王慶雨，宋燦燦，單常峰，楊承磊，別曉婷，蘭玉彬

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博,255000;2. 山東理工大學(xué)生態(tài)無人農(nóng)場(chǎng)研究院,山東淄博,255000;3. 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心山東理工大學(xué)分中心,山東淄博,255000)

0 引言

生物防治技術(shù)是指利用有益生物或其他生物(包括微生物、寄生性天敵、捕食性天敵等)控制有害生物的技術(shù)[1-2]。從長(zhǎng)期防治的角度來看,生物防治技術(shù)可有效避免因化學(xué)防治帶來的一系列問題,如產(chǎn)生抗性和抗性水平增加、農(nóng)藥殘留以及環(huán)境問題等,可為病蟲害的防治提供一種生態(tài)友好型的替代方案[3]。生物防治技術(shù)具有成本低、可持續(xù)、可改善生態(tài)環(huán)境、無污染無危害等優(yōu)點(diǎn)[4],對(duì)于降低部分劇毒農(nóng)藥的使用量以及農(nóng)藥在食品和飼料中的殘留量,促進(jìn)我國綠色食品和生物農(nóng)藥的發(fā)展具有重要意義[5]。

在生物防治領(lǐng)域,赤眼蜂是世界上適用范圍最廣的鱗翅目害蟲天敵生物,能夠有效防治水稻二化螟、玉米螟、松毛蟲等害蟲,使用范圍較廣[6]。利用赤眼蜂防治害蟲不僅可以有效減少化學(xué)農(nóng)藥的使用量,優(yōu)化環(huán)境,還能減輕害蟲的抗藥性,而且對(duì)生產(chǎn)者和消費(fèi)者安全無害[7]。國內(nèi)有關(guān)赤眼蜂的研究從20世紀(jì)30年代開始[8],經(jīng)過不斷地優(yōu)選培育,赤眼蜂對(duì)目標(biāo)害蟲的防治效果可以達(dá)到70%左右[9-12],赤眼蜂防治技術(shù)已成為生物防治領(lǐng)域的一項(xiàng)重要措施[13],具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。2017年農(nóng)業(yè)部提出了到2020年農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案,為利用以赤眼蜂為代表的有益生物進(jìn)行農(nóng)田病蟲害的生物防治帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。開展基于赤眼蜂的生物防治技術(shù)研究也已成為我國發(fā)展現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一,受到研究學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

利用赤眼蜂進(jìn)行農(nóng)田害蟲防治時(shí),實(shí)際上是將被赤眼蜂寄生的寄主卵投放到田間。處于蛹期的赤眼蜂的寄主卵被釋放在田間不久后,羽化后的赤眼蜂會(huì)主動(dòng)尋找寄主卵并在寄主卵內(nèi)產(chǎn)卵,赤眼蜂蛹將寄主卵殺死并吸取其養(yǎng)分供給自己完成發(fā)育,待其羽化后又開始新的一輪寄生,這種不斷循環(huán)的繁殖方式能夠有效減少害蟲基數(shù),從而達(dá)到控制蟲害的目的[14]。這些被赤眼蜂寄生的寄主卵通常是由養(yǎng)殖赤眼蜂天敵的生物工廠生產(chǎn),不同種類的赤眼蜂對(duì)不同的寄主卵適應(yīng)性不同,需要篩選對(duì)應(yīng)的寄主卵進(jìn)行繁殖[15]。這些寄主卵都具有體積小、易破損等特點(diǎn),且易受蟲蟻啃食,雨水及光照對(duì)卵的活性也有影響。因此,利用赤眼蜂進(jìn)行生物防治的關(guān)鍵在于如何妥善處理赤眼蜂寄主卵,在投放寄主卵時(shí)盡量避免寄主卵與投放裝置直接接觸以及被外界環(huán)境刺激而造成損失。為了便于閱讀和理解,本文使用赤眼蜂卵代指投放被赤眼蜂寄生的寄主卵。

田間投放赤眼蜂通常采取淹沒式投放,通過釋放大量的天敵使害蟲蟲口直接死亡,但不期望長(zhǎng)期控制[16]。根據(jù)全國農(nóng)技中心推薦的放蜂量以及害蟲爆發(fā)規(guī)律,一般以8頭/m2、12頭/m2、16頭/m2的釋放量分3次釋放赤眼蜂[17]。為了方便投放且維持活性,通常使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施處理赤眼蜂卵,如制成懸浮液、混合物或載體等。在過去的研究中,半機(jī)械化裝置、地面機(jī)械以及航空配套機(jī)械都被研發(fā)并應(yīng)用到投放赤眼蜂中[18],實(shí)現(xiàn)了噴灑懸浮液、投放混合物或?qū)Ｓ幂d體等功能。這些投放機(jī)械有效提高了投放效率,減少了人力投入,但在針對(duì)不同形態(tài)的赤眼蜂的投放裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和投放精度上也都存在一些問題。本文在分析基于赤眼蜂的生物防治技術(shù)的研究及應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上,從赤眼蜂的防治機(jī)理、赤眼蜂卵的處理方法和投放裝置三個(gè)方面展開討論,闡述了現(xiàn)階段存在的問題,并結(jié)合我國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展背景對(duì)赤眼蜂投放技術(shù)的未來發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展望,為今后我國以赤眼蜂為主的生物防治技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用提供參考。

