基于性诱和物联网的草地贪夜蛾成虫种群动态智能化监测

陈韶萍， 赵 健, 何玉仙, 翁启勇, 黄美玲,池美香, 梁 勇, 邱荣洲*

(1. 福建省农业科学院植物保护研究所, 福建省作物有害生物监测与治理重点实验室, 福建省作物有害生物绿色防控工程研究中心，福州 350013; 2. 福建省农业科学院数字农业研究所, 福州 350003; 3. 福建省漳州市长泰区植保站, 漳州 363900)

草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda(Lepidoptera: Noctuidae)是一种危害严重的世界性迁飞害虫，起源于美洲热带和亚热带地区[1]。该害虫食性杂，寄主植物多达75科350多种，主要为害玉米、水稻、小麦和棉花等多种经济作物，具有繁殖能力强、适应性强以及暴发为害等特点[2-4]。2018年12月从缅甸入侵我国云南省以后，到2019年10月已扩散蔓延至全国26个省(市、区)[5-6]。全国农作物重大病虫测报网发出的预测警报显示，2022年草地贪夜蛾偏重发生，发生区域涉及除西北西部和东北中北部外的大部分玉米种植区，预计全国发生面积8 000 万亩次。

害虫种群监测预警是应急防控和精准防控的基础，传统的草地贪夜蛾成虫监测方法主要有成虫期性诱剂诱集和灯光诱集监测[7]。性诱剂诱集监测是目前草地贪夜蛾田间虫情监测的重要手段，具有高灵敏度和专一性优点[4]，但需要定时到田间观察计数，费时费力。灯光诱集监测因草地贪夜蛾趋光反应率低 (约为50%，低于棉铃虫Helicoverpaarmigera、小菜蛾Plutellaxylostella等其他蛾类的趋光反应率)，且灯光诱捕涉及的昆虫种类复杂多样，田间观察记数费时费力、数据的准确性和稳定性不高[8-10]。

基于物联网的害虫智能监测设备具有机械自动化特点，可实现害虫的远程实时测报[11]。本研究利用课题组自主研发的智能监测设备[11]，结合草地贪夜蛾专一性强的性诱剂，通过比较智能监测设备自动计数与人工计数采集数据，以及智能监测设备与常规诱捕器田间监测数据的差异，分析智能监测设备实时采集的成虫发生数量和环境温度数据，以期评价基于性诱和物联网的草地贪夜蛾成虫种群动态智能化监测的准确性，明确草地贪夜蛾成虫日活动节律及受环境温度的影响，为实施草地贪夜蛾田间种群动态智能化自动监测提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

害虫智能监测装置由福建省农业科学院植物保护研究所提供，在前期研究基础上[11]，对害虫诱杀结构进行了改进设计[12]，主要包括高压电网、进虫盒和电网清洁器。诱芯有2种：①号橡皮塞型诱芯(北京中农丰茂植保机械有限公司生产)和②号橡皮塞型诱芯(漳州英格尔农业科技有限公司生产)。桶形诱捕器(高×外径×内径=22 cm×15 cm×8 cm)为北京中农丰茂植保机械有限公司生产。

1.2 试验地点及作物

试验设置在福建省建瓯市东峰镇桂林村(27°05′N, 118°28′E，海拔125 m)和漳州市长泰区长巷镇古农村(24°42′N，117°46′E，海拔35 m)，种植玉米品种分别为‘泰鲜甜1号’(建瓯市映山龙农业科技有限公司提供)和‘广良甜27号’(广东省良种引进服务公司提供)。建瓯试验点的移栽时间2019年9月3日，试验时间为玉米七叶期至收获期，长泰试验点的移栽时间为2019年9月20日和2020年9月23日，试验时间为玉米拔节期至喇叭口期。

1.3 田间诱蛾试验

智能监测装置通过红外计数传感器自动实时采集诱集的虫量和环境温度。采集的数据通过4G通信模块发送到中心服务器，数据查询软件自动按小时、天进行数据汇总统计，并将结果反馈至手机查询客户端。在整个监测期间利用数据查询软件查看和记录智能监测装置每日捕捉虫量、捕捉时间、环境空气温度、湿度等数据。建瓯、长泰各安装1台智能监测装置，其他详细信息如下：

