基于赤眼蜂的生物防治技术研究现状与展望*

王庆雨，宋灿灿，单常峰，杨承磊，别晓婷，兰玉彬

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院,山东淄博,255000;2. 山东理工大学生态无人农场研究院,山东淄博,255000;3. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心山东理工大学分中心,山东淄博,255000)

生物防治技术是指利用有益生物或其他生物(包括微生物、寄生性天敌、捕食性天敌等)控制有害生物的技术[1-2]。从长期防治的角度来看,生物防治技术可有效避免因化学防治带来的一系列问题,如产生抗性和抗性水平增加、农药残留以及环境问题等,可为病虫害的防治提供一种生态友好型的替代方案[3]。生物防治技术具有成本低、可持续、可改善生态环境、无污染无危害等优点[4],对于降低部分剧毒农药的使用量以及农药在食品和饲料中的残留量,促进我国绿色食品和生物农药的发展具有重要意义[5]。

在生物防治领域,赤眼蜂是世界上适用范围最广的鳞翅目害虫天敌生物,能够有效防治水稻二化螟、玉米螟、松毛虫等害虫,使用范围较广[6]。利用赤眼蜂防治害虫不仅可以有效减少化学农药的使用量,优化环境,还能减轻害虫的抗药性,而且对生产者和消费者安全无害[7]。国内有关赤眼蜂的研究从20世纪30年代开始[8],经过不断地优选培育,赤眼蜂对目标害虫的防治效果可以达到70%左右[9-12],赤眼蜂防治技术已成为生物防治领域的一项重要措施[13],具有极大的应用推广价值。2017年农业部提出了到2020年农药使用量零增长行动方案,为利用以赤眼蜂为代表的有益生物进行农田病虫害的生物防治带来了新的发展机遇。开展基于赤眼蜂的生物防治技术研究也已成为我国发展现代绿色农业的重要内容之一,受到研究学者们的广泛关注。

利用赤眼蜂进行农田害虫防治时,实际上是将被赤眼蜂寄生的寄主卵投放到田间。处于蛹期的赤眼蜂的寄主卵被释放在田间不久后,羽化后的赤眼蜂会主动寻找寄主卵并在寄主卵内产卵,赤眼蜂蛹将寄主卵杀死并吸取其养分供给自己完成发育,待其羽化后又开始新的一轮寄生,这种不断循环的繁殖方式能够有效减少害虫基数,从而达到控制虫害的目的[14]。这些被赤眼蜂寄生的寄主卵通常是由养殖赤眼蜂天敌的生物工厂生产,不同种类的赤眼蜂对不同的寄主卵适应性不同,需要筛选对应的寄主卵进行繁殖[15]。这些寄主卵都具有体积小、易破损等特点,且易受虫蚁啃食,雨水及光照对卵的活性也有影响。因此,利用赤眼蜂进行生物防治的关键在于如何妥善处理赤眼蜂寄主卵,在投放寄主卵时尽量避免寄主卵与投放装置直接接触以及被外界环境刺激而造成损失。为了便于阅读和理解,本文使用赤眼蜂卵代指投放被赤眼蜂寄生的寄主卵。

田间投放赤眼蜂通常采取淹没式投放,通过释放大量的天敌使害虫虫口直接死亡,但不期望长期控制[16]。根据全国农技中心推荐的放蜂量以及害虫爆发规律,一般以8头/m2、12头/m2、16头/m2的释放量分3次释放赤眼蜂[17]。为了方便投放且维持活性,通常使用适当的保护措施处理赤眼蜂卵,如制成悬浮液、混合物或载体等。在过去的研究中,半机械化装置、地面机械以及航空配套机械都被研发并应用到投放赤眼蜂中[18],实现了喷洒悬浮液、投放混合物或专用载体等功能。这些投放机械有效提高了投放效率,减少了人力投入,但在针对不同形态的赤眼蜂的投放装置的结构设计和投放精度上也都存在一些问题。本文在分析基于赤眼蜂的生物防治技术的研究及应用发展状况的基础上,从赤眼蜂的防治机理、赤眼蜂卵的处理方法和投放装置三个方面展开讨论,阐述了现阶段存在的问题,并结合我国绿色农业的发展背景对赤眼蜂投放技术的未来发展方向和关键技术进行展望,为今后我国以赤眼蜂为主的生物防治技术的发展及应用提供参考。

