摘要 2007年6～10月，利用毫米波掃描昆蟲雷達(dá)在廣西興安縣植保站進(jìn)行了空中昆蟲的初步監(jiān)測，結(jié)合地面燈和高空燈誘集，分析了地面和高空昆蟲種群動態(tài)變化。結(jié)果表明:空中昆蟲種群數(shù)量、種類季節(jié)性變化明顯，6～9月夜間昆蟲蟲口密度相對較高，進(jìn)入10月份夜間昆蟲相對減少，雷達(dá)回波點密度和燈下誘集蟲量有很高的一致性。夏季，19:00～22:00與05:30～07:00雷達(dá)回波密度各有一明顯高峰期；秋季，只在20:00～21:00有一明顯回波密度高峰期。昆蟲飛行高度主要集中在2 000 m以下，大部分集中在500～1 000 m。姊妹燈誘捕表明，稻飛虱和稻縱卷葉螟為優(yōu)勢遷飛種類。昆蟲飛行受氣象條件影響較大。

關(guān)鍵詞 毫米波掃描昆蟲雷達(dá)；昆蟲遷飛；雷達(dá)監(jiān)測

中圖分類號 S431.9

遷飛是昆蟲為了減少競爭、躲避周圍的不良環(huán)境或逃避天敵等而離開原來的生境，為了開拓新的資源而到達(dá)另一個生境的行為，使該蟲種得以繁衍，也是導(dǎo)致大范圍暴發(fā)成災(zāi)的主要原因之一。雷達(dá)昆蟲學(xué)作為一門新的學(xué)科分支，為研究昆蟲遷飛過程提供了一種革命性的工具。近年來，我國使用昆蟲雷達(dá)在研究昆蟲的遷飛行為和規(guī)律上取得了很多成果，尤其是厘米波掃描昆蟲雷達(dá)和垂直波束昆蟲雷達(dá)的研究及應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代，英國自然資源研究所(NRI)的研究人員認(rèn)識到:昆蟲雷達(dá)的目標(biāo)截面積(RCS)同昆蟲目標(biāo)個體大小存在一定的函數(shù)關(guān)系，使用3 cm的雷達(dá)系統(tǒng)在有效的范圍內(nèi)無法檢測到微小昆蟲。因為在瑞利散射區(qū)域里，個體越小的昆蟲，RCS越小，但是RCS同雷達(dá)波長的四次冪成反比，因此通過降低雷達(dá)波長可以實現(xiàn)雷達(dá)對微小昆蟲的遠(yuǎn)距離飛行的觀測。1988～1992年英國自然資源研究所和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)合作使用了8.8 mm的毫米波昆蟲雷達(dá)觀測稻飛虱等水稻害蟲的秋季回遷。2007年6月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所農(nóng)作物有害生物監(jiān)測預(yù)警研究室與成都錦江電子系統(tǒng)工程公司合作研制了我國第一臺毫米波掃描昆蟲雷達(dá)(世界上第二臺毫米波昆蟲雷達(dá))。利用這臺雷達(dá)在廣西壯族自治區(qū)興安縣進(jìn)行了空中昆蟲種群動態(tài)的初步觀測，結(jié)果報道如下。

1 材料與方法

1．1 觀測地點和時間

觀測地點位于廣西興安縣植保站(地理位置110°40'E，25°37'N；海拔高度210 m)，周圍是農(nóng)田和村莊，雷達(dá)觀測點周圍地勢開闊，500 m以內(nèi)無障礙物。于2007年6月10日至10月10日進(jìn)行雷達(dá)觀測，昆蟲活動高峰期，觀測時間為17:30～07:00，其他觀測多集中在18:30至次日02:00。

1．2 試驗材料

1．2．1 毫米波掃描昆蟲雷達(dá)

毫米波掃描昆蟲雷達(dá)波長為8.0 mm，具直徑1.2 m、焦距長為405 mm的旋轉(zhuǎn)拋物面天線，峰值功率10 kW，發(fā)射頻率3 500 MHz。天線掃描和信號采集由工控計算機(jī)控制，其回波信號同時在計算機(jī)顯示器上顯示并定時存儲為圖像和數(shù)據(jù)文件供分析用。

