無人機(jī)在米櫧蟲害防治中的應(yīng)用與效果研究

黃云鵬,管建仲，林峰銘，李恩佳*

(1. 福建三明林業(yè)學(xué)校,福建 三明 365000; 2. 尤溪縣西城林業(yè)站,福建 尤溪 365100)

米櫧[Castanopsiscarlesii(Hemsl.)Hay].殼斗科錐屬喬木,為我國亞熱帶山區(qū)重要闊葉樹種,在閩中、閩北地區(qū)有天然分布,由于早期天然米櫧林經(jīng)歷了皆伐煉山更新或受人為因素的干擾,米櫧林抵抗病蟲害能力降低,近幾年有病蟲害爆發(fā)的趨勢[1-2];特別竹節(jié)蟲對米櫧的危害情況較為嚴(yán)峻,尤溪縣有著大面積的天然米櫧林,其中近200 hm2的米櫧林受到嚴(yán)重的破壞,根據(jù)竹節(jié)蟲在各省的分布情況及其形態(tài)辨別,確定危害三明尤溪縣天然米櫧林的竹節(jié)蟲為異尾華枝(SinophasmamirabileGunther),春末為幼蟲期,6月羽化,主要寄主為甜櫧和米櫧,7月為危害的高峰期[3-5]。

20世紀(jì)50年代就有關(guān)于貴陽地區(qū)竹節(jié)蟲對米櫧危害的文獻(xiàn)記錄,時(shí)隔30 a再度爆發(fā),但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段、防治藥劑的限制,米櫧林較高,因此防治效果不佳[6],隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,無人機(jī)在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,在森林病蟲害的監(jiān)測方向發(fā)展較為迅速[7],同時(shí)也為森林病蟲害防治提供了有效的技術(shù)手段,但福建多為山地、丘陵地形,地勢惡劣復(fù)雜,無人機(jī)在森林病蟲害防治的研究不足,給防治工作帶來諸多困難。因此,研究無人機(jī)在森林病蟲害防治中的應(yīng)用迫在眉睫。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)于三明市尤溪縣西城鎮(zhèn)的米櫧天然林分內(nèi),尤溪縣氣候?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,地處E117°48′30″—118°40′00″,N25°50′36″—26°26′30″之間,年平均氣溫19.2 ℃,極端低溫-7.8 ℃,極端高溫40.3 ℃,年均降雨量1 300—1 700 mm,夏季高溫多雨,2018年氣候異常,降雨量驟減,溫度較高,7月平均氣溫26.9—28.7 ℃,極端高溫為37.5 ℃,上旬降雨量為19.2—68.2 mm[8],3塊試驗(yàn)地的經(jīng)緯度分別為E118°6′43″,N26°13′32″;E118°7′6″,N26°13′11″;E118°4′35″,N26°21′6″;每塊試驗(yàn)地里留寬500 m緩沖帶隔離出無人機(jī)試驗(yàn)區(qū)和人工粉炮試驗(yàn)區(qū),同時(shí)保證試驗(yàn)邊界離緩沖帶邊界50 m以上。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)時(shí)間:2018年7月2日調(diào)查防治前的竹節(jié)蟲蟲口密度,7月3日開始防治試驗(yàn)。

以3個(gè)受竹節(jié)蟲危害的米櫧天然林小班為試驗(yàn)重復(fù),于清晨7∶00—9∶00時(shí),在每個(gè)小班內(nèi)采用福建頂冠信息技術(shù)有限公司改裝的“4軸8旋翼無人機(jī)”(DG-021,載重量20 kg)噴施森得保粉劑(16 000 IU/mg蘇云金桿菌,用量為3.75 kg/hm2),飛行速度5 m/s,飛行高度5 m(距樹冠);以傳統(tǒng)人工防治3個(gè)樣地,樣地面積為1 000 m2,每個(gè)樣地內(nèi)丟放4個(gè)蘇云金桿菌粉炮(傳統(tǒng)人工防治丟放30—45個(gè)粉炮/hm2)[9];對照組:與試驗(yàn)組竹節(jié)蟲危害情況一致的3個(gè)樣地,不采取任何防治措施,只調(diào)查蟲口密度、有蟲株率等情況。

