李 璐，艾洪木*，上官明禹

(1.閩臺(tái)作物有害生物生態(tài)防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建農(nóng)林大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，福建福州350002；2.福州大禹電子科技有限公司，福建福州350014)

目前，利用聲波裝置發(fā)出類似于昆蟲(chóng)發(fā)出的超聲波技術(shù)控制害蟲(chóng)是蟲(chóng)害防控的重要途徑之一。隨著對(duì)昆蟲(chóng)聲學(xué)行為的研究日益深入，研究者把昆蟲(chóng)行為學(xué)與物理聲學(xué)技術(shù)相互結(jié)合，利用超聲波來(lái)控制害蟲(chóng)。1949年，首次報(bào)道了Année在揚(yáng)聲器試驗(yàn)中，利用聲波成功引誘捕獲蚊子的事例。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，微電子技術(shù)幫助科研人員成功運(yùn)用各種規(guī)模和能量級(jí)的聲學(xué)裝置來(lái)誘捕對(duì)聲音具有趨向性或其他定向行為的害蟲(chóng)，包括蚊子(Offenhauseret al，1949)，蟋蟀(Ulagarajet al，1973)，飛蛾(Ageeet al，1969； Maharjanet al，2019)，蟑螂(Mistalet al，2000)和果蠅(Webbet al，1983)。如今，聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于昆蟲(chóng)的通訊研究、種群水平檢測(cè)、地域分布研究、物種多樣性研究以及土壤、木材和糧儲(chǔ)中隱秘害蟲(chóng)的探測(cè)防控等領(lǐng)域中(Mankin，2012)。近年來(lái)，對(duì)昆蟲(chóng)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的演變和功能的研究(Stumpneret al，2001)、昆蟲(chóng)通訊行為原理和進(jìn)化背景的研究(Drosopouloset al，2005)，以及關(guān)于部分害蟲(chóng)聽(tīng)覺(jué)和交配行為的研究(Hienton，1974)等為進(jìn)一步應(yīng)用超聲波技術(shù)控制害蟲(chóng)提供了廣闊前景。本文基于應(yīng)用超聲波裝置控制害蟲(chóng)的相關(guān)試驗(yàn)和研究資料，對(duì)目前超聲波裝置的分類和作用進(jìn)行述評(píng)并對(duì)提高其實(shí)際效用提出建議。

1 超聲波防控蟲(chóng)害的基本原理

超聲波防控蟲(chóng)害是人類利用超聲波高頻、高能和仿生的特點(diǎn)對(duì)害蟲(chóng)直接造成物理傷害(高華等，2016)或間接干擾其聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的過(guò)程(汪詩(shī)凱等，2018)。當(dāng)超聲波的振動(dòng)頻率在20 Hz以上時(shí)，可直接推動(dòng)傳播介質(zhì)中的微粒往復(fù)振動(dòng)產(chǎn)生能量直接震碎害蟲(chóng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其死亡，這是增加聲波信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)吸引力所導(dǎo)致的直接物理傷害的結(jié)果。而相對(duì)低頻(10～15 kHZ)的聲波，可被用于干擾害蟲(chóng)的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，研究者通過(guò)裝置模擬害蟲(chóng)天敵或其異性產(chǎn)生的波動(dòng)頻次，對(duì)其進(jìn)行趨避、阻礙或誘捕(Hienton，1974)。

在超聲波防控裝置的研究中，研究者們通過(guò)蟲(chóng)口調(diào)查試驗(yàn)和行為操縱測(cè)試了不同尺寸和功率的裝置所產(chǎn)生的聲波源對(duì)昆蟲(chóng)的干擾程度。其中包括：通用揚(yáng)聲器(Walker，1996；Belton，1994)，泡沫板上的大型壓塑片(Ikeshojiet al，1988)，聲學(xué)激光器(Mankinet al，2004)，高音揚(yáng)聲器(Mileset al，1995)和 MP3 播放型揚(yáng)聲器(Barberoet al，2009；Chiuet al，2011)等裝置產(chǎn)生超聲波，使空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)發(fā)出引誘音誘導(dǎo)昆蟲(chóng)進(jìn)入陷阱繼而捕殺之。電動(dòng)換能器(Cocroftet al，2000)和壓電陶瓷換能器(Cocroftet al，2005)已被用于昆蟲(chóng)行為操縱中產(chǎn)生阻礙音干擾昆蟲(chóng)種間的信息傳遞或使昆蟲(chóng)產(chǎn)生厭惡從而趨避之。而大尺寸超聲波裝置和聲學(xué)激光器被構(gòu)造成能產(chǎn)生高強(qiáng)度、遠(yuǎn)距離傳播的聲波信號(hào)發(fā)射器(Hienton，1974；Alemet al，2011)，可在不同的介質(zhì)中擊殺害蟲(chóng)。值得注意的是，在不同時(shí)間不同地點(diǎn)針對(duì)不同防控對(duì)象或者同一對(duì)象的不同發(fā)育時(shí)期，其超聲波防控方法都可能有巨大差別。

