環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量調(diào)控研究

姜俊伊 李倩倩 曹 陽 石天玉

(國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037)

近年來，在我國各中溫及高溫儲糧生態(tài)區(qū)，書虱已經(jīng)成為糧堆生態(tài)環(huán)境中的主要害蟲[1-2]書虱在20～35 ℃，55%～85%RH的環(huán)境條件下即可生存繁殖[3-4]，中、高溫儲糧生態(tài)區(qū)內(nèi)的糧倉夏秋季節(jié)溫濕度條件非常適宜書虱生長繁殖，但現(xiàn)有熏蒸技術(shù)對書虱防治效果不理想。書虱環(huán)境適應(yīng)能力極強(qiáng)、種群迭代爆發(fā)迅速，并對化學(xué)藥劑已產(chǎn)生抗性[5]；同時磷化氫熏蒸時雖然可熏殺大多數(shù)書虱成蟲及若蟲，但對卵的毒殺效果較差[6]，熏蒸結(jié)束后書虱種群數(shù)量可快速恢復(fù)，同時熏蒸使糧堆內(nèi)書虱的天敵撲食螨大量死亡,降低了書虱種群數(shù)量的自然控制效果，多方因素使得書虱防治難度極大。

書虱極其特殊，其蟲體含水量約為90%，當(dāng)蟲體缺水時可主動從60%RH的環(huán)境中吸取水分來維持自身生存與種群發(fā)展[7]，所以糧堆環(huán)境內(nèi)溫度、濕度等條件對書虱的生存生長、取食爬行、種群繁殖有著極大的影響，機(jī)械通風(fēng)技術(shù)可有效調(diào)控糧堆環(huán)境的溫濕度，破壞書虱適宜生存的糧堆環(huán)境，抑制書虱種群繁殖，達(dá)到書虱種群調(diào)控及防治目的。

本實驗以嗜卷書虱為研究對象，在實驗倉內(nèi)模擬糧倉環(huán)流通風(fēng)，探究不同單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群的調(diào)控效果差異；使用logistic生長曲線模型擬合調(diào)控規(guī)律，得出達(dá)到書虱種群調(diào)控目的所需環(huán)流通風(fēng)時間；同時，監(jiān)測通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)溫濕度變化，為環(huán)流通風(fēng)工藝的優(yōu)化提供參考。本研究是機(jī)械通風(fēng)技術(shù)在倉儲書虱種群調(diào)控方面的有益探索，為糧庫書虱防治提供新的技術(shù)和方法指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試蟲

嗜卷書虱成蟲由國家糧食局科學(xué)研究院提供，為北京品系。飼料為小麥粉：酵母粉=10∶1，飼料水含水量(12.5±2.0)%，飼養(yǎng)條件為(25.0±0.5) ℃、(75.0±5.0)% RH。實驗采用羽化5～7 d的嗜卷書虱成蟲。

1.2 實驗小麥

實驗小麥35 kg，其含水量為(12.0±1.0)%，利用小麥含水量調(diào)節(jié)公式，將實驗小麥水分調(diào)至(13.5±0.5)%，此時糧堆的相對濕度為(70.0±5.0)%RH[8]，與飼養(yǎng)條件相似。

1.3 實驗裝置

1.3.1 實驗倉

本次實驗設(shè)計并制作了小型模擬倉，用以模擬嗜卷書虱生存活動的糧堆環(huán)境和糧庫環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)。詳見圖1。

注：A環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)回流管道；B嗜卷書虱生存環(huán)境模擬區(qū)；C環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)管路。

模擬倉為高110 cm、外徑50 cm、厚度1 cm的亞克力材質(zhì)立筒倉，模擬倉主體外部連接管道是直徑為5 cm的PVC管材。模擬倉分上下兩部分，距頂部20 cm處有接縫，上部可拆卸，模擬倉由嗜卷書虱生存環(huán)境模擬區(qū)(B區(qū))和環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)區(qū)(A、C兩區(qū))兩大功能區(qū)構(gòu)成。

1.3.2 通風(fēng)設(shè)備及測試儀器

HF-100S小型通風(fēng)機(jī)；Em50 Digital/Analog Data Logger溫濕度檢測系統(tǒng)；JSFM—Ⅱ糧食水分測試磨；LDS—1H電腦水分測定儀；DGG—9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.3.3 蟲籠

