应用超声波装置控制害虫的研究概况

李 璐，艾洪木*，上官明禹

(1.闽台作物有害生物生态防控国家重点实验室，福建农林大学植物保护学院，福建福州350002；2.福州大禹电子科技有限公司，福建福州350014)

目前，利用声波装置发出类似于昆虫发出的超声波技术控制害虫是虫害防控的重要途径之一。随着对昆虫声学行为的研究日益深入，研究者把昆虫行为学与物理声学技术相互结合，利用超声波来控制害虫。1949年，首次报道了Année在扬声器试验中，利用声波成功引诱捕获蚊子的事例。从20世纪80年代开始，微电子技术帮助科研人员成功运用各种规模和能量级的声学装置来诱捕对声音具有趋向性或其他定向行为的害虫，包括蚊子(Offenhauseret al，1949)，蟋蟀(Ulagarajet al，1973)，飞蛾(Ageeet al，1969； Maharjanet al，2019)，蟑螂(Mistalet al，2000)和果蝇(Webbet al，1983)。如今，声波技术已经广泛应用于昆虫的通讯研究、种群水平检测、地域分布研究、物种多样性研究以及土壤、木材和粮储中隐秘害虫的探测防控等领域中(Mankin，2012)。近年来，对昆虫听觉系统的演变和功能的研究(Stumpneret al，2001)、昆虫通讯行为原理和进化背景的研究(Drosopouloset al，2005)，以及关于部分害虫听觉和交配行为的研究(Hienton，1974)等为进一步应用超声波技术控制害虫提供了广阔前景。本文基于应用超声波装置控制害虫的相关试验和研究资料，对目前超声波装置的分类和作用进行述评并对提高其实际效用提出建议。

1 超声波防控虫害的基本原理

超声波防控虫害是人类利用超声波高频、高能和仿生的特点对害虫直接造成物理伤害(高华等，2016)或间接干扰其听觉系统的过程(汪诗凯等，2018)。当超声波的振动频率在20 Hz以上时，可直接推动传播介质中的微粒往复振动产生能量直接震碎害虫内部结构使其死亡，这是增加声波信号强度和信号吸引力所导致的直接物理伤害的结果。而相对低频(10～15 kHZ)的声波，可被用于干扰害虫的听觉系统，研究者通过装置模拟害虫天敌或其异性产生的波动频次，对其进行趋避、阻碍或诱捕(Hienton，1974)。

在超声波防控装置的研究中，研究者们通过虫口调查试验和行为操纵测试了不同尺寸和功率的装置所产生的声波源对昆虫的干扰程度。其中包括：通用扬声器(Walker，1996；Belton，1994)，泡沫板上的大型压塑片(Ikeshojiet al，1988)，声学激光器(Mankinet al，2004)，高音扬声器(Mileset al，1995)和 MP3 播放型扬声器(Barberoet al，2009；Chiuet al，2011)等装置产生超声波，使空气中的微粒往复振动发出引诱音诱导昆虫进入陷阱继而捕杀之。电动换能器(Cocroftet al，2000)和压电陶瓷换能器(Cocroftet al，2005)已被用于昆虫行为操纵中产生阻碍音干扰昆虫种间的信息传递或使昆虫产生厌恶从而趋避之。而大尺寸超声波装置和声学激光器被构造成能产生高强度、远距离传播的声波信号发射器(Hienton，1974；Alemet al，2011)，可在不同的介质中击杀害虫。值得注意的是，在不同时间不同地点针对不同防控对象或者同一对象的不同发育时期，其超声波防控方法都可能有巨大差别。

2 超声波防控害虫的应用

人们利用音、引诱音或产生信息传递阻碍音等来防控害虫，根据效应可将其分为：检测、诱捕，驱赶，干扰，击杀五个方面。

2.1 害虫的声信号检测

利用压电传感或光电传感技术可以实现害虫数量自动记录，声信号也可以确定害虫数量和害虫物种或类群的声识别及分类。由于野外试验环境的不稳定性，此项技术常常用于检测封闭室内害虫(如仓储害虫)数量和种类。人工抽取粮样，经过筛后分析虫种和数量是室内害虫检测的传统方法。即假设以粮堆的底面积与高度的乘积确定其规格，再以规格的大小对粮堆进行多次分层取样，但这种方法所需工作量极大且存在明显的耗时低效的问题。随着机电设备分辨检测声音震荡波技术的发展，研究者Bertramet al(2004)首次尝试采用机电设备对有虫蛀食痕迹的苹果进行扫描并且成功检测到害虫的吃食声。他又对谷粒进行了同样的试验也相应的检测到了蛀食声。虽然Bertram的试验证明了机电设备检测害虫技术的可行性(钟伟梁等，2016)，但此设备受传感器及环境噪声的影响较大。随着相关研究的不断深入，现阶段有研究者对Bertram的声信号检测设备进行了改良，后又与粮食害虫的可视化和计算机管理系统相结合，使其具备了轻便快速和高灵敏度的特点(齐伟强等，2015)。

