王慶雨，宋燦燦，單常峰，楊承磊，別曉婷，蘭玉彬

(1. 山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,山東淄博,255000;2. 山東理工大學生態(tài)無人農(nóng)場研究院,山東淄博,255000;3. 國家精準農(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]。從長期防治的角度來看,生物防治技術(shù)可有效避免因化學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[4],對于降低部分劇毒農(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,而且對生產(chǎn)者和消費者安全無害[7]。國內(nèi)有關赤眼蜂的研究從20世紀30年代開始[8],經(jīng)過不斷地優(yōu)選培育,赤眼蜂對目標害蟲的防治效果可以達到70%左右[9-12],赤眼蜂防治技術(shù)已成為生物防治領域的一項重要措施[13],具有極大的應用推廣價值。2017年農(nóng)業(yè)部提出了到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案,為利用以赤眼蜂為代表的有益生物進行農(nóng)田病蟲害的生物防治帶來了新的發(fā)展機遇。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,受到研究學者們的廣泛關注。

利用赤眼蜂進行農(nóng)田害蟲防治時,實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,羽化后的赤眼蜂會主動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不同的寄主卵適應性不同,需要篩選對應的寄主卵進行繁殖[15]。這些寄主卵都具有體積小、易破損等特點,且易受蟲蟻啃食,雨水及光照對卵的活性也有影響。因此,利用赤眼蜂進行生物防治的關鍵在于如何妥善處理赤眼蜂寄主卵,在投放寄主卵時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?shù)谋Ｗo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,半機械化裝置、地面機械以及航空配套機械都被研發(fā)并應用到投放赤眼蜂中[18],實現(xiàn)了噴灑懸浮液、投放混合物或?qū)Ｓ幂d體等功能。這些投放機械有效提高了投放效率,減少了人力投入,但在針對不同形態(tài)的赤眼蜂的投放裝置的結(jié)構(gòu)設計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)的研究及應用發(fā)展狀況的基礎上,從赤眼蜂的防治機理、赤眼蜂卵的處理方法和投放裝置三個方面展開討論,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)展背景對赤眼蜂投放技術(shù)的未來發(fā)展方向和關鍵技術(shù)進行展望,為今后我國以赤眼蜂為主的生物防治技術(shù)的發(fā)展及應用提供參考。

1 赤眼蜂卵的保護措施

良好的寄主卵應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2～3 mm,卵殼質(zhì)地堅硬,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],便于利用牙簽或細線將赤眼蜂卵放置在植株上。這種方式長期以來都是由人工操作,優(yōu)點是赤眼蜂羽化率高,但較容易受降雨和大風天氣影響,卵卡不易實現(xiàn)機械化投放。后來有學者采用帶有小孔的特制紙盒[22]代替紙卡,有效降低了環(huán)境對赤眼蜂羽化質(zhì)量的影響[23];在林間投放時還會用到蜂箱,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還會用到紙袋放蜂器[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力,工作環(huán)境惡劣,投放速度和質(zhì)量有限,機械化水平還有待進一步提升,選擇合適的保護措施,既有利于機械裝置高效率投放,又能減少赤眼蜂寄主卵直接與機械裝置接觸而造成的損傷。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,學者們結(jié)合不同的機械裝置研究出了懸浮液、混合物、專用放蜂器等保護措施對赤眼蜂卵進行處理,在確保赤眼蜂的活性的同時也有利于更好地實現(xiàn)機械化投放。

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措施。學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,通過對比懸浮液對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間(3 h以內(nèi))浸泡在水中對羽化率影響較小。Gauthier等[34]通過試驗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%,但隨著浸泡時間的增加羽化率沒有進一步降低。

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]測試了蔗糖、明膠、瓊脂、植物膠和黃原膠等作為溶質(zhì)對蟲卵羽化效果的影響,隨著浸泡時間的增加,羽化率均有所下降,明膠(1%)導致羽化率嚴重的下降;蔗糖溶液(5%)對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%)對羽化率的影響較小,但會在23 ℃左右時會凝固;植物膠懸浮液(10%,25%,50%)也大幅降低了蟲卵羽化率,部分幼蟲還會被植物膠粘在卵殼上;而黃原膠懸浮液(0.03%)對羽化率的影響較小,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粘連束縛新羽化的幼蟲導致其死亡,太低不易使卵粒附著在葉片上,卵粒在懸浮液中分布應盡量均勻以保證投放的均勻性,因此配置懸浮液的關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械裝置的直接接觸。在制備混合物時一般會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,部分赤眼蜂卵會附著在穎殼內(nèi)從而起到保護作用,因而該處理方式也得到了較多關注。Jones等[36]利用谷物穎殼的優(yōu)勢首次嘗試將赤眼蜂卵摻入麥殼中制備混合物,并在投放裝置中進行了測試,結(jié)果表明該混合物能夠有效減少機械結(jié)構(gòu)對蟲卵的破壞。