良好的寄主卵应具有赤眼蜂偏好寄生、卵内营养物质丰富、卵壳硬度高韧性好等特性[6],支撑赤眼蜂在卵内完成发育并羽化出蜂。目前常用的寄主卵分为大卵(柞蚕卵、蓖麻蚕卵、松毛虫卵等)和小卵(米蛾卵、麦蛾卵、小菜蛾卵、玉米螟卵、二化螟卵等)两种。大卵通常为椭圆形,卵长2～3 mm,卵壳质地坚硬,一粒卵粒中可以寄生3头以上赤眼蜂,小卵可以寄生1～2头赤眼蜂[19]。现有技术已经能够实现赤眼蜂寄主卵的工厂化生产,但用于投放的赤眼蜂通常处于蛹态后期,且被投放后赤眼蜂寄主卵处于不可控的生态环境中,极易受外界刺激,因此需要必要的保护措施,以保证赤眼蜂的羽化率[20]。

传统的赤眼蜂卵处理方式是将赤眼蜂寄主卵粘在纸卡上做成卵卡[21],便于利用牙签或细线将赤眼蜂卵放置在植株上。这种方式长期以来都是由人工操作,优点是赤眼蜂羽化率高,但较容易受降雨和大风天气影响,卵卡不易实现机械化投放。后来有学者采用带有小孔的特制纸盒[22]代替纸卡,有效降低了环境对赤眼蜂羽化质量的影响[23];在林间投放时还会用到蜂箱,蜂箱内装有粘着即将羽化赤眼蜂卵的蜂箔,需要有经验的放蜂员带着蜂箱在林间步行放蜂[24];在棉田防治棉铃虫时还会用到纸袋放蜂器[25]。这类处理方式有效保证了赤眼蜂的存活率,但是需要投入大量劳动力,工作环境恶劣,投放速度和质量有限,机械化水平还有待进一步提升,选择合适的保护措施,既有利于机械装置高效率投放,又能减少赤眼蜂寄主卵直接与机械装置接触而造成的损伤。经过几十年的发展,学者们结合不同的机械装置研究出了悬浮液、混合物、专用放蜂器等保护措施对赤眼蜂卵进行处理,在确保赤眼蜂的活性的同时也有利于更好地实现机械化投放。

1.1 配制悬浮液

配置悬浮液是研究较早的一种赤眼蜂卵的保护措施。学者们将寄主卵浸泡在水与商业佐剂[26-27]、琼脂、明胶、蔗糖、黄原胶、瓜尔胶[28]、石蜡[29]等配制的悬浮液中,通过对比悬浮液对赤眼蜂羽化率和寄生率、赤眼蜂卵在悬浮液中的分布均匀性以及在叶片上的吸附性的影响,分析有利于保持赤眼蜂卵活性的悬浮液配方(表1)。

表1 悬浮液溶质类型与虫卵羽化率对比Tab. 1 Comparison of suspension solute type and egg emergence rate

Kienzle等[32]的研究表明赤眼蜂卵在黄原胶悬浮液中的羽化率高于瓜尔胶悬浮液,在悬浮液中加入助剂能减小喷洒的悬浮液滴粒径,体积更小的液滴干燥快,有助于提高羽化率,但随着喷洒系统压力的逐步增大会造成赤眼蜂的存活率逐渐下降。Gardner等[33]的研究表明赤眼蜂卵短时间(3 h以内)浸泡在水中对羽化率影响较小。Gauthier等[34]通过试验探究喷洒赤眼蜂卵技术的可行性,发现赤眼蜂卵悬浮液喷洒后,羽化率降低了10%～15%,但随着浸泡时间的增加羽化率没有进一步降低。

用于配置悬浮液的溶质是影响羽化率的重要因素。Hussein等[28, 35]测试了蔗糖、明胶、琼脂、植物胶和黄原胶等作为溶质对虫卵羽化效果的影响,随着浸泡时间的增加,羽化率均有所下降,明胶(1%)导致羽化率严重的下降;蔗糖溶液(5%)对虫卵的羽化率影响较小,但是虫卵的悬浮分散效果差;琼脂悬浮液(0.15%)对羽化率的影响较小,但会在23 ℃左右时会凝固;植物胶悬浮液(10%,25%,50%)也大幅降低了虫卵羽化率,部分幼虫还会被植物胶粘在卵壳上;而黄原胶悬浮液(0.03%)对羽化率的影响较小,较为适合作为配置赤眼蜂等虫卵悬浮液的溶质。

