无人机在米槠虫害防治中的应用与效果研究

黄云鹏,管建仲，林峰铭，李恩佳*

(1. 福建三明林业学校,福建 三明 365000; 2. 尤溪县西城林业站,福建 尤溪 365100)

米槠[Castanopsiscarlesii(Hemsl.)Hay].壳斗科锥属乔木,为我国亚热带山区重要阔叶树种,在闽中、闽北地区有天然分布,由于早期天然米槠林经历了皆伐炼山更新或受人为因素的干扰,米槠林抵抗病虫害能力降低,近几年有病虫害爆发的趋势[1-2];特别竹节虫对米槠的危害情况较为严峻,尤溪县有着大面积的天然米槠林,其中近200 hm2的米槠林受到严重的破坏,根据竹节虫在各省的分布情况及其形态辨别,确定危害三明尤溪县天然米槠林的竹节虫为异尾华枝(SinophasmamirabileGunther),春末为幼虫期,6月羽化,主要寄主为甜槠和米槠,7月为危害的高峰期[3-5]。

20世纪50年代就有关于贵阳地区竹节虫对米槠危害的文献记录,时隔30 a再度爆发,但由于当时的技术手段、防治药剂的限制,米槠林较高,因此防治效果不佳[6],随着无人机技术的发展,无人机在林业领域的应用愈发广泛,在森林病虫害的监测方向发展较为迅速[7],同时也为森林病虫害防治提供了有效的技术手段,但福建多为山地、丘陵地形,地势恶劣复杂,无人机在森林病虫害防治的研究不足,给防治工作带来诸多困难。因此,研究无人机在森林病虫害防治中的应用迫在眉睫。

1 试验地概况

试验地设于三明市尤溪县西城镇的米槠天然林分内,尤溪县气候为中亚热带季风性湿润气候,地处E117°48′30″—118°40′00″,N25°50′36″—26°26′30″之间,年平均气温19.2 ℃,极端低温-7.8 ℃,极端高温40.3 ℃,年均降雨量1 300—1 700 mm,夏季高温多雨,2018年气候异常,降雨量骤减,温度较高,7月平均气温26.9—28.7 ℃,极端高温为37.5 ℃,上旬降雨量为19.2—68.2 mm[8],3块试验地的经纬度分别为E118°6′43″,N26°13′32″;E118°7′6″,N26°13′11″;E118°4′35″,N26°21′6″;每块试验地里留宽500 m缓冲带隔离出无人机试验区和人工粉炮试验区,同时保证试验边界离缓冲带边界50 m以上。

2 研究方法

2.1 样地的设置及数据采集

试验时间:2018年7月2日调查防治前的竹节虫虫口密度,7月3日开始防治试验。

以3个受竹节虫危害的米槠天然林小班为试验重复,于清晨7∶00—9∶00时,在每个小班内采用福建顶冠信息技术有限公司改装的“4轴8旋翼无人机”(DG-021,载重量20 kg)喷施森得保粉剂(16 000 IU/mg苏云金杆菌,用量为3.75 kg/hm2),飞行速度5 m/s,飞行高度5 m(距树冠);以传统人工防治3个样地,样地面积为1 000 m2,每个样地内丢放4个苏云金杆菌粉炮(传统人工防治丢放30—45个粉炮/hm2)[9];对照组:与试验组竹节虫危害情况一致的3个样地,不采取任何防治措施,只调查虫口密度、有虫株率等情况。

虫口调查方法:无人机及传统人工防治试验前调查虫口密度,防治后每隔7 d，调查虫口密度变化情况,虫口密度调查方法采用标准枝法。

标准枝法:由于竹节虫具有在傍晚下树的习性[6],因此在17∶00采集米槠样树树冠下层枝条统计虫口数量,便可计算出虫口密度,具体方法:在树冠下层的东、南、西、北4个方向各取长度0.5 m的标准枝,统计虫口数量,将4个标准枝的虫口数量取平均值,最后算出样树的虫口数量等指标[10-11]。

