基于性誘和物聯網的草地貪夜蛾成蟲種群動態智能化監測

陳韶萍， 趙 健, 何玉仙, 翁啟勇, 黃美玲,池美香, 梁 勇, 邱榮洲*

(1. 福建省農業科學院植物保護研究所, 福建省作物有害生物監測與治理重點實驗室, 福建省作物有害生物綠色防控工程研究中心，福州 350013; 2. 福建省農業科學院數字農業研究所, 福州 350003; 3. 福建省漳州市長泰區植保站, 漳州 363900)

草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda(Lepidoptera: Noctuidae)是一種危害嚴重的世界性遷飛害蟲，起源于美洲熱帶和亞熱帶地區[1]。該害蟲食性雜，寄主植物多達75科350多種，主要為害玉米、水稻、小麥和棉花等多種經濟作物，具有繁殖能力強、適應性強以及暴發為害等特點[2-4]。2018年12月從緬甸入侵我國云南省以后，到2019年10月已擴散蔓延至全國26個省(市、區)[5-6]。全國農作物重大病蟲測報網發出的預測警報顯示，2022年草地貪夜蛾偏重發生，發生區域涉及除西北西部和東北中北部外的大部分玉米種植區，預計全國發生面積8 000 萬畝次。

害蟲種群監測預警是應急防控和精準防控的基礎，傳統的草地貪夜蛾成蟲監測方法主要有成蟲期性誘劑誘集和燈光誘集監測[7]。性誘劑誘集監測是目前草地貪夜蛾田間蟲情監測的重要手段，具有高靈敏度和專一性優點[4]，但需要定時到田間觀察計數，費時費力。燈光誘集監測因草地貪夜蛾趨光反應率低 (約為50%，低于棉鈴蟲Helicoverpaarmigera、小菜蛾Plutellaxylostella等其他蛾類的趨光反應率)，且燈光誘捕涉及的昆蟲種類復雜多樣，田間觀察記數費時費力、數據的準確性和穩定性不高[8-10]。

基于物聯網的害蟲智能監測設備具有機械自動化特點，可實現害蟲的遠程實時測報[11]。本研究利用課題組自主研發的智能監測設備[11]，結合草地貪夜蛾專一性強的性誘劑，通過比較智能監測設備自動計數與人工計數采集數據，以及智能監測設備與常規誘捕器田間監測數據的差異，分析智能監測設備實時采集的成蟲發生數量和環境溫度數據，以期評價基于性誘和物聯網的草地貪夜蛾成蟲種群動態智能化監測的準確性，明確草地貪夜蛾成蟲日活動節律及受環境溫度的影響，為實施草地貪夜蛾田間種群動態智能化自動監測提供重要理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

害蟲智能監測裝置由福建省農業科學院植物保護研究所提供，在前期研究基礎上[11]，對害蟲誘殺結構進行了改進設計[12]，主要包括高壓電網、進蟲盒和電網清潔器。誘芯有2種：①號橡皮塞型誘芯(北京中農豐茂植保機械有限公司生產)和②號橡皮塞型誘芯(漳州英格爾農業科技有限公司生產)。桶形誘捕器(高×外徑×內徑=22 cm×15 cm×8 cm)為北京中農豐茂植保機械有限公司生產。

1.2 試驗地點及作物

試驗設置在福建省建甌市東峰鎮桂林村(27°05′N, 118°28′E，海拔125 m)和漳州市長泰區長巷鎮古農村(24°42′N，117°46′E，海拔35 m)，種植玉米品種分別為‘泰鮮甜1號’(建甌市映山龍農業科技有限公司提供)和‘廣良甜27號’(廣東省良種引進服務公司提供)。建甌試驗點的移栽時間2019年9月3日，試驗時間為玉米七葉期至收獲期，長泰試驗點的移栽時間為2019年9月20日和2020年9月23日，試驗時間為玉米拔節期至喇叭口期。

1.3 田間誘蛾試驗

智能監測裝置通過紅外計數傳感器自動實時采集誘集的蟲量和環境溫度。采集的數據通過4G通信模塊發送到中心服務器，數據查詢軟件自動按小時、天進行數據匯總統計，并將結果反饋至手機查詢客戶端。在整個監測期間利用數據查詢軟件查看和記錄智能監測裝置每日捕捉蟲量、捕捉時間、環境空氣溫度、濕度等數據。建甌、長泰各安裝1臺智能監測裝置，其他詳細信息如下：

