昆虫谐波雷达的电子标签研究进展

黄秀琴，李传仁，王福莲，桂连友

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

自从美国科罗拉多州州立大学Klempel 研究小组(1977)首先开展利用谐波雷达追踪单个昆虫，对螺旋蝇Cochliomyia hominivorax 飞行行为研究以来，随着现代科技发展，在国外昆虫谐波雷达技术近十几年来越来越广泛地应用于昆虫行为学研究。昆虫谐波雷达的基本原理是利用昆虫谐波雷达系统(Harmonic Radar Transceiver)的发射天线发射出一种高功率的脉冲电磁波，待检测的目标昆虫身体上绑有一个很小的电子标签(Tag)，该装置吸收雷达波束中的能量并将输入信号调制为谐波后再发射回去。昆虫谐波雷达系统的接收天线即可屏蔽地物回波，而将该反射回来的另一种脉冲电磁谐波检测出来。通过相位比较测量出目标回波的相位、幅度相对于空间、时间和频率的变化率而言，至少应包含有关目标角度、径向速度、距离、形状、自旋和尺寸等信息(翟保平，1999;蔡志坚和曾理江，2002;Colpitts and Boiteau，2004)。

电子标签是昆虫谐波雷达系统中最关键的组成部分之一。目前，昆虫谐波雷达分基站式和便携式两个类型。被跟踪昆虫种类涉及到鞘翅目、鳞翅目、直翅目双翅目和膜翅目5目24种(桂连友等，2011)。对于一些较小的昆虫，对电子标签的要求更为严格。一个理想的昆虫电子标签应该满足如下的特性(Hagler and Jackson，2001):足够时间不脱落、价格便宜、粘胶无毒、使用简单以及不影响昆虫的正常行为。

利用昆虫谐波雷达追踪昆虫的运动行为之前，需要选择合适的标签。作者2012年1月从加拿大引进了中国的第1 台昆虫谐波雷达(Gen Ⅳ)，目前正在开展有关研究工作。本文目的是通过对国内外有关电子标签的研究进展的介绍，为我国开展利用昆虫谐波雷达技术跟踪昆虫运动行为研究提供参考。

1 电子标签的制作材料及其类型

电子标签主要由无感超细金属丝和肖特二极管(Schottky diode)两部分组成。制作电子标签需要使用导电胶将肖特二极管粘贴在无感金属丝上。制作电子标签的金属丝可采用铜、银、镀铜－镀锡、镀铜－钢心、镀银－铜等材料组成(Osborne，1999;O'Neal，2004)。导电胶一般使用导电银胶或含锡铅导电胶。Boiteau 等(2010)使用镀铜－钢(AWG #41，#36)和镀银－铜(AWG #42)金属丝材料制作非转动型电子标签时，首先将金属丝绕成一个1 mm 的圆环，一端2 mm，一端6 mm，使用导电胶Conductive Epoxy CW2400 将肖特二极管固定在无感超细金属丝的圆环上。Brazee 等(2005)证明了使用钢－铜(CPS)丝的制作电子标签跟踪昆虫的范围比铜－锡丝的(TC)远，钢－铜丝材料不容易变形，传导性也强，重量也较轻。

绑在昆虫身体上的电子标签，其粘贴的部位对昆虫谐波雷达系统接受信号非常敏感。按照电子标签与昆虫身体之间的夹角，电子标签可分为拖尾型和非拖尾型两种类型，拖尾型电子标签与昆虫身体之间的夹角接近0°，这种类型的电子标签一般粘贴在昆虫翅或腹部上，主要适合在地面或地下钻洞中以爬行为主要运动方式的昆虫，如Brazee 等(2005)利用谐波雷达追踪黑葡萄象鼻虫Conotrachelus nenuphar 的行为时用的是拖尾电子标签;O'Neal 等(2004)利用拖尾电子标签研究叶甲Harpalus pensylvanicus 成虫的行为。非拖尾型电子标签与昆虫身体之间的夹角接在0～90°，这种类型的电子标签一般粘贴昆虫在胸部上，主要适合以空中飞行为主要运动方式的昆虫，如Boiteau 等(2001)运用非拖尾型电子标签研究马铃薯叶甲Leptinotarsa decemlineata 的运动行为。使用基站式昆虫谐波雷达系统跟踪昆虫运动行为时，要求电子标签能够自行转动。根据电子标签是否具有自转的功能，又可将电子标签分为转动型和非转动型两种。如Elizabeth 等(2000)利用基站式昆虫谐波雷达系统跟踪蜜蜂Bombus terrestris 的采蜜行为时，使用转动型的电子标签。而便携式昆虫谐波雷达均可使用的转动型和非转动型两种电子标签。在实际应用中，根据昆虫运动方式或使用雷达类型不同选用不同的电子标签类型。