蟲口調(diào)查方法:無人機(jī)及傳統(tǒng)人工防治試驗(yàn)前調(diào)查蟲口密度,防治后每隔7 d，調(diào)查蟲口密度變化情況,蟲口密度調(diào)查方法采用標(biāo)準(zhǔn)枝法。

標(biāo)準(zhǔn)枝法:由于竹節(jié)蟲具有在傍晚下樹的習(xí)性[6],因此在17∶00采集米櫧樣樹樹冠下層枝條統(tǒng)計(jì)蟲口數(shù)量,便可計(jì)算出蟲口密度,具體方法:在樹冠下層的東、南、西、北4個(gè)方向各取長度0.5 m的標(biāo)準(zhǔn)枝,統(tǒng)計(jì)蟲口數(shù)量,將4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝的蟲口數(shù)量取平均值,最后算出樣樹的蟲口數(shù)量等指標(biāo)[10-11]。

蟲口密度下降率(%)=

2.2 樣地情況

樣地情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)地概況

3 結(jié)果與分析

3.1 防治效率

無人機(jī)防治單位面積的用藥量比粉炮防治的用藥量節(jié)省1倍,防治速率比人工粉炮防治提高了12倍,大大提高了防治的效率(見表2)。在現(xiàn)階段,農(nóng)村基層青壯年外出務(wù)工,出現(xiàn)勞動(dòng)力緊缺,用工緊張,無人機(jī)防治有利于緩解基層林業(yè)蟲害防治工作中的用工難問題;隨著林業(yè)發(fā)展,公路、馬路進(jìn)山,無人機(jī)飛行半徑逐漸加大,為無人機(jī)在林業(yè)蟲害防治中的推廣使用創(chuàng)造了可行性條件,也解決了防治人員無法到達(dá)險(xiǎn)陡地區(qū)的病蟲害防治。

表2竹節(jié)蟲防治效率

防治方法無人機(jī)防治粉炮防治 用藥量3.9 kg/hm260個(gè)粉炮(約7.5 kg)/hm2 防治速率80 hm2/(d·架)6 hm2/(人·d) 缺點(diǎn)需要專業(yè)飛手、需要無人機(jī)起降公路等較平場地需要經(jīng)驗(yàn)豐富的粉炮投擲手、對于人無法到達(dá)的懸崖峭壁防治較困難

3.2 防治效果

3.2.1 無人機(jī)在蟲害防治中對蟲口密度及各時(shí)期蟲口密度下降率 從圖1可以看出,采用無人機(jī)防治米櫧林內(nèi)的竹節(jié)蟲蟲口密度總體比傳統(tǒng)人工粉炮防治竹節(jié)蟲的蟲口密度低,2種防治方法均能夠使蟲口密度下降低于未經(jīng)防治的米櫧林竹節(jié)蟲的蟲口密度;未經(jīng)防治的米櫧林竹節(jié)蟲蟲口密度在7月2日至7月23日期間緩慢增加,由于受寄主食物等因素影響,竹節(jié)蟲蟲口數(shù)量達(dá)到環(huán)境容納量,也由此可知，7月為米櫧林內(nèi)竹節(jié)蟲種群邏輯斯蒂增長的后半期,天然林內(nèi)竹節(jié)蟲數(shù)量也達(dá)到最高峰,對米櫧林危害也較大;無人機(jī)防治中，米櫧竹節(jié)蟲防治后的蟲口密度呈持續(xù)下降狀態(tài),在防治后第2周(7月16日)蟲口密度降至100只/株左右；參照對照組,7月23日天然米櫧林竹節(jié)蟲蟲口密度達(dá)最大,無人機(jī)防治將蟲口密度降低至50只/株,大大減輕了竹節(jié)蟲的危害,讓蟲害疫情得到有效控制,到7月30日,竹節(jié)蟲的蟲口密度降低到最低,平均蟲口密度僅3只/株,為粉炮防治的約30倍,達(dá)到了“有蟲不成災(zāi)”標(biāo)準(zhǔn);傳統(tǒng)人工粉炮防治中，米櫧在第1周時(shí)的竹節(jié)蟲蟲口密度略有上升,由于粉炮在林分中以投擲點(diǎn)為中心的竹節(jié)蟲先受到蘇云金桿菌的感染發(fā)病,以投擲點(diǎn)為中心呈輻射狀向四周蟲口控制效果逐漸減弱,再向四周的竹節(jié)蟲傳染,期間需要一定的侵染過程,在此期間,竹節(jié)蟲的蟲口數(shù)量還在增加,第2周后才開始出現(xiàn)蟲口密度下降的趨勢,7月23日即第3周后蟲口密度依舊未得到有效控制,蟲口密度約為200只/株,相對于無人機(jī)防治,人工粉炮防治起效較慢。