1)建甌監測點：安裝1臺智能監測裝置(圖1a)，供試誘芯為①號橡皮塞型誘芯，監測日期為2019年9月20日至11月18日。每隔24 d更換1次誘芯。每隔3 d進行1次人工計數校正。

2)長泰監測點：安裝1臺智能監測裝置(圖1b)，供試誘芯為②號橡皮塞型誘芯，監測日期為2019年和2020年的10月9日至10月26日。

在建甌另設有3個桶形誘捕器監測點，各監測點呈邊長為50 m的正方形布局(圖1a)。監測裝置和桶形誘捕器的進蟲口(即誘芯放置高度)距地面1.2 m。2019年9月19日在各監測點掛上①號橡皮塞型誘芯，每隔24 d統一更換1次誘芯。2019年9月22日進行第1次調查，隨后每隔3 d調查1次，至11月18日結束。每次調查均在早上7:00-9:00進行，記錄各監測點誘捕的蟲口總數量，并清除收集到的草地貪夜蛾成蟲。

圖1 福建建甌和長泰草地貪夜蛾監測點的田間布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of field layout of Spodoptera frugiperda monitoring sites in Jian’ou and Changtai, Fujian

1.4 數據處理

1)智能監測設備自動計數與人工計數采集數據的比較：為了評價智能監測設備自動計數的準確性，每隔3 d對智能設備中誘捕到的草地貪夜蛾(2019年9月20日到11月18日，福建建甌)進行人工計數1次，并與智能監測設備每隔3 d自動計數采集的匯總數據進行比較。自動計數的平均準確率的算法參照陳梅香等[13]。

2)智能監測設備與常規誘捕器田間監測數據的比較：每隔3 d統計1次建甌監測點3個桶型誘捕器誘捕蟲量的均值，對應地將智能監測裝置采集的實時數據按3 d進行匯總。利用符號秩檢驗(Wilcoxon)檢驗兩種不同誘捕方式監測到的草地貪夜蛾種群數量是否有差異。

3)草地貪夜蛾的日活動節律分析：溫度是影響昆蟲生長發育和分布的主要環境因素，已有研究表明當溫度低于15℃時不利于草地貪夜蛾的存活[14]。2019年在建甌的監測時間是從9月20日到11月18日，由于10月底開始建甌部分時間的日均溫度較低，因此我們將數據分為日平均溫度≥16℃和日平均溫度<16℃。2019年和2020年在長泰的監測時間是從10月9日到10月26日，期間日均溫度均≥16℃。

2 結果與分析

2.1 智能監測設備自動計數采集數據和人工計數數據比較

2019年9月20日至2019年11月18日，智能監測設備自動計數統計到的草地貪夜蛾成蟲的數量為445頭，人工計數則為617頭，自動計數的平均準確率為75.03%。二者均監測到草地貪夜蛾成蟲有3個高峰期，分別為9月20日-9月22日、10月14日-10月22日和11月4日-11月6日(圖2)。

圖2 智能監測設備自動計數數據和人工計數數據的比較Fig.2 Comparison between manual counting data and automatic counting data by intelligent monitoring equipment

2.2 智能監測設備和桶型誘捕器田間監測結果比較

田間監測結果發現，在2019年9月20日至11月18日期間，智能監測設備誘集的草地貪夜蛾成蟲數量(445頭)多于桶形誘捕器的誘蟲量(393頭)，監測到的前兩個高峰期與桶形誘捕器監測結果一致，均在9月20日-9月22日、10月14日-10月22日出現2個高峰期，但智能監測設備還監測到11月4日-11月6日出現第3個高峰期(圖3)。整個監測期間桶形誘捕器誘集到的草地貪夜蛾種群數量與智能監測設備監測到的種群數量沒有差異(Z=-0.784，P=0.433)。

圖3 智能監測設備的監測數據和桶型誘捕器監測數據的比較Fig.3 Comparison between data collected by intelligent monitoring equipment and barrel trap

2.3 草地貪夜蛾田間種群的成蟲日活動節律

田間智能監測結果發現，草地貪夜蛾成蟲具有明顯的晝夜活動節律，而且受環境溫度影響較大。在建甌監測點，當日平均溫度≥16℃時，大多草地貪夜蛾的活動時間在18:00-3:59，在1:00-2:59的活動性最強(每小時平均誘捕蟲數1.5頭/d)；當日平均溫度<16℃時，草地貪夜蛾的整體活動性不強，在16:00-16:59(每小時平均誘捕蟲數=0.22頭/d)和23:00-00:59(每小時平均誘捕蟲數=0.23頭/d)出現兩個小高峰(圖4a)。在長泰監測點，2019年和2020年每年10月9日-10月26日，日平均溫度均高于16℃，草地貪夜蛾田間種群成蟲的活動高峰期均是在18:00-1:59(圖4b)。