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

1.3 設計專用載體

除了與現(xiàn)有液態(tài)和固態(tài)顆粒物料混合以外,還可以設計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:(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)境的刺激和機械投放造成的損傷;(3)只需設計赤眼蜂載體的投放裝置即可,便于實現(xiàn)機械化投放。為了獲得適宜裝載赤眼蜂卵的方法,便于實現(xiàn)機械化投放赤眼蜂,學者們設計了不同類型的載體,并通過試驗測試證明了這些載體的可行性。Santos等[37]提出了一種儲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。Park等[38]設計了一種圓筒載體,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心球,用于在載體落地時將黏土端蓋擊碎,該載體的缺點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致黏土端蓋不易碎裂。針對上述問題,Kim等[39]使用易降解的PVA材料設計了一種圓臺外形的天敵載體,由帶有釋放圓孔的上端蓋、中間圓臺以及下端蓋構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單,降低了制作成本和步驟。王立達等[40]設計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,下半球為實心球,上半球開有釋放口,內(nèi)部是蜂卵室,該載體能夠防水、防蟲,球形設計更有利于實現(xiàn)機械化投放。

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對羽化率和寄生率產(chǎn)生不同的影響,如表2所示。

表2 赤眼蜂卵不同保護措施優(yōu)缺點對比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的時間最長,但羽化率較高(95.7%);制備懸浮液和混合物所需時間短,但是羽化率偏低;在寄生率的對比中,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%),其余試驗組寄生率均低于50%。

2 赤眼蜂卵的投放機械

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

2.1 半機械化投放裝置

半機械化投放裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作難度低等優(yōu)勢,依靠人在田間步行,手持操作投放,受限于人的承載力,半機械化投放裝置較為輕便。Blandini等[42]設計了一款離心式天敵生物投放原型機,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)多次試驗驗證,該原型機能夠保證天敵生物活性,適用于投放天敵生物,后來該原型機被改造為背負式以及手持式等多種類型半機械化投放裝置[43]。Smith等[44]對比了電動手持氣吹式投放機械與卵卡的方式,在林間進行了一系列投放赤眼蜂卵測試,手持氣吹投放機械投放的赤眼蜂卵大部分沉積在裝置周圍3～5 m處,最遠可到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。

圖2 一種離心式投放天敵生物原型機

半機械化投放裝置不僅效率低、費時費力,而且需依托使用者進行移動,使用者難以做到勻速前進,且手持裝置的姿勢等也有較大影響,因而投放均勻性較難保障。此外,在舒適性上,需要使用者長時間負載裝置在田間行走,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 基于地面機械的投放裝置

2.2.1 赤眼蜂卵懸浮液噴灑機械

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卵的破壞。Giles等[31]設計了一種有儲液器、空氣壓縮機以及脈沖調(diào)節(jié)閥門等組成的蟲卵噴灑投放裝置,儲液器底部為彈性材料,可以隨著空氣壓縮機的加壓使儲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長和頻率。空氣壓縮設備往往結(jié)構(gòu)復雜,研究人員嘗試使用液壓泵進行噴灑作業(yè)。用于植保機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]設計和測試了長噴桿式噴灑懸浮液設備,該設備配備了380 L的水箱,8個XR11008-VP噴嘴安裝在6.71 m長的噴桿上,使用流量為18.5 L/min的隔膜泵供壓,工作時將該設備掛載到拖拉機等機具上,測試結(jié)果表明,經(jīng)該設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)對赤眼蜂卵的損傷已明顯降低田間作業(yè)效果得到廣泛認可。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 氣吹式投放機械

氣吹式投放機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,使用鼓風機進行投放,穎殼增大了赤眼蜂卵的受風面積,加入粘液使卵更容易附著在作物冠層。Giles等[48]經(jīng)多次改進后,設計了一種安裝在拖拉機上的氣吹式投放裝置,該裝置包括儲存容器、旋轉(zhuǎn)計量盤、噴氣系統(tǒng),隨著計量盤轉(zhuǎn)動,天敵生物從儲存容器下落填充到旋轉(zhuǎn)計量器開孔中,當旋轉(zhuǎn)到固定板上的開孔處時,壓縮氣流將天敵生物吹出,通過旋轉(zhuǎn)計量盤轉(zhuǎn)速控制投放速率,裝置由電機帶動,經(jīng)測試該裝置不會損傷天敵生物的活性。Gardner等[49]使用Giles設計的裝置開展了一系列投放卵粒的試驗,研究表明該裝置適用于投放卵粒與蛭石的混合物且不會影響活性且分布相對均勻。