虫口密度下降率(%)=

2.2 样地情况

样地情况如表1所示。

表1 试验地概况

3 结果与分析

3.1 防治效率

无人机防治单位面积的用药量比粉炮防治的用药量节省1倍,防治速率比人工粉炮防治提高了12倍,大大提高了防治的效率(见表2)。在现阶段,农村基层青壮年外出务工,出现劳动力紧缺,用工紧张,无人机防治有利于缓解基层林业虫害防治工作中的用工难问题;随着林业发展,公路、马路进山,无人机飞行半径逐渐加大,为无人机在林业虫害防治中的推广使用创造了可行性条件,也解决了防治人员无法到达险陡地区的病虫害防治。

表2竹节虫防治效率

防治方法无人机防治粉炮防治 用药量3.9 kg/hm260个粉炮(约7.5 kg)/hm2 防治速率80 hm2/(d·架)6 hm2/(人·d) 缺点需要专业飞手、需要无人机起降公路等较平场地需要经验丰富的粉炮投掷手、对于人无法到达的悬崖峭壁防治较困难

3.2 防治效果

3.2.1 无人机在虫害防治中对虫口密度及各时期虫口密度下降率 从图1可以看出,采用无人机防治米槠林内的竹节虫虫口密度总体比传统人工粉炮防治竹节虫的虫口密度低,2种防治方法均能够使虫口密度下降低于未经防治的米槠林竹节虫的虫口密度;未经防治的米槠林竹节虫虫口密度在7月2日至7月23日期间缓慢增加,由于受寄主食物等因素影响,竹节虫虫口数量达到环境容纳量,也由此可知，7月为米槠林内竹节虫种群逻辑斯蒂增长的后半期,天然林内竹节虫数量也达到最高峰,对米槠林危害也较大;无人机防治中，米槠竹节虫防治后的虫口密度呈持续下降状态,在防治后第2周(7月16日)虫口密度降至100只/株左右；参照对照组,7月23日天然米槠林竹节虫虫口密度达最大,无人机防治将虫口密度降低至50只/株,大大减轻了竹节虫的危害,让虫害疫情得到有效控制,到7月30日,竹节虫的虫口密度降低到最低,平均虫口密度仅3只/株,为粉炮防治的约30倍,达到了“有虫不成灾”标准;传统人工粉炮防治中，米槠在第1周时的竹节虫虫口密度略有上升,由于粉炮在林分中以投掷点为中心的竹节虫先受到苏云金杆菌的感染发病,以投掷点为中心呈辐射状向四周虫口控制效果逐渐减弱,再向四周的竹节虫传染,期间需要一定的侵染过程,在此期间,竹节虫的虫口数量还在增加,第2周后才开始出现虫口密度下降的趋势,7月23日即第3周后虫口密度依旧未得到有效控制,虫口密度约为200只/株,相对于无人机防治,人工粉炮防治起效较慢。

图1 米槠林竹节虫防治虫口密度动态变化

从表3对比图1可知,防治第1周至第4组虫口密度下降率为正值表示虫口密度相对于上周是下降的,当下降率为负数时表示相对于上周上升;无人机防治第1周至第4周的虫口密度下降率逐步增加,说明无人机防治随着时间延长，效果越来越好;粉炮防治与无人机相比虫口密度下降率在第1周为负数,说明第1周粉炮防治还没起效,在第2周才开始见效,并且下降率均比无人机低,说明其效果略差于无人机;对照组未防治的米槠林竹节虫虫口密度下降率在达到环境容纳量之前为负数,虫口密度上升,之后虫口密度才回落;防治第1周后,无人机防治虫口下降率与粉炮防治及对照组的下降率差异极显著,粉炮防治与对照组差异不显著;第2周,无人机防治与粉炮防治及对照组的虫口下降率差异极显著;第3周无人机防治与粉炮防治虫口密度差异显著,分别于对照组的虫口下降率差异极显著;最后1周,无人机防治与粉炮防治及对照组的虫口下降率差异极显著。

表3 各时期虫口密度下降率 %

同行内数据(平均值±标准误)后，不同小写字母表示差异显著(P<0.05),不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)