使用密度為300目的紗布制作15 cm×24 cm一端開口的袋狀蟲籠，見圖2。

1.4 實驗方法

1.4.1 環(huán)流通風(fēng)工藝

采用上行式環(huán)流通風(fēng)工藝調(diào)控糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量，在風(fēng)機(jī)動力作用下，氣流自糧堆下方喇叭形通風(fēng)口均勻的通過通風(fēng)篩板進(jìn)入糧堆，自下而上穿過糧堆后，由模擬倉上方喇叭形通風(fēng)口回收重新經(jīng)風(fēng)機(jī)回到糧堆下方，實現(xiàn)倉內(nèi)氣體的循環(huán)往復(fù)。環(huán)流通風(fēng)過程中氣體流向見圖3。

圖2 蟲籠制作示意圖

圖3 環(huán)流通風(fēng)氣體流向示意圖

1.4.2 實驗倉測點布置

1.4.2.1 環(huán)流通風(fēng)參數(shù)測點

距通風(fēng)管道進(jìn)風(fēng)端5倍直徑處[9]，有2個互成90°、直徑12 mm的機(jī)械通風(fēng)參數(shù)測試孔，此處氣流穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確，如圖1所示。

1.4.2.2 糧堆內(nèi)實驗布點及溫濕度測點

于嗜卷書虱生存環(huán)境模擬區(qū)內(nèi)裝填實驗小麥，模擬嗜卷書虱在糧堆表層25 cm空間內(nèi)的生存環(huán)境。糧堆內(nèi)布設(shè)實驗蟲籠及溫濕度傳感器，探究環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量的調(diào)控效果，并實時監(jiān)測環(huán)流通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部溫濕度變化情況。

如圖4所示，將35 kg小麥倒入模擬倉中，糧堆深度約25 cm。分別在糧堆表面以下5 cm和20 cm深處鋪設(shè)蟲籠，每個深度等距離布設(shè)8處實驗點，實驗點距模擬倉倉壁5 cm呈圓形分布；在糧堆中線5 cm和20 cm深處埋設(shè)溫濕度傳感器探頭，每隔20 min記錄數(shù)據(jù)并定時下載。實驗設(shè)置實驗倉與對照倉，對照倉除未進(jìn)行環(huán)流通風(fēng)操作外，實驗環(huán)境、糧食裝填、蟲籠制作、實驗布點、溫濕度布點、取樣時間等均與實驗倉一致。

圖4 模擬倉內(nèi)實驗點及溫濕度監(jiān)測點布點圖

1.4.3 環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)測定及計算

1.4.3.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)速測定

實驗采用分環(huán)法[9]計算測點位置，在測試孔處測得風(fēng)機(jī)風(fēng)速并記錄測試結(jié)果。

如圖5所示，虛線內(nèi)圓形面積為π1，虛線與實線間圓環(huán)面積為π2，令π1=π2，計算半徑r=3.5，圖中虛線上互成90°的4個點即為風(fēng)機(jī)風(fēng)速測試點。

圖5 風(fēng)機(jī)風(fēng)速測點圖

1.4.3.2 環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)計算

1.4.3.3 環(huán)流通風(fēng)單位面積通風(fēng)量

采用串聯(lián)風(fēng)機(jī)的方式調(diào)節(jié)環(huán)流通風(fēng)工藝下不同單位面積通風(fēng)量，分別以0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量進(jìn)行環(huán)流通風(fēng)，探究不同單位面積通風(fēng)量對嗜卷書虱種群數(shù)量的調(diào)控效果。

1.4.4 嗜卷書虱種群數(shù)量調(diào)控效果檢測方法

1.4.4.1 蟲籠制作

將30 g小麥、5 g飼料、100只發(fā)育完全5～7 d的嗜卷書虱裝入蟲籠；按圖2所示折疊蟲籠，并從蟲籠一端按照“W”形將蟲籠折疊密封，用橡膠圈緊縛密封口；在蟲籠密封處綁縛一定長度的尼龍繩，并用標(biāo)簽做好相應(yīng)標(biāo)記，按圖4所示測點位置將蟲籠埋入糧堆相應(yīng)深度，打開風(fēng)機(jī)進(jìn)行環(huán)流通風(fēng)。

1.4.4.2 取樣計數(shù)