上述學者證明了利用地面投放機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,赤眼蜂防治機理決定了在作物生長周期內(nèi)需要進行多次投放,地面機械長期碾壓容易夯實土壤,且在高稈作物田間通過性差,不適合玉米等作物生長后期作業(yè)。

2.3 有人駕駛航空設備投放技術(shù)

美國農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展已有100多年歷史[50],關于有人駕駛飛機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,一些研究人員進行了有人駕駛飛機投放作業(yè)的探索。

Reeves[51]開發(fā)了一種用于航空設備的投放機械,赤眼蜂卵被裝在封閉的紙袋中,投放時通過機械裝置將紙袋剪開并拋出機艙完成投放,這種設備較為簡易,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,且蟲蟻容易鉆進袋子啃食赤眼蜂卵造成損失。Bouse等[52]對傳統(tǒng)的干物料撒施裝置進行了改裝,設計了一種基于PiperPA-25農(nóng)用飛機的麥糠—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]又設計了一種搭載于農(nóng)用飛機的精量投放蟲卵系統(tǒng),由料箱、計量齒輪、轉(zhuǎn)動刷等組成,料箱下方是漏斗形出料口,依靠計量齒輪轉(zhuǎn)動進行投放,毛刷清掃附著在計量齒輪上的卵,在試驗中發(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)得到應用。Bzowska-Bakalarz等[54-55]嘗試使用Aviation Artur Trendak Zen-1型超輕型旋翼機在農(nóng)田投放赤眼蜂防治玉米螟,分別在機身掛架兩端安裝赤眼蜂卵分配器,單次作業(yè)面積可達80 hm2,飛行速度可達100 km/h,駕駛員依靠GPS系統(tǒng)駕駛旋翼機連續(xù)作業(yè),幾年實地應用表明對玉米螟的防效達到了60%～85%。

飛機作業(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械的良好補充,但成本高昂,有較高的飛行速度和高度。若機艙內(nèi)存放的赤眼蜂卵過多,代謝產(chǎn)生的熱量會使溫度升高,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,應用前景廣闊[57]。在赤眼蜂投放領域,無人駕駛航空器能有效解決傳統(tǒng)地面機械在高稈作物農(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,由容納寄主卵的儲存器、投放量調(diào)節(jié)測量裝置和位于儲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地點執(zhí)行作業(yè)任務,該無人機投放系統(tǒng)作業(yè)速率為20 hm2/h,單次作業(yè)時長為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表明,與人工投放卵卡相比,使用無人機投放成本有所提高,但投放迅速,節(jié)省了大量時間,兩種方法防治效果幾乎相同。

Park等[38]設計了一種低成本的天敵生物空中投放裝置,該裝置可容納8個圓紙筒載體,設計目的是用來防治人工難以到達的作業(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)首次報道了李敦松等[60]將無人機技術(shù)應用于赤眼蜂的投放,通過無人機的噴灑系統(tǒng)將赤眼蜂卵懸浮液經(jīng)蠕動泵供壓進行噴灑,試驗證明使用植保無人機噴灑赤眼蜂卵對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、赤眼蜂卵的浸泡時長、噴灑作業(yè)的氣溫等都會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。現(xiàn)有的基于無人機的投放機械大多分為儲存裝置、排料裝置、投放裝置以及相應的控制部分。儲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,料斗式儲存裝置通常需要設計防堵機構(gòu)或結(jié)構(gòu),螺旋排列式和組合圓筒式儲存裝置不易發(fā)生堵塞,但是儲存容量有所降低。載體的投放方式有自由落體式[63-65]和投射式[66],投射式會增加載體離開無人機時的初始速度使其加快落地,減少環(huán)境風等造成的干擾,使載體更加接近投放點。

朱家樂等[67]設計了一款天敵生物載體的投放裝置,工作時,分量齒旋轉(zhuǎn)將載體逐個排出投放,料箱內(nèi)的攪拌桿不斷旋轉(zhuǎn)防止載體發(fā)生堵塞,底部的計數(shù)器用于計量投出數(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上的赤眼蜂載體投放裝置,工作時攪拌器不停轉(zhuǎn)動防止堵塞,撥叉旋轉(zhuǎn)有序排放載體,光電開關負責計數(shù),且能監(jiān)測投放量以及是否發(fā)生堵塞。Zhan等[68]基于高科新農(nóng)M45型號無人機搭載此裝置開展實地投放試驗,配有專用的地面站、天空站以及手機客戶端,實現(xiàn)了路徑規(guī)劃、記錄投放點坐標以及生成作業(yè)圖等功能,根據(jù)記錄的投放點坐標以及單個載體的防治范圍,試驗場地的實際覆蓋率達到99.33%,能夠滿足作業(yè)要求。