悬浮液有助于虫卵附着在叶片上,但悬浮液浓度过高或自身粘性过大会粘连束缚新羽化的幼虫导致其死亡,太低不易使卵粒附着在叶片上,卵粒在悬浮液中分布应尽量均匀以保证投放的均匀性,因此配置悬浮液的关键是选用合适的溶质以及适宜的浓度。

1.2 制备混合物

制备混合物是指将赤眼蜂卵与固体或粉体颗粒物料混合的处理方式,将赤眼蜂卵掺入蛭石、禾本植物的颖壳和锯末等物质中,不仅可以为赤眼蜂卵提供适宜的粘附介质,还可以有效减少赤眼蜂卵与机械装置的直接接触。在制备混合物时一般会撒入一定量的水或特定粘液,有助于增加赤眼蜂卵的附着性,将一定比例的蛭石与卵以及适量粘液混合,搅拌均匀后即可投放。使用谷物颖壳制备混合物时,部分赤眼蜂卵会附着在颖壳内从而起到保护作用,因而该处理方式也得到了较多关注。Jones等[36]利用谷物颖壳的优势首次尝试将赤眼蜂卵掺入麦壳中制备混合物,并在投放装置中进行了测试,结果表明该混合物能够有效减少机械结构对虫卵的破坏。

在制备混合物时应考虑混合物的流动性,防止产生堵塞,赤眼蜂卵在混合物中发生堆积和分层还会影响投放的均匀性。

1.3 设计专用载体

除了与现有液态和固态颗粒物料混合以外,还可以设计专门存放赤眼蜂卵的载体,载体的结构和形状不限,重点是能够将赤眼蜂卵包裹在内,与外界环境隔离。专用的赤眼蜂载体有以下3方面优势:(1)作为装载赤眼蜂卵的容器,可确保赤眼蜂卵的活性;(2)可减轻赤眼蜂卵直接受到田间环境的刺激和机械投放造成的损伤;(3)只需设计赤眼蜂载体的投放装置即可,便于实现机械化投放。为了获得适宜装载赤眼蜂卵的方法,便于实现机械化投放赤眼蜂,学者们设计了不同类型的载体,并通过试验测试证明了这些载体的可行性。Santos等[37]提出了一种储存和投放寄生蜂的矩形容器以代替传统塑料投放袋,该容器由可降解材料制成,上下表面有开口,利用透明盖封住上表面开口可观察内部情况,下表面开口用于向盒内放入蛹团。Park等[38]设计了一种圆筒载体,该载体外壳为圆纸筒,在内部放置塑料圆管,底部由黏土端盖制成,圆纸筒中心放置了实心球,用于在载体落地时将黏土端盖击碎,该载体的缺点在于使用了塑料材质,落到田中较难降解,且作物冠层的缓冲作用可能导致黏土端盖不易碎裂。针对上述问题,Kim等[39]使用易降解的PVA材料设计了一种圆台外形的天敌载体,由带有释放圆孔的上端盖、中间圆台以及下端盖构成,结构简单,降低了制作成本和步骤。王立达等[40]设计了一种空心球形赤眼蜂载体,如图1所示,由上下两半球组成,下半球为实心球,上半球开有释放口,内部是蜂卵室,该载体能够防水、防虫,球形设计更有利于实现机械化投放。

图1 空心球形赤眼蜂载体

综上,赤眼蜂卵的处理方式有多种,且不同的处理方式会对羽化率和寄生率产生不同的影响,如表2所示。

表2 赤眼蜂卵不同保护措施优缺点对比Tab. 2 Comparison of advantages and disadvantages of different treatment methods for Trichogramma eggs

为了明确不同的处理方式下赤眼蜂卵存活质量的影响因素以及各处理方式的优劣,Jalali等[41]探究了不同处理方式对赤眼蜂羽化率和寄生率的影响,发现制备赤眼蜂卵胶囊花费的时间最长,但羽化率较高(95.7%);制备悬浮液和混合物所需时间短,但是羽化率偏低;在寄生率的对比中,蛭石混合的赤眼蜂获得了最好的寄生率(76.7%),其次是成年蜂(65.9%)、粗面粉混合物(61.3%)和琼脂溶液(55.3%),其余试验组寄生率均低于50%。

