气流控制农业害虫的发展与利用

华登科，桂连友*，张善彪，张慢来，张 琴

(1.长江大学农学院，湖北荆州 434025;2.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434025)

物理机械防治是有害生物综合治理的方法之一。各种物理机械防治方法存在许多共同点，其中之一是持续控制时间不长，在某段时期防治停止一段时间后，因为缺乏残效，害虫又会恢复危害。但是，相对化学和生物药剂防治害虫而言，物理机械防治方法符合当前有机农产品生产要求，具有不污染环境和不危害人体健康的优点(Panneton et al.，2001)。在长期使用药剂防治的地区，“3R”问题出现越来越受到人们的关注，替代药剂防治的物理机械技术引起昆虫学者的极大兴趣。气流控制农业害虫技术出现，被认为是替代药剂防治方法之一，其前景令人鼓舞。桂连友研究小组从2011年开始，开展了有关旋风式气流捕虫机Cyclone Insect Collector 研究。本文目的是通过对气流控制农业害虫的发展与利用的介绍，为我国研发和利用其技术防治农业害虫提供参考。

1 基本原理

气流控制技术工作原理是利用流动的空气消灭农作物上的害虫。气流动力类型包括:负压(真空)、正压(吹气)、旋风(龙卷风)(桂连友研究小组提出)、正压和负压结合(Khelifi et al.，2007)。在捕虫装置内气流动力组合和气流方向类型包括(Khelifi et al.，1996):简单顶部吸气型;简单一侧水平吹气型;同时水平吹-吸气型;同时水平弧形吹吸气型，即一侧水平稍微向上吹气，另一侧同时水平稍微向下吸气型;两侧水平对吹气-顶部吸气型;两侧稍微向上倾斜吹气-顶部吸气型;顶部向后稍微向下吹气型;侧板前柱向后水平V 型吹气-顶部吸气型;龙卷风型，即顶部侧面斜下向吹气，顶部中心吸气组合，产生龙卷风(旋风)。

利用气流控制原理制造产生流动的空气清除、杀死和收集农作物上害虫的机械装置称捕虫机或称吸虫机。清除害虫途径主要包括:负压、正压、旋风、震动、环境扰动(风、温度)、假死等。杀死害虫途径主要是风扇切割和碰撞、收集器收集或粉碎、害虫与运输气流管道壁和捕虫机上接触植物的两侧护板碰撞等。收集害虫是收集器收集或粉碎害虫。其余可能杀死后遗留在植物叶片和茎秆、地面。

依据捕虫机是否有机械驱动行走装置，捕虫机类型可分为自动行走型、牵引行走型和便携型。自动行走型是将捕虫装置部分直接安装在拖拉机上。牵引行走型是捕虫装置部分与拖拉机分离，依靠拖拉机牵引。便携型是人力手持或背负捕虫装置移动。

利用捕虫机防治马铃薯、甘薯、茄子、香葱、草莓、茶树等农作物上的害虫，具有不污染环境、无残留、对人体健康无伤害、对土壤微生物影响较小等优点(Pickel et al.，1995;Regev et al.，2013)。

2 发展与利用

最早在上个世纪50年代初，出现了气流控制农业害虫技术研究 (de Vries，1987;Bédard，1991)。由于在50年代末化学农药出现，化学农药防治害虫具有高效、低成本、便利的优势，使气流控制农业害虫技术研究处于低潮。直到80年代，人们逐渐认识到长期大量使用化学农药防治带来的“3R”问题后，气流控制技术研究开始又成为研究热点，并从实验室试验转移到田间应用(Khelifi et al.，2001)。特别是1983年空气动力学软件出现，如FLM、Fluent，在捕虫机设计中应用，在没有原型机情况下，可以数字化模拟其原形机部分工作，减少其测试工作量，加快其研发进度，降低研发成本(Khelifi et al.，2001)。

到目前为止，开展气流控制技术的研究和应用主要涉及到8个国家。技术较为成熟的国家有:美国、加拿大、德国、日本、以色列。在中国、乌克兰和波兰处于研发试验或小规模应用阶段。