1 赤眼蜂卵的保護(hù)措施

良好的寄主卵應(yīng)具有赤眼蜂偏好寄生、卵內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)豐富、卵殼硬度高韌性好等特性[6],支撐赤眼蜂在卵內(nèi)完成發(fā)育并羽化出蜂。目前常用的寄主卵分為大卵(柞蠶卵、蓖麻蠶卵、松毛蟲卵等)和小卵(米蛾卵、麥蛾卵、小菜蛾卵、玉米螟卵、二化螟卵等)兩種。大卵通常為橢圓形,卵長(zhǎng)2～3 mm,卵殼質(zhì)地堅(jiān)硬,一粒卵粒中可以寄生3頭以上赤眼蜂,小卵可以寄生1～2頭赤眼蜂[19]?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)赤眼蜂寄主卵的工廠化生產(chǎn),但用于投放的赤眼蜂通常處于蛹態(tài)后期,且被投放后赤眼蜂寄主卵處于不可控的生態(tài)環(huán)境中,極易受外界刺激,因此需要必要的保護(hù)措施,以保證赤眼蜂的羽化率[20]。

傳統(tǒng)的赤眼蜂卵處理方式是將赤眼蜂寄主卵粘在紙卡上做成卵卡[21],便于利用牙簽或細(xì)線將赤眼蜂卵放置在植株上。這種方式長(zhǎng)期以來都是由人工操作,優(yōu)點(diǎn)是赤眼蜂羽化率高,但較容易受降雨和大風(fēng)天氣影響,卵卡不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化投放。后來有學(xué)者采用帶有小孔的特制紙盒[22]代替紙卡,有效降低了環(huán)境對(duì)赤眼蜂羽化質(zhì)量的影響[23];在林間投放時(shí)還會(huì)用到蜂箱,蜂箱內(nèi)裝有粘著即將羽化赤眼蜂卵的蜂箔,需要有經(jīng)驗(yàn)的放蜂員帶著蜂箱在林間步行放蜂[24];在棉田防治棉鈴蟲時(shí)還會(huì)用到紙袋放蜂器[25]。這類處理方式有效保證了赤眼蜂的存活率,但是需要投入大量勞動(dòng)力,工作環(huán)境惡劣,投放速度和質(zhì)量有限,機(jī)械化水平還有待進(jìn)一步提升,選擇合適的保護(hù)措施,既有利于機(jī)械裝置高效率投放,又能減少赤眼蜂寄主卵直接與機(jī)械裝置接觸而造成的損傷。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,學(xué)者們結(jié)合不同的機(jī)械裝置研究出了懸浮液、混合物、專用放蜂器等保護(hù)措施對(duì)赤眼蜂卵進(jìn)行處理,在確保赤眼蜂的活性的同時(shí)也有利于更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化投放。

1.1 配制懸浮液

配置懸浮液是研究較早的一種赤眼蜂卵的保護(hù)措施。學(xué)者們將寄主卵浸泡在水與商業(yè)佐劑[26-27]、瓊脂、明膠、蔗糖、黃原膠、瓜爾膠[28]、石蠟[29]等配制的懸浮液中,通過對(duì)比懸浮液對(duì)赤眼蜂羽化率和寄生率、赤眼蜂卵在懸浮液中的分布均勻性以及在葉片上的吸附性的影響,分析有利于保持赤眼蜂卵活性的懸浮液配方(表1)。

表1 懸浮液溶質(zhì)類型與蟲卵羽化率對(duì)比Tab. 1 Comparison of suspension solute type and egg emergence rate

Kienzle等[32]的研究表明赤眼蜂卵在黃原膠懸浮液中的羽化率高于瓜爾膠懸浮液,在懸浮液中加入助劑能減小噴灑的懸浮液滴粒徑,體積更小的液滴干燥快,有助于提高羽化率,但隨著噴灑系統(tǒng)壓力的逐步增大會(huì)造成赤眼蜂的存活率逐漸下降。Gardner等[33]的研究表明赤眼蜂卵短時(shí)間(3 h以內(nèi))浸泡在水中對(duì)羽化率影響較小。Gauthier等[34]通過試驗(yàn)探究噴灑赤眼蜂卵技術(shù)的可行性,發(fā)現(xiàn)赤眼蜂卵懸浮液噴灑后,羽化率降低了10%～15%,但隨著浸泡時(shí)間的增加羽化率沒有進(jìn)一步降低。