地面机械主要分为两类:一类是半机械化投放装置,主要依靠人携带投放机械在田间行走实现投放;另一类是机械化投放装置,通常由投放装置和载具组成。

2.1 半机械化投放装置

半机械化投放装置具有结构简单、操作难度低等优势,依靠人在田间步行,手持操作投放,受限于人的承载力,半机械化投放装置较为轻便。Blandini等[42]设计了一款离心式天敌生物投放原型机,如图2所示,该装置由料箱、料箱中间的螺旋下料器以及底部的分料盘构成,通过调节螺旋下料器转速控制投放量,分料盘以600～1 100 r/min的转速高速旋转,利用离心力将物料甩出,经多次试验验证,该原型机能够保证天敌生物活性,适用于投放天敌生物,后来该原型机被改造为背负式以及手持式等多种类型半机械化投放装置[43]。Smith等[44]对比了电动手持气吹式投放机械与卵卡的方式,在林间进行了一系列投放赤眼蜂卵测试,手持气吹投放机械投放的赤眼蜂卵大部分沉积在装置周围3～5 m处,最远可到7 m,结果表明两种投放方式投放的赤眼蜂卵都获得了良好的均匀性,寄生率没有明显差别,与航空器投放效果相当。

图2 一种离心式投放天敌生物原型机

半机械化投放装置不仅效率低、费时费力,而且需依托使用者进行移动,使用者难以做到匀速前进,且手持装置的姿势等也有较大影响,因而投放均匀性较难保障。此外,在舒适性上,需要使用者长时间负载装置在田间行走,体力消耗大,田间工作环境差,目前该方法已经很少使用。

2.2 基于地面机械的投放装置

2.2.1 赤眼蜂卵悬浮液喷洒机械

喷洒赤眼蜂卵悬浮液的投放方式类似喷洒农药,不同的是所用的喷嘴内径较大,需要满足卵粒通过。普通液压泵容易破坏卵粒结构,在喷洒系统中多使用蠕动泵提供压力。此外,还需不断搅拌悬浮液防止赤眼蜂卵分布不均匀。1972年已经有研究人员开发出用于投放虫卵的喷洒装置[45],考虑到储液箱到喷嘴出口管路上的压力泵和喷嘴等组件很容易破坏卵的结构,研究人员最初利用加压空气的方式代替液压泵,为悬浮液喷洒系统提供液压力。Morrison[46]用高压气瓶代替液压泵向喷洒系统提供压力投放虫卵,大幅降低了液压泵对卵的破坏。Giles等[31]设计了一种有储液器、空气压缩机以及脉冲调节阀门等组成的虫卵喷洒投放装置,储液器底部为弹性材料,可以随着空气压缩机的加压使储液器中的悬浮液喷出,通过脉冲调节阀门可以控制喷液的时长和频率。空气压缩设备往往结构复杂,研究人员尝试使用液压泵进行喷洒作业。用于植保机械的液压泵通常包括隔膜泵、滚子泵、离心泵和齿轮泵等,其中隔膜泵工作原理对虫卵的损伤最低,成为优先考虑的液压泵。

Hussein[28]和Shands[45]的研究表明选择的悬浮液溶质以及喷嘴孔径和喷液压力是影响投放效果的重要因素。喷嘴对于保持卵粒的完整性也很重要,研究人员已通过使用大孔径喷嘴(TeeJetXR11015)喷洒寄主卵获得了良好的羽化率[32]。Dionne等[47]设计和测试了长喷杆式喷洒悬浮液设备,该设备配备了380 L的水箱,8个XR11008-VP喷嘴安装在6.71 m长的喷杆上,使用流量为18.5 L/min的隔膜泵供压,工作时将该设备挂载到拖拉机等机具上,测试结果表明,经该设备投放的赤眼蜂卵的活性没有降低。

经过多年研究,赤眼蜂悬浮液的喷洒系统对赤眼蜂卵的损伤已明显降低田间作业效果得到广泛认可。依靠悬浮液的粘性,赤眼蜂卵可以粘附在作物叶片上,孵化后更快寻找到寄主,在药液箱中加入搅拌装置还可以保证赤眼蜂卵在悬浮液中分布均匀。此外,尽量避免降雨前进行作业,以免赤眼蜂卵在雨水冲刷下被土壤覆盖而造成损失。

