基于昆蟲性信息素的綜合害蟲防控（IPM）新技術應用

史姝娜 于廣威 李圣辰

摘要 通過對昆蟲性信息素的應用現狀進行分析，提出可以將昆蟲性信息素技術與物聯網及人工智能相結合對靶標害蟲進行監測，并制定綜合防控方案對靶標害蟲進行綜合防治，以達到最佳的經濟效益、社會效益和生態效益。

關鍵詞 昆蟲性信息素;監測;人工智能;綜合防控

中圖分類號 S476? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）05-0126-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.031

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Integrated Pest Management Based on Insect Sex Pheromone

SHI? Shu-na1，2， YU Guang-wei1，LI? Sheng-chen3

（1.Weifang University of Science and Technology，Shouguang， Shandong 262700;2.Graduate School of Technology Management，Pukyong National University， Busan， South Korea 45813;3.Qingdao Russell Biotechnology Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong 266100）

Abstract Based on the analysis of the application status of insect sex pheromone， this paper proposed that the technology of insect sex pheromone could be combined with internet of things and artificial intelligence to monitor the target pests， and the comprehensive prevention and control scheme could be formulated to achieve the best economic， social and ecological benefits.

Key words Insect sex pheromone;Monitoring;Artificial intelligence;Integrated pest management

作者簡介 史姝娜（1986—），女，甘肅定西人，工程師，從事科技管理、農業科普研究。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事病蟲害綠色防控研究。

收稿日期 2021-06-24;修回日期 2021-10-27

近年來，化學殺蟲劑在蟲害防控中的使用越來越廣泛，導致大量靶標害蟲對有機磷類、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類等化學殺蟲劑耐受力明顯增強，抗藥性現象日漸突出[1]。而且化學農藥過量使用給蔬菜及糧食的安全帶來巨大的隱患，使土壤污染日益嚴重[2-4]。

昆蟲性信息素是由昆蟲的某一雌性或雄性個體性腺體分泌、釋放于體外，只能被同種異性個體的感受器所識別，并引起異性個體產生覓偶定向、求偶交配等一定的生殖行為，從而幫助同種昆蟲順利交配的極微量化學物質[5]。昆蟲性信息素具有使用量低、生物活性高、不產生抗藥性等優勢，而且昆蟲性信息素只對同種類的異性具有極其強烈引誘作用，專一性強，可以更好地保護天敵，是一類極具發展前景的生物農藥[6-8]。

1 昆蟲性信息素的發展進程

1959年，德國科學家Butenandt首次從雌蛾家蠶中提取、分離、鑒定了其性信息素蠶蛾醇[9];1979年，美國正式批準了紅鈴蟲、家蠅、舞毒蛾和日本麗金蠅4種昆蟲性信息素用于防治農業害蟲;1978年，全球第一個迷向產品（棉紅鈴蟲）在美國登記;1983年，日本第一個迷向產品（茶小卷葉蛾）登記;1991年，第一個蘋果蠹蛾迷向散發器在美國登記;截至目前，上千種昆蟲的性信息素已經進行了成功的鑒定，且人工合成其中的絕大部分，上百種昆蟲性信息素已商品化生產[10]。

我國以中國科學院動物所、上海生命科學研究院、中國農業科學院等為代表的科研機構也很早開始這方面的研究，但大部分產品和技術僅停留在實驗室階段，并未真正地將這些綠色蟲控產品與技術實現商品化。

近年來，隨著國家《農藥管理條例》（2017年修訂版）、《關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》等相關法律文件的推出，說明在以后的病蟲害防控中，要加快轉變病蟲防控方式，大力推行綠色防控替代化學防治，逐步減少化學農藥用量，改進產品品質，保護生態環境，昆蟲性信息素因其“零”殘留、“零”污染的特性，得到快速發展，尤其是近年來，部分主要害蟲的相關產品已經在國內獲得了登記，國內部分昆蟲性信息素登記情況見表1。