圖1 米櫧林竹節(jié)蟲防治蟲口密度動(dòng)態(tài)變化

從表3對比圖1可知,防治第1周至第4組蟲口密度下降率為正值表示蟲口密度相對于上周是下降的,當(dāng)下降率為負(fù)數(shù)時(shí)表示相對于上周上升;無人機(jī)防治第1周至第4周的蟲口密度下降率逐步增加,說明無人機(jī)防治隨著時(shí)間延長，效果越來越好;粉炮防治與無人機(jī)相比蟲口密度下降率在第1周為負(fù)數(shù),說明第1周粉炮防治還沒起效,在第2周才開始見效,并且下降率均比無人機(jī)低,說明其效果略差于無人機(jī);對照組未防治的米櫧林竹節(jié)蟲蟲口密度下降率在達(dá)到環(huán)境容納量之前為負(fù)數(shù),蟲口密度上升,之后蟲口密度才回落;防治第1周后,無人機(jī)防治蟲口下降率與粉炮防治及對照組的下降率差異極顯著,粉炮防治與對照組差異不顯著;第2周,無人機(jī)防治與粉炮防治及對照組的蟲口下降率差異極顯著;第3周無人機(jī)防治與粉炮防治蟲口密度差異顯著,分別于對照組的蟲口下降率差異極顯著;最后1周,無人機(jī)防治與粉炮防治及對照組的蟲口下降率差異極顯著。

表3 各時(shí)期蟲口密度下降率 %

同行內(nèi)數(shù)據(jù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)后，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)

表4 蟲口下降密度方差分析

時(shí)間變異來源平方和自由度均 方F 值P值 07-09處理間0.362 820.188 883.481 70.000 1處理內(nèi)0.014 160.002 3總變異0.381 5807-16處理間0.642 520.335 4134.915 10.000 1 處理內(nèi)0.015 660.002 5總變異0.676 3907-23處理間0.601 320.304 525.232 40.001 4 處理內(nèi)0.073 360.012 5總變異0.663 4807-30處理間1.366 720.691 4506.546 50.000 1 處理內(nèi)0.008 760.001 5總變異1.368 28

3.2.2 無人機(jī)在蟲害防治中對有蟲株率的控制

從圖2可知,無人機(jī)防治與人工粉炮防治的米櫧林竹節(jié)蟲有蟲株率在防治后的前2周情況大體一致,均沒有發(fā)生太多的下降,特別是防治后第1周幾乎沒變化;對照組的竹節(jié)蟲有蟲株率從第1周至最后始終為100%,沒有防治措施,竹節(jié)蟲危害疫情居高不下;第3周開始,無人防治的有蟲株率開始下降,并且比粉炮防治的有蟲株率下降快;第4周,無人機(jī)防治的竹節(jié)蟲有蟲株率急劇下降至最小,僅為1.8%,粉炮防治的有蟲株率在60%以上,粉炮防治的有蟲株率依舊很高,無人機(jī)防治噴撒蘇云金桿菌粉劑相對于粉炮更均勻,覆蓋面更廣,粉劑飄散更遠(yuǎn)、粉劑在林冠層停留時(shí)間更長久,能做到全林分均勻覆蓋,林分內(nèi)各株米櫧蟲口動(dòng)態(tài)情況較一致,粉炮防治以投擲點(diǎn)為中心向四周防治效果減弱,有蟲株率下降較慢。

