蝗虫的物理防治方法研究

周强1 姚明印2 牛虎力3 王立新3

（1．中国农业大学，北京100083；2．江西农业大学，南昌330045；3．河北科技大学，石家庄050018）

摘要：农业害虫的物理防治是一项减少农药投入、保证农业产品绿色生产的环境友好技术方法。本文运用农业害虫的生物光电效应原理，探讨蝗虫在不同光场作用下的生理状态和生物行为的反应，呈现了蝗虫灾害物理防治的激光诱变杀灭方法和光电波谱诱导捕集方法的研究探索以及相关的机电装备技术的试验研制，试图为蝗虫灾害的无害化治理提供理论基础和技术保障。

关键词：蝗虫；生物光电效应；激光诱变杀灭；光电波谱诱导；机电装备技术

1 前言

蝗虫是农、林、牧业生态系统中的重要组成部分，也是危害农、林、牧业生产的重大害虫。蝗虫灾害的主要防治方法仍是化学农药的毒性杀灭，它危害生态和环境、威胁人类安全。蝗虫的生物防治则是一种环境友好的技术方法，但是无论鸡鸭部队、椋鸟捕食，还是生物制剂，都受环境因素制约。

蝗虫的物理防治方法也得到人们的不断探索。机械吸捕、电网击杀的方法都是很好的实例。1990年4月《Nature》曾报道，研究高功率激光的美国物理学家Peter Franken和苏联物理学家Vladilan S.Letokhov共同提出了采用军事激光器对非洲和中东的沙漠蝗进行射杀，主要在蝗虫起飞后用激光扫射，利用强大的激光能量迅速烧坏蝗虫的翅膀膜，导致蝗虫死亡或者不能迁飞，落下的蝗虫尸体还可以作为肥料。激光的优点是有选择性，可以在风天使用，而且不会在作物或土壤中留下有害的物质。

近年国内外报道，蝗虫具有夜晚迁飞至城区的习性。据知，蝗虫之所以入侵城市，主要是受到了城市灯光的吸引，这为蝗虫的趋光诱导提供了有力证据。早期，对蝗虫视觉系统的研究引起了广泛的注意，包括复眼形态、微细结构以及复眼的光谱敏感性视网膜电图、复眼对光暗条件的适应变化等生理学方面，以及蝗虫复眼的各种光感受器的作用以及视觉神经系统的功能。但是，国内外学者对蝗虫趋光诱导行为始终未能给出肯定的结论。

因此，根据农业害虫的生物光电效应原理，研究蝗虫的激光诱变杀灭治理和光电诱导捕集治理的技术方法，将能实现蝗虫灾害的环境友好治理，甚至是蝗虫生物资源的捕集利用。

2 蝗虫的激光诱变杀灭研究

2.1 蝗虫激光诱变杀灭的理论基础

激光诱变杀虫主要利用激光对害虫机体组织产生的热损伤效应。当照射剂量或功率密度达到一定阈值后，超过了害虫表皮色素层对激光的最高吸收水平，机体无法迅速分解和利用激光光能而产生有害热积累，从而促使机体合成代谢紊乱，形成负面生理诱变效应，导致害虫活性降低甚至局部集体损坏以致死亡，达到激光杀灭的目的。

考虑植物方面的因素，激光杀灭蝗虫的同时要对蝗虫喜食性植物不造成危害。根据激光生物效应原理，光与生物组织的相互作用主要表现为靶组织对光子的吸收以产生某种组织的生物效应。蝗虫机体组织对光子能量的作用主要表现在红外波长段，不同组织对相同波长的激光吸收能力不同，产生的热效应也不同。一般植物对光的吸收波长如图1所示[1]，东亚飞蝗以及其喜食禾本科植物芦苇的光谱效应曲线分别如图2和图3所示[2]。

可以看出，在700～1200nm的红光和近红外光波段，植物对光的吸收水平处于低谷，也就是植物对近红外光具有高的反射率；并且无论是被飞蝗破坏的芦苇还是保持完好芦苇叶片的芦苇植物，对这样的近红外波段光的反射都处于高峰；而东亚飞蝗在这样的近红外波段对光的反射率低，也就是说具有强的吸收。此外，发生蝗灾的群居型蝗虫体色多为黄褐色或深褐色等深色体系，色素越深，对红外激光的吸收越多。由此，选择近红外波段激光对蝗虫和其喜食植物辐照时，可以保证植物的低吸收率和蝗虫的高吸收率，并且只要选择合适的激光波长和剂量对灾害蝗区进行辐照，就能确保在不影响作物生长的同时杀灭蝗虫。