2 超聲波防控害蟲(chóng)的應(yīng)用

人們利用音、引誘音或產(chǎn)生信息傳遞阻礙音等來(lái)防控害蟲(chóng)，根據(jù)效應(yīng)可將其分為：檢測(cè)、誘捕，驅(qū)趕，干擾，擊殺五個(gè)方面。

2.1 害蟲(chóng)的聲信號(hào)檢測(cè)

利用壓電傳感或光電傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)害蟲(chóng)數(shù)量自動(dòng)記錄，聲信號(hào)也可以確定害蟲(chóng)數(shù)量和害蟲(chóng)物種或類群的聲識(shí)別及分類。由于野外試驗(yàn)環(huán)境的不穩(wěn)定性，此項(xiàng)技術(shù)常常用于檢測(cè)封閉室內(nèi)害蟲(chóng)(如倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng))數(shù)量和種類。人工抽取糧樣，經(jīng)過(guò)篩后分析蟲(chóng)種和數(shù)量是室內(nèi)害蟲(chóng)檢測(cè)的傳統(tǒng)方法。即假設(shè)以糧堆的底面積與高度的乘積確定其規(guī)格，再以規(guī)格的大小對(duì)糧堆進(jìn)行多次分層取樣，但這種方法所需工作量極大且存在明顯的耗時(shí)低效的問(wèn)題。隨著機(jī)電設(shè)備分辨檢測(cè)聲音震蕩波技術(shù)的發(fā)展，研究者Bertramet al(2004)首次嘗試采用機(jī)電設(shè)備對(duì)有蟲(chóng)蛀食痕跡的蘋(píng)果進(jìn)行掃描并且成功檢測(cè)到害蟲(chóng)的吃食聲。他又對(duì)谷粒進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)也相應(yīng)的檢測(cè)到了蛀食聲。雖然Bertram的試驗(yàn)證明了機(jī)電設(shè)備檢測(cè)害蟲(chóng)技術(shù)的可行性(鐘偉梁等，2016)，但此設(shè)備受傳感器及環(huán)境噪聲的影響較大。隨著相關(guān)研究的不斷深入，現(xiàn)階段有研究者對(duì)Bertram的聲信號(hào)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了改良，后又與糧食害蟲(chóng)的可視化和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)相結(jié)合，使其具備了輕便快速和高靈敏度的特點(diǎn)(齊偉強(qiáng)等，2015)。

此外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)超聲波信號(hào)的時(shí)間和頻率的精確控制具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Γ磥?lái)可以用這種技術(shù)提高聲波引誘昆蟲(chóng)的捕獲效率和有效性，尤其是具有二重聲學(xué)效應(yīng)的害蟲(chóng)，如危害柑橘的亞洲柑橘木虱(Percyet al，2006)。