2 昆虫翅载

一般选择合适的电子标签首先做昆虫翅载试验，确定昆虫成虫平均翅载净重量。昆虫翅载能力是指昆虫成虫的体重与翅面积的比值，它是评价昆虫飞行能力的一个重要指标。

Unruh和Chauvin(1993)连续测试马铃薯叶甲成虫翅载能力时，每天取羽化后4～12 d日龄的50头雄成虫进行标记，在飞行测试之前，每头虫子均需要称重。每天每次飞行试验测试20头，重复两次，不考虑成虫的飞行频率，记录能够向上飞行的成虫数量，得出当次试验中最小重量成虫。将这头成虫称重后，用剪刀将成虫的一后翅剪下，用两块塑料薄板压平放置24 h 变干，然后用红色墨水染色，测出单个翅面积。因被剪下翅的昆虫而导致被测定的昆虫数量减少，需要另外补足缺少的成虫，使成虫数量达到50头。从这个连续试验中得到了52个最小重量和52个单个后翅的面积，总翅面积为单个后翅的面积的2倍。计算52个成虫体重与翅面积之比即为单个马铃薯叶甲的翅载能力。

对于昆虫体型(翅)变化较小的昆虫，也可以采用饥饿方法(Boiteau and Colpitts，2001)。黄秀琴等(2012)在Boiteau和Colpitts(2001)方法上进行修改，测定柑橘大实蝇成虫Bactrocera minax 的翅载能力。取羽化后2日龄柑橘大实蝇的雌雄成虫各40头，分别装入已编号的80个塑料瓶(直径8 cm，高14 cm)中饲养。起飞测试在室外网室内进行，将成虫置于离地面高1 m、顶部面积9 cm2(3 cm×3 cm)木桩上释放，测试起飞时间为1 min，成虫降落的落点离地面等于或高于1 m的位置，则被判定该成虫能够起飞。否则被判定该虫不能够起飞。测试时分别两次正常喂食和两次剥夺取食，测试共进行4次，顺序是:将2日龄成虫饥饿24 h 后第1次测试—取食24 h 后第2次测试—又饥饿24 h 后第3次测试—取食24 h 后第4次测试，然后将一对前翅剪下，并编号装入小瓶(直径1 cm，高5 cm)中;成虫单个翅面积是采用坐标纸法(1 mm2/格)测定并记录。每次测试后，不能起飞成虫被淘汰，能够起飞的成虫进行称重并记录，然后置于原来塑料瓶中，接着继续饲养或者饥饿处理。每只柑橘大实蝇雌雄成虫的最高和最低重量分别是该成虫4次称重中最高值和最低值。雌雄成虫各有30个最高和最低重量值。结果表明，成虫翅载能力差值平均为0.208 mg/mm2，平均净载重量约为11 mg，约占其平均体重的23%，最高占69.93 %。Boiteau和Colpitts(2001)研究结果表明，马铃薯叶甲成虫平均翅载能力为10.9 至15.6 N/m2。

3 昆虫额外负载

昆虫成虫平均翅载净重量可能不是柑橘大实蝇最大的额外负载重量，成虫翅净载重量与额外负载重量在昆虫身体部位的分布是不同的，因而昆虫体重重心位置也不同，成虫是否能够正常起飞，需要进一步做昆虫成虫的忍受额外负载试验，确定昆虫最大额外负载重量。昆虫额外负载是指昆虫成虫能够额外负重的、不影响其正常活动能力的重量。