另外，从蝗虫的生物活性上来看，蝗虫主要靠复眼感光而活动，尤其是蝗虫在进食时，喜欢抓着植物保持头部朝上，复眼和头部完全暴露，便于激光对准头部位置照射。当蝗虫头部视觉系统受到损伤，找不到方向感，大大影响蝗虫的取食进而死亡；蝗虫的翅膀是膜质结构，对热损伤比较敏感，如果激光辐照导致蝗虫翅膀损坏而影响蝗虫迁飞或扩散，也将降低危害范围。对于蝗蝻，其生理器官还没有发育完全，相对比较脆弱，对激光热诱变损伤效应的承受能力更弱，将能起到更好的杀灭治理作用。

2.2 蝗虫激光诱变杀灭的试验研究

激光对生物组织有明显热效应的功率密度需要10W/cm2以上。蝗虫激光诱变杀灭试验研究所采用的激光功率密度由A、B、C、D、E、F等级别设定，分别为15.702W/cm2、8.832W/cm2、3.926W/cm2、1.745W/cm2、0.981W/cm2、0.628W/cm2；在同一功率密度条件下，又利用辐照时间的长短设定控制蝗虫的激光作用剂量。

选用透明塑料盒的方法完成激光诱变杀灭试验[3]。透明塑料盒盛装限定蝗虫，盒子的每一个端面开有若干透光孔，便于激光对蝗虫体相关部位辐照。蝗虫激光辐照之后，把每组群体蝗虫放入不透光暗盒子中，观察照射后一段时间内蝗虫从暗盒上方小口感光飞（跳）出的个数和对应的时间，标定出蝗虫激光诱变杀灭的效果。

图4表示的是亚洲小车蝗成虫在C级激光功率密度（3.926W/cm2）作用下不同辐照之后的活性变化。可以看出，经过3秒时间的激光辐照，尽管蝗虫并未表现出即刻的活性显著下降，但是30分钟后所有蝗虫的活性丧失明显；经过5秒时间的激光辐照，蝗虫的即刻活性更是得到明显的抑制。虽然激光辐射剂量不致成虫死亡，但是从试验结果可以看出，对成虫的活性还是产生了很大的影响，活性降低，取食和生存能力也会相应变弱。

表1示出了亚洲小车蝗成虫在不同激光功率密度作用下的激光诱变致死效果。由于蝗虫成虫机体组织的成熟性，短时间的激光辐照对蝗虫成虫的诱变杀灭效果甚微，只有采用高功率密度长时间如10秒、15秒的辐照才能导致蝗虫的头部组织损伤和致死。

表2示出了亚洲小车蝗三龄期后蝗蝻在不同激光功率密度作用下的激光诱变致死效果。可以看出，高功率密度的激光A级、B级在适当增加辐照时间的条件下，能够实现蝗蝻的有效诱变杀灭致死，并且低功率密度的激光辐照C级也能够实现蝗蝻的部分诱变杀灭致死。

表3示出了亚洲小车蝗三龄及以前龄期蝗蝻在不同激光功率密度作用下的激光诱变致死效果。很明显，高功率密度的激光A级、B级很易于实现蝗蝻的有效诱变杀灭致死，同时低功率密度的激光辐照C级在适当延长辐照时间的情况下同样能够实现蝗蝻的有效诱变杀灭。

考虑蝗虫的生存环境和取食习性，试验选择了狗尾草作为蝗虫生存的背景植物，进行激光辐照效应对比研究。图5和图6呈现出了激光辐照狗尾草不同植株叶片和茎秆的实验结果，1cm、2cm、3cm、4cm分别代表着激光功率密度15.702W/cm2、3.926W/cm2、1.745W/cm2、0.981W/cm2、0.628W/cm2；5秒、3秒代表着激光对叶片的辐照时间，30秒代表着激光对茎秆的辐照时间。试验结果表明，辐照之后7天观测不到任何叶片和茎秆的生长异样，即使是高功率密度和长时间对秆茎的辐照也未能产生生长破坏。