圖4 草地貪夜蛾成蟲的日活動節律Fig.4 Circadian locomotor behavior rhythm of Spodoptera frugiperda adults

3 討論

目前已有不少田間害蟲實現了田間種群動態的智能監測，如斜紋夜蛾Spodopteralitura[11,15]、梨小實心蟲Grapholitamolesta[16]和橘小實蠅Bactroceradorsalis[17]等。草地貪夜蛾是近年來在我國新入侵的害蟲，目前關于利用智能監測設備監測其種群動態的相關研究較少。本研究所用到的智能監測設備監測到2019年9月20日-9月22日、10月14日-10月22日和11月4日-11月6日這3個時間段在建甌發生的草地貪夜蛾蟲量較多，這與前人證實在山東[18]、福建長泰[19]和四川達州[3]9月到11月是草地貪夜蛾發生的高峰期一致。智能監測設備的自動采集的總蟲量低于人工計數的蟲量，這可能是因為監測設備自動計數的靈敏度還不夠，在草地貪夜蛾高峰期時可能出現漏檢的現象。總體來說，本研究智能監測設備能夠實現草地貪夜蛾成蟲種群動態的智能化監測。

不同性誘捕器對草地貪夜蛾的監測效果也不一樣，如橡皮頭誘芯的持效性和穩定性比微管誘芯好，船型和桶型誘捕器在田間實際應用效果較倒圓錐形好[19-20]。雖然與高空燈、測報燈相比，性誘捕器監測到的草地貪夜蛾的蟲量最大，在田間種群動態變化的預測應用中最具有應用價值[21]，但是利用性誘捕器監測存在勞動強度大和效率低等缺點。基于性誘技術的智能監測設備的應用有利于實現對草地貪夜蛾的實時監測，減輕人工監測的勞動強度并提高監測的效率。在本研究中，利用桶型誘捕器的總體誘蛾量與智能監測設備自動計數的誘蛾量沒有差異，但少于智能監測設備人工計數的誘蛾量，曾偉等[3]利用誘捕器在四川達州監測到的草地貪夜蛾總蛾量也偏少，這可能與誘捕監測工具結構設計差異有關，智能監測設備內置的害蟲誘捕器的誘捕效果比桶型誘捕器好。總體來說，本研究中智能監測設備和桶型誘捕器監測到的蟲情高峰期較為一致，這表明后期可以推進智能監測設備在田間的應用。

草地貪夜蛾成蟲具有明顯的晝夜活動節律，是典型的夜行性昆蟲。我們監測到大多草地貪夜蛾成蟲是從18:00開始活動，這與草地貪夜蛾成蟲室內節律行為測試的結果較為一致，即其在進入暗周期時開始活動，且活動行為持續整個暗周期[22]。已有研究表明許多蛾類的性活動行為具有明顯的晝夜節律[23-26]，玉米型草地貪夜蛾雌成蟲的求偶行為一般是從進入暗期到午夜這段時間，而水稻型草地貪夜蛾雌成蟲的求偶行為一般是在午夜到暗期結束的這段時間[24,27]，這表明我們監測到的草地貪夜蛾的類型很可能包含了玉米型和水稻型。草地貪夜蛾的晝夜活動節律在日平均溫度≥16℃和<16℃之間稍有差異，這進一步明確了昆蟲的晝夜節律受到溫度的影響[23,28]。綜上，本研究的智能監測設備能夠實現草地貪夜蛾成蟲的實時監測，準確地反應草地貪夜蛾成蟲日活動節律。

本研究結果表明基于性誘和物聯網相結合的智能監測裝置能夠實現草地貪夜蛾成蟲種群動態的智能化監測，對今后推進草地貪夜蛾甚至其他害蟲的田間種群智能化監測方面的相關研究具有一定的指導意義。本研究僅就福建省秋季草地貪夜蛾種群動態進行了個例分析，但由于草地貪夜蛾可隨氣流進行遷移，遷入時間具有不確定性，今后仍需要通過更長時間跨度的實時智能化監測，以便能夠準確監測到早期遷入，為早期測報與綜合防控提供依據。