1)建瓯监测点：安装1台智能监测装置(图1a)，供试诱芯为①号橡皮塞型诱芯，监测日期为2019年9月20日至11月18日。每隔24 d更换1次诱芯。每隔3 d进行1次人工计数校正。

2)长泰监测点：安装1台智能监测装置(图1b)，供试诱芯为②号橡皮塞型诱芯，监测日期为2019年和2020年的10月9日至10月26日。

在建瓯另设有3个桶形诱捕器监测点，各监测点呈边长为50 m的正方形布局(图1a)。监测装置和桶形诱捕器的进虫口(即诱芯放置高度)距地面1.2 m。2019年9月19日在各监测点挂上①号橡皮塞型诱芯，每隔24 d统一更换1次诱芯。2019年9月22日进行第1次调查，随后每隔3 d调查1次，至11月18日结束。每次调查均在早上7:00-9:00进行，记录各监测点诱捕的虫口总数量，并清除收集到的草地贪夜蛾成虫。

图1 福建建瓯和长泰草地贪夜蛾监测点的田间布局示意图Fig.1 Schematic diagram of field layout of Spodoptera frugiperda monitoring sites in Jian’ou and Changtai, Fujian

1.4 数据处理

1)智能监测设备自动计数与人工计数采集数据的比较：为了评价智能监测设备自动计数的准确性，每隔3 d对智能设备中诱捕到的草地贪夜蛾(2019年9月20日到11月18日，福建建瓯)进行人工计数1次，并与智能监测设备每隔3 d自动计数采集的汇总数据进行比较。自动计数的平均准确率的算法参照陈梅香等[13]。

2)智能监测设备与常规诱捕器田间监测数据的比较：每隔3 d统计1次建瓯监测点3个桶型诱捕器诱捕虫量的均值，对应地将智能监测装置采集的实时数据按3 d进行汇总。利用符号秩检验(Wilcoxon)检验两种不同诱捕方式监测到的草地贪夜蛾种群数量是否有差异。

3)草地贪夜蛾的日活动节律分析：温度是影响昆虫生长发育和分布的主要环境因素，已有研究表明当温度低于15℃时不利于草地贪夜蛾的存活[14]。2019年在建瓯的监测时间是从9月20日到11月18日，由于10月底开始建瓯部分时间的日均温度较低，因此我们将数据分为日平均温度≥16℃和日平均温度<16℃。2019年和2020年在长泰的监测时间是从10月9日到10月26日，期间日均温度均≥16℃。

2 结果与分析

2.1 智能监测设备自动计数采集数据和人工计数数据比较

2019年9月20日至2019年11月18日，智能监测设备自动计数统计到的草地贪夜蛾成虫的数量为445头，人工计数则为617头，自动计数的平均准确率为75.03%。二者均监测到草地贪夜蛾成虫有3个高峰期，分别为9月20日-9月22日、10月14日-10月22日和11月4日-11月6日(图2)。

图2 智能监测设备自动计数数据和人工计数数据的比较Fig.2 Comparison between manual counting data and automatic counting data by intelligent monitoring equipment

2.2 智能监测设备和桶型诱捕器田间监测结果比较

田间监测结果发现，在2019年9月20日至11月18日期间，智能监测设备诱集的草地贪夜蛾成虫数量(445头)多于桶形诱捕器的诱虫量(393头)，监测到的前两个高峰期与桶形诱捕器监测结果一致，均在9月20日-9月22日、10月14日-10月22日出现2个高峰期，但智能监测设备还监测到11月4日-11月6日出现第3个高峰期(图3)。整个监测期间桶形诱捕器诱集到的草地贪夜蛾种群数量与智能监测设备监测到的种群数量没有差异(Z=-0.784，P=0.433)。

图3 智能监测设备的监测数据和桶型诱捕器监测数据的比较Fig.3 Comparison between data collected by intelligent monitoring equipment and barrel trap

2.3 草地贪夜蛾田间种群的成虫日活动节律

田间智能监测结果发现，草地贪夜蛾成虫具有明显的昼夜活动节律，而且受环境温度影响较大。在建瓯监测点，当日平均温度≥16℃时，大多草地贪夜蛾的活动时间在18:00-3:59，在1:00-2:59的活动性最强(每小时平均诱捕虫数1.5头/d)；当日平均温度<16℃时，草地贪夜蛾的整体活动性不强，在16:00-16:59(每小时平均诱捕虫数=0.22头/d)和23:00-00:59(每小时平均诱捕虫数=0.23头/d)出现两个小高峰(图4a)。在长泰监测点，2019年和2020年每年10月9日-10月26日，日平均温度均高于16℃，草地贪夜蛾田间种群成虫的活动高峰期均是在18:00-1:59(图4b)。