3 蝗虫的光电诱导捕集研究

3.1 蝗虫的光电诱导行为

采用LED作为光源，在蝗虫光电诱导行为反应试验箱中完成试验[4]。每组试验用虫30～50头，各重复3次。行为反应率指进入各光源趋光通道内的蝗虫数量与投入试验蝗虫总量的比值；相对行为反应率指蝗虫在各种光源处的行为反应率与蓝色光处的行为反应率比值；蝗虫的平均运动速度是蝗虫的运动的距离与运动时间的比值；相对运动速度是蝗虫在各种光源下的运动速度与在蓝光下的运动速度的比值。

图7示出了东亚飞蝗成虫的趋光和避光行为反应。可以看出：在405～620nm波谱范围内，蝗虫的趋光行为反应率表现为随波长增加，反应率减小的趋势。该结果与电生理研究结果[5]基本吻合，但存在差异在于行为反应在紫光部分反应率较蓝光高，但在电生理研究中在蓝光区形成了峰值，暗示了波长因素在决定趋光行为上的有限性和条件性[6]。趋光行为反应值表现较高的波长其避光反应值相对较低，这表明蝗虫的趋避光反应行为具有相反的波长选择机制。

图8示出了蝗虫的活动能力与光波波长的关系。很明显，趋光运动速度随着波长的增加而减小；避光运动速度随着波长增加而增加。但趋光运动速度受光谱变化影响较大，避光运动速度受光谱变化影响较小；重要的是各种光波波谱条件下，蝗虫的趋光运动显著大于避光运动，它与趋光行为反应率共同奠定了蝗虫趋光诱导的可能性。

图9表明了主要属种蝗虫在光电诱导作用下运动速度与波长的关系。与行为反应率相一致，无论是蝗虫成虫还是蝗蝻，都表现了蓝紫光的最高趋光诱导效果，并且成虫的趋光诱导特性优于蝗蝻的趋光诱导特性；随着波长增加，蝗虫诱导的运动速度明显降低，在620nm的红光波段现出最低值；有趣的是随着波长的增加，蝗蝻的趋光诱导运动相对高于蝗虫成虫，显示了同是蝗虫种群、不同生长阶段对趋光运动的影响。

图10表明了蓝光光照强度对蝗虫成虫和蝗蝻的趋光反应行为影响。无论是东亚飞蝗还是亚洲小车蝗，在各个光照强度条件下蝗虫成虫的趋光反应率普遍高于蝗蝻的趋光反应率，并且蝗蝻的趋光反应率滞后于成虫大约1～2个数量级的光照强度。表明不同的发育阶段及生理状态对蝗虫趋光行为有不同影响，蝗虫成虫具有明显高于蝗蝻的光谱强度敏感性。

进一步，频闪光、偏振光的蝗虫趋光诱导亦证实了蓝光光源的有效性，特别地偏振光的应用能够降低光场强度2个数量级。

3.2 蝗虫的滑移捕集效果

趋光诱导聚集的蝗虫采用滑移捕集的方法实现聚集蝗虫的收集。图11示出了一种采用可膨化石墨制备的蝗虫滑移捕集滑板，它具有以石墨层片黏附于蝗虫足趾掌垫的功能，显著降低蝗虫足掌对滑板的附着，提高聚集蝗虫的滑移收集效果[7]。

蝗虫的光电诱导滑移捕集试验在延庆养殖大棚中完成，棚内蝗虫受到诱导光源（蓝色LED灯，峰值波长460nm）引诱飞至诱导光源处，随即跌落到滑移捕集滑板上。跌落到滑板上的蝗虫，或直接滑移至集蝗箱，或艰难缓慢地爬行少许时间后滑移至集蝗箱，只有小部分蝗虫从滑移捕集滑板表面逃脱。捕集滑板功能试验以及集蝗箱内捕集到的蝗虫如图12所示。