用于配置懸浮液的溶質(zhì)是影響羽化率的重要因素。Hussein等[28, 35]測(cè)試了蔗糖、明膠、瓊脂、植物膠和黃原膠等作為溶質(zhì)對(duì)蟲卵羽化效果的影響,隨著浸泡時(shí)間的增加,羽化率均有所下降,明膠(1%)導(dǎo)致羽化率嚴(yán)重的下降;蔗糖溶液(5%)對(duì)蟲卵的羽化率影響較小,但是蟲卵的懸浮分散效果差;瓊脂懸浮液(0.15%)對(duì)羽化率的影響較小,但會(huì)在23 ℃左右時(shí)會(huì)凝固;植物膠懸浮液(10%,25%,50%)也大幅降低了蟲卵羽化率,部分幼蟲還會(huì)被植物膠粘在卵殼上;而黃原膠懸浮液(0.03%)對(duì)羽化率的影響較小,較為適合作為配置赤眼蜂等蟲卵懸浮液的溶質(zhì)。

懸浮液有助于蟲卵附著在葉片上,但懸浮液濃度過高或自身粘性過大會(huì)粘連束縛新羽化的幼蟲導(dǎo)致其死亡,太低不易使卵粒附著在葉片上,卵粒在懸浮液中分布應(yīng)盡量均勻以保證投放的均勻性,因此配置懸浮液的關(guān)鍵是選用合適的溶質(zhì)以及適宜的濃度。

1.2 制備混合物

制備混合物是指將赤眼蜂卵與固體或粉體顆粒物料混合的處理方式,將赤眼蜂卵摻入蛭石、禾本植物的穎殼和鋸末等物質(zhì)中,不僅可以為赤眼蜂卵提供適宜的粘附介質(zhì),還可以有效減少赤眼蜂卵與機(jī)械裝置的直接接觸。在制備混合物時(shí)一般會(huì)撒入一定量的水或特定粘液,有助于增加赤眼蜂卵的附著性,將一定比例的蛭石與卵以及適量粘液混合,攪拌均勻后即可投放。使用谷物穎殼制備混合物時(shí),部分赤眼蜂卵會(huì)附著在穎殼內(nèi)從而起到保護(hù)作用,因而該處理方式也得到了較多關(guān)注。Jones等[36]利用谷物穎殼的優(yōu)勢(shì)首次嘗試將赤眼蜂卵摻入麥殼中制備混合物,并在投放裝置中進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明該混合物能夠有效減少機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)蟲卵的破壞。

在制備混合物時(shí)應(yīng)考慮混合物的流動(dòng)性,防止產(chǎn)生堵塞,赤眼蜂卵在混合物中發(fā)生堆積和分層還會(huì)影響投放的均勻性。

1.3 設(shè)計(jì)專用載體

除了與現(xiàn)有液態(tài)和固態(tài)顆粒物料混合以外,還可以設(shè)計(jì)專門存放赤眼蜂卵的載體,載體的結(jié)構(gòu)和形狀不限,重點(diǎn)是能夠?qū)⒊嘌鄯渎寻趦?nèi),與外界環(huán)境隔離。專用的赤眼蜂載體有以下3方面優(yōu)勢(shì):(1)作為裝載赤眼蜂卵的容器,可確保赤眼蜂卵的活性;(2)可減輕赤眼蜂卵直接受到田間環(huán)境的刺激和機(jī)械投放造成的損傷;(3)只需設(shè)計(jì)赤眼蜂載體的投放裝置即可,便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化投放。為了獲得適宜裝載赤眼蜂卵的方法,便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化投放赤眼蜂,學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了不同類型的載體,并通過試驗(yàn)測(cè)試證明了這些載體的可行性。Santos等[37]提出了一種儲(chǔ)存和投放寄生蜂的矩形容器以代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料投放袋,該容器由可降解材料制成,上下表面有開口,利用透明蓋封住上表面開口可觀察內(nèi)部情況,下表面開口用于向盒內(nèi)放入蛹團(tuán)。Park等[38]設(shè)計(jì)了一種圓筒載體,該載體外殼為圓紙筒,在內(nèi)部放置塑料圓管,底部由黏土端蓋制成,圓紙筒中心放置了實(shí)心球,用于在載體落地時(shí)將黏土端蓋擊碎,該載體的缺點(diǎn)在于使用了塑料材質(zhì),落到田中較難降解,且作物冠層的緩沖作用可能導(dǎo)致黏土端蓋不易碎裂。針對(duì)上述問題,Kim等[39]使用易降解的PVA材料設(shè)計(jì)了一種圓臺(tái)外形的天敵載體,由帶有釋放圓孔的上端蓋、中間圓臺(tái)以及下端蓋構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,降低了制作成本和步驟。王立達(dá)等[40]設(shè)計(jì)了一種空心球形赤眼蜂載體,如圖1所示,由上下兩半球組成,下半球?yàn)閷?shí)心球,上半球開有釋放口,內(nèi)部是蜂卵室,該載體能夠防水、防蟲,球形設(shè)計(jì)更有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化投放。