1．2．2 姊妹誘蟲燈

地面誘蟲燈采用佳多頻振式誘蟲燈；高空探照燈由GT75型探照燈制作而成，燈內(nèi)裝備ZJD1000W金屬鹵化物燈泡，鐵圈將其固定在一個大漏斗內(nèi)，光束垂直向上照射。漏斗下方系一密閉的塑料袋作為外層，放置乙酸乙酯溶液，內(nèi)層用紗網(wǎng)收集昆蟲，下雨時使用裝有深10 cm、5％洗衣粉溶液的塑料盆收集昆蟲。

1．2．3 氣象數(shù)據(jù)

低空風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)利用70-I型測風(fēng)經(jīng)緯儀采集計算所得。

高空風(fēng)場數(shù)據(jù)由美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP，其前身為美國國家氣象中心NMC)和美國國家大氣研究中心(NCAR)提供的再分析數(shù)據(jù)。

1．3 研究方法

雷達(dá)操作時采用Drake提出的經(jīng)典仰角(3°、5°、8°、12°、18°、28°、45°和58°)進(jìn)行觀測。計算機(jī)實時程序控制天線的轉(zhuǎn)速、噪聲門限、顯示即時觀測信息(目標(biāo)物體的高度、距離、時間、回波強(qiáng)度)。人工或自動存儲觀測結(jié)果，通過非實時程序供以后查看分析。

距雷達(dá)觀測地點南面約100 m處放置高空探照燈誘捕空中昆蟲，東面放置佳多地面測報燈。誘捕時間為19:00～07:00。每日早上檢查誘捕的昆蟲種類和數(shù)量，并解剖目標(biāo)昆蟲的雌成蟲，記錄卵巢發(fā)育進(jìn)度和交配情況。昆蟲遷飛和擴(kuò)散發(fā)生高峰期，每隔兩個小時取蟲檢查一次。

測風(fēng)經(jīng)緯儀跟蹤氣球每隔30 s測定一次氣球的方位和仰角，據(jù)此計算出每50 m的平均風(fēng)向與風(fēng)速，每日結(jié)合雷達(dá)觀測的情況即時放球。利用NCEP和NCAR提供的高空風(fēng)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過GIS的再分析，采用標(biāo)準(zhǔn)時12時(北京時20時)850 hPa壓力層面u分量、v分量數(shù)據(jù)合成風(fēng)場矢量圖，分析昆蟲發(fā)生高峰期的高空風(fēng)場。

1．4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

誘蟲燈內(nèi)的蟲情數(shù)據(jù)和雷達(dá)采集數(shù)據(jù)用非實時程序輸出后，用SAS9113軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 姊妹燈下蟲量動態(tài)

6月10日至9月30日雷達(dá)觀測期間，姊妹燈共誘集到昆蟲10目、48科、220多種(表1)。高空燈下誘蟲種類和數(shù)量以鱗翅目夜蛾科和螟蛾科的種類最多，稻飛虱(白背飛虱和褐飛虱)和稻縱卷葉螟的數(shù)量占有絕對優(yōu)勢，但季節(jié)動態(tài)變化顯著，有明顯突增和突減現(xiàn)象。觀測期間，燈下誘捕稻飛虱發(fā)生7次蟲量高峰期，白背飛虱發(fā)生高峰期早于褐飛虱，8月20日，褐飛虱和白背飛虱同日達(dá)到蟲量高峰，與之?dāng)?shù)量相似的還有稻飛虱的天敵——黑肩綠盲蝽；稻縱卷葉螟誘蟲量在6月9日和9月6日具有兩次顯著高峰。6月至9月步甲科日誘捕量相對較少，9月11日至10月6日，步甲科日誘捕數(shù)量顯著增多。另外鞘翅目隱翅甲科數(shù)量也占一定的優(yōu)勢(圖1)。