黄秀琴等(2012)和Boiteau和Colpitts(2001)分别测试了柑橘大实蝇和马铃薯叶甲额外负载重量。使用同样重量的回形针代替电子标签，将回形针截成若干长度，分别取5 mg、7 mg、9 mg 重量各130个，共390个。分批取3日龄成虫780头，每个额外负重成虫处理各需130头，其余390头作为相应的对照成虫。用Instant Krazy Glue 非导电粘胶，将标签横粘在相对应的成虫的前胸背板上，每粘一根标签需要耗费导电粘胶0.3 mg，即成虫额外负重分别为5.3 mg、7.3 mg、9.3 mg。额外负重5.3 mg、7.3 mg、9.3 mg 三种成虫(处理)与相对应未额外负载重量的性别相同的成虫(对照)成对随机取出，然后同批次进行起飞测定试验，每个处理的负载试验的额外负载和未额外负载的成虫雌雄性比均为1∶1。每天试验分3～4批次，当天粘标签成虫当天试验完毕，参加试验后的所有额外负重的和未额外负重的成虫均不能重复参加下一次试验，并记录每次起飞的和未起飞的成虫数。研究结果表明，成虫额外负载7.3 mg重量对于其向上起飞行为有较少或没有直接的影响。Boiteau和Colpitts(2001)研究马铃薯叶甲的额外负重试验结果表明，成虫额外负载29 μN(1 mg=9.8 μN)，对其正常的飞行行为没有直接影响。Dudley(2000)研究认为，昆虫一般额外负载重量可以达到自身体重的0.5～3倍。

4 电子标签的适合性

一只理想的昆虫电子标签应该满足如下的特性:足够时间不脱落、便宜、粘胶无毒、使用简单和不影响昆虫的正常行为(Hagler and Jackson，2001)。因此在选择适合的昆虫电子标签时，必须考虑电子标签的重量、长度、粘贴部位、粘胶种类等因素对昆虫正常活动行为影响程度为没有或者较小。

4.1 重量和长度

电子标签重量并不是是成虫的最大额外负载重量，如雌虫在怀卵或觅食等行为时，需要占有一些的净载重量。在最大额外负载重量与电子标签重量之间需保留合适的差值。在不影响电子标签其它特性的条件下，尽量将电子标签做的更轻。

电子标签长度与它的重量和昆虫谐波雷达的探测距离之间存在相关性。电子标签的长度增长，探测范围扩大，但电子标签重量会随着增加，有可能影响了昆虫正常行为;电子标签的长度缩短，电子标签重量会随着降低，探测范围将缩小，影响跟踪效果。同时，电子标签过长，由于昆虫运动、撕咬、与其它物体摩擦或碰撞，电子标签易受损或脱落。因此，选择合适的电子标签程度既要考虑长度影响，又要考虑重量影响。不同的昆虫在选择电子标签的重量常常因昆虫种类不同而不同。在确定电子标签长度时，还需要进行飞行测试试验。

电子标签的长度一般为16～200 mm，重量为0.4～27 mg(桂连友等，2011)，大约为昆虫体重的10 %。但也有昆虫(如马铃薯叶甲)电子标签占本身体重的14.7% 时同样适用。Riley 等(1996)研究表明，长度为16 mm、重量为0.3 mg的电子标签没有明显影响欧洲熊蜂Bombus terrestris飞行速度。Roland 等(1996)研究表明，长度为80 mm、重量为0.4 mg 的电子标签没有导致Arachnidomyia aldrichi(双翅目)飞行行为异常;Mascanzoni和Wallin(1986)用长度为20 cm、重量为3～8 mg 电子标签追踪昆虫Pterostichus cupreus(鞘翅目)爬行行为，没有发现电子标签对昆虫行为有明显影响。Boiteau 等(2011)研究表明，占马铃薯叶甲体重2.2%、长度为16 mm 的电子标签绑在马铃薯叶甲上，仅导致叶甲的水平运动速度稍微有所降低，对其它运动行为无明显影响;李树象鼻虫Conotrachelus nenuphar 在携带0.55 mg(占体重3.9%)、长度为40 mm 的的电子标签下水平运动速度降低36%;而绑在玉米螟Diabrotica virgifera virgifera 身体上的0.6 mg(占体重5%)、长度为40 mm 的电子标签，会使导致玉米螟水平运动速度稍微加快。

4.2 粘贴部位

由于昆虫体型千差万别，身体重心位置也不同，昆虫在搜索食物、交配等行为情况下，身体重心也会发生改变，因而，不同的昆虫携带的电子标签部位选择在不同位置。主要选择粘贴部位有前胸(Motuweta isolata，Stringer and Chappell，2008;B.minax，Gui et al.，2011;L.decemlineata，Gui et al.，2012)、中胸(Apis mellifera，Elizabeth et al.，2000)、后胸、腹部(Patelloa pachypyga，Roland et al.，1996;)、翅(L.decemlineata，O'Neal，2004)或其它的位置。

