蟲投放室內壁貼有黑色燈芯絨，可以減少各個通道的光線反射避免相互干擾；昆蟲收集袋的鏤空設計，保證在電機葉輪工作時產生的負壓不會對昆蟲造成影響，使影響昆蟲趨向性的因素只有光源波長。

1.2.4 實驗參數可調，多樣化

多光譜誘蟲實驗裝置不僅可以探究蚊蟲對各波長光源的趨向性反應，還可以通過改變連接管的長度進一步探究不同光強、工作距離對昆蟲趨光性的影響。

2 庫蚊趨光性實驗研究

用于實驗的庫蚊為杭州種群，為了保證庫蚊的活力，實驗前需要將其培養于蚊籠中，并定期提供糖水。此外，蚊籠內的環境應調到適宜庫蚊生存的條件，溫度控制在25℃左右，相對濕度RH保持在70%。從蚊籠中選取450只具有活力的庫蚊進行實驗。

實驗采用前述裝置進行，選取16條通道參與實驗，且設置每條通道的工作長度為60cm。實驗開始前利用光譜儀測得參與實驗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行對照，利用功率計測得各光源的額定功率均在2W左右。

實驗地點選在暗室，實驗時間為20∶00—次日8∶00，共12h，為了避免庫蚊對環境不適應而死亡，將室溫控制在25℃左右，濕度控制為70%。實驗分3組進行，具體實驗方法如下：

選定實驗參數，選取150只大小相近，具有活力的庫蚊作為實驗對象，誘蟲通道的長度統一定為60cm，實驗時間定為20∶00—次日8∶00，實驗室內溫度為25℃,相對濕度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，關閉釋放口。接通電源前，先對用于實驗的庫蚊進行1h的暗處理。

暗處理結束后，接通裝置電源，各波長光源發光，電機葉輪運轉，實驗開始。

次日8∶00，關閉裝置電源，統計并記錄各波長光源對應的昆蟲收集袋中的庫蚊數量，并清理昆蟲收集器。

打開裝置頂蓋，拆下連接管，清理未進入昆蟲收集器中的庫蚊，并記錄數據，清理結束后重新連接裝置準備進行下一組實驗。

光源對庫蚊誘集率通過下式計算：

式中，Q為光源的蚊蟲誘集率；T為實驗組光源誘集到的蚊蟲的數量；C為用于實驗的蚊蟲的總數量。

通過專業統計軟件SPSS對實驗結果進行單因素方差分析，經過Duncan法的多重分析后，得出各波長光源的平均誘集率和標準差及其顯著性差異。

圖4 庫蚊趨光性行為現場實驗

3 結果與分析

庫蚊對不同波長光源的趨光率如表1所示。

表1 不同波長LED光源對庫蚊的誘集率

可以看出庫蚊對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量顯著多于其它光源，特別是365nm、420nm的光源對庫蚊的誘集數量極顯著高于其它光源，其次是405nm和450nm的光源，誘集的蚊蟲數量都顯著高于對照組白光光源。中心波長為520nm、580nm、590nm和850nm的LED光源對庫蚊并無誘捕作用。

4 結論與討論

通過對庫蚊對不同光波長的趨向性的實驗，得到以下結論:在環境溫度為25℃，相對濕度為70%的暗室條件下，庫蚊對365～460nm波段的紫外和藍紫光光源的趨向性明顯；在365～460nm這個波長范圍內，庫蚊對365nm、405nm、420nm和450nm的趨向性相對突出，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，但是仍優于其它光源波段。分析實驗得出的數據，并結合對照組白光光源，可以發現，除了紫外和藍紫光，庫蚊對其它光源的趨向性都很弱，誘集率均不足2%。庫蚊對黃光和紅外光均無趨向性，進一步分析可知蚊蟲復眼無法識別紅外光波段，對830nm的光源不會存在趨向性，而蚊蟲是可以識別黃光的，由此推斷庫蚊對其具有趨避性，可以做出進一步的探究。