圖1 空心球形赤眼蜂載體

綜上,赤眼蜂卵的處理方式有多種,且不同的處理方式會(huì)對(duì)羽化率和寄生率產(chǎn)生不同的影響,如表2所示。

表2 赤眼蜂卵不同保護(hù)措施優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 2 Comparison of advantages and disadvantages of different treatment methods for Trichogramma eggs

為了明確不同的處理方式下赤眼蜂卵存活質(zhì)量的影響因素以及各處理方式的優(yōu)劣,Jalali等[41]探究了不同處理方式對(duì)赤眼蜂羽化率和寄生率的影響,發(fā)現(xiàn)制備赤眼蜂卵膠囊花費(fèi)的時(shí)間最長(zhǎng),但羽化率較高(95.7%);制備懸浮液和混合物所需時(shí)間短,但是羽化率偏低;在寄生率的對(duì)比中,蛭石混合的赤眼蜂獲得了最好的寄生率(76.7%),其次是成年蜂(65.9%)、粗面粉混合物(61.3%)和瓊脂溶液(55.3%),其余試驗(yàn)組寄生率均低于50%。

2 赤眼蜂卵的投放機(jī)械

地面機(jī)械主要分為兩類:一類是半機(jī)械化投放裝置,主要依靠人攜帶投放機(jī)械在田間行走實(shí)現(xiàn)投放;另一類是機(jī)械化投放裝置,通常由投放裝置和載具組成。

2.1 半機(jī)械化投放裝置

半機(jī)械化投放裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作難度低等優(yōu)勢(shì),依靠人在田間步行,手持操作投放,受限于人的承載力,半機(jī)械化投放裝置較為輕便。Blandini等[42]設(shè)計(jì)了一款離心式天敵生物投放原型機(jī),如圖2所示,該裝置由料箱、料箱中間的螺旋下料器以及底部的分料盤構(gòu)成,通過調(diào)節(jié)螺旋下料器轉(zhuǎn)速控制投放量,分料盤以600～1 100 r/min的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn),利用離心力將物料甩出,經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證,該原型機(jī)能夠保證天敵生物活性,適用于投放天敵生物,后來該原型機(jī)被改造為背負(fù)式以及手持式等多種類型半機(jī)械化投放裝置[43]。Smith等[44]對(duì)比了電動(dòng)手持氣吹式投放機(jī)械與卵卡的方式,在林間進(jìn)行了一系列投放赤眼蜂卵測(cè)試,手持氣吹投放機(jī)械投放的赤眼蜂卵大部分沉積在裝置周圍3～5 m處,最遠(yuǎn)可到7 m,結(jié)果表明兩種投放方式投放的赤眼蜂卵都獲得了良好的均勻性,寄生率沒有明顯差別,與航空器投放效果相當(dāng)。

圖2 一種離心式投放天敵生物原型機(jī)

半機(jī)械化投放裝置不僅效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且需依托使用者進(jìn)行移動(dòng),使用者難以做到勻速前進(jìn),且手持裝置的姿勢(shì)等也有較大影響,因而投放均勻性較難保障。此外,在舒適性上,需要使用者長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載裝置在田間行走,體力消耗大,田間工作環(huán)境差,目前該方法已經(jīng)很少使用。

2.2 基于地面機(jī)械的投放裝置

2.2.1 赤眼蜂卵懸浮液噴灑機(jī)械

噴灑赤眼蜂卵懸浮液的投放方式類似噴灑農(nóng)藥,不同的是所用的噴嘴內(nèi)徑較大,需要滿足卵粒通過。普通液壓泵容易破壞卵粒結(jié)構(gòu),在噴灑系統(tǒng)中多使用蠕動(dòng)泵提供壓力。此外,還需不斷攪拌懸浮液防止赤眼蜂卵分布不均勻。1972年已經(jīng)有研究人員開發(fā)出用于投放蟲卵的噴灑裝置[45],考慮到儲(chǔ)液箱到噴嘴出口管路上的壓力泵和噴嘴等組件很容易破壞卵的結(jié)構(gòu),研究人員最初利用加壓空氣的方式代替液壓泵,為懸浮液噴灑系統(tǒng)提供液壓力。Morrison[46]用高壓氣瓶代替液壓泵向噴灑系統(tǒng)提供壓力投放蟲卵,大幅降低了液壓泵對(duì)卵的破壞。Giles等[31]設(shè)計(jì)了一種有儲(chǔ)液器、空氣壓縮機(jī)以及脈沖調(diào)節(jié)閥門等組成的蟲卵噴灑投放裝置,儲(chǔ)液器底部為彈性材料,可以隨著空氣壓縮機(jī)的加壓使儲(chǔ)液器中的懸浮液噴出,通過脈沖調(diào)節(jié)閥門可以控制噴液的時(shí)長(zhǎng)和頻率?？諝鈮嚎s設(shè)備往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,研究人員嘗試使用液壓泵進(jìn)行噴灑作業(yè)。用于植保機(jī)械的液壓泵通常包括隔膜泵、滾子泵、離心泵和齒輪泵等,其中隔膜泵工作原理對(duì)蟲卵的損傷最低,成為優(yōu)先考慮的液壓泵。