影響無人機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)生的無人機下洗氣流[69]以及環(huán)境風等會影響載體的分布均勻性,投放點的布置方式會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影響羽化率。一些學者對如何提高無人機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研究。Freitas等[70]對不同飛行高度和不同風速通過計算機仿真模擬測試了側(cè)風對載體落點的影響,投放方式為自由下落,根據(jù)風速大小調(diào)整無人機投放位置,載體在風以及重力作用下接近防治點。徐東甫等[71]設計了一種基于Hex-Rotor飛行器的赤眼蜂投放系統(tǒng),該系統(tǒng)利用帶有擴張狀態(tài)觀測器和快速微分器的反步控制算法,使飛行器在投放動作干擾和外部風擾共同作用下,能夠很好地完成軌跡跟蹤飛行任務并實現(xiàn)自動投放。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

學者們在赤眼蜂卵的保護措施及其投放機械上開展了大量研究,投放質(zhì)量、效率能夠達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)合當前發(fā)展現(xiàn)狀,仍有以下問題應當重點解決。

1) 赤眼蜂卵保護措施研究不足。不同保護措施都由各自的優(yōu)勢與缺點,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,卻對使用環(huán)境有要求。因此要綜合考慮作物所處的生長時期、作業(yè)環(huán)境、寄主卵物理特性以及成本等因素,選擇最合適的保護措施。目前國內(nèi)載體應用居多,缺少其他類型保護措施的研究。

2) 赤眼蜂卵投放機械種類單一。國外早已對赤眼蜂投放機械進行了系統(tǒng)的探究,已開發(fā)出配套地面機械、載人航空器以及無人機載具等多種多樣的投放機械,滿足了林地、玉米、棉花等田塊的防治需求。目前國內(nèi)對于赤眼蜂投放機械的研究較晚,主要是基于無人機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械的研究,且大多處于實驗研究階段,尚沒有一種機型大范圍推廣應用,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。現(xiàn)有的防治方式主要是淹沒式投放,而精準投放、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,基于處方圖的定點定量投放技術(shù)與蟲害監(jiān)測相輔相成將逐漸成為發(fā)展趨勢。

3.2 展望

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

1) 借鑒國外經(jīng)驗,探索赤眼蜂卵保護措施。赤眼蜂卵體積小、易受損的特性制約著赤眼蜂投放機械的發(fā)展。國外對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上,借鑒國外經(jīng)驗,探索懸浮液、混合物、專用載體以及研究新式保護措施,達到降低使用成本,提高防治病蟲害效果的目的,增加農(nóng)民對其認可度。

2) 因地制宜,針對不同作業(yè)條件開發(fā)投放機械。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,作物的種類和生長狀況也有很大差別,投放機械的作業(yè)條件復雜多變,以區(qū)域土地類型、作物品種為導向,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械的關鍵技術(shù),篩選最為合適的投放機械,并形成規(guī)范化作業(yè),實現(xiàn)農(nóng)機與農(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)機械結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代科學技術(shù)相結(jié)合,提高赤眼蜂投放裝備的無人化、智能化程度,重點在于實現(xiàn)赤眼蜂的精準投放和變量投放。利用GPS定位技術(shù),根據(jù)農(nóng)田不同區(qū)域蟲害爆發(fā)程度進行精準變量投放,有效控制蟲害的前提下降低成本,達到降本增效的目的;利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對投放量、投放時間以及防治效果等數(shù)據(jù)進行記錄分析,進行蟲害研判和智慧決策,科學防治病蟲害。

4) 宣傳推廣,拓展赤眼蜂防治技術(shù)應用面積。通過在全國各地建立赤眼蜂防治示范農(nóng)田、開展聯(lián)合試驗等措施進行宣傳,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機械化投放技術(shù)。建立培訓課程,普及赤眼蜂防治技術(shù),培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員,帶動農(nóng)戶深入了解赤眼蜂防治技術(shù)優(yōu)勢,從而帶動投放機械產(chǎn)業(yè)發(fā)展,推動赤眼蜂防治技術(shù)的進步。

4 結(jié)語

本文對赤眼蜂卵投放技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述,深入分析了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點。無人機植保作業(yè)在我國成為主流,結(jié)合現(xiàn)代技術(shù),未來可以實現(xiàn)精準投放、變量投放赤眼蜂,應用相關數(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,其廣闊的應用前景將為我國農(nóng)產(chǎn)品安全帶來巨大貢獻。