基于無人機投放天敵昆蟲花絨寄甲的生物防治技術及應用研究

尹華陽，李曉娟*，董廣平，郭婉琳，汪青桐

（1.松材線蟲病預防與控制技術國家林草局重點實驗室，安徽 合肥 230031；2. 安徽省林業科學研究院，安徽 合肥 230031）

松材線蟲病是由松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）寄生在松樹體內導致松樹迅速死亡的一種毀滅性病害，不僅是全球森林生態系統中最具危險性的病害，而且是重大植物疫情。松材線蟲病依靠媒介昆蟲松褐天牛（Monochamus alternatus）傳播，擴散蔓延極快。目前松材線蟲病防治采取以清理病死（枯死、瀕死）松樹為核心，打孔注藥或噴施化學藥劑為輔助的防治手段，但是清理病死（枯死、瀕死）松樹僅是被動的減少病原，難以持續的遏制松材線蟲病在林間的傳播與蔓延[1]。

近年來，利用天敵昆蟲進行害蟲防治的生物防治技術已成為農林業可持續生產的重要組成部分，是一條優良的、長效的措施[2]。生物防治主要是利用微生物或其提取物，以及釋放天敵生物的方式減少害蟲對植物的影響。 花絨寄甲（Dastarcus helophoroides）是松材線蟲病傳播媒介松褐天牛的重要優勢天敵昆蟲[3]。諸多研究證明，釋放花絨寄甲可以降低松褐天牛的蟲口密度[4-6]，是控制松材線蟲病傳播的有效措施。然而，林間釋放花絨寄甲所需的人力成本較高，釋放的效率、覆蓋率和均勻度難以保證，這些因素都限制了該防控措施的發展。

隨著無人機技術的持續發展，其在農林病蟲害防治上的應用不斷拓展，是革新農林業的治理方式。利用無人機投放天敵昆蟲可以極大提高釋放效率，在降低人力成本的同時，確保釋放的覆蓋率和均勻度，顯示了潛在的巨大優勢[7]。為了進一步研究無人機進行生物防治的可行性，提高天敵的釋放質量，實現更好的控制效果，本文將多旋翼無人機與生物防治技術相結合，開發了一種無人機投放花絨寄甲裝置?；谶@種裝置進行了無人機投放花絨寄甲防治松褐天牛試驗，為推動這一生物防治技術的發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 無人機

與固定翼無人機相比，多旋翼無人機不需要跑道，并且具有起降自由、運行成本低、維護方便、操作簡單等優點。本研究采用大疆經緯M300RTK 多旋翼無人機（見圖1）。該款無人機配備出色的飛控系統、全向探測定位雷達技術、紅外傳感技術和網絡RTK 技術（real-time kinematic）等，可以滿足天敵昆蟲投放對穩定性和精準性要求。其擴展能力較強，支持搭載2.7 kg 以內的物體，并能實時上傳無人機操作信息，實現遠程監督，在操作過程中能夠創建斷點。如果需要退出操作模式或停止操作，無人機會保存當前狀態，方便下次繼續操作。無人機的主要參數如表1 所示。

表1 無人機參數

圖1 無人機結構

1.2 天敵昆蟲投放裝置

為了保證天敵昆蟲在林間精準高效的釋放，設計研發了適配M300 RTK 多旋翼無人機的花絨寄甲成蟲投放裝置，其結構如圖2 所示。投放裝置由快裝板、15 孔拋蟲筒、拋蟲板、電機和控制器等結構組成，整體使用超輕質碳纖維材料，便于無人機搭載飛行。投放前，將裝有天敵昆蟲的可降解集蟲管（圖2 d）置于拋蟲筒中，連接于無人機上，拋蟲筒可同時搭載15 管花絨寄甲成蟲。無人機升空進行投放作業，由遙控器控制連接拋蟲板的電機轉動22.5°，拋蟲板上的孔洞對準拋蟲筒孔洞后，集蟲管失去拋蟲板阻擋，由重力和無人機風壓使其下落至林間，實現拋投。接著無人機巡航至下一點位遙控電機再次帶動拋蟲板旋轉，如此循環工作，直至所有集蟲管拋投完畢。

圖2 天敵昆蟲投放裝置

1.3 可靠性測試

在投放天敵昆蟲的過程中，投放裝置的準確性和可靠性將直接影響防治效果。為了測試無人機搭載投放裝置釋放天敵昆蟲的準確性和可靠性，本研究設計了相關測試試驗。操作如下：在空地上設置投放目標點模擬實際防治作業中需要投放的區域，利用無人機搭載天敵昆蟲投放裝置對目標點進行投放作業，無人機飛行速度為5 m/s，投放方式設置為不懸停，懸停1 s、2 s、3 s，投放高度設置為離地高度10 m、30 m、50 m，每個試驗條件下進行5 次投放。記錄每次投放集蟲管著陸點與目標點之間的偏離距離。