2 昆蟲性信息素的基本介紹

2.1 昆蟲性信息素的作用機理

昆蟲之間的交配行為由一套基于性信息素的化學通信系統所主導。這套系統是由釋放系統（性信息素釋放器）、傳遞系統（傳播信息素的介質）和接收系統（接收信息素分子的器官）所組成[11]。

釋放系統：昆蟲性信息素一般由昆蟲成蟲性腺體成熟后分泌產生，不同種類昆蟲的分泌腺體有所差異[12]。 如鱗翅目螟蛾科的雌性成蟲大多數種類性信息素釋放腺體位于第 8、9腹節節間膜背部[13]，而鱗翅目的多數蝶類雄性昆蟲成蟲的性信息素釋放器多位于翅上[14]。

傳遞系統：昆蟲性信息素主要通過空氣傳播[15]。

接收系統：即昆蟲性信息素的識別系統，昆蟲性信息素的識別主要依靠昆蟲觸角和感覺毛等部位的化感器。昆蟲性信息素分子的特定的性信息素結合蛋白與淋巴液中相對應的氣味結合蛋白結合，然后神經系統即對同種異性昆蟲作出相應的求偶行為[16]。

昆蟲正是通過這一套化學通信系統進行交配、產卵、繁殖后代，在自然界中，一般情況下昆蟲的雌性成蟲釋放昆蟲性信息素，同種類雄性昆蟲識別后進行交配;但也有少數昆蟲性信息素由雄蟲釋放，引誘同種類雌蟲進行交配，或者雌蟲、雄蟲同時釋放昆蟲性信息素進行相互吸引[17]。

昆蟲性信息素就是基于這一原理的仿生產品，通過模擬雌性或雄性靶標害蟲釋放的性信息素，搭配固定的設備，干擾雌雄交配，最終達到害蟲識別、監測及防治的目的。

2.2 昆蟲性信息素的基本特征與功能

（1）敏感度高。大部分昆蟲嗅覺器官發達，可以感受幾千米甚至十幾千米外的微量氣味，如雄性蜜蜂可嗅到2 km遠雌蜂散發的氣味;雄王蝶在11 km外可以感受到雌王蝶釋放的氣味;1 mg切葉蟻信息素，可引導同伴繞地球3周。

（2）特異性強。昆蟲性信息素只針對同種昆蟲的行為起調節作用，對其進行監測、誘捕及迷向，可以對靶標害蟲進行防控而很好地保護天敵。

（3）操作簡單。昆蟲性信息素在使用過程中只需要與固定類型的誘捕器或迷向設施進行搭配，即可對靶標害蟲進行誘捕、迷向，與藥劑防治相比具有操作簡單、省時、省力等優勢。

（4）持效期長。將昆蟲性信息素通過溶劑加入緩釋載體（橡膠塞、PVC管、緩釋小瓶等）中，其持續釋放時間達幾個月;因此在防治靶標害蟲方面，昆蟲性信息素的使用頻率遠低于普通化學藥劑。

（5）提高作物品質。昆蟲性信息素具有“零”污染、“零”殘留等特點，通過對靶標害蟲的監測及用迷向技術防治抗藥性強的害蟲，可以做到完全覆蓋，持續壓低蟲口密度（尤其針對鉆蛀性害蟲的隱蔽階段，更具有化學藥劑難以企及的優勢），從而減少化學藥劑使用量，降低農殘，提升蔬菜、水果、糧食作物的品質。

