潘 杰 ，劉 翔，邵沛澤，顏柳松，秦國(guó)勛，安榆林，溫俊寶

(1.連云港出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇連云港 222042;2.江蘇出入境檢驗(yàn)檢驗(yàn)局，南京 210001;3.北京林業(yè)大學(xué)林木有害生物防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

近年來(lái)我國(guó)木材進(jìn)口量一直保持著高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。進(jìn)口原木地區(qū)涵蓋來(lái)自美洲、歐洲、亞洲、大洋洲、非洲在內(nèi)的一百多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，其來(lái)源十分廣泛。我國(guó)木材進(jìn)境口岸多而分散，進(jìn)口量逐年增加，攜帶疫情也非常復(fù)雜，這給我國(guó)植物檢疫工作帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)(安榆林等，2010)。而原木所攜帶的有害生物大多為蛀干害蟲(chóng)，具有一定的隱蔽性，難以發(fā)現(xiàn)，給檢疫工作帶來(lái)了較大困難。一線口岸所使用的檢測(cè)方法主要采取目測(cè)、手檢等手段，對(duì)于有蟲(chóng)害跡象的原木進(jìn)行剝皮、斧鑿進(jìn)而尋找蛀干害蟲(chóng)，然后進(jìn)行室內(nèi)檢疫鑒定，不僅費(fèi)時(shí)，而且費(fèi)力，工作效率也較低。如何提升檢疫查驗(yàn)技術(shù)也是以后木材檢疫查驗(yàn)所面臨的新課題。

近年來(lái)，害蟲(chóng)聲音探測(cè)技術(shù)，逐漸成為昆蟲(chóng)聲學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域 (Webb et al.，1988;Hagastrum et al.，1996;趙麗穩(wěn)等，2008;趙源吉等，2009)。目前美國(guó)已經(jīng)利用害蟲(chóng)聲音探測(cè)技術(shù)建立了水果害蟲(chóng)和儲(chǔ)糧害蟲(chóng)聲音信號(hào)微機(jī)探測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)和鑒別儲(chǔ)糧中害蟲(chóng)的數(shù)量和種類，實(shí)際應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的出口及存儲(chǔ)檢疫等方面(唐為民等，2000;徐昉等，2001)，這也為此技術(shù)應(yīng)用于口岸原木檢疫提供了可行性;而隨著國(guó)外害蟲(chóng)聲音探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)此的研究也取得了較大的進(jìn)步，研究對(duì)象也由水果類害蟲(chóng)和倉(cāng)儲(chǔ)類害蟲(chóng)逐步擴(kuò)大到林木蛀干害蟲(chóng)，也為此技術(shù)應(yīng)用于口岸原木檢疫提供了可靠性。羅茜等(2011)采用語(yǔ)音處理與識(shí)別技術(shù)，通過(guò)收集與分析華山松大小蠹Dendroctonus ponderosae、短毛切梢小蠹Tomicus brevipilosus (Eggers)、云南切梢小蠹Tomicus yunnanensis 和紅脂大小蠹Dendroctonus valens 4 種小蠹蟲(chóng)雄蟲(chóng)的脅迫聲進(jìn)行鑒別;Soroker利用聲波探測(cè)裝置及相應(yīng)軟件分析以識(shí)別不同齡期幼蟲(chóng)的為害 (Soroker et al.，2004;Soroker et al.，2005)。本文主要對(duì)口岸經(jīng)常截獲的有害生物縫錘小蠹Gnathotrichus materiarius 和美西部云杉小蠹Gnathotrichus sulcatus 進(jìn)行了聲學(xué)特征的研究探討及對(duì)比分析，以期為進(jìn)一步研究林木鉆蛀類害蟲(chóng)聲音探測(cè)技術(shù)積累一些經(jīng)驗(yàn)，作一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 害蟲(chóng)飼養(yǎng)

試驗(yàn)中所用縫錘小蠹和美西部云杉小蠹均為對(duì)來(lái)自美國(guó)的花旗松檢疫截獲所得，均經(jīng)連云港出入境檢驗(yàn)檢驗(yàn)局鑒定。用保鮮盒進(jìn)行飼養(yǎng)，盒蓋上均勻打10個(gè)直徑4 mm的小氣孔，在盒內(nèi)放入蘸水的濾紙，濕度約為70%，封閉飼養(yǎng)于生化培養(yǎng)箱內(nèi)(溫度為24℃)，并進(jìn)行一一編號(hào)，待其發(fā)育為成蟲(chóng)后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.2 儀器設(shè)備