每日定時按編號將實驗倉與對照倉糧堆中不同深度的蟲籠取出，解開蟲籠，將蟲籠內(nèi)容物倒至白色瓷盤中，記錄環(huán)流通風(fēng)處理后存活的嗜卷書虱數(shù)量。計數(shù)后嗜卷書虱和蟲籠不放回糧堆。

1.4.5 數(shù)據(jù)處理

1.4.5.1 嗜卷書虱死亡率計算公式

1.4.5.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本處理統(tǒng)計與分析。繪制分析說明所需折線圖、柱狀圖等。SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)間的方差分析以及各變量與嗜卷書虱死亡率的相關(guān)性分析。MATLAB軟件擬合不同單位面積通風(fēng)量時環(huán)流通風(fēng)時間與嗜卷書虱死亡率的logistic函數(shù)關(guān)系式。

2 結(jié)果與分析

2.1 通風(fēng)時間對嗜卷書虱成蟲的影響

隨著環(huán)流通風(fēng)時間延長，觀察通風(fēng)處理后嗜卷書虱成蟲死亡率變化情況，研究上行式環(huán)流通風(fēng)對嗜卷書虱成蟲種群的防治效果。采用間歇性環(huán)流通風(fēng)方式進(jìn)行實驗，避免風(fēng)機(jī)由于工作時間過長產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象影響實驗結(jié)果，故通風(fēng)時間為累計通風(fēng)時間。

由圖6可知，0.036 m/s單位面積通風(fēng)量(圖6a)環(huán)流通風(fēng)由12 h至96 h，實驗倉糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率由30.7%上升至86.2%； 0.054 m/s單位面積通風(fēng)量(圖6b)環(huán)流通風(fēng)由12 h至96 h，實驗倉糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率由51.0%上升至94.0%；0.065 m/s單位面積通風(fēng)量(圖6c)環(huán)流通風(fēng)由6 h至48 h，實驗倉糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率由48.2%增長至98.0%。0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲的種群數(shù)量有明顯的調(diào)控效果，糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率隨通風(fēng)時間的延長而增加，最終可達(dá)100%。

圖6 通風(fēng)時間對嗜卷書虱成蟲的影響

2.2 不同單位面積通風(fēng)量對嗜卷書虱成蟲的影響

分別采用0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)工藝進(jìn)行實驗，對比分析糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲死亡率的變化差異。

由圖7可知，外界環(huán)境相同時，不同單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)均可調(diào)控糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量，且不同單位面積通風(fēng)量間嗜卷書虱死亡率有極顯著性差異(P<0.01)。環(huán)流通風(fēng)對嗜卷書虱成蟲種群的調(diào)控效果與單位面積通風(fēng)量的增加成正相關(guān)，即單位面積通風(fēng)量越大，調(diào)控強(qiáng)度越大，達(dá)到調(diào)控目的所需通風(fēng)時間越短：0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)工藝下，糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率達(dá)80%時所需時間分別為84、72、30 h。

圖7 不同單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)對嗜卷書虱成蟲的影響

環(huán)流通風(fēng)是糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲死亡的主要原因之一。嗜卷書虱蟲體含水量為90%，當(dāng)處于環(huán)流通風(fēng)環(huán)境中時，通風(fēng)帶走體表水分，使其脫水死亡。單位面積通風(fēng)量越大，風(fēng)速越大，嗜卷書虱脫水速率越快。環(huán)流通風(fēng)實驗倉與對照倉死亡嗜卷書虱對比情況，見圖8。

圖8 實驗后嗜卷書虱背、腹、側(cè)部對比圖

由圖8可知，環(huán)流通風(fēng)處理后死亡的嗜卷書虱成蟲嚴(yán)重脫水，蟲體干癟彎曲，顏色加深；未進(jìn)行通風(fēng)處理的嗜卷書虱成蟲蟲體顏色略深，仍呈現(xiàn)較為飽滿的狀態(tài)。證明環(huán)流通風(fēng)使嗜卷書虱脫水是致使其死亡的關(guān)鍵因素。

2.3 環(huán)流通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)溫度與濕度變化對嗜卷書虱成蟲的影響

監(jiān)測環(huán)流通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)溫濕度變化情況，探究其變化對嗜卷書虱的影響，并為糧庫進(jìn)行書虱防治時環(huán)流通風(fēng)參數(shù)選擇和綜合效益分析提供參考。