2.3 現階段昆蟲性信息素的主要應用技術

依據昆蟲性信息素有效成分及含量、使用方法、作用效果的不同可以將昆蟲性信息素分為監測及防治（誘捕和趨避）2種[18-21]。

2.3.1 監測。昆蟲性信息素單個誘芯含量為10-4～10-3g。以北方具有越冬特性的靶標害蟲為例，在春天靶標害蟲發生前14 d左右，在田間按照3～5套/hm2的數量懸掛靶標害蟲性誘捕裝置，性誘捕裝置內含昆蟲性信息素，專一性地吸引同種異性與之交配。通過昆蟲性誘捕裝置對靶標害蟲的發生動態實行實時監測：自誘捕到第一頭靶標害蟲雄性成蟲開始，每天記錄誘捕到的靶標害蟲數量，統計其越冬代靶標害蟲的蟲蛹羽化始發期、高峰期，結合當地的溫濕度、土壤溫濕度、降雨量等環境條件預測越冬代成蟲的產卵高峰期、初代幼蟲的卵孵化高峰期、初代幼蟲的危害高峰期。通過對靶標害蟲動態的實時監測，及時掌握靶標害蟲發生動態，分布、擴散、危害及消長動態情況，指導其科學用藥，在初代靶標害蟲的卵期及幼蟲的低齡期進行防治，全面壓低初代靶標害蟲的數量，對控制靶標害蟲后續的發生具有極其重要的意義。

2.3.2 誘捕。昆蟲性信息素單個誘芯含量10-4～10-3g。

昆蟲性信息素與固定誘捕器搭配后，按照45～75套/hm2數量，依據作物生長情況（蔬菜、玉米等農作物按照1.0～1.5 m的高度懸掛，或根據作物實際情況而定;果樹一般懸掛于陰面通風處的樹干上，懸掛高度在株高的2/3處或根據實際情況而定）對誘捕器進行棋盤式懸掛。捕獲前來“親密付會”的成蟲，減少靶標害蟲成蟲雌蟲或雄蟲數量，影響雌雄比例，從而減少雌蟲交配產卵的機會，減少幼蟲數量，保護寄主免受傷害[22]。

2.3.3 迷向。昆蟲性信息素單根迷向絲含量10-2～10-1g。通過在空氣中釋放大量人工合成的昆蟲性信息素，使靶標害蟲的雌雄成蟲長久處于高濃度的人工激素環境中，感受器產生適應性，對性信息素失去反應，令靶標害蟲雌性或雄性成蟲不能準確定位異性，破壞靶標害蟲的正常交尾，導致雌雄交配概率降低，從而不能完成交配、產卵，使下一代種群密度降低[23]。昆蟲迷向劑的使用時間：越冬代成蟲揚飛期前，懸掛監測誘捕器，誘到第一頭成蟲時，開始使用迷向散發器，直至作物完成整個生育期。

2.3.4 昆蟲的鑒別。昆蟲性信息素在對靶標害蟲進行監測與防治的同時，可以依據專一性強的特性對近似昆蟲或者分類上容易混淆昆蟲進行鑒定。

3 昆蟲信息素發展優勢與缺陷

作為一種在國內興起不久的生物農藥，具有以下優勢：①專一性強、準確性高、對環境友好、使用方便;②可以通過大量誘捕靶標害蟲的成蟲及對靶標害蟲的成蟲進行迷向等方法，大幅度降低靶標害蟲雄蟲與雌蟲的交配概率，從而從根源上大幅度降低其靶標害蟲主要危害階段幼蟲的數量[24];③對靶標害蟲的監測能力可以有效指導農藥的使用，在靶標害蟲的低齡期對其滅殺，以最小的經濟成本最大程度上降低靶標害蟲對作物的危害;④化學結構的高度復雜性和特殊性，可以有效保護天敵，維持生態平衡;⑤降低農藥用量和勞動力成本，解決農藥殘留問題，有利于恢復農業生態環境[25]。

然而昆蟲性信息素在蟲害防控中也存在諸多不足，導致其發展受到一定的限制：①性迷向類產品具有很高的專一性，如梨小食心蟲性迷向技術只防治梨小食心蟲，不能同時兼治其他害蟲，可能使盲蝽蟓等次要害蟲的危害上升;②某些危害較重的靶標害蟲（薊馬、煙粉虱、白粉虱、螨蟲、瓜絹螟等），目前市面上并未有效果良好的產品，當多種蟲害同時發生時，農業種植者仍需要進行噴藥，并不能顯著降低其施藥、用工成本;③使用迷向技術時，處理果園的面積越大效果越好，最好的使用面積不低于2 hm2，且其周邊200 m的范圍內不應有未防治的其他寄主果園。而我國農業種植仍以小農戶為主，這極大地限制了昆蟲性信息素的發展;④種植戶的技術水平有限，不能掌握昆蟲性信息素對靶標害蟲的監測技術，以及對昆蟲性誘捕裝置、迷向絲進行合理使用。