2.2.2 气吹式投放机械

气吹式投放机械是指利用气流将携带赤眼蜂卵的物料或载体经投放装置吹送至田间。Jones等[36]将小麦颖壳与赤眼蜂卵混合并加入一定量的粘液,使用鼓风机进行投放,颖壳增大了赤眼蜂卵的受风面积,加入粘液使卵更容易附着在作物冠层。Giles等[48]经多次改进后,设计了一种安装在拖拉机上的气吹式投放装置,该装置包括储存容器、旋转计量盘、喷气系统,随着计量盘转动,天敌生物从储存容器下落填充到旋转计量器开孔中,当旋转到固定板上的开孔处时,压缩气流将天敌生物吹出,通过旋转计量盘转速控制投放速率,装置由电机带动,经测试该装置不会损伤天敌生物的活性。Gardner等[49]使用Giles设计的装置开展了一系列投放卵粒的试验,研究表明该装置适用于投放卵粒与蛭石的混合物且不会影响活性且分布相对均匀。

上述学者证明了利用地面投放机械获得的分布均匀性及防治效果均能满足要求,且使用成本低,投放效率高。然而,赤眼蜂防治机理决定了在作物生长周期内需要进行多次投放,地面机械长期碾压容易夯实土壤,且在高秆作物田间通过性差,不适合玉米等作物生长后期作业。

2.3 有人驾驶航空设备投放技术

美国农业航空的发展已有100多年历史[50],关于有人驾驶飞机投放天敌生物的研究也起步较早。为满足大面积、高效率投放赤眼蜂卵,一些研究人员进行了有人驾驶飞机投放作业的探索。

Reeves[51]开发了一种用于航空设备的投放机械,赤眼蜂卵被装在封闭的纸袋中,投放时通过机械装置将纸袋剪开并抛出机舱完成投放,这种设备较为简易,能快速大面积完成作业,但落在地上的袋子很容易受到降水的影响,且虫蚁容易钻进袋子啃食赤眼蜂卵造成损失。Bouse等[52]对传统的干物料撒施装置进行了改装,设计了一种基于PiperPA-25农用飞机的麦糠—赤眼蜂卵混合物的撒施装置,该装置包括料斗、闸门、低速搅拌器等结构,投放速率由闸门的开启角度控制,试验证明,该装置投放麦糠—赤眼蜂卵混合物相比投放赤眼蜂卵均匀性更好。Bouse等[53]又设计了一种搭载于农用飞机的精量投放虫卵系统,由料箱、计量齿轮、转动刷等组成,料箱下方是漏斗形出料口,依靠计量齿轮转动进行投放,毛刷清扫附着在计量齿轮上的卵,在试验中发现由于赤眼蜂卵前期需要经过冷却处理,料箱中会出现冷凝水使虫卵结块,造成下料不顺畅,此装置要求虫卵的温度不能过低。

超轻型旋翼机起飞跑道短,能够低空低速飞行,飞行特性适合农田作业,近年来在欧洲等地区得到应用。Bzowska-Bakalarz等[54-55]尝试使用Aviation Artur Trendak Zen-1型超轻型旋翼机在农田投放赤眼蜂防治玉米螟,分别在机身挂架两端安装赤眼蜂卵分配器,单次作业面积可达80 hm2,飞行速度可达100 km/h,驾驶员依靠GPS系统驾驶旋翼机连续作业,几年实地应用表明对玉米螟的防效达到了60%～85%。

飞机作业不仅效率高,且不与作物和地表接触,能够作为地面投放机械的良好补充,但成本高昂,有较高的飞行速度和高度。若机舱内存放的赤眼蜂卵过多,代谢产生的热量会使温度升高,需要配备冷却系统降温,成本较高[56]。且有人驾驶飞机作业幅宽大,转弯半径大,不适合小地块作业,容易造成分布不均等问题。

2.4 无人驾驶航空器投放技术

无人驾驶航空器体积小,使用方便且不需要专门的起飞跑道等优势,应用前景广阔[57]。在赤眼蜂投放领域,无人驾驶航空器能有效解决传统地面机械在高秆作物农田、稻田以及地形较差的地块作业,相比载人航空器成本低,利于推广[58]。