2.2 UPRS趨避超聲波驅(qū)蟲(chóng)裝置

Ageeet al(1969)的研究表明，超聲波可以破壞棉鈴蟲(chóng)的求偶和交配行為。后來(lái)Zhaet al(2013)通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(chóng)具有能夠檢測(cè)到蝙蝠的超聲回聲定位的鼓膜聽(tīng)覺(jué)器官，這可能是它們?cè)诔暡ōh(huán)境下產(chǎn)生壓力的原因假設(shè)。在超聲波環(huán)境下，棉鈴蟲(chóng)的取食量和產(chǎn)卵率大大下降。無(wú)獨(dú)有偶，玉米螟同樣對(duì)蝙蝠的超聲波具有回避效應(yīng)，研究者Walker(1996)在以首日清晨為起點(diǎn)的24 h內(nèi)，使用與蝙蝠頻率強(qiáng)度相似的50 ms脈沖聲波對(duì)玉米地進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玉米的受損程度下降了50%。設(shè)定超聲波發(fā)振為28～75 kHz并且選取某葡萄園為試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行防除嘴壺夜蛾的試驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)在一定的音壓范圍內(nèi)，嘴壺夜蛾遷入的數(shù)量明星減少(Walker，1988)。故而推測(cè)能夠識(shí)別聲波的大多數(shù)蛾類害蟲(chóng)可利用其對(duì)蝙蝠聲波頻率的忌避性進(jìn)行防控，這種防控的設(shè)備被稱為UPRS(孫凡，1999)。但是部分研究證實(shí)，蛾類害蟲(chóng)和嚙齒動(dòng)物會(huì)逐漸習(xí)慣或慣性躲避這種高頻聲音，受到環(huán)境和昆蟲(chóng)自身的條件影響，不能達(dá)到理想的排斥效果(Gwynne，1995；Drosopouloset al，2005；Conneret al，2012)。 因此，為了提高UPRS的效率，需要產(chǎn)生多個(gè)振蕩頻率即發(fā)展掃頻式或合成式的驅(qū)蟲(chóng)裝置。

目前UPRS趨避超聲波驅(qū)蟲(chóng)裝置已經(jīng)可以安全高效的防控如蚊子和蟑螂等衛(wèi)生害蟲(chóng)，這種防蟲(chóng)方法一方面能有效減少化學(xué)趨避劑的使用，防止土壤和空氣污染；另一方面通過(guò)在人口密集區(qū)域內(nèi)加設(shè)聲波信號(hào)增強(qiáng)器，可以用經(jīng)濟(jì)安全的方法防控瘧疾等蚊蟲(chóng)攜帶的病害的傳播。因此在部分發(fā)展中國(guó)家有大面積推廣的潛力。

2.3 聲波擊殺害蟲(chóng)

超聲波可通過(guò)波振蕩產(chǎn)生的能量將水從昆蟲(chóng)氣門(mén)侵入體內(nèi)，從而使水生害蟲(chóng)在短時(shí)間內(nèi)直接死亡。對(duì)陸生害蟲(chóng)而言，超聲波可將其在空氣中直接擊殺。但由于目前單純使用波的能量對(duì)害蟲(chóng)進(jìn)行殺害的控制變量較多，故通常需要結(jié)合其他手段綜合滅蟲(chóng)(Schumake，1995)。

2.4 EPR電子滅蟲(chóng)器

為了提高殺蟲(chóng)的效率，人們常常利用害蟲(chóng)的趨性或其生活習(xí)性，設(shè)計(jì)誘殺，如使用引誘音結(jié)合化學(xué)引誘劑、黑光燈或粘蟲(chóng)紙等手段，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備得到害蟲(chóng)活動(dòng)時(shí)間和頻率進(jìn)行防控。

日本研究者Ikeshojiet al(1985)將誘集和誘殺相結(jié)合，把100只伊蚊放進(jìn)一定大小(約30 cm2)的籠子里，并在籠子內(nèi)側(cè)糊上捕蠅紙，底部放置一個(gè)裝有揚(yáng)聲器的大燒杯。其中揚(yáng)聲器被設(shè)置與雌蚊羽音相當(dāng)?shù)?66 Hz的聲音，每天發(fā)振48次，每次15 min，結(jié)果在3～4 d內(nèi)所有的雄蚊都被引誘捕殺，導(dǎo)致雌蚊受精率大大減少。這是最早出現(xiàn)的EPR防控害蟲(chóng)的試驗(yàn)，為后期超聲波裝置大范圍誘捕害蟲(chóng)提供了依據(jù)。

超聲波也可以是確保出口無(wú)蟲(chóng)產(chǎn)品的方法之一。例如，Hansen(2001)研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以消除一些水果表面的有害生物，在植物檢疫中具有累積效應(yīng)。從而推測(cè)比研究中測(cè)試的更強(qiáng)大的超聲波單元可能具有消除果實(shí)表面上鱗片和卵的能力，聲波可以直接檢測(cè)到隱匿于水果和谷物中害蟲(chóng)的聲信息和侵害程度，從而進(jìn)行量化和處理。