生化培養(yǎng)箱(ZSP-A0270);AED2010 便攜式聲音監(jiān)測(cè)儀:可存儲(chǔ)250個(gè)數(shù)據(jù)，前置放大器能提供20 dB的增益;R09 便攜錄音機(jī):Wav 格式信號(hào)的采樣率也可達(dá)44.10/48.00 KHz，位深16或24 bits;Goldwave 處理軟件:過(guò)濾信號(hào)中的噪聲;MATLAB 信號(hào)處理工具箱進(jìn)行聲音分析。

1.2 方法

1.2.1 信號(hào)采集

選擇具有較強(qiáng)隔音效果的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行錄制聲音，使用AED-2010 進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，要避免SP-1 探針與其它物體接觸產(chǎn)生噪音。在室內(nèi)溫度25℃、濕度60%條件下，將縫錘小蠹、美西部云杉小蠹分別放在劈開(kāi)的花旗松上，觀察成蟲(chóng)活動(dòng)，在距離成蟲(chóng)5 cm 處采集信號(hào)，并記錄成蟲(chóng)活動(dòng)狀況。每只成蟲(chóng)采集5個(gè)重復(fù)，信號(hào)的采集長(zhǎng)度設(shè)為10 s，采樣間隔為5 s，位深為24 bits。

1.2.2 信號(hào)分析

對(duì)所采集的聲信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕厝?，用于統(tǒng)計(jì)分析信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間等。然后利用Goldwave軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪。最后使用MATLAB 工具箱進(jìn)行信號(hào)的時(shí)域、頻域分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種小蠹取食聲學(xué)特征分析

2.1.1 時(shí)域特征

試驗(yàn)中分別采集縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲(chóng)各8 頭的取食聲信號(hào)，每次錄制信號(hào)10 s，每頭成蟲(chóng)5個(gè)重復(fù)。對(duì)采集到的聲音進(jìn)行物理降噪，通過(guò)Goldwave 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。再利用MATLAB 打開(kāi)處理后的取食聲(圖1、圖2)，可知縫錘小蠹取食信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間較短，美西部云杉小蠹成蟲(chóng)取食聲音信號(hào)脈沖間隔不穩(wěn)定。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析其取食聲信號(hào)的脈沖持續(xù)時(shí)間，可以看出縫錘小蠹主要分布于59.00-85.00 ms 區(qū)間;美西部云杉小蠹主要分布于80.00-130.25 ms 區(qū)間(表1)。

表1 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲(chóng)取食聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間(ms)Table 1 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult feeding acoustic signal pulse duration

圖1 信號(hào)時(shí)域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.1 The time domain graph of signal (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

圖2 信號(hào)單脈沖時(shí)域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.2 The time domain graph of signal pulse (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.1.2 頻域特征

利用Goldwave 軟件對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行降噪，再利用MATLAB 打開(kāi)處理后的取食聲(圖3、圖4)，通過(guò)表2 可以看出縫錘小蠹取食聲信號(hào)的主頻主要分布于189.50-375.00 Hz;美西部云杉小蠹取食聲信號(hào)頻率主要分布于490.00-640.20 Hz區(qū)間。

表2 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲(chóng)取食聲信號(hào)主頻(HZ)Table 2 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult feeding frequency sound signal

圖3 信號(hào)頻域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.3 The signal of frequency-domain (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

圖4 信號(hào)時(shí)頻圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.4 The signal of frequency chart (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.2 兩種小蠹爬行聲學(xué)特征分析

2.2.1 時(shí)域特征

首先，對(duì)采集到的聲音進(jìn)行物理降噪，通過(guò)Goldwave 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，再利用MATLAB 打開(kāi)處理后的取食聲(圖5、圖6)，從圖中可以看出兩種小蠹爬行聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間較短，脈沖間隔也較短。表3 中可以看出縫錘小蠹爬行聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間主要分布于50.60-67.00 ms 區(qū)間;美西部云杉小蠹主要分布于49.00-108.50 ms區(qū)間。

表3 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲(chóng)爬行聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間(ms)Table 3 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult crawling acoustic signal pulse duration