国外采用无人机投放赤眼蜂的研究较早,且已有商业化产品。2016年,加拿大生产了一款名为Entobot生物投放飞行器,由容纳寄主卵的储存器、投放量调节测量装置和位于储存器底部的重力辅助投放系统构成,该装置可以投放赤眼蜂卵与蛭石混合物或专用的胶囊形载体,配套的地面站和飞行控制系统将生物投放装置带到相应地点执行作业任务,该无人机投放系统作业速率为20 hm2/h,单次作业时长为0.5 h,每公顷可撒施40万粒赤眼蜂寄主卵。Martel等[59]使用Entobot生物投放飞行器在林中投放赤眼蜂的试验表明,与人工投放卵卡相比,使用无人机投放成本有所提高,但投放迅速,节省了大量时间,两种方法防治效果几乎相同。

Park等[38]设计了一种低成本的天敌生物空中投放装置,该装置可容纳8个圆纸筒载体,设计目的是用来防治人工难以到达的作业区域,因此装载量较少。此外,该装置存在一定的缺陷,在投放过程中载体碰撞到作物冠层后减轻了落地产生的冲击力,可能不足以击碎载体底部的黏土端盖以释放天敌生物。

2013年,国内首次报道了李敦松等[60]将无人机技术应用于赤眼蜂的投放,通过无人机的喷洒系统将赤眼蜂卵悬浮液经蠕动泵供压进行喷洒,试验证明使用植保无人机喷洒赤眼蜂卵对其活性没有显著影响。喷洒赤眼蜂卵悬浮液有较多限制条件,溶质的种类和浓度、赤眼蜂卵的浸泡时长、喷洒作业的气温等都会影响到赤眼蜂卵分布的均匀性和羽化率,与喷洒赤眼蜂卵悬浮液相比,投放赤眼蜂卵载体则没有这些限制。为了实现稳定可靠的投放,赤眼蜂卵载体的外形大多数为球形。现有的基于无人机的投放机械大多分为储存装置、排料装置、投放装置以及相应的控制部分。储存装置主要有料斗式[61-62]、组合圆筒式[63],螺旋排列式[64]三种类型,料斗式储存装置通常需要设计防堵机构或结构,螺旋排列式和组合圆筒式储存装置不易发生堵塞,但是储存容量有所降低。载体的投放方式有自由落体式[63-65]和投射式[66],投射式会增加载体离开无人机时的初始速度使其加快落地,减少环境风等造成的干扰,使载体更加接近投放点。

朱家乐等[67]设计了一款天敌生物载体的投放装置,工作时,分量齿旋转将载体逐个排出投放,料箱内的搅拌杆不断旋转防止载体发生堵塞,底部的计数器用于计量投出数量,极大提高了作业效率。兰玉彬等[61]发明了一种搭载于无人机上的赤眼蜂载体投放装置,工作时搅拌器不停转动防止堵塞,拨叉旋转有序排放载体,光电开关负责计数,且能监测投放量以及是否发生堵塞。Zhan等[68]基于高科新农M45型号无人机搭载此装置开展实地投放试验,配有专用的地面站、天空站以及手机客户端,实现了路径规划、记录投放点坐标以及生成作业图等功能,根据记录的投放点坐标以及单个载体的防治范围,试验场地的实际覆盖率达到99.33%,能够满足作业要求。

影响无人机投放赤眼蜂卵载体效果的因素有很多,不同飞行参数产生的无人机下洗气流[69]以及环境风等会影响载体的分布均匀性,投放点的布置方式会影响覆盖度以及作业效率,赤眼蜂载体是否具有防水功能等会影响羽化率。一些学者对如何提高无人机投放赤眼蜂卵载体的覆盖率、均匀性以及防治效果等方面开展相关研究。Freitas等[70]对不同飞行高度和不同风速通过计算机仿真模拟测试了侧风对载体落点的影响,投放方式为自由下落,根据风速大小调整无人机投放位置,载体在风以及重力作用下接近防治点。徐东甫等[71]设计了一种基于Hex-Rotor飞行器的赤眼蜂投放系统,该系统利用带有扩张状态观测器和快速微分器的反步控制算法,使飞行器在投放动作干扰和外部风扰共同作用下,能够很好地完成轨迹跟踪飞行任务并实现自动投放。Freitas等[72]提出了一种飞行器投放路径规划算法,相比目前广泛采用的“之”字型落点排布,能够更好地覆盖边缘区域,所采用的六边形分布减少了重复区域,提高了赤眼蜂利用率。