如圖9所示，環(huán)流通風(fēng)過程中實驗倉糧堆內(nèi)溫度在22.5～25 ℃之間，對照倉糧堆內(nèi)溫度在21.5～22.5 ℃之間。環(huán)流通風(fēng)各單位面積通風(fēng)量下，實驗倉糧堆內(nèi)溫度均高于對照倉，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱量使糧堆溫度升高1.1～2.7 ℃，對照倉糧堆內(nèi)溫度穩(wěn)定，波動幅度為0.4～0.8 ℃。

圖9 環(huán)流通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部溫度變化

如圖10所示，實驗初始濕度條件為71%～75%RH，環(huán)流通風(fēng)過程中實驗倉的濕度逐漸降低，對照倉濕度基本不變。各單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)過程中，實驗倉糧堆內(nèi)濕度下降幅度為11.1%～17.7%；對照倉糧堆內(nèi)濕度較為穩(wěn)定，在0.3%～1.4%范圍內(nèi)小幅度波動。

圖10 環(huán)流通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部濕度變化

糧堆內(nèi)濕度下降的幅度和速度與環(huán)流通風(fēng)單位面積通風(fēng)量有關(guān)。實驗初期糧堆內(nèi)濕度基本相同，實驗結(jié)束時，0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)實驗倉糧堆內(nèi)濕度分別為61.6%、59.1%、55.5%。由圖7可知，環(huán)流通風(fēng)結(jié)束時，各單位面積通風(fēng)量嗜卷書虱成蟲死亡率分別為86.2%、94.0%、98.0%，糧堆濕度變化與嗜卷書虱死亡率呈顯著負(fù)相關(guān)，即糧堆內(nèi)濕度變化加速了嗜卷書虱成蟲的死亡。

2.4 環(huán)流通風(fēng)處理后實驗小麥的水分含量變化

如圖11所示，環(huán)流通風(fēng)前后實驗倉小麥的含水量下降，且下降幅度隨單位面積通風(fēng)量的增大而增加。0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)后，小麥含水量分別下降了0.65%、2.01%、3.02%。實驗倉小麥糧堆水分下降主要原因是：一方面，模擬倉氣密性不良，容易受外界溫度影響，環(huán)流通風(fēng)單位面積通風(fēng)量較大，小麥水分下降較快；另一方面，模擬倉尺寸較小，實驗糧食僅有35 kg，糧堆整體受環(huán)流通風(fēng)氣流影響較大，小麥水分含量下降。

圖11 環(huán)流通風(fēng)前后模擬倉內(nèi)小麥水分含量變化

3 環(huán)流通風(fēng)對嗜卷書虱種群數(shù)量調(diào)控規(guī)律的方程擬合與分析

使用MATLAB軟件擬合環(huán)流通風(fēng)工藝下糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量調(diào)控規(guī)律，以Logistic函數(shù)生長曲線為模型獲得通風(fēng)時間與嗜卷書虱成蟲死亡率的函數(shù)關(guān)系式。為科學(xué)預(yù)測通風(fēng)截止點，高效調(diào)控糧堆內(nèi)書虱種群數(shù)量提供科學(xué)依據(jù)。

由表1和圖12可知，環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)各單位面積通風(fēng)量通風(fēng)時間與嗜卷書虱成蟲死亡率的Logistic函數(shù)模型擬合程度極高(R2>0.98)。可根據(jù)函數(shù)關(guān)系式計算當(dāng)嗜卷書虱成蟲死亡率達(dá)50%和90%時所需環(huán)流通風(fēng)時間，即致死時間(lethal time，LT)。

表1 函數(shù)關(guān)系式擬合參數(shù)表

圖12 環(huán)流通風(fēng)各單位面積通風(fēng)量擬合曲線

環(huán)流通風(fēng)各單位面積通風(fēng)量擬合函數(shù)關(guān)系式與嗜卷書虱環(huán)流通風(fēng)致死時間，詳見表2。

由表2可知，隨著環(huán)流通風(fēng)單位面積通風(fēng)量的增加，達(dá)到調(diào)控目的所需環(huán)流通風(fēng)時間(LT90)分別為：98.4、89.4、38.3 h。

表2 環(huán)流通風(fēng)調(diào)控嗜卷書虱函數(shù)關(guān)系式與致死時間表

4 環(huán)流通風(fēng)與豎向通風(fēng)工藝對比分析

對相同機(jī)械通風(fēng)設(shè)備條件、相同實驗環(huán)境下，環(huán)流通風(fēng)與豎向通風(fēng)在糧堆內(nèi)部溫濕度變化、機(jī)械通風(fēng)后小麥水分含量變化等方面的對比分析。