春、秋昆蟲活動高峰期，對誘捕的目標(biāo)昆蟲雌蛾生殖系統(tǒng)進(jìn)行解剖。圖2、3表明:5月23日姊妹燈下白背飛虱雌成蟲卵巢發(fā)育2級個體占81.5％，3級以上個體占19.0％；9月26日褐飛虱雌成蟲卵巢發(fā)育2級個體占82.0％，3級以上個體占11.9％。9月6日姊妹燈下稻縱卷葉螟雌蛾卵巢發(fā)育2級個體占83％，3級以上個體占8.5％，這幾日稻飛虱和稻縱卷葉螟的卵巢發(fā)育為1級的比例很低，具有典型的燈下遷入昆蟲生理特征。

2．2 毫米波掃描昆蟲雷達(dá)觀測結(jié)果

2．2．1 實時程序顯示結(jié)果

6月10日至8月23日從06:30開始觀測，結(jié)果顯示，雷達(dá)屏幕上回波點從20:00左右開始增多，至22:00左右達(dá)到高峰，之后回波數(shù)量逐漸降低，有時回波數(shù)量在18:30左右就迅速增多，持續(xù)時間可以達(dá)到40 min或幾個小時，第2天06:00左右開始增多，07:00左右后回波數(shù)量迅速降低。有時夜間回波數(shù)量高峰可以持續(xù)至第2天凌晨3:00左右。從圖4中看出，8月20日，18:40～20:22雷達(dá)顯示1.4～2.0 km回波密度一直相對較高，分層明顯。21:00以后，回波點高度下降至1.8 km，密度仍然很高，但各個高度分布均勻，分層不明顯，高密度回波一直持續(xù)至8月21日凌晨01:00，之后回波數(shù)量開始減少。9月下旬雷達(dá)觀測顯示一整夜的回波數(shù)量僅在20:30～21:30達(dá)到高峰，之后，回波量逐漸降低。雷達(dá)顯示屏上的回波點主要集中在高度2.0 km以下，有時可以達(dá)到2.2 km，大部分集中在1.2 km以下，0.4～0.8 km相對較多，凌晨回波數(shù)量高峰期，回波點高度主要分布在1.2 km以下(圖5和圖6)。

2．2．2 非實時程序顯示形式

雷達(dá)非實時程序?qū)崟r程序運(yùn)行時存儲的數(shù)據(jù)重現(xiàn)在計算機(jī)上，存在3種顯示方式:PPI(平面顯示)、RHI(距一高顯示)和體掃顯示。PPI顯示單楨圖像和序列圖像(連續(xù)保存3幅單楨圖像的彩色疊加)；RHI顯示設(shè)定方位角時不同高度層的回波數(shù)量的分布；體積掃描是設(shè)定各個仰角時的平面顯示。顯示的參數(shù)有距標(biāo)、仰角、方位角、高度、距離以及回波強(qiáng)度(圖7)。

2．3 氣流數(shù)據(jù)分析

華南地區(qū)處于斜壓流型季風(fēng)區(qū)內(nèi)，受海陸熱力差異影響形成典型的季風(fēng)氣候。7月1 3日至10月1日，測風(fēng)結(jié)果顯示，8月8日前低空風(fēng)向主要盛行偏南或西南風(fēng)，之后主要是東北或偏北風(fēng)(圖8)。

7月24日和8月23日前后都是稻飛虱活動的高峰期，連續(xù)幾天風(fēng)場矢量圖分別顯示:華南及以南地區(qū)、中南半島主要盛行西南風(fēng)和偏南風(fēng)；后者昆蟲活動高峰期華南、長江流域主要盛行東北風(fēng)或偏北風(fēng)，這為昆蟲的北遷南回遷入提供了高空運(yùn)載氣流。也提供研究稻飛虱遷飛路徑的大氣環(huán)流依據(jù)(圖9)。

8月20日低空風(fēng)速風(fēng)向廓線圖顯示在不同的兩個高度0.4～0.5 m和1.8～2.1 km出現(xiàn)風(fēng)速極值，而相對高度的風(fēng)向變化穩(wěn)定，空中昆蟲可能會選擇在極值風(fēng)速帶中飛行，大尺度的低空急流為昆蟲短時間內(nèi)長距離的運(yùn)行提供了條件(圖10)。

