橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生量與環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

文韜，洪添勝，李立君，李震，郭鑫

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州 510642)

人工對(duì)寄主作物進(jìn)行定期調(diào)查和利用實(shí)蠅誘捕器監(jiān)測(cè)橘小實(shí)蠅，監(jiān)測(cè)者通常根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)判別作物受害情況，監(jiān)測(cè)缺乏連續(xù)性，容易錯(cuò)過(guò)最佳防治時(shí)期[1–4]。已有的研究[5–6]結(jié)果表明，橘小實(shí)蠅的飛翔能力和生長(zhǎng)發(fā)育是影響其地理分布和種群動(dòng)態(tài)變化的主要原因。大多數(shù)實(shí)蠅飛翔活動(dòng)僅發(fā)生在白天有光照的情況下，而在夜間沒有光照時(shí)，橘小實(shí)蠅停止飛翔[7]。橘小實(shí)蠅的生長(zhǎng)發(fā)育直接影響其種群動(dòng)態(tài)變化，橘小實(shí)蠅蟲卵、幼蟲和成蟲的發(fā)育受氣溫的影響較大[8–10]，而蛹在土中發(fā)育，則主要受土壤理化性質(zhì)(土壤含水量、電導(dǎo)率和溫度)影響；土壤含水量較低或較高，成蟲的羽化率都明顯受到抑制[11–15]。由此可見，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)橘樹生長(zhǎng)區(qū)域的溫濕度、環(huán)境光照、風(fēng)速和降水量等氣象信息和土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率等土壤墑情變化，是預(yù)警橘小實(shí)蠅為害的有效手段，獲取其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是分析橘小實(shí)蠅發(fā)生機(jī)理及與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)機(jī)制的重要依據(jù)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensors network, WSN)是一種新興的信息獲取技術(shù)，憑借其自組織、無(wú)需布線、低功耗、智能性強(qiáng)等特點(diǎn)[16]，已逐漸被廣泛應(yīng)用于葡萄園和溫室管理、精細(xì)灌溉和變量作業(yè)、牧群和家畜管理、林地和自然棲息地監(jiān)測(cè)等方面[17–21]。

筆者設(shè)計(jì)和搭建橘小實(shí)蠅成蟲及環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)橘小實(shí)蠅成蟲的發(fā)生量及其覆蓋區(qū)域空氣溫濕度、環(huán)境光照、風(fēng)速和降水量等氣象信息和土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率等土壤墑情變化，探尋環(huán)境因子脅迫條件下的橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生量變化規(guī)律，系統(tǒng)地分析橘小實(shí)蠅發(fā)生與環(huán)境因子間的關(guān)聯(lián)性，以期為橘園蟲害區(qū)域性災(zāi)變防控提供參考。

1 橘小實(shí)蠅成蟲及環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的組成與部署

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能

搭建的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括3 類無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)備：11 臺(tái)橘小實(shí)蠅成蟲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)(其中10 臺(tái)裝配有紅外感應(yīng)式成蟲感知器，1 臺(tái)集成視覺成蟲感知器)、1 臺(tái)環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以及1 臺(tái)WSN 匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。3 類無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)備部署組成1個(gè)星型單跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各設(shè)備的分布位置及天線的設(shè)置高度，根據(jù)前續(xù)橘園無(wú)線射頻信號(hào)傳播試驗(yàn)確定的節(jié)點(diǎn)最佳分布表作為部署依據(jù)[22]。

橘小實(shí)蠅成蟲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與紅外感應(yīng)式成蟲感知器和土壤墑情傳感器相連，并部署在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，負(fù)責(zé)以特定的時(shí)間間隔采集土壤墑情和橘小實(shí)蠅成蟲數(shù)量，并將此信息傳送給WSN 匯聚節(jié)點(diǎn)。環(huán)境氣候監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)裝配有溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和降水量傳感器，與橘小實(shí)蠅成蟲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)相同時(shí)間間隔，采集1次空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和降水量數(shù)據(jù)，并將此信息傳遞給WSN 匯聚節(jié)點(diǎn)，記錄橘園氣象信息日變化情況。WSN 信息匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定時(shí)接收和存儲(chǔ)由各部署節(jié)點(diǎn)發(fā)送的測(cè)量結(jié)果。

圖1 橘園協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 Fig.1 Device components of the cooperative monitoring network in orchards