对于大型昆虫，如光肩星天牛Anoplophora glabripennis，由于在它们个体之间有相互撕咬的习性，身体表明非常光滑，不容易找到持续固定电子标签的胶水，通常采用牙线固定电子标签方法(Williams et al.，2004)。用牙线将电子标签横绑在星肩天牛前胸背板上，牙线避开前胸背板两侧刺突。

4.3 胶水的持续性及毒性和昆虫的取食

电子标签固定在昆虫身体上还需要非导电的超强粘胶，目前常用的非导电的超强粘胶有Crazy Glue、Bowman FSA和Loctite 胶水(Boiteau et al.，2009)。其主要化学成分为氰基丙烯酸盐类，它对一些昆虫存在毒性上差异。同时，因为电子标签被粘在昆虫身体上，由于昆虫运动、昆虫撕咬、与其它物体摩擦或碰撞，电子标签标定易受损或脱落，为了保持电子标签不脱落时间足够长和足够高不脱落率以及对昆虫正常取食无影响，选择合适种类或品牌的非导电的超强粘胶十分必要。

Boiteau 等(2009)曾研究氰基丙烯酸盐类胶水的毒性对美国科罗拉多州马铃薯叶甲、李子象鼻虫和玉米螟的影响。一小滴大约0.1 mg 的疯狂胶、乐泰或Bowman FSA 粘附昆虫的前胸背板，对科罗拉多州马铃薯叶甲和李子象鼻虫存活5～7 d没有影响，但是引起玉米螟仅仅4 h 死亡率就高达40%以上。三种胶水均能够保持电子标签在马铃薯叶甲身体上4～5 d 不脱落，存活率大于85%。同样方法，李子象鼻虫存活率也大于50%。胶水处理后的马铃薯叶甲的取食和爬行行为没有直接影响。

4.4 昆虫的垂直和水平运动

在自然条件下，昆虫因为各种活动需要在垂直和水平方向运动，电子标签的重量或长度对昆虫运动的距离、时间、速度可能存在一定的影响。在选择电子标签的重量或长度时，要求电子标签对昆虫正常垂直和水平运动的距离、时间、速度较小或无影响。

Boiteau 等(2010)研究电子标签不同的金属丝重量对马铃薯叶甲和李树象鼻虫垂直运动的影响，结果表明，带电子标签的叶甲雌成虫和不带标签的叶甲雌成虫垂直向上或向下飞行没有显著差异;不同重量金属丝制作的标签对李树象鼻虫的垂直爬行也没有显著差异。

5 展望

昆虫谐波雷达技术目前还不成熟。在电子标签制作技术上，虽然有很大程度上提高，已经制造出重量为0.4 mg(Jens et al.，1996)重量水平，如15% 天敌昆虫可适于研究(Colpitts and Boiteau，2004)对象，但仍然存在一定的局限性。对于一些体型微小重量极轻的昆虫或螨类，例如蚜虫类、飞虱类、螨类等，需要更轻的电子标签，目前的制造技术还是达不到要求，因而还不能利用昆虫谐波雷达技术跟踪研究这类型的昆虫。其次，一些常用的胶水对某些昆虫的可能存在较大的毒性，暂时找不到合适的粘胶。另外，对于钻入地下较深的昆虫跟踪，电子标签的重量与长度矛盾还没有得到满意的解决。

随着新材料和芯片等研发技术的进步，电子标签的制作技术也会不断提高，适合体型更小、体重更轻的昆虫及螨类的电子标签将会出现。如将重量极轻的芯片置入若虫或蛹体内，等待羽化为成虫后，昆虫谐波雷达跟踪含有芯片的成虫，可以避免电子标签脱落和出现粘胶对昆虫毒害现象发生。

尽管昆虫谐波雷达跟踪技术还不成熟，电子标签不能够做到更小，以至于一些微小的昆虫不能跟踪研究，但是在野外研究一些昆虫运动行为上，比传统上用标记－释放－引诱回收、引诱剂引诱、风洞、录像等技术有着“可在自然条件下进行”、“可以定量化分析”、“可跟踪运动距离相对较远的和单个昆虫”和“可实时跟踪”等优点(桂连友等，2011)，已受到越来越多的昆虫学者的关注。另外，还可以利用昆虫具有异常灵敏的嗅觉能够记住大量不同的气味特性，携带电子标签同时，也带回一些化学物质(如花粉)，它可以准确探测出生物武器所在位置。

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