捕集滑板滑移功能试验完成后，根据CCD摄像头保存的图像分别统计试验中跌落于捕集滑板的蝗虫个数和每次试验捕集到的蝗虫个数，由此获得蝗虫滑移捕集率达到80%。

4 蝗虫治理的机电装备研制

4.1 蝗虫激光诱变杀灭的LD阵列器械设计

采用激光二极管器件设计LD阵列激光杀灭器。根据对阵列结构高功率激光二极管发光光源的分析，叠层阵列更适合大田作业灭蝗，为此，选择叠层阵列结构设计大田激光杀灭器。

图13为4个叠层列阵激光器组成的阵列结构激光杀灭器效果简图，其发光光束示意图如图14所示。可以看出，由于激光器的密集阵列，激光束产生层叠，对形成的大光斑中的局部区域的光密度具有增强作用；如果激光光斑之间不能相交，辐照区域将会有一定范围的空缺。

由于半导体激光器是一种电流源驱动器件，要求供电充足和电源稳定性高，因此，选择蓄电池作为供电源，同时利用夏、秋两季阳光充足的特点，选择太阳能电池对蓄电池进行供电也是可行的方案。对列阵结构激光杀灭器，为了保证激光器件有良好的散热效果，选择单片机控制每间隔阵列激光器件的起停，实现器件轮流工作、自然散热。

4.2 蝗虫光电诱导捕集的LED光源设计

设计了能够实现一定半径内的圆周照射整体式光电诱导光源和旋转照射平板式光电诱导光源以及专门的控制装置，实现多种可变的光电诱导刺激，如交变光场、频振光场、流动光场。整体式光电诱导光源的组成如图15所示，包括以下方面：LED阵列集成发光装置、LED阵列驱动装置、单片机系统控制装置等。

4.3 蝗虫滑移捕集的机械机构设计

蝗虫滑移捕集机要能够实现趋光聚集而来的蝗虫的滑移捕获收集，就应该具备漏斗式的捕集装置。图16示出了一种漏斗式的光电诱导滑移捕集机。当蝗虫趋光降落或通过辅助板爬向诱导光源处时，具有超滑功能的捕集滑板就会滑落蝗虫，经过自锁封止机构跌落于集蝗箱。

图17示出了一种可膨化石墨滑移捕集滑板装备的光电诱导蝗虫捕集机的漏斗机构，它滑板表面的石墨层片易于黏附于蝗虫足趾掌垫，促使聚集下落的蝗虫被滑移收集。

5 结束语

蝗虫的激光诱变杀灭研究，证实了激光辐照对蝗虫生物活性的有效抑制作用，并且表明了对蝗蝻的有效杀灭效果。对于暴发性的蝗虫灾害，初期的状况正是高密度蝗蝻的滋生，从而对激光诱变杀灭提供了有利因素，利用机械负载的激光诱变杀灭器械对高密度滋生的蝗蝻进行集中的扫描作业处理，将是一种环境友好的绿色植保技术。

蝗虫的光电诱导捕集研究，探索了在光电光谱不同机制作用下的蝗虫趋光诱导聚集行为，同时研制了蝗虫光电诱导滑移捕集的波谱光源和滑移捕集机构，为蝗虫灾害的光电诱导捕集治理提供了理论基础和技术参考，它的进一步完善也将能为蝗虫资源的规模化捕集利用提供机电装备手段，实现蝗虫灾害无害化治理的同时还获得蝗虫生物资源的回收利用。

参考文献

[1] 李合生．现代植物生理学．北京：高等教育出版社，2005,95-127.

[2] 季荣．东亚飞蝗灾害的遥感监测及早期预警研究．北京：中国科学院动物研究所，2004.

[3] 姚明印．激光辐照蝗虫诱变杀灭效应的理论分析与试验研究．北京：中国农业大学，2008.

[4] 牛虎力．光电诱导蝗虫聚集效应与光机电耦合捕蝗技术研究．北京：中国农业大学，2009.

[5] 吴卫国，Horridge C A．蝗虫复眼小网膜细胞角敏感度的变化规律．生物物理学报，1987,3（6）:178-184.

[6] Andreas B, Marcel S, Rowell C.The perception of the visual flow field by flying locusts:a behavioral and neuronal analysis.The Journal of Experimental Biology,1992,165（1）:137-160.

[7] 王立新．猪笼草叶笼滑移区表面功能结构表征与蝗虫捕集滑板仿生研制．北京：中国农业大学，2011.