Hussein[28]和Shands[45]的研究表明選擇的懸浮液溶質(zhì)以及噴嘴孔徑和噴液壓力是影響投放效果的重要因素。噴嘴對(duì)于保持卵粒的完整性也很重要,研究人員已通過使用大孔徑噴嘴(TeeJetXR11015)噴灑寄主卵獲得了良好的羽化率[32]。Dionne等[47]設(shè)計(jì)和測(cè)試了長(zhǎng)噴桿式噴灑懸浮液設(shè)備,該設(shè)備配備了380 L的水箱,8個(gè)XR11008-VP噴嘴安裝在6.71 m長(zhǎng)的噴桿上,使用流量為18.5 L/min的隔膜泵供壓,工作時(shí)將該設(shè)備掛載到拖拉機(jī)等機(jī)具上,測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)該設(shè)備投放的赤眼蜂卵的活性沒有降低。

經(jīng)過多年研究,赤眼蜂懸浮液的噴灑系統(tǒng)對(duì)赤眼蜂卵的損傷已明顯降低田間作業(yè)效果得到廣泛認(rèn)可。依靠懸浮液的粘性,赤眼蜂卵可以粘附在作物葉片上,孵化后更快尋找到寄主,在藥液箱中加入攪拌裝置還可以保證赤眼蜂卵在懸浮液中分布均勻。此外,盡量避免降雨前進(jìn)行作業(yè),以免赤眼蜂卵在雨水沖刷下被土壤覆蓋而造成損失。

2.2.2 氣吹式投放機(jī)械

氣吹式投放機(jī)械是指利用氣流將攜帶赤眼蜂卵的物料或載體經(jīng)投放裝置吹送至田間。Jones等[36]將小麥穎殼與赤眼蜂卵混合并加入一定量的粘液,使用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行投放,穎殼增大了赤眼蜂卵的受風(fēng)面積,加入粘液使卵更容易附著在作物冠層。Giles等[48]經(jīng)多次改進(jìn)后,設(shè)計(jì)了一種安裝在拖拉機(jī)上的氣吹式投放裝置,該裝置包括儲(chǔ)存容器、旋轉(zhuǎn)計(jì)量盤、噴氣系統(tǒng),隨著計(jì)量盤轉(zhuǎn)動(dòng),天敵生物從儲(chǔ)存容器下落填充到旋轉(zhuǎn)計(jì)量器開孔中,當(dāng)旋轉(zhuǎn)到固定板上的開孔處時(shí),壓縮氣流將天敵生物吹出,通過旋轉(zhuǎn)計(jì)量盤轉(zhuǎn)速控制投放速率,裝置由電機(jī)帶動(dòng),經(jīng)測(cè)試該裝置不會(huì)損傷天敵生物的活性。Gardner等[49]使用Giles設(shè)計(jì)的裝置開展了一系列投放卵粒的試驗(yàn),研究表明該裝置適用于投放卵粒與蛭石的混合物且不會(huì)影響活性且分布相對(duì)均勻。

上述學(xué)者證明了利用地面投放機(jī)械獲得的分布均勻性及防治效果均能滿足要求,且使用成本低,投放效率高。然而,赤眼蜂防治機(jī)理決定了在作物生長(zhǎng)周期內(nèi)需要進(jìn)行多次投放,地面機(jī)械長(zhǎng)期碾壓容易夯實(shí)土壤,且在高稈作物田間通過性差,不適合玉米等作物生長(zhǎng)后期作業(yè)。

2.3 有人駕駛航空設(shè)備投放技術(shù)

美國農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展已有100多年歷史[50],關(guān)于有人駕駛飛機(jī)投放天敵生物的研究也起步較早。為滿足大面積、高效率投放赤眼蜂卵,一些研究人員進(jìn)行了有人駕駛飛機(jī)投放作業(yè)的探索。