1.4 林間投放試驗

為了進一步驗證無人機天敵昆蟲投放裝置的生物防治效果，在安徽省旌德縣進行了林間投放花絨寄甲成蟲防治松材線蟲病試驗。

1.4.1 作業條件和投放方式

試驗地為馬尾松林，面積為13.3 hm2；作業日期為2022 年5 月27 日，天氣晴，風力2 級。在無人機控制軟件上根據花絨寄甲成蟲的寄生范圍制定投放點和作業寬度[8]，并進行航線規劃，如圖3 所示。假設花絨寄甲成蟲的有效寄生距離為r，投放點間隔距離和作業寬度均小于等于時，理論上可以實現對花絨寄甲成蟲寄生范圍全覆蓋。根據試驗地情況及可靠性測試結果設置無人機飛行條件為：飛行高度為離地高度30 m、飛行速度5 m/s、投放點懸停1 s 后投放。

圖3 試驗區及航線規劃示意

1.4.2 防治效果評價

防治效果直接反映無人機投放天敵昆蟲系統質量。本試驗以松材線蟲病傳播媒介昆蟲松褐天牛的蟲口密度為指標，宏觀評價防治效果。試驗步驟如下：在無人機投放作業前2 周，在試驗區設置3 個松褐天牛誘捕器，按照廠家要求懸掛并每月更換誘芯，誘捕器間距離100 m 以上；另設對照區，地形、林分與試驗區相似，且間隔1 000 m 以上，不投放花絨寄甲，并按同樣方式設置3 個松褐天牛誘捕器。在無人機投放花絨寄甲當天、投放后每2 周觀察記錄誘捕器中松褐天牛的數量，每次觀察后清空誘捕器，持續觀察4 個月。通過公式計算松褐天牛蟲口密度下降率，得到平均防治效果[9]。

式中，Ci為松褐天牛蟲口密度下降率（%），ai為對照區誘捕器中松褐天牛數量平均值（頭），bi為試驗區誘捕器中松褐天牛數量平均值（頭）。

式中，C 為無人機投放花絨寄甲成蟲的平均防治效果（%），n 為無人機投放作業后的調查次數。

2 結果與分析

2.1 可靠性測試結果

由表2 可以看出，不懸停的投放方式準確度較差，懸停1 s、2 s、3 s 在相同投放高度下準確度差距不大；投放準確度會隨著投放高度升高而降低，但是準確度下降幅度不明顯。因此，在實際林間作業時，為了在保證準確度的前提下提高作業效率，無人機應在抵達目標位置后懸停1 s 再進行投放。投放高度應選擇確保飛行安全的最低高度。在整個測試中，共計投放60 次集蟲管，全部一次成功，說明該裝置性能穩定，可靠性高。

表2 可靠性測試結果

2.2 林間投放試驗結果

通過前期計算和航線規劃，本次試驗共計投放花絨寄甲成蟲10 000 頭，飛行36 架次。集蟲管全部投放成功，實際落點與投放點基本吻合，理論上完全覆蓋試驗區域。

2.3 防治效果評價

在無人機投放花絨寄甲試驗后，共進行了8 次調查（不包括無人機投放前一天的本底調查），防治效果調查見表3，數量調查結果見圖4。5 月26 日，無人機投放花絨寄甲前的本底調查顯示，試驗區和對照區在誘捕器中松褐天牛數量相近，說明防治前兩區域的松褐天牛蟲口密度基本一致。無人機投放花絨寄甲成蟲后的松褐天牛蟲口調查結果顯示，試驗區松褐天牛的蟲口密度相較對照區明顯下降，并隨著松褐天牛羽化高峰期的到來，這種趨勢越發明顯，松褐天牛蟲口密度最高下降了69.52%，最終計算得出，無人機投放花絨寄甲成蟲的平均防治效果為49.48%。由此可見，通過無人機投放天敵昆蟲花絨寄甲可以顯著降低松褐天牛的蟲口密度，具有良好的生物防治效果。

表3 防治效果調查

圖4 松褐天牛數量調查結果

3 結論與討論

本研究探索了無人機技術在生物防治領域的應用潛力，設計開發了基于多旋翼無人機的花絨寄甲投放裝置，進行了可靠性測試及林間投放花絨寄甲成蟲防治松褐天牛試驗。通過無人機投放花絨寄甲成蟲，有效地降低了試驗區內松褐天牛的蟲口密度，投放后4 個月的平均防治效果達到了49.48%。研究結果表明，基于多旋翼無人機的天敵昆蟲投放系統可以較好地完成林間生物防治作業，實現病蟲害的綠色防治。

利用無人機進行生物防治的成本約為人工防治的四分之一[10]，在相對復雜的山區也能做到全覆蓋，具有較好的經濟效益和生態效益。該模式為林業病蟲害的生物防治提供了一種新的、可持續的技術途徑，為未來實現更加智能化和環保的防治手段打下了基礎。