4 基于昆蟲性信息素的蟲害綜合防控技術

隨著物聯網及人工智能技術（AI）的快速發展，可以將昆蟲性信息素與AI進行有機結合，制定針對某種作物的蟲害綜合防治方案。

（1）建立蟲害監測系統。根據要監測的靶標害蟲選擇其相應的昆蟲性信息素誘芯，依據靶標害蟲誘集行為變化特征選擇固定類型的誘捕器（上行螟蛾類，下行燈蛾類和雙向葉蛾類），結合紅外計數，形成智能監測設備。智能監測設備可以融合風向、風力、溫度、濕度、光照度、雨感等小氣候系統。將誘捕到的靶標害蟲的成蟲情況形成大數據進行上傳，在物聯網系統及云空間儲存的配合下，進行數據統計、分析，預測靶標害蟲卵、幼蟲、蛹、成蟲等各個階段的始發期、發生高峰期、發生末期等指標，為靶標害蟲防治提供科學依據[26]。

（2）建立實時監測系統。通過多方位、多角度安裝攝像頭，對作物生長情況、蟲害的發生情況進行實時監測。

（3）蟲害綜合防控技術的制定。依據土壤墑情、小氣候系統、作物生長情況、作物蟲害發生、發展的預測，與大數據比對后，提供針對該農田系統的靶標蟲害綜合防控方案，指導科學用藥，即在蟲害發生初期，優先使用微生物農藥或對靶標害蟲低毒高效的化學農藥進行防治，堅決杜絕高毒、劇毒及違禁化學農藥的施用。

基于昆蟲信息素的作物蟲害綠色防控技術集成方案，可以及時監測靶標害蟲發生動態，準確及時掌握害蟲的分布、擴散、危害及消長動態，對保障國家的食品生產安全和農產品質量安全意義重大，不僅有助于保護生物多樣性，降低病蟲害暴發機率，實現病蟲害的可持續控制，而且有利于減輕蟲害危害損失，保障糧食、蔬菜、水果等農產品的有效供給;另外，病蟲害綠色防控也是促進標準化生產、提升農產品質量安全水平的必然要求和降低化學農藥使用風險、保護生態環境的有效途徑。

5 結語

自2015年《食品安全法》修訂至《中共中央 國務院關于深化改革加強食品安全工作的意見》的發布等相關法律法規的日益完善，充分體現了以習近平主席為核心的黨中央對 “人民群眾舌尖上的安全”的高度重視，作物病蟲害的綠色防控提上日程。2017年習近平主席主持召開的中央全面深化改革領導小組第三十七次會議通過了《關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》，《意見》指出：要強化病蟲害統防統治和全程綠色防控，完善農藥風險評估技術標準體系，加快實施高劇毒農藥替代計劃。因此，在后續的作物病蟲害防治上，應提升人們的綠色防控意識，落實農業農村部在全國農作物病蟲綠色防控推進落實會上提出的“綠色植?！焙汀肮仓脖！?個理念及“替、集、制、品”四字真言，盡量減少化學農藥的使用，改變以往災后治理的被動局面。在蟲害防治方面，可以形成以昆蟲信息素為核心的作物蟲害綜合防控方案，結合AI、物聯網等現代技術對靶標害蟲實行全方位的實時監測，指導科學用藥、科學防控、綠色防控，將靶標害蟲的危害控制在經濟損害允許水平（EIL）以下，在保證作物產量的同時，提升農產品品質，保護生態環境，以達到最佳的經濟效益、社會效益和生態效益。

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