2.5 信息傳遞阻礙音的應(yīng)用

信息傳遞阻礙音對(duì)半翅目害蟲(chóng)防控有著較好的應(yīng)用前景。Cicadatra alhageos(Kolenati)(半翅目：蟬科)是中東葡萄的主要害蟲(chóng)。由于其交配機(jī)制是雄性產(chǎn)生聲音以吸引雌性，研究者M(jìn)ehdipouret al(2016)大膽猜測(cè)：破壞Cicadatra alhageos的性交流可能是控制其危害的方法之一。故而他研究了超聲波干擾對(duì)求偶雄性的破壞性影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，離田間破壞信號(hào)源越近的葡萄枝，雌性在其枝干上的產(chǎn)卵量越少。故而推測(cè)聲刺激可能是針對(duì)使用聲學(xué)振動(dòng)求偶害蟲(chóng)的有效且低成本的控制方法。人工模擬雄性地中海果蠅類求偶聲對(duì)雌性果蠅的吸引力研究(Silver，2007)中，觀察了存在和不存在雄性果蠅聲音的情況下雌性蠅的求偶行為，發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的引誘陷阱是在67 dB聲壓級(jí)下播放150 Hz信號(hào)，比非聲誘餌陷阱吸引的雌性多28%。這項(xiàng)研究表明，使用聲音陷阱，可以用來(lái)加強(qiáng)對(duì)尋找配偶的雌性蠅的引誘力。利用聲音使昆蟲(chóng)產(chǎn)生抗引誘物質(zhì)，從而間接地使昆蟲(chóng)產(chǎn)生忌避行為，也是防御害蟲(chóng)的一種有效方法。此外，在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間暴露于超聲波之中的棉鈴蟲(chóng)其乙酰膽堿酯酶活性發(fā)生了顯著的變化，故而推測(cè)蛾類暴露于超聲波引起的壓力可能是其膽堿能系統(tǒng)在進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)(Zhaet al，2008)。

2.6 超聲波的綜合應(yīng)用

值得注意的是，利用超聲波綜合防控室內(nèi)(如糧倉(cāng)、圖書(shū)館等)害蟲(chóng)是高效可行的手段。儲(chǔ)糧害蟲(chóng)聲學(xué)測(cè)報(bào)技術(shù)始終是昆蟲(chóng)聲學(xué)這一領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。超聲波技術(shù)具體可用于倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)的聲信號(hào)的檢測(cè)，檢測(cè)器捕獲害蟲(chóng)，EPR電子滅蟲(chóng)，利用壓電傳感或光電傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)害蟲(chóng)數(shù)量自動(dòng)記錄，聲信號(hào)確定害蟲(chóng)數(shù)量，儲(chǔ)糧害蟲(chóng)物種或類群的聲識(shí)別及分類等幾個(gè)方面。

有資料記載，僅在1914—1918年間，倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)就在澳洲造成了巨大的儲(chǔ)糧損失，當(dāng)?shù)啬臣Z食堆存場(chǎng)一天之內(nèi)竟然篩出1 t的米象，其損失連同防除費(fèi)用超過(guò)100萬(wàn)澳元。曾有人估計(jì)，全世界糧食每年因倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)啃食危害造成的豆類、糧食、油料的損失約占總儲(chǔ)存量的5%(Sherritet al，1999)。小尺寸超聲波裝置被安置室內(nèi)(如糧倉(cāng)、圖書(shū)館等)發(fā)散聲波，為定位害蟲(chóng)位置和預(yù)估種群數(shù)量提供了便利(Belton，1972)。研究倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)物種的識(shí)別問(wèn)題，有利于盡早制定防控方案，最大限度地避免使用化學(xué)藥劑，提升防治效率，增強(qiáng)防控效果，達(dá)到科學(xué)保糧的目的。

3 超聲波防控蟲(chóng)害的局限性

超聲波裝置的實(shí)際效用受多種因素制約，主要是受目標(biāo)昆蟲(chóng)和環(huán)境影響(Cocroftet al，2000)。雖然在倉(cāng)庫(kù)等密閉空間中自然環(huán)境對(duì)聲波干擾的程度會(huì)大大降低，但糧食害蟲(chóng)不同物種活動(dòng)行為及體能存在著明顯差異，其種群在形態(tài)特征、生物功能、生理代謝、行為及生態(tài)適應(yīng)性方面存在著反映本身生物學(xué)屬性的信息。害蟲(chóng)在發(fā)育的不同階段，其發(fā)聲不盡相同，尤其在時(shí)間地域特征上更是截然不同(Stumpneret al，2001)，研究者由此認(rèn)為不同物種的聲信息必然存在著一定的差異，從而開(kāi)始將倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)發(fā)聲特征發(fā)展為種類鑒別的手段之一，結(jié)合壓電傳感技術(shù)為有針對(duì)性地防治害蟲(chóng)提供了依據(jù)，總的來(lái)說(shuō)這一技術(shù)仍有較大的發(fā)展空間。陷阱的吸引力強(qiáng)弱也隨著時(shí)間的推移和不同的種群群體而變化。例如，模擬雄性蟋蟀的呼喚聲通?？梢晕菩裕?dāng)聲波強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，卻抑制了雌性的運(yùn)動(dòng)甚至驅(qū)使雌性離開(kāi)。因此在環(huán)境多變的野外農(nóng)田中超聲波裝置能否完全發(fā)揮其功效有待商榷。