迪特里克真空吸虫机D-Vac、Trac-Vac 和Truck Vac，由美国迪特里克真空吸虫公司(Everett J Dietrick of the D-Vac Company，California，USA)设计和制造。D-Vac 是便携式，主要用于采样或小面积大田防治 (Dietrick，1961)。Trac-Vac 和Truck Vac 是自动行走型，三种机型均为真空动力类型。Trac-Vac 机在顶部吸气，Truck Vac 水平稍微斜向上吸气。应用防治紫花苜蓿上埃及苜蓿象甲 Hypera brunneipennis(Boheman)试验取得一定的效果(Dietrick et al.，1959;Drlik，1995)。

甲虫捕食机Beetle Eater，由美国人James Syznal 设计(Florence Massachusetts，USA)，这项专利被加拿大托马斯装备公司购买生产 (New Brunswick，Canada)。自动行走型，吹-吸气流动力类型。3 排捕虫装置。装置侧板底边一排吹气口，斜向上吹气流，装置顶部垂直方向吸气。在加拿大应用该机防治马铃薯上的马铃薯叶甲Leptinotarsa decemlineata (Say)结果表明，防效变化范围较大，最好防效不超过50% (Boiteau et al.，1992;Misener and Boiteau，1995)。

害虫捕吸机Bug-Buster，由美国工业风产品公 司 (Industrial Air Products Inc.Phillips，Wisconsin，USA)设计。自动行走型，真空气流动力类型。3 排捕虫装置。顶部真空吸气。应用该机可以防治草莓、马铃薯、芹菜、大豆、胡萝卜上盲蝽、叶蝉。Puttré (1992)应用该机每周1 次防治马铃薯上的马铃薯叶甲的结果表明，达到了满意效果。Moore (1990)研究结果表明，虽然有效，但该机压实地面、伤害自然天敌和马铃薯叶片。

真空吸虫机Bug-Vac，1986年，被美国人E.Show 设 计 (Driscoll，Watsonville，California，USA)，自动行走型，真空气流动力类型。有1 排、2 排和3 排吸虫装置，顶部真空吸气。强大真空气流将害虫吸入管道，风扇叶粉碎害虫后，再吹到大田。Pickel 等(1995)应用该机(3 排装置)防治草莓上豆荚草盲蝽Lygus hesperus (Knight)，结果表明，其防效可以接受，但对草莓伤害不能忍受。

生物捕集机Bio-Collector，1991年，德国兰德生物技术公司(Bio-land Technik，Muhlhausen，Germany)设计和制造。自动行走型，一侧吹气，出气口水平方向稍微向上，另一侧吸气，吸气口水平方向稍微向下。经过不断技术更新，现有一系列如2 排、3 排、4 排、5 排、7 排捕虫装置的捕集机产品问世。在加拿大应用生物捕集机防治马铃薯上的马铃薯叶甲的试验结果表明，马铃薯叶甲成虫收集率达95%，幼虫达85%，偶尔有一些低龄幼虫被遗留在植物上和一些成虫被清除或破坏散落在地面上，大约2% 成虫不能够被收集(http://www.bio-land technik.de/colorado_beetle.htm;Rifai et al.，1997)。

真空生物捕获机Biovac，1991年由加拿大普雷米尔科技公司(Premier Tech，Riviére du Loup，Québec，Canada)设计和制造。自动行走型，3 排捕虫装置。真空气流动力类型，顶部真空吸气。在1991年草莓田间试验结果表明，在当时田间美洲牧草盲蝽Lygus Lineolaris Palisot de Beauvois 数量在经济阈值30 倍以上水平，15 次试验中的仅有3 次盲蝽数量显著减少，其商业价值有限(Vincent and Lachance，1993)。

大田气流捕虫机 Field-scale Pneumatic Machine。1995年，加拿大拉瓦尔大学土壤科学和农业食品工程系(Department of Soil Science and Agri-Food Engineering，Université Laval，Québec，Canada)设计和制造。自动行走型，4 排捕虫装置。一侧吹气，另一侧吸气，吹气和吸气口水平，在吸气口前面有1 排过滤栅格，避免植物吸入。应用该机防治大田马铃薯上的马铃薯叶甲试验结果表明，每星期防治2 次，其防治效果与化学药剂防治相当，对马铃薯生长无不良影响(高度、叶面积和干重)(Laguë et al.，1999a).