圖2 米櫧林竹節(jié)蟲有蟲株率動(dòng)態(tài)變化

4 結(jié)論與討論

無人機(jī)防治效率高、節(jié)省人力成本,無人機(jī)防治更能夠適應(yīng)現(xiàn)階段農(nóng)村用工緊張的生產(chǎn)環(huán)境,僅需要2—3名的無人機(jī)操作手便可完成森林病蟲害的防治工作。無人機(jī)防治能做到林分的防治全覆蓋,能克服山區(qū)等各種惡劣地形對人工防治的阻礙;森林病蟲害防治宜選擇清晨或傍晚林分濕度較大時(shí)進(jìn)行,9∶00—17∶00防治效果不佳,有效防治時(shí)間較短,對森林病蟲害防治工作效率有較高的要求,無人機(jī)防治極大提高了工作效率。傳統(tǒng)人工防治受到傳統(tǒng)生物防治效率較低、防治速度慢的局限,防治效果不佳;采用無人機(jī)防治生物粉劑擴(kuò)散范圍廣,能夠同時(shí)讓更多害蟲受到侵染發(fā)病死亡，達(dá)到“治早，治小，治了”的防治效果。

無人機(jī)防治4周后的防治效果良好,將蟲口密度從防治前的350只/株降至3只/株,達(dá)到了控制蟲害發(fā)生的作用,而人工粉炮防治第3周,蟲口密度在200只/株,蟲情緩解不明顯。可見，無人機(jī)防治相對于粉炮防治起效快,削弱了生物防治起效慢的弊端,為生物防治提供了較高效的實(shí)施手段;其次,無人機(jī)防治米櫧林竹節(jié)蟲有蟲株率能夠在4周內(nèi)從100%降至1.8%,高效地保護(hù)米櫧林免受竹節(jié)蟲的危害,而粉炮防治第3周的有蟲株率為64%,且防治效果不充分，不平衡,容易造成控制后的蟲害再次爆發(fā)。

氣候反常,降雨減少，氣溫高,為竹節(jié)蟲的發(fā)育提供了良好的環(huán)境條件,促進(jìn)了竹節(jié)蟲的發(fā)育，縮短了發(fā)育所需天數(shù),造成竹節(jié)蟲的代數(shù)增加,引發(fā)了較為罕見的米櫧林內(nèi)的竹節(jié)蟲爆發(fā)危害,而觀察近年來的氣候變化,異常的氣候已為常態(tài),森林病蟲害的疫情愈加嚴(yán)峻,對于米櫧林竹節(jié)蟲的防治工作應(yīng)在有效預(yù)測預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,提早介入,在5月初進(jìn)行生物防治,有效地做到疫情的防控。無人機(jī)的設(shè)備改進(jìn)、續(xù)航能力的提升，有助于進(jìn)一步提高森林病蟲害的防治效率。

目前,無人機(jī)林業(yè)防治費(fèi)用在400—450元/hm2,傳統(tǒng)的粉炮林業(yè)有害生物防治費(fèi)用僅為30元/hm2,在高效防治效果的背后，需要有較高的成本投入。因此,無人機(jī)在林業(yè)有害生物防治中的研究,應(yīng)著重在提高效率、降低成本等方面需要深入研究。另外，無人機(jī)在林業(yè)有害生物防治領(lǐng)域應(yīng)建立相關(guān)的法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),讓無人機(jī)真正成為提高林業(yè)工作效率的技術(shù)手段。