除此之外，已經(jīng)有很多試驗(yàn)表明，許多被蝙蝠捕食的昆蟲(chóng)(尤為蛾類)會(huì)在探測(cè)到類似回聲定位的超聲信號(hào)時(shí)潛入地面或逃離。在一項(xiàng)研究(Forrestet al，1995)中，將含有超聲揚(yáng)聲器的光陷阱放置在含有棉鈴蟲(chóng)和歐洲玉米螟的玉米田中。揚(yáng)聲器按照1/100～1/1000的占空比，發(fā)出1 ms，25 kHz的脈沖，模擬局部食蟲(chóng)蝙蝠在回聲定位時(shí)發(fā)出的脈沖率和持續(xù)時(shí)間，最后發(fā)現(xiàn)高脈沖率比低脈沖率對(duì)光陷阱捕獲產(chǎn)生更強(qiáng)的負(fù)反饋，并且棉鈴蟲(chóng)受到的影響比歐洲玉米螟更強(qiáng)。這些相關(guān)研究的結(jié)果表明，昆蟲(chóng)的行為習(xí)慣和聲音陰影(聲音陰影是聲波不能傳播的區(qū)域，由于地形障礙或通過(guò)諸如風(fēng)流，建筑物或聲障等現(xiàn)象破壞波浪)的影響使超聲波驅(qū)避信號(hào)無(wú)法有效的抑制昆蟲(chóng)產(chǎn)卵或減少農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失(Agee，1969)。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

以上概述了超聲波防控害蟲(chóng)的原理和效應(yīng)。到目前為止，超聲波技術(shù)在害蟲(chóng)的控制方面已取得良好的成效，特別是在倉(cāng)儲(chǔ)、圖書(shū)館等室內(nèi)害蟲(chóng)和家庭衛(wèi)生害蟲(chóng)的除治等方面頗見(jiàn)成效。通過(guò)各個(gè)方法之間的取長(zhǎng)補(bǔ)短，多種防控技術(shù)的結(jié)合是超聲波防控害蟲(chóng)的必然趨勢(shì)。

超聲波裝置管理害蟲(chóng)的效能與蟲(chóng)害本身、自然環(huán)境和傳播介質(zhì)等因素密切相關(guān)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)在農(nóng)田森林等野外場(chǎng)所超聲波裝置研制推廣不夠普遍，本文提出以下幾點(diǎn)建議：(1)利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)傳遞不同時(shí)間模式的多種聲音和振動(dòng)信號(hào)頻率，對(duì)特定狀態(tài)下的害蟲(chóng)進(jìn)行程序化的超聲波防控設(shè)計(jì)，基本可以達(dá)到超聲波管理裝置精確化，高效化和經(jīng)濟(jì)效益最大化。(2)利用目前世界上使用的超聲波干擾和誘捕陷阱的成熟技術(shù)，通過(guò)改變信號(hào)強(qiáng)度以不可預(yù)測(cè)的間隔呈現(xiàn)脈沖信號(hào)，混合頻率信號(hào)，使移動(dòng)信號(hào)源或傳遞信號(hào)源等技術(shù)途徑達(dá)到超聲波防治病蟲(chóng)的有效性。(3)加強(qiáng)超聲波產(chǎn)品的生物學(xué)研究效應(yīng)，為物理方法控制有害生物研究探討提供技術(shù)支持，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改良和新型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的市場(chǎng)化開(kāi)發(fā)。

總而言之，超聲波防控蟲(chóng)害技術(shù)還有很大的提升空間，需要我們不斷研究和創(chuàng)新，為我國(guó)害蟲(chóng)的綜合防控決策提供科學(xué)和可操作的依據(jù)。