此外，现代计算机技术对超声波信号的时间和频率的精确控制具有相当大的发展潜力，未来可以用这种技术提高声波引诱昆虫的捕获效率和有效性，尤其是具有二重声学效应的害虫，如危害柑橘的亚洲柑橘木虱(Percyet al，2006)。

2.2 UPRS趋避超声波驱虫装置

Ageeet al(1969)的研究表明，超声波可以破坏棉铃虫的求偶和交配行为。后来Zhaet al(2013)通过进一步的试验发现棉铃虫具有能够检测到蝙蝠的超声回声定位的鼓膜听觉器官，这可能是它们在超声波环境下产生压力的原因假设。在超声波环境下，棉铃虫的取食量和产卵率大大下降。无独有偶，玉米螟同样对蝙蝠的超声波具有回避效应，研究者Walker(1996)在以首日清晨为起点的24 h内，使用与蝙蝠频率强度相似的50 ms脉冲声波对玉米地进行试验，发现玉米的受损程度下降了50%。设定超声波发振为28～75 kHz并且选取某葡萄园为试验地点进行防除嘴壶夜蛾的试验，最后发现在一定的音压范围内，嘴壶夜蛾迁入的数量明星减少(Walker，1988)。故而推测能够识别声波的大多数蛾类害虫可利用其对蝙蝠声波频率的忌避性进行防控，这种防控的设备被称为UPRS(孙凡，1999)。但是部分研究证实，蛾类害虫和啮齿动物会逐渐习惯或惯性躲避这种高频声音，受到环境和昆虫自身的条件影响，不能达到理想的排斥效果(Gwynne，1995；Drosopouloset al，2005；Conneret al，2012)。 因此，为了提高UPRS的效率，需要产生多个振荡频率即发展扫频式或合成式的驱虫装置。

目前UPRS趋避超声波驱虫装置已经可以安全高效的防控如蚊子和蟑螂等卫生害虫，这种防虫方法一方面能有效减少化学趋避剂的使用，防止土壤和空气污染；另一方面通过在人口密集区域内加设声波信号增强器，可以用经济安全的方法防控疟疾等蚊虫携带的病害的传播。因此在部分发展中国家有大面积推广的潜力。

2.3 声波击杀害虫

超声波可通过波振荡产生的能量将水从昆虫气门侵入体内，从而使水生害虫在短时间内直接死亡。对陆生害虫而言，超声波可将其在空气中直接击杀。但由于目前单纯使用波的能量对害虫进行杀害的控制变量较多，故通常需要结合其他手段综合灭虫(Schumake，1995)。

2.4 EPR电子灭虫器

为了提高杀虫的效率，人们常常利用害虫的趋性或其生活习性，设计诱杀，如使用引诱音结合化学引诱剂、黑光灯或粘虫纸等手段，通过监测设备得到害虫活动时间和频率进行防控。

日本研究者Ikeshojiet al(1985)将诱集和诱杀相结合，把100只伊蚊放进一定大小(约30 cm2)的笼子里，并在笼子内侧糊上捕蝇纸，底部放置一个装有扬声器的大烧杯。其中扬声器被设置与雌蚊羽音相当的466 Hz的声音，每天发振48次，每次15 min，结果在3～4 d内所有的雄蚊都被引诱捕杀，导致雌蚊受精率大大减少。这是最早出现的EPR防控害虫的试验，为后期超声波装置大范围诱捕害虫提供了依据。

超声波也可以是确保出口无虫产品的方法之一。例如，Hansen(2001)研究发现超声波处理可以消除一些水果表面的有害生物，在植物检疫中具有累积效应。从而推测比研究中测试的更强大的超声波单元可能具有消除果实表面上鳞片和卵的能力，声波可以直接检测到隐匿于水果和谷物中害虫的声信息和侵害程度，从而进行量化和处理。

2.5 信息传递阻碍音的应用

信息传递阻碍音对半翅目害虫防控有着较好的应用前景。Cicadatra alhageos(Kolenati)(半翅目：蝉科)是中东葡萄的主要害虫。由于其交配机制是雄性产生声音以吸引雌性，研究者Mehdipouret al(2016)大胆猜测：破坏Cicadatra alhageos的性交流可能是控制其危害的方法之一。故而他研究了超声波干扰对求偶雄性的破坏性影响，通过试验发现，离田间破坏信号源越近的葡萄枝，雌性在其枝干上的产卵量越少。故而推测声刺激可能是针对使用声学振动求偶害虫的有效且低成本的控制方法。人工模拟雄性地中海果蝇类求偶声对雌性果蝇的吸引力研究(Silver，2007)中，观察了存在和不存在雄性果蝇声音的情况下雌性蝇的求偶行为，发现最强的引诱陷阱是在67 dB声压级下播放150 Hz信号，比非声诱饵陷阱吸引的雌性多28%。这项研究表明，使用声音陷阱，可以用来加强对寻找配偶的雌性蝇的引诱力。利用声音使昆虫产生抗引诱物质，从而间接地使昆虫产生忌避行为，也是防御害虫的一种有效方法。此外，在一项研究中发现，长时间暴露于超声波之中的棉铃虫其乙酰胆碱酯酶活性发生了显著的变化，故而推测蛾类暴露于超声波引起的压力可能是其胆碱能系统在进行相应的调节(Zhaet al，2008)。