Reeves[51]開發(fā)了一種用于航空設(shè)備的投放機(jī)械,赤眼蜂卵被裝在封閉的紙袋中,投放時(shí)通過機(jī)械裝置將紙袋剪開并拋出機(jī)艙完成投放,這種設(shè)備較為簡(jiǎn)易,能快速大面積完成作業(yè),但落在地上的袋子很容易受到降水的影響,且蟲蟻容易鉆進(jìn)袋子啃食赤眼蜂卵造成損失。Bouse等[52]對(duì)傳統(tǒng)的干物料撒施裝置進(jìn)行了改裝,設(shè)計(jì)了一種基于PiperPA-25農(nóng)用飛機(jī)的麥糠—赤眼蜂卵混合物的撒施裝置,該裝置包括料斗、閘門、低速攪拌器等結(jié)構(gòu),投放速率由閘門的開啟角度控制,試驗(yàn)證明,該裝置投放麥糠—赤眼蜂卵混合物相比投放赤眼蜂卵均勻性更好。Bouse等[53]又設(shè)計(jì)了一種搭載于農(nóng)用飛機(jī)的精量投放蟲卵系統(tǒng),由料箱、計(jì)量齒輪、轉(zhuǎn)動(dòng)刷等組成,料箱下方是漏斗形出料口,依靠計(jì)量齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行投放,毛刷清掃附著在計(jì)量齒輪上的卵,在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于赤眼蜂卵前期需要經(jīng)過冷卻處理,料箱中會(huì)出現(xiàn)冷凝水使蟲卵結(jié)塊,造成下料不順暢,此裝置要求蟲卵的溫度不能過低。

超輕型旋翼機(jī)起飛跑道短,能夠低空低速飛行,飛行特性適合農(nóng)田作業(yè),近年來在歐洲等地區(qū)得到應(yīng)用。Bzowska-Bakalarz等[54-55]嘗試使用Aviation Artur Trendak Zen-1型超輕型旋翼機(jī)在農(nóng)田投放赤眼蜂防治玉米螟,分別在機(jī)身掛架兩端安裝赤眼蜂卵分配器,單次作業(yè)面積可達(dá)80 hm2,飛行速度可達(dá)100 km/h,駕駛員依靠GPS系統(tǒng)駕駛旋翼機(jī)連續(xù)作業(yè),幾年實(shí)地應(yīng)用表明對(duì)玉米螟的防效達(dá)到了60%～85%。

飛機(jī)作業(yè)不僅效率高,且不與作物和地表接觸,能夠作為地面投放機(jī)械的良好補(bǔ)充,但成本高昂,有較高的飛行速度和高度。若機(jī)艙內(nèi)存放的赤眼蜂卵過多,代謝產(chǎn)生的熱量會(huì)使溫度升高,需要配備冷卻系統(tǒng)降溫,成本較高[56]。且有人駕駛飛機(jī)作業(yè)幅寬大,轉(zhuǎn)彎半徑大,不適合小地塊作業(yè),容易造成分布不均等問題。

2.4 無人駕駛航空器投放技術(shù)

無人駕駛航空器體積小,使用方便且不需要專門的起飛跑道等優(yōu)勢(shì),應(yīng)用前景廣闊[57]。在赤眼蜂投放領(lǐng)域,無人駕駛航空器能有效解決傳統(tǒng)地面機(jī)械在高稈作物農(nóng)田、稻田以及地形較差的地塊作業(yè),相比載人航空器成本低,利于推廣[58]。

國外采用無人機(jī)投放赤眼蜂的研究較早,且已有商業(yè)化產(chǎn)品。2016年,加拿大生產(chǎn)了一款名為Entobot生物投放飛行器,由容納寄主卵的儲(chǔ)存器、投放量調(diào)節(jié)測(cè)量裝置和位于儲(chǔ)存器底部的重力輔助投放系統(tǒng)構(gòu)成,該裝置可以投放赤眼蜂卵與蛭石混合物或?qū)Ｓ玫哪z囊形載體,配套的地面站和飛行控制系統(tǒng)將生物投放裝置帶到相應(yīng)地點(diǎn)執(zhí)行作業(yè)任務(wù),該無人機(jī)投放系統(tǒng)作業(yè)速率為20 hm2/h,單次作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為0.5 h,每公頃可撒施40萬粒赤眼蜂寄主卵。Martel等[59]使用Entobot生物投放飛行器在林中投放赤眼蜂的試驗(yàn)表明,與人工投放卵卡相比,使用無人機(jī)投放成本有所提高,但投放迅速,節(jié)省了大量時(shí)間,兩種方法防治效果幾乎相同。

Park等[38]設(shè)計(jì)了一種低成本的天敵生物空中投放裝置,該裝置可容納8個(gè)圓紙筒載體,設(shè)計(jì)目的是用來防治人工難以到達(dá)的作業(yè)區(qū)域,因此裝載量較少。此外,該裝置存在一定的缺陷,在投放過程中載體碰撞到作物冠層后減輕了落地產(chǎn)生的沖擊力,可能不足以擊碎載體底部的黏土端蓋以釋放天敵生物。