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地及節(jié)點(diǎn)部署

試驗(yàn)場(chǎng)地位于廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室橘園，地形為平地，面積450 m2，柑橘品種選用沙糖橘，采用盆栽種植方式，行距2 m，株距1.5 m，橘樹平均株高150 cm，冠層直徑100 ～140 cm。監(jiān)測(cè)設(shè)備均采用IRIS 節(jié)點(diǎn)(IRIS，美國(guó)Crossbow Technology Inc.)作為數(shù)據(jù)處理單元，傳輸頻率2 470 MHz，節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度–101 dBm，發(fā)射功率3.2 dBm，使用1/4 波長(zhǎng)的單極天線，天線增益0 dBi。所有部署的節(jié)點(diǎn)均安裝在鋁合金支架上，保持天線同向，其中，WSN 匯聚節(jié)點(diǎn)位于橘園邊緣，環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)放置于橘園中心位置，其余的橘小實(shí)蠅成蟲感知節(jié)點(diǎn)以(5±0.1) m 為步長(zhǎng)均勻分布于橘園各監(jiān)測(cè)區(qū)域。

2 橘小實(shí)蠅成蟲及環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由橘小實(shí)蠅成蟲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成，其硬件內(nèi)部處理單元主要包括IRIS 模塊、傳感器、數(shù)據(jù)擴(kuò)展模塊等，如圖2 所示。

數(shù)據(jù)擴(kuò)展板的作用是將IRIS 內(nèi)部處理模塊的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行擴(kuò)展，其中，IRIS 模塊內(nèi)部一路ADC接口通過(guò)多路選擇器分別連接3組EC–5 傳感器，另一路ADC 接口連接光照傳感器；IRIS 內(nèi)部的串行數(shù)據(jù)接口連接5–TE 傳感器；溫濕度傳感器和風(fēng)向傳感器分別連接IRIS 內(nèi)部的普通I/O 口；IRIS外部3個(gè)中斷接口直接與成蟲感知器、風(fēng)速和降水量傳感器相連。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各組成模塊功能實(shí)現(xiàn)和模塊間運(yùn)行調(diào)度是基于TinyOS2.0 嵌入式操作系統(tǒng)(美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校)，根據(jù)組件模塊化和事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模式采用NesC 語(yǔ)言編制的相應(yīng)執(zhí)行程序，其應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部硬件組成結(jié)構(gòu) Fig.2 Inner components and structure of the monitoring device

圖3 監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用程序 Fig.3 Program structure of the monitoring device

系統(tǒng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)向WSN 匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的上行鏈路和WSN 匯聚節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令的下行鏈路兩部分。無(wú)線通信數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)傳輸格式，參考IEEE 802.15.4 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線通信數(shù)據(jù)包中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單元格式如表1 所示。

表1 無(wú)線通信數(shù)據(jù)包中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單元格式 Table 1 Monitoring data PDU of wireless communication packets

3 橘小實(shí)蠅成蟲與環(huán)境因子動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果及關(guān)聯(lián)性分析

2011年8月10日至2012年1月20日，橘小實(shí)蠅成蟲及其環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行了近6個(gè)月，涵蓋了橘樹生長(zhǎng)的掛果期和成熟期，是橘小實(shí)蠅為害的主要時(shí)期[10]。選用甲基丁香酚試劑作為成蟲性引誘劑，每隔15 d 更換1次[23]。試驗(yàn)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)的成蟲發(fā)生量如圖4 所示。

圖4 柑橘掛果期和成熟期橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生量監(jiān)測(cè)結(jié)果 Fig.4 Monitoring data for B. Dorsalisoutbreaks in orchards during the citru’s fruiting and mature periods

橘小實(shí)蠅成蟲在2011年8月上旬至10月上旬處于發(fā)生高峰期，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)平均每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各周監(jiān)測(cè)的成蟲數(shù)量為516 ～893 頭；從10月中旬至11月下旬，蟲口密度逐漸呈波動(dòng)性回落，周蟲量108 ～293 頭；從12月上旬至翌年1月中旬，橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生量急劇下降，周蟲量為0 ～18 頭。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，夏季是成蟲發(fā)生的高峰期，進(jìn)入秋季后數(shù)量逐漸減少，冬季蟲口密度低。

橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生量與環(huán)境因子的協(xié)同監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