图4 草地贪夜蛾成虫的日活动节律Fig.4 Circadian locomotor behavior rhythm of Spodoptera frugiperda adults

3 讨论

目前已有不少田间害虫实现了田间种群动态的智能监测，如斜纹夜蛾Spodopteralitura[11,15]、梨小实心虫Grapholitamolesta[16]和橘小实蝇Bactroceradorsalis[17]等。草地贪夜蛾是近年来在我国新入侵的害虫，目前关于利用智能监测设备监测其种群动态的相关研究较少。本研究所用到的智能监测设备监测到2019年9月20日-9月22日、10月14日-10月22日和11月4日-11月6日这3个时间段在建瓯发生的草地贪夜蛾虫量较多，这与前人证实在山东[18]、福建长泰[19]和四川达州[3]9月到11月是草地贪夜蛾发生的高峰期一致。智能监测设备的自动采集的总虫量低于人工计数的虫量，这可能是因为监测设备自动计数的灵敏度还不够，在草地贪夜蛾高峰期时可能出现漏检的现象。总体来说，本研究智能监测设备能够实现草地贪夜蛾成虫种群动态的智能化监测。

不同性诱捕器对草地贪夜蛾的监测效果也不一样，如橡皮头诱芯的持效性和稳定性比微管诱芯好，船型和桶型诱捕器在田间实际应用效果较倒圆锥形好[19-20]。虽然与高空灯、测报灯相比，性诱捕器监测到的草地贪夜蛾的虫量最大，在田间种群动态变化的预测应用中最具有应用价值[21]，但是利用性诱捕器监测存在劳动强度大和效率低等缺点。基于性诱技术的智能监测设备的应用有利于实现对草地贪夜蛾的实时监测，减轻人工监测的劳动强度并提高监测的效率。在本研究中，利用桶型诱捕器的总体诱蛾量与智能监测设备自动计数的诱蛾量没有差异，但少于智能监测设备人工计数的诱蛾量，曾伟等[3]利用诱捕器在四川达州监测到的草地贪夜蛾总蛾量也偏少，这可能与诱捕监测工具结构设计差异有关，智能监测设备内置的害虫诱捕器的诱捕效果比桶型诱捕器好。总体来说，本研究中智能监测设备和桶型诱捕器监测到的虫情高峰期较为一致，这表明后期可以推进智能监测设备在田间的应用。

草地贪夜蛾成虫具有明显的昼夜活动节律，是典型的夜行性昆虫。我们监测到大多草地贪夜蛾成虫是从18:00开始活动，这与草地贪夜蛾成虫室内节律行为测试的结果较为一致，即其在进入暗周期时开始活动，且活动行为持续整个暗周期[22]。已有研究表明许多蛾类的性活动行为具有明显的昼夜节律[23-26]，玉米型草地贪夜蛾雌成虫的求偶行为一般是从进入暗期到午夜这段时间，而水稻型草地贪夜蛾雌成虫的求偶行为一般是在午夜到暗期结束的这段时间[24,27]，这表明我们监测到的草地贪夜蛾的类型很可能包含了玉米型和水稻型。草地贪夜蛾的昼夜活动节律在日平均温度≥16℃和<16℃之间稍有差异，这进一步明确了昆虫的昼夜节律受到温度的影响[23,28]。综上，本研究的智能监测设备能够实现草地贪夜蛾成虫的实时监测，准确地反应草地贪夜蛾成虫日活动节律。

本研究结果表明基于性诱和物联网相结合的智能监测装置能够实现草地贪夜蛾成虫种群动态的智能化监测，对今后推进草地贪夜蛾甚至其他害虫的田间种群智能化监测方面的相关研究具有一定的指导意义。本研究仅就福建省秋季草地贪夜蛾种群动态进行了个例分析，但由于草地贪夜蛾可随气流进行迁移，迁入时间具有不确定性，今后仍需要通过更长时间跨度的实时智能化监测，以便能够准确监测到早期迁入，为早期测报与综合防控提供依据。