2013年,國內(nèi)首次報(bào)道了李敦松等[60]將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于赤眼蜂的投放,通過無人機(jī)的噴灑系統(tǒng)將赤眼蜂卵懸浮液經(jīng)蠕動(dòng)泵供壓進(jìn)行噴灑,試驗(yàn)證明使用植保無人機(jī)噴灑赤眼蜂卵對(duì)其活性沒有顯著影響。噴灑赤眼蜂卵懸浮液有較多限制條件,溶質(zhì)的種類和濃度、赤眼蜂卵的浸泡時(shí)長(zhǎng)、噴灑作業(yè)的氣溫等都會(huì)影響到赤眼蜂卵分布的均勻性和羽化率,與噴灑赤眼蜂卵懸浮液相比,投放赤眼蜂卵載體則沒有這些限制。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的投放,赤眼蜂卵載體的外形大多數(shù)為球形?，F(xiàn)有的基于無人機(jī)的投放機(jī)械大多分為儲(chǔ)存裝置、排料裝置、投放裝置以及相應(yīng)的控制部分。儲(chǔ)存裝置主要有料斗式[61-62]、組合圓筒式[63],螺旋排列式[64]三種類型,料斗式儲(chǔ)存裝置通常需要設(shè)計(jì)防堵機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu),螺旋排列式和組合圓筒式儲(chǔ)存裝置不易發(fā)生堵塞,但是儲(chǔ)存容量有所降低。載體的投放方式有自由落體式[63-65]和投射式[66],投射式會(huì)增加載體離開無人機(jī)時(shí)的初始速度使其加快落地,減少環(huán)境風(fēng)等造成的干擾,使載體更加接近投放點(diǎn)。

朱家樂等[67]設(shè)計(jì)了一款天敵生物載體的投放裝置,工作時(shí),分量齒旋轉(zhuǎn)將載體逐個(gè)排出投放,料箱內(nèi)的攪拌桿不斷旋轉(zhuǎn)防止載體發(fā)生堵塞,底部的計(jì)數(shù)器用于計(jì)量投出數(shù)量,極大提高了作業(yè)效率。蘭玉彬等[61]發(fā)明了一種搭載于無人機(jī)上的赤眼蜂載體投放裝置,工作時(shí)攪拌器不停轉(zhuǎn)動(dòng)防止堵塞,撥叉旋轉(zhuǎn)有序排放載體,光電開關(guān)負(fù)責(zé)計(jì)數(shù),且能監(jiān)測(cè)投放量以及是否發(fā)生堵塞。Zhan等[68]基于高科新農(nóng)M45型號(hào)無人機(jī)搭載此裝置開展實(shí)地投放試驗(yàn),配有專用的地面站、天空站以及手機(jī)客戶端,實(shí)現(xiàn)了路徑規(guī)劃、記錄投放點(diǎn)坐標(biāo)以及生成作業(yè)圖等功能,根據(jù)記錄的投放點(diǎn)坐標(biāo)以及單個(gè)載體的防治范圍,試驗(yàn)場(chǎng)地的實(shí)際覆蓋率達(dá)到99.33%,能夠滿足作業(yè)要求。

影響無人機(jī)投放赤眼蜂卵載體效果的因素有很多,不同飛行參數(shù)產(chǎn)生的無人機(jī)下洗氣流[69]以及環(huán)境風(fēng)等會(huì)影響載體的分布均勻性,投放點(diǎn)的布置方式會(huì)影響覆蓋度以及作業(yè)效率,赤眼蜂載體是否具有防水功能等會(huì)影響羽化率。一些學(xué)者對(duì)如何提高無人機(jī)投放赤眼蜂卵載體的覆蓋率、均勻性以及防治效果等方面開展相關(guān)研究。Freitas等[70]對(duì)不同飛行高度和不同風(fēng)速通過計(jì)算機(jī)仿真模擬測(cè)試了側(cè)風(fēng)對(duì)載體落點(diǎn)的影響,投放方式為自由下落,根據(jù)風(fēng)速大小調(diào)整無人機(jī)投放位置,載體在風(fēng)以及重力作用下接近防治點(diǎn)。徐東甫等[71]設(shè)計(jì)了一種基于Hex-Rotor飛行器的赤眼蜂投放系統(tǒng),該系統(tǒng)利用帶有擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和快速微分器的反步控制算法,使飛行器在投放動(dòng)作干擾和外部風(fēng)擾共同作用下,能夠很好地完成軌跡跟蹤飛行任務(wù)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投放。Freitas等[72]提出了一種飛行器投放路徑規(guī)劃算法,相比目前廣泛采用的“之”字型落點(diǎn)排布,能夠更好地覆蓋邊緣區(qū)域,所采用的六邊形分布減少了重復(fù)區(qū)域,提高了赤眼蜂利用率。

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

學(xué)者們?cè)诔嘌鄯渎训谋Ｗo(hù)措施及其投放機(jī)械上開展了大量研究,投放質(zhì)量、效率能夠達(dá)到或者超過人工方式,也出現(xiàn)了較為成熟的商業(yè)化投放產(chǎn)品,結(jié)合當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀,仍有以下問題應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)解決。

1) 赤眼蜂卵保護(hù)措施研究不足。不同保護(hù)措施都由各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn),例如球形載體能夠防水,適合在水田使用,但成本稍高;制備懸浮液和混合物操作方便,成本低,卻對(duì)使用環(huán)境有要求。因此要綜合考慮作物所處的生長(zhǎng)時(shí)期、作業(yè)環(huán)境、寄主卵物理特性以及成本等因素,選擇最合適的保護(hù)措施。目前國內(nèi)載體應(yīng)用居多,缺少其他類型保護(hù)措施的研究。