監(jiān)測(cè)試驗(yàn)從8月開始，圖5–a 和圖5–f 結(jié)果顯示，2011年8月至10月上旬，廣州地區(qū)日均最大降水量?jī)H為13.1 mm，但土壤含水量為0.15～0.32 m3/m3，表明在開展監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的前期，即6 至7月，廣州地區(qū)降水頻繁，且從圖5–c 中空氣相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，同一監(jiān)測(cè)時(shí)期區(qū)域內(nèi)的空氣平均相對(duì)濕度為58%，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤在降水很少的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)仍維持一定的土壤含水量，周蟲量為516 ～893 頭。綜合上述環(huán)境因子和蟲量的協(xié)同監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明降水量、空氣相對(duì)濕度和土壤含水量對(duì)橘小實(shí)蠅的發(fā)生具有重要作用。觀察圖5–b 空氣溫度、土壤溫度和蟲量協(xié)同監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果，在成蟲發(fā)生盛期監(jiān)測(cè)的空氣溫度為22.5～36.5℃，土壤溫度變化幅度為22.9～35.8℃，盛期過(guò)后，蟲量呈波動(dòng)性回落，相應(yīng)的空氣溫度和土壤溫度在16.4～30.1℃和17.7～30.9℃變化，當(dāng)成蟲數(shù)量減少至0～18 頭時(shí)，相應(yīng)的空氣和土壤溫度降至10.5～27.5℃和10.2～28.1℃。由此可知，橘小實(shí)蠅成蟲數(shù)量與空氣溫度和土壤溫度存在正相關(guān)性。

圖5 橘小實(shí)蠅發(fā)生量及相關(guān)環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)結(jié)果 Fig. 5 Cooperative monitoring results of pests and related environmental factors

考慮到發(fā)生區(qū)域降水量、空氣溫度和濕度、光照及土壤墑情對(duì)橘小實(shí)蠅成蟲動(dòng)態(tài)變化存在獨(dú)立和共同影響的復(fù)雜性，采用主成分分析法將試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生量與其發(fā)生區(qū)域的降水量、溫度、空氣相對(duì)濕度、光照時(shí)間及土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析[24]，結(jié)果列于表2。

第1 和第2 主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)88.37%，占總信息量的85%以上，故選第1 和第2 主成分作為綜合指標(biāo)，開展成分荷載分析，結(jié)果如表3 所示。

表2 環(huán)境因子主成分統(tǒng)計(jì)量描述 Table 2 Statistics description of principal component with environmental factors

表3 環(huán)境因子主成分荷載分析 Table 3 Principal component payload of environmental factors

根據(jù)表3 各環(huán)境因子的荷載大小可知，第1 主成分代替了空氣溫度、土壤溫度和光照時(shí)數(shù)的作用，稱為溫光因子；第2 主成分代替了降水量和土壤含水量的作用，成為降水因子，由此說(shuō)明溫度、降水量和光照對(duì)蟲量變化作用明顯，對(duì)照?qǐng)D5–b、圖5–d、圖5–e 的上述環(huán)境因子與蟲量變化趨勢(shì)，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其關(guān)聯(lián)性。由表2 中第1 主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到53.48%，表明溫度和光照對(duì)蟲量變化作用最大，從表3 第1 主成分各氣象因子荷載分析，空氣和土壤的溫度荷載分別為0.960 和0.961，進(jìn)一步說(shuō)明溫度是引起蟲量變化的主要因素。

橘小實(shí)蠅成蟲及其發(fā)生區(qū)域環(huán)境因子監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，蟲量變化與氣候因子關(guān)系密切，適宜的溫度和充足降水是影響橘小實(shí)蠅成蟲動(dòng)態(tài)變化的主要因素，橘小實(shí)蠅適宜在空氣平均相對(duì)濕度為58%、環(huán)境溫度22 ～35℃的條件下活動(dòng)。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)在柑橘掛果期和成熟期開展近6個(gè)月的橘小實(shí)蠅成蟲動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，初步掌握了廣州地區(qū)橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生數(shù)量變化規(guī)律。蟲口密度在8月已進(jìn)入盛期，周蟲量達(dá)516 ～893 頭；10月中旬至11月下旬，蟲口密度逐漸呈波動(dòng)性回落，周蟲量108 ～ 293 頭；12月上旬至翌年1月中旬蟲口密度急劇下降，周蟲量降至0 ～18 頭。

橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生數(shù)量與環(huán)境因子作用密切相關(guān)。研究結(jié)果表明，溫光因素和降水因素對(duì)橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生數(shù)量的影響明顯，其中，溫光因素影響最大，空氣和土壤的溫度是其主要因子，相應(yīng)的成分荷載分別為0.960和0.961，降水因素影響次之，降水量和土壤含水量是其主要因子，相應(yīng)的成分荷載分別為0.712 和0.809。

通過(guò)該系統(tǒng)的開發(fā)和試驗(yàn)，進(jìn)一步論證了將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于橘園橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生及環(huán)境因子協(xié)同監(jiān)測(cè)的可行性，初步實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性橘小實(shí)蠅成蟲動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與其環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性分析。除了環(huán)境因子外，影響橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的還有寄主因子、營(yíng)養(yǎng)因子和天敵因子，要完全掌握橘小實(shí)蠅成蟲發(fā)生動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)施更加嚴(yán)密和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和防治，其他因子對(duì)橘小實(shí)蠅成蟲數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的影響還有待進(jìn)一步研究。

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