2.6 超声波的综合应用

值得注意的是，利用超声波综合防控室内(如粮仓、图书馆等)害虫是高效可行的手段。储粮害虫声学测报技术始终是昆虫声学这一领域中的研究热点。超声波技术具体可用于仓储害虫的声信号的检测，检测器捕获害虫，EPR电子灭虫，利用压电传感或光电传感技术实现害虫数量自动记录，声信号确定害虫数量，储粮害虫物种或类群的声识别及分类等几个方面。

有资料记载，仅在1914—1918年间，仓储害虫就在澳洲造成了巨大的储粮损失，当地某粮食堆存场一天之内竟然筛出1 t的米象，其损失连同防除费用超过100万澳元。曾有人估计，全世界粮食每年因仓储害虫啃食危害造成的豆类、粮食、油料的损失约占总储存量的5%(Sherritet al，1999)。小尺寸超声波装置被安置室内(如粮仓、图书馆等)发散声波，为定位害虫位置和预估种群数量提供了便利(Belton，1972)。研究仓储害虫物种的识别问题，有利于尽早制定防控方案，最大限度地避免使用化学药剂，提升防治效率，增强防控效果，达到科学保粮的目的。

3 超声波防控虫害的局限性

超声波装置的实际效用受多种因素制约，主要是受目标昆虫和环境影响(Cocroftet al，2000)。虽然在仓库等密闭空间中自然环境对声波干扰的程度会大大降低，但粮食害虫不同物种活动行为及体能存在着明显差异，其种群在形态特征、生物功能、生理代谢、行为及生态适应性方面存在着反映本身生物学属性的信息。害虫在发育的不同阶段，其发声不尽相同，尤其在时间地域特征上更是截然不同(Stumpneret al，2001)，研究者由此认为不同物种的声信息必然存在着一定的差异，从而开始将仓储害虫发声特征发展为种类鉴别的手段之一，结合压电传感技术为有针对性地防治害虫提供了依据，总的来说这一技术仍有较大的发展空间。陷阱的吸引力强弱也随着时间的推移和不同的种群群体而变化。例如，模拟雄性蟋蟀的呼唤声通常可以吸引雌性，但当声波强度过高时，却抑制了雌性的运动甚至驱使雌性离开。因此在环境多变的野外农田中超声波装置能否完全发挥其功效有待商榷。

除此之外，已经有很多试验表明，许多被蝙蝠捕食的昆虫(尤为蛾类)会在探测到类似回声定位的超声信号时潜入地面或逃离。在一项研究(Forrestet al，1995)中，将含有超声扬声器的光陷阱放置在含有棉铃虫和欧洲玉米螟的玉米田中。扬声器按照1/100～1/1000的占空比，发出1 ms，25 kHz的脉冲，模拟局部食虫蝙蝠在回声定位时发出的脉冲率和持续时间，最后发现高脉冲率比低脉冲率对光陷阱捕获产生更强的负反馈，并且棉铃虫受到的影响比欧洲玉米螟更强。这些相关研究的结果表明，昆虫的行为习惯和声音阴影(声音阴影是声波不能传播的区域，由于地形障碍或通过诸如风流，建筑物或声障等现象破坏波浪)的影响使超声波驱避信号无法有效的抑制昆虫产卵或减少农田经济损失(Agee，1969)。

4 结语与展望

以上概述了超声波防控害虫的原理和效应。到目前为止，超声波技术在害虫的控制方面已取得良好的成效，特别是在仓储、图书馆等室内害虫和家庭卫生害虫的除治等方面颇见成效。通过各个方法之间的取长补短，多种防控技术的结合是超声波防控害虫的必然趋势。

超声波装置管理害虫的效能与虫害本身、自然环境和传播介质等因素密切相关，针对目前国内在农田森林等野外场所超声波装置研制推广不够普遍，本文提出以下几点建议：(1)利用现代数字信号处理技术传递不同时间模式的多种声音和振动信号频率，对特定状态下的害虫进行程序化的超声波防控设计，基本可以达到超声波管理装置精确化，高效化和经济效益最大化。(2)利用目前世界上使用的超声波干扰和诱捕陷阱的成熟技术，通过改变信号强度以不可预测的间隔呈现脉冲信号，混合频率信号，使移动信号源或传递信号源等技术途径达到超声波防治病虫的有效性。(3)加强超声波产品的生物学研究效应，为物理方法控制有害生物研究探讨提供技术支持，对现有产品进行改良和新型产品开发，实现产品的市场化开发。

总而言之，超声波防控虫害技术还有很大的提升空间，需要我们不断研究和创新，为我国害虫的综合防控决策提供科学和可操作的依据。