真空粉碎吸虫机Pash Tash Vac，以色列农业研究中心农业工程研究所 (The Agricultural Engineering Institute，the Agricultural Research Organization，Bet Dagan，Israel)设计和制造。气流动力类型有2 种方式，一种是仅有吸气装置(真空);另一种是吹气和吸气结合，吹气口在装置底部边缘，两侧斜向上吹，顶部垂直吸气(Phyllis et al.，2001)。有自动行走型和便携型两种。在温室和大田均可以使用。应用自动行走型(吹气和吸气结合) 防治香葱 Allium schoenopransum 上的葱蓟马Thrips tabaci Lindeman取得良好的效果(Regev et al.，2013)。

可搬型送风式捕虫机，日本深山大介和寺田股份有限公司联合设计和制造。自动行走型，含水雾的强风出气口在茶树上方，将茶蓬内的害虫吹入后面的集虫袋。应用该机防治茶树上神泽氏叶螨Tetranychus kanzawai Kishida，去除率达到82% (米山誠一和神谷直人，2008)。

吹-吸气流捕虫机Blowing-Sucking Collector，乌克兰人Taras Gucol 和Ivan Bendera、波兰人Janusz Nowak 联合设计，由乌克兰波多里亚州立大学 (A Institute of Agricultural Machinery and Energetics，Podillya State Agricultural University，Kam’yanets-Podil’sky，Ukraine)制造。自动行走型，4 排捕虫装置，在装置的侧板前柱有一排V型吹气管口，管口向后稍微斜向植物中央吹气，植物上方有吸气口吸气。目前，该装置处于试验研究阶段 (Gucol et al.，2007;Nowak et al.，2006)。

在中国，从上世纪80年代末开始捕虫机研制(徐荫生等，1992)。产品或研发出捕虫机样机有佳多捕蝗机、轨道式风力吸虫机 (李洪民等，2012)、高地隙自走式茶园吸虫机 (肖宏儒等，2012)、吹吸式风力除虫机(黄树长等，2009)、气流式吸捕除虫机(李锋，2009)、茶园物理除虫机(李麟等，2013)、草原蝗虫吸捕机(马耀等，1992)、气吸式草原蝗虫捕集机 (徐荫生等，1992)等。

商业销售的产品有佳多捕蝗机，由河南省佳多农林科技有限公司制造。采用轮式自走装置，依靠拖拉机动力驱动吸气装置产生的吸附作用，对蝗蝻和成虫进行无害化捕集，并用作无公害的家禽饲料，可有效用于蝗灾的大面积防治。

轨道式风力吸虫机(李洪民等，2012)，由江苏徐淮地区徐州农业科学研究所李洪民、张爱君和张立平设计。真空气流动力类型。箱体上面连接有轴流风机，轴流风机上部连接有纱网袋，箱体下面设有开口，箱体两端分别连接有支架，支架下端连接有轨道轮，轨道轮位于轨道上。利用轴流风机进行组合，达到进风口风速达到3-5 m/s，可将进风口附近50 cm 以内的飞虫吸入网袋，可有效灭除翅蚜、粉虱、蝇类、蛾类等。用于农业设施内植物的除虫，该机避免了出现压实地面现象。

高地隙自走式茶园吸虫机 (肖宏儒等，2012)，由农业部南京农业机械化研究所肖宏儒、宋志禹和秦广明设计。真空气流动力类型。该机中间、左、右三个吸虫头连接。各吸虫头外壳的下表面设置具有防杂网的条缝吸虫口。工作时，吸风机不断从吸虫头吸入裹挟昆虫的气流，输往过滤袋，经过滤将昆虫截留在过滤袋中，从而实现无污染的物理除虫。主要防治茶树上害虫。

吹吸式风力除虫机(黄树长等，2009)，由广西职业技术学院黄树长等设计。便携式，吹-吸气动力类型。吸盘固定在涡轮风机的吸风口吸入气流，另外一个风管连接涡轮风机的吹风口，通过弯管向涡轮风机的吸风口方向吹风，吸风口和吹风口距离就是工作距离。主要防治茶树上害虫。