3.1 存在问题

学者们在赤眼蜂卵的保护措施及其投放机械上开展了大量研究,投放质量、效率能够达到或者超过人工方式,也出现了较为成熟的商业化投放产品,结合当前发展现状,仍有以下问题应当重点解决。

1) 赤眼蜂卵保护措施研究不足。不同保护措施都由各自的优势与缺点,例如球形载体能够防水,适合在水田使用,但成本稍高;制备悬浮液和混合物操作方便,成本低,却对使用环境有要求。因此要综合考虑作物所处的生长时期、作业环境、寄主卵物理特性以及成本等因素,选择最合适的保护措施。目前国内载体应用居多,缺少其他类型保护措施的研究。

2) 赤眼蜂卵投放机械种类单一。国外早已对赤眼蜂投放机械进行了系统的探究,已开发出配套地面机械、载人航空器以及无人机载具等多种多样的投放机械,满足了林地、玉米、棉花等田块的防治需求。目前国内对于赤眼蜂投放机械的研究较晚,主要是基于无人机投放球形载体开展的,缺乏基于悬浮液、混合物等形式投放机械的研究,且大多处于实验研究阶段,尚没有一种机型大范围推广应用,在羽化率、覆盖率、防治效果方面研究不足。

3) 赤眼蜂卵投放方式有待优化。现有的防治方式主要是淹没式投放,而精准投放、处方图靶向投放等智能化投放方式研究较少,随着农业发展,基于处方图的定点定量投放技术与虫害监测相辅相成将逐渐成为发展趋势。

3.2 展望

受限于农田经营模式、农机具发展状况以及农民对生物防治技术不够重视等因素,国内赤眼蜂投放机械的研究刚刚起步,针对以上存在的问题,建议从以下方面突破。

1) 借鉴国外经验,探索赤眼蜂卵保护措施。赤眼蜂卵体积小、易受损的特性制约着赤眼蜂投放机械的发展。国外对于提高赤眼蜂卵活性的方式研究较为全面,开展了大量的探索和研究,在保证赤眼蜂卵活性和羽化率的基础上,借鉴国外经验,探索悬浮液、混合物、专用载体以及研究新式保护措施,达到降低使用成本,提高防治病虫害效果的目的,增加农民对其认可度。

2) 因地制宜,针对不同作业条件开发投放机械。我国气候种类丰富,不同地区田块种类差异较大,北方农田面积大且集中,南方则地块面积小且分散,作物的种类和生长状况也有很大差别,投放机械的作业条件复杂多变,以区域土地类型、作物品种为导向,从效率、成本、防治效果等多方面因素考察,逐步突破赤眼蜂投放机械的关键技术,筛选最为合适的投放机械,并形成规范化作业,实现农机与农艺的融合。

3) 结合现有技术,打造智能投放装备。将传统机械结构与现代科学技术相结合,提高赤眼蜂投放装备的无人化、智能化程度,重点在于实现赤眼蜂的精准投放和变量投放。利用GPS定位技术,根据农田不同区域虫害爆发程度进行精准变量投放,有效控制虫害的前提下降低成本,达到降本增效的目的;利用大数据技术对投放量、投放时间以及防治效果等数据进行记录分析,进行虫害研判和智慧决策,科学防治病虫害。

4) 宣传推广,拓展赤眼蜂防治技术应用面积。通过在全国各地建立赤眼蜂防治示范农田、开展联合试验等措施进行宣传,推广赤眼蜂防治病虫害为代表的生物防治技术,优先在使用人工投放赤眼蜂的地域引进机械化投放技术。建立培训课程,普及赤眼蜂防治技术,培养专业技术人员,带动农户深入了解赤眼蜂防治技术优势,从而带动投放机械产业发展,推动赤眼蜂防治技术的进步。

本文对赤眼蜂卵投放技术的发展现状进行了综述,深入分析了现有技术的优缺点。无人机植保作业在我国成为主流,结合现代技术,未来可以实现精准投放、变量投放赤眼蜂,应用相关数据分析技术可优化投放质量。赤眼蜂为代表的生物防治技术符合未来植保发展趋势,其广阔的应用前景将为我国农产品安全带来巨大贡献。

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