4.1 糧堆內(nèi)溫度與濕度變化差異

如圖13所示，機(jī)械通風(fēng)過程中，實驗倉溫度在22.2～25.2 ℃之間，可滿足嗜卷書虱成蟲生存所需溫度。相同通風(fēng)設(shè)備條件下，環(huán)流通風(fēng)糧堆內(nèi)平均溫度較豎向通風(fēng)高，分別高：0.21 ℃(1臺通風(fēng)設(shè)備)、0.94 ℃(2臺通風(fēng)設(shè)備)、0.85 ℃(3臺通風(fēng)設(shè)備)。

圖13 不同通風(fēng)方式通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部溫度變化

如圖14所示，環(huán)流通風(fēng)與豎向通風(fēng)過程中，糧堆內(nèi)濕度均明顯下降，下降幅度為11.1%～21.0%。0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)濕度變化影響大，濕度下降快，除此之外，相同通風(fēng)時間，豎向通風(fēng)對糧堆內(nèi)濕度的影響大于環(huán)流通風(fēng)。

圖14 不同通風(fēng)方式通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部溫度變化

4.2 通風(fēng)結(jié)束時實驗小麥水分含量差異

由圖15可知，通風(fēng)開始時，各實驗倉內(nèi)小麥含水量基本相同，差異僅為0.08%；通風(fēng)結(jié)束時，豎向通風(fēng)小麥含水量耗損嚴(yán)重，較環(huán)流通風(fēng)高0.69%～2.86%。

圖15 通風(fēng)前后模擬倉內(nèi)小麥水分含量變化

5 結(jié)論

0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量有明確的生態(tài)調(diào)控效果，隨著通風(fēng)時間的增加，糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率可達(dá)到100%。

環(huán)流通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量調(diào)控強(qiáng)度與調(diào)控時間隨單位面積通風(fēng)量的增大而增強(qiáng)增快。0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)工藝下，糧堆內(nèi)嗜卷書虱死亡率達(dá)80%時所需時間分別為84、72、30 h。

使用生長曲線Logistic函數(shù)模型對環(huán)流通風(fēng)過程中通風(fēng)時間與嗜卷書虱成蟲死亡率進(jìn)行擬合。得到0.036、0.054、0.065 m/s單位面積通風(fēng)量環(huán)流通風(fēng)嗜卷書虱成蟲死亡率函數(shù)關(guān)系式分別為：M=0.002 1+0.038 3×0.985 4t、M=-0.005 2+0.026 7×0.994 5t、M=0.008 3+0.016 8×0.954 4t；達(dá)到調(diào)控糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量目的所需環(huán)流通風(fēng)時間(LT90)分別為98.4、89.4、38.3 h。

綜合環(huán)流通風(fēng)與豎向通風(fēng)對糧堆內(nèi)嗜卷書虱成蟲種群數(shù)量物理防控結(jié)論中的調(diào)控效果、調(diào)控時間、通風(fēng)過程糧堆內(nèi)溫濕度變化及實驗小麥水分損耗等因素，推薦實際生產(chǎn)中采用較小單位面積通風(fēng)量(0.036 m/s)環(huán)流通風(fēng)工藝防治糧堆內(nèi)書虱，在達(dá)到調(diào)控目的的同時，有利于糧堆水分保持，確保糧食品質(zhì)和數(shù)量安全，最大限度降低能耗、減少損失。

6 展望

本實驗僅研究了環(huán)流通風(fēng)對嗜卷書虱成蟲的影響，對于其他蟲態(tài)(卵、若蟲等)未進(jìn)行系統(tǒng)實驗，需進(jìn)一步探索研究。

本研究結(jié)論均在模擬倉中進(jìn)行實驗獲得，要想將實驗結(jié)論應(yīng)用到實際糧倉內(nèi)嗜卷書虱的防治，更好地將理論模型研究應(yīng)用到倉儲害蟲防治，還需開展實倉應(yīng)用驗證和模型校準(zhǔn)研究，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械通風(fēng)控制工藝的參數(shù)，明確機(jī)械通風(fēng)工藝對實倉中書虱種群數(shù)量的調(diào)控規(guī)律。