自动行走型、牵引行走型功率为15-48 kw(Vincent and Lachance，1993;Rifai et al.，1997)。吹或吸气速度为24-133.3 m/s (Bédard，1991;Khelifi et al.，1995)。田间行走速度为4.0-9.6 km/h(Bédard 1991;Pickel et al.，1994)。

尽管不同类型的捕虫机表现出的捕虫效果差异极大，但是通过设计和技术更新和改造，对于防治马铃薯叶甲而言，理论上捕虫效果可以达到收集98% 低龄幼虫、77% 高龄幼虫和97% 成虫(Boiteau et al.，1992)

提高捕虫机防治农业害虫的效率主要依赖如下几个方面:(1)最大的从植物上清除或破坏害虫的效率。因为多次使用捕虫机后，可能会造成压实地面而影响植物生长。尽量减少捕虫机的使用次数。(2)最高的田间工作能力。捕虫机工作面尽量宽和行走速度尽量高。(3)最小的动力驱动。降低能耗，减少噪音污染。(4)样机设计和操作。如样机的吹风口、吸风口的位置、角度、大小和形状设计，使用者易于操作设计。(5)最大的次要害虫防效和最小的有益生物(如自然天敌、蜜蜂等)的伤害。(6)最小的植物伤害。这将包括捕虫机对植物叶片、果实、花粉、授粉伤害和传播病毒的伤害(Lacasse et al.，2001)。

捕虫机的清除率与害虫在植物上抓持力有关。不同虫态在叶片上抓持力不同。如马铃薯叶甲成虫的抓持力为40 mN，3-4 龄幼虫的抓持力为30 mN，2 龄幼虫的抓持力为10 mN (Misener and Boiteau，1993)。De Vries (1987)发现当在马铃薯叶甲在叶片边缘时，它的体重与清除力之比约为0.05。茄二十八星瓢虫成虫在茄子叶片上的抓持力约为自身体重的300 倍(桂连友，未发表)。

气流速度过大对植物有是否有不良的影响?De Vries (1987)结果表明，在风洞试验中的46 日龄，76 cm 高马铃薯植物，当风速不超过12.5 m/s、持续30 s的气流对马铃薯的叶片伤害不明显。Khelifi et al.(1995)进行了类似试验，叶片数低于12 片、株高低于40 cm 马铃薯，当风速不超过27.5 m/s 水平方向吹出气流对马铃薯的叶片没有肉眼可见的伤害。Lacasse et al.(1998)认为吹出40-50 m/s 气流速度对马铃薯的叶片也没有伤害。

捕虫机在通过农作物后，授粉率和授粉昆虫也会受到伤害吗?生物真空捕获机在真空气流吸虫的同时，也会收集一部分草莓花粉，其中占收集的一半花粉同时可能被捕获机扩散，捕获机处理稍微增加草莓的授粉率，但与它的自然授粉(如蜜蜂、自然风和重力)作用相比，所起的作用微乎其微 (Chiasson et al.1997)。蜜蜂 Apis mellifera L.是草莓田中的主要授粉者，同样该机以4 km/h 速度行驶捕获草莓害虫时，19%蜜蜂在捕获机到来之前飞走，保留在草莓上的61%的蜜蜂被真空气流吸走，剩下蜜蜂还停留在草莓上(Chiasson et al.，1997)。

捕虫机在使用过程中是否传毒呢?Boiteau et al.(1992)田间试验表明，即使大量带毒的马铃薯大田和甲虫捕食机多次使用，甲虫捕食机并没有传播PSTVdC 类病毒和PVX 病毒。尽管还没有其他类似的结果进行旁证，但这也不失为一个良好的例证。

虽然许多例证表明捕虫机压实地面对植物生长和产量造成不良影响 (Moore，1990;Pickel et al.，1995)，但Weintraub 等(1996)研究捕虫机多次使用对2 茬马铃薯和1 茬香瓜影响试验结果表明，对照与捕虫机的田块在产量和品质上没有明显差异，也没有传染病害和导致作物的伤害(Weintraub and Horowitz，2001)。