3 討論

本文對我國首臺毫米波掃描昆蟲雷達(dá)進(jìn)行了初步應(yīng)用，通過雷達(dá)觀測及蟲情調(diào)查發(fā)現(xiàn)6～9月份夜間昆蟲蟲口密度相對較大，夏季，19:00～22:00與05:30～07:00各出現(xiàn)回波數(shù)量的高峰。稻飛虱發(fā)生高峰期，雷達(dá)顯示昆蟲飛行高度主要集中在2.0 km以下，最高達(dá)到2.2 km，通常在1.5～2.0 km雷達(dá)屏幕上出現(xiàn)回波集聚成層的現(xiàn)象，稻飛虱活動不明顯時期，雷達(dá)顯示昆蟲飛行高度明顯降低，主要集中在1.2 km以下，這證實了鄧望喜提出的稻飛虱夏季飛行最適高度在1.5～2.0 km的理論，也為進(jìn)一步確定雷達(dá)目標(biāo)昆蟲種類提供了證據(jù)。進(jìn)入10月份，夜間蟲口密度減小，但是相對其他時期，個別昆蟲蟲量突然增多，如步甲科、燈蛾科。秋季，回波數(shù)量只在20:30～21:30有一明顯高峰，高度主要集中在1.5 km以下，大部分集中在0.3～0.7 km。稻飛虱發(fā)生期間，其天敵——黑肩綠盲蝽與稻飛虱的燈下數(shù)量動態(tài)趨勢一致，也證實了前者具有伴隨遷移的行為，其飛行高度還有待進(jìn)一步的研究。

雷達(dá)距一高掃描顯示空中種群分布具有不同高度成層現(xiàn)象，這表明不同種類昆蟲對大氣風(fēng)溫場環(huán)境有不同的適應(yīng)與選擇。低空風(fēng)向風(fēng)速廓線圖顯示不同高度出現(xiàn)了極值風(fēng)速，高空風(fēng)場分析圖也顯示出高空的運(yùn)載氣流是昆蟲空中飛行的重要條件。國內(nèi)外的雷達(dá)昆蟲學(xué)研究已經(jīng)證實，遷飛種群的大多數(shù)個體具有集聚在邊界層頂附近的最大風(fēng)速帶或不同尺度的低空急流中成層運(yùn)行的特征。

燈下蟲情顯示，昆蟲的活動受天氣環(huán)境影響很大，強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣前后蟲量變化明顯，尤其是2007年8月20日左右臺風(fēng)“圣帕”給桂東北區(qū)帶來的一次強(qiáng)降雨天氣，使得水稻兩遷害蟲的誘蟲量發(fā)生突增。

近幾年水稻重大遷飛害蟲——稻飛虱和稻縱卷葉螟在廣西地區(qū)暴發(fā)頻率增高，危害嚴(yán)重，其在我國大部分稻區(qū)常年均無法越冬，隨東亞季風(fēng)遷入我國。國內(nèi)關(guān)于稻飛虱蟲源區(qū)、遷入路徑已經(jīng)有了很多研究和成果，但并沒有定論。毫米波掃描昆蟲雷達(dá)的建成解決了常規(guī)厘米波雷達(dá)觀測微小昆蟲距離限制的問題，為進(jìn)一步長期監(jiān)測稻飛虱北遷南回、分析其遷飛規(guī)律和遷飛軌跡提供了有力的技術(shù)支持。本試驗檢驗了毫米波掃描雷達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，收集了有效的雷達(dá)數(shù)據(jù)和蟲情數(shù)據(jù)，下一步從大尺度蟲情數(shù)據(jù)獲取、高空氣象資料、高空誘蟲等方面展開對優(yōu)勢種群的遷飛規(guī)律和軌跡的分析，為我國農(nóng)作物遷飛害蟲的及時預(yù)測預(yù)報提供有效的信息資料。