表4 虫口下降密度方差分析

时间变异来源平方和自由度均 方F 值P值 07-09处理间0.362 820.188 883.481 70.000 1处理内0.014 160.002 3总变异0.381 5807-16处理间0.642 520.335 4134.915 10.000 1 处理内0.015 660.002 5总变异0.676 3907-23处理间0.601 320.304 525.232 40.001 4 处理内0.073 360.012 5总变异0.663 4807-30处理间1.366 720.691 4506.546 50.000 1 处理内0.008 760.001 5总变异1.368 28

3.2.2 无人机在虫害防治中对有虫株率的控制

从图2可知,无人机防治与人工粉炮防治的米槠林竹节虫有虫株率在防治后的前2周情况大体一致,均没有发生太多的下降,特别是防治后第1周几乎没变化;对照组的竹节虫有虫株率从第1周至最后始终为100%,没有防治措施,竹节虫危害疫情居高不下;第3周开始,无人防治的有虫株率开始下降,并且比粉炮防治的有虫株率下降快;第4周,无人机防治的竹节虫有虫株率急剧下降至最小,仅为1.8%,粉炮防治的有虫株率在60%以上,粉炮防治的有虫株率依旧很高,无人机防治喷撒苏云金杆菌粉剂相对于粉炮更均匀,覆盖面更广,粉剂飘散更远、粉剂在林冠层停留时间更长久,能做到全林分均匀覆盖,林分内各株米槠虫口动态情况较一致,粉炮防治以投掷点为中心向四周防治效果减弱,有虫株率下降较慢。

图2 米槠林竹节虫有虫株率动态变化

4 结论与讨论

无人机防治效率高、节省人力成本,无人机防治更能够适应现阶段农村用工紧张的生产环境,仅需要2—3名的无人机操作手便可完成森林病虫害的防治工作。无人机防治能做到林分的防治全覆盖,能克服山区等各种恶劣地形对人工防治的阻碍;森林病虫害防治宜选择清晨或傍晚林分湿度较大时进行,9∶00—17∶00防治效果不佳,有效防治时间较短,对森林病虫害防治工作效率有较高的要求,无人机防治极大提高了工作效率。传统人工防治受到传统生物防治效率较低、防治速度慢的局限,防治效果不佳;采用无人机防治生物粉剂扩散范围广,能够同时让更多害虫受到侵染发病死亡，达到“治早，治小，治了”的防治效果。

无人机防治4周后的防治效果良好,将虫口密度从防治前的350只/株降至3只/株,达到了控制虫害发生的作用,而人工粉炮防治第3周,虫口密度在200只/株,虫情缓解不明显。可见，无人机防治相对于粉炮防治起效快,削弱了生物防治起效慢的弊端,为生物防治提供了较高效的实施手段;其次,无人机防治米槠林竹节虫有虫株率能够在4周内从100%降至1.8%,高效地保护米槠林免受竹节虫的危害,而粉炮防治第3周的有虫株率为64%,且防治效果不充分，不平衡,容易造成控制后的虫害再次爆发。

气候反常,降雨减少，气温高,为竹节虫的发育提供了良好的环境条件,促进了竹节虫的发育，缩短了发育所需天数,造成竹节虫的代数增加,引发了较为罕见的米槠林内的竹节虫爆发危害,而观察近年来的气候变化,异常的气候已为常态,森林病虫害的疫情愈加严峻,对于米槠林竹节虫的防治工作应在有效预测预报的基础上,提早介入,在5月初进行生物防治,有效地做到疫情的防控。无人机的设备改进、续航能力的提升，有助于进一步提高森林病虫害的防治效率。

目前,无人机林业防治费用在400—450元/hm2,传统的粉炮林业有害生物防治费用仅为30元/hm2,在高效防治效果的背后，需要有较高的成本投入。因此,无人机在林业有害生物防治中的研究,应着重在提高效率、降低成本等方面需要深入研究。另外，无人机在林业有害生物防治领域应建立相关的法律法规、行业标准,让无人机真正成为提高林业工作效率的技术手段。