2) 赤眼蜂卵投放機(jī)械種類單一。國外早已對(duì)赤眼蜂投放機(jī)械進(jìn)行了系統(tǒng)的探究,已開發(fā)出配套地面機(jī)械、載人航空器以及無人機(jī)載具等多種多樣的投放機(jī)械,滿足了林地、玉米、棉花等田塊的防治需求。目前國內(nèi)對(duì)于赤眼蜂投放機(jī)械的研究較晚,主要是基于無人機(jī)投放球形載體開展的,缺乏基于懸浮液、混合物等形式投放機(jī)械的研究,且大多處于實(shí)驗(yàn)研究階段,尚沒有一種機(jī)型大范圍推廣應(yīng)用,在羽化率、覆蓋率、防治效果方面研究不足。

3) 赤眼蜂卵投放方式有待優(yōu)化?，F(xiàn)有的防治方式主要是淹沒式投放,而精準(zhǔn)投放、處方圖靶向投放等智能化投放方式研究較少,隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展,基于處方圖的定點(diǎn)定量投放技術(shù)與蟲害監(jiān)測(cè)相輔相成將逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 展望

受限于農(nóng)田經(jīng)營模式、農(nóng)機(jī)具發(fā)展?fàn)顩r以及農(nóng)民對(duì)生物防治技術(shù)不夠重視等因素,國內(nèi)赤眼蜂投放機(jī)械的研究剛剛起步,針對(duì)以上存在的問題,建議從以下方面突破。

1) 借鑒國外經(jīng)驗(yàn),探索赤眼蜂卵保護(hù)措施。赤眼蜂卵體積小、易受損的特性制約著赤眼蜂投放機(jī)械的發(fā)展。國外對(duì)于提高赤眼蜂卵活性的方式研究較為全面,開展了大量的探索和研究,在保證赤眼蜂卵活性和羽化率的基礎(chǔ)上,借鑒國外經(jīng)驗(yàn),探索懸浮液、混合物、專用載體以及研究新式保護(hù)措施,達(dá)到降低使用成本,提高防治病蟲害效果的目的,增加農(nóng)民對(duì)其認(rèn)可度。

2) 因地制宜,針對(duì)不同作業(yè)條件開發(fā)投放機(jī)械。我國氣候種類豐富,不同地區(qū)田塊種類差異較大,北方農(nóng)田面積大且集中,南方則地塊面積小且分散,作物的種類和生長(zhǎng)狀況也有很大差別,投放機(jī)械的作業(yè)條件復(fù)雜多變,以區(qū)域土地類型、作物品種為導(dǎo)向,從效率、成本、防治效果等多方面因素考察,逐步突破赤眼蜂投放機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù),篩選最為合適的投放機(jī)械,并形成規(guī)范化作業(yè),實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合。

3) 結(jié)合現(xiàn)有技術(shù),打造智能投放裝備。將傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合,提高赤眼蜂投放裝備的無人化、智能化程度,重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)赤眼蜂的精準(zhǔn)投放和變量投放。利用GPS定位技術(shù),根據(jù)農(nóng)田不同區(qū)域蟲害爆發(fā)程度進(jìn)行精準(zhǔn)變量投放,有效控制蟲害的前提下降低成本,達(dá)到降本增效的目的;利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)投放量、投放時(shí)間以及防治效果等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析,進(jìn)行蟲害研判和智慧決策,科學(xué)防治病蟲害。

4) 宣傳推廣,拓展赤眼蜂防治技術(shù)應(yīng)用面積。通過在全國各地建立赤眼蜂防治示范農(nóng)田、開展聯(lián)合試驗(yàn)等措施進(jìn)行宣傳,推廣赤眼蜂防治病蟲害為代表的生物防治技術(shù),優(yōu)先在使用人工投放赤眼蜂的地域引進(jìn)機(jī)械化投放技術(shù)。建立培訓(xùn)課程,普及赤眼蜂防治技術(shù),培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員,帶動(dòng)農(nóng)戶深入了解赤眼蜂防治技術(shù)優(yōu)勢(shì),從而帶動(dòng)投放機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展,推動(dòng)赤眼蜂防治技術(shù)的進(jìn)步。

4 結(jié)語

本文對(duì)赤眼蜂卵投放技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,深入分析了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。無人機(jī)植保作業(yè)在我國成為主流,結(jié)合現(xiàn)代技術(shù),未來可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投放、變量投放赤眼蜂,應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)分析技術(shù)可優(yōu)化投放質(zhì)量。赤眼蜂為代表的生物防治技術(shù)符合未來植保發(fā)展趨勢(shì),其廣闊的應(yīng)用前景將為我國農(nóng)產(chǎn)品安全帶來巨大貢獻(xiàn)。