捕虫机捕获害虫的同时，也会捕获到自然天敌(Phyllis et al.，2001)。Boiteau 等(1992)报道，在马铃薯大田里，甲虫捕食机三类天敌(蜘蛛类Arachnidae、草蛉科Chrysopidae 和瓢虫科Coccinellidae)的捕获率为62%，次要害虫马铃薯长管蚜Macrosiphum euphorbiae (Thomas)捕获率至少为56%。但Wilcox (1988)研究结果表明，化学药剂防治后的田块的天敌数量仅为真空吸虫机防治的50%-70%。

3 局限性

捕虫机使用的局限性主要包括可能对农田地面压实、对某些农作物伤害和对一些害虫捕虫效果偏低(Vincent and Boiteau，2001)。不同农作物栽培在不同土壤中，其土壤的结构和性质构成极为复杂。捕虫机使用常常对某些田块可能出现压实地面，影响在土壤中以块根(茎)作为收获物(如马铃薯、甘薯)生长或根系生长的现象。假如农作物以地上部分为收获物(如香葱)，压实地面对农作物根系生长影响较小。目前捕虫机使用主要在旱地上，还没有在水稻或湿地上使用记载。承载捕虫机的轮胎宽度一般在38-50 cm，这也就要求农作物行距最好在43-55 cm。一些农作物原来栽培行距较窄，假如使用捕虫机，必须调整行距，以免伤害农作物。针对某些农作物的叶片、花、果实在捕虫机工作条件容易脱落的现象，大规模使用前，在风速控制恰当水平进行捕虫效果的试验不可缺少。如果农作物枝条、叶片太密，气流阻力过大，会降低吸虫效果。相对底部侧面吹气，顶部吸气的捕虫机而言，一些害虫位于农作物偏基部分布，或者从植物顶部开始向下到害虫的分布位置的测定，其距离不能低于40 cm，超过40 cm降低其捕虫率(Boiteau et al.，1992)。一些钻蛀类害虫(在植物茎秆内)、在土壤中生活的地下害虫、飞行较快害虫成虫、部分在农作物叶片或茎秆上的抓持力过大的害虫虫态(蛹、卵、幼虫、成虫)、使用捕虫机难以发挥其捕虫作用。

4 展望

尽管捕虫机仍然存在许多缺陷，不能解决所有杀虫问题，但作为有害生物综合治理中一种防治方法，可以部分替代化学和生物药剂防治，延缓其害虫抗性，与其他防治方法配合，会更好发挥其作用(Khelifi et al.，2001)。如加拿大气流-热联合捕虫机 Combined Pneumatic-thermal Machine。1996年，由加拿大拉瓦尔大学土壤科学和农业食品工程系设计和制造。自动行走型，将气流与热控制两种技术相结合，其工作原理是首先气流控制装置将马铃薯上的马铃薯叶甲清除下来，并不收集，让其落到地面，其次，后面的火焰装置将燃烧丙烷喷出烧死马铃薯甲虫。应用该机大田防治马铃薯上的马铃薯叶甲试验结果表明，捕虫机对马铃薯无伤害，其防治效果优于化学药剂防治方法，特别对幼虫防治效果好，在防治期间，种群数量一直控制在经济阈值之下(Ferro，1996;Laguë et al.，1999b)。

许多工作有待于进一步研究，如目标昆虫在田间和处理阶段的逃跑行为和昆虫的位置;影响杀死效率的出口设计、植物阻挡和风扇位置;重复使用杀虫效率评价 (Vincent and Boiteau，2001)。最近出现一些技术上改进，如针对压实地面缺点，轨道式风力吸虫机在网室或温室使用时，在网室或温室两侧水管上移动，不接触地面(李洪民等，2012)。有如针对植物过密阻挡吹气和吸气，在2011年桂连友研究小组，第一次提出利用旋风(龙卷风)气流控制害虫的新原理(顶部侧面斜下向吹气，顶部中心吸气组合，产生龙卷风)，制造出3 台旋风式气流捕虫机Cyclone Insect Collector 样机，验证其原理的试验结果初步表明，样机能够提高害虫清除率，并申请了发明专利(张善彪等，2013)。随着新的设计理念出现、制造技术进步和害虫生物学特性进一步深入研究，捕虫机应用将越来越广泛。

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