圖5 信號(hào)時(shí)域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.5 The time domain graph of signal (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

圖6 信號(hào)單脈沖時(shí)域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.6 The time domain graph of signal pulse (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.2.2 頻域特征

利用Goldwave 軟件對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行降噪，再利用MATLAB 打開(kāi)處理后的爬行聲(圖7)，通過(guò)表4 可以看出縫錘小蠹爬行聲信號(hào)的主頻主要分布于349.20-456.10 Hz;美西部云杉小蠹取爬行信號(hào)頻率主要分布于258.33-620.00 Hz 區(qū)間。

表4 縫錘小蠹、美西部云杉小蠹成蟲(chóng)爬行聲信號(hào)主頻(Hz)Table 4 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult crawling frequency sound signal

圖7 信號(hào)頻域圖(A，縫錘小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.7 The signal of frequency-domain (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

3 結(jié)論與討論

同種小蠹的取食和爬行聲信號(hào)差異明顯，而且縫錘小蠹、美西部云杉小蠹兩種小蠹間取食和爬行聲信號(hào)差異也較大，聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間、主頻差異顯著，利用聲音探測(cè)系統(tǒng)對(duì)林木蛀干害蟲(chóng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是可行的?？p錘小蠹成蟲(chóng)取食聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間主要分布于59.00-85.00 ms 區(qū)間，信號(hào)頻率主要分布于189.50-375.00 Hz 區(qū)間。而爬行聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間主要分布于50.60-67.00 ms 區(qū)間，信號(hào)頻率主要分布于349.20-456.10 Hz 區(qū)間;美西部云杉小蠹成蟲(chóng)取食聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間主要分布于80.00-130.25 ms 區(qū)間，信號(hào)頻率主要分布于490.00-640.20 Hz 區(qū)間。而爬行聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間主要分布于49.00-108.50 ms 區(qū)間，信號(hào)頻率主要分布于258.33-620.00 Hz 區(qū)間。婁定風(fēng)等(2013)研究鱗毛粉蠹Minthea rugicollis、寬斑脊虎天牛Xylotrechus colonus Fabricius、黑雙棘長(zhǎng)蠹Sinoxylon conigerum 得到其蛀食聲信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間主要分布于7-14 ms 區(qū)間、7-13 ms 區(qū)間、10-50 ms 區(qū)間，信號(hào)頻率主要分布于1.50-6.20 KHz 區(qū)間、1.50-1.70 KHz區(qū)間、3.60-6.70 KHz 區(qū)間?？梢钥闯隹p錘小蠹、美西部云杉小蠹與其它幾種鉆蛀類害蟲(chóng)幼蟲(chóng)取食聲學(xué)特征有較大差別，可以實(shí)現(xiàn)不同鉆蛀類害蟲(chóng)間有效聲識(shí)別。

不同科屬種的林木蛀干害蟲(chóng)聲學(xué)特征有待下一步研究。不同科之間、同科不同屬之間、同屬不同種之間聲學(xué)特征是否有顯著性差異，還需要大范圍進(jìn)行探討研究。而目前國(guó)內(nèi)缺乏數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)口岸檢疫收集信號(hào)，建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)好途徑。通過(guò)搭建聲音探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)與昆蟲(chóng)行為特性有關(guān)的聲音特性，建立林木蛀干害蟲(chóng)聲學(xué)信息庫(kù)。由于不同種類害蟲(chóng)的聲音特性具有較大差異，可以分辨出害蟲(chóng)的種類。將新探測(cè)到的聲音與已建立的聲音庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析，能夠分辨出原木被何種害蟲(chóng)為害。另外，可綜合利用國(guó)內(nèi)外研究成果，構(gòu)建林木蛀干害蟲(chóng)聲音探測(cè)技術(shù)平臺(tái)，從而推動(dòng)我國(guó)原木檢疫事業(yè)的不斷發(fā)展，防止檢疫性有害生物傳入我國(guó)給農(nóng)林及生態(tài)環(huán)境造成危害。

林木蛀干害蟲(chóng)具有蛀食隱蔽性的特點(diǎn)，通過(guò)目測(cè)、手檢等手段發(fā)現(xiàn)蛀干害蟲(chóng)的危害，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且困難較大。聲音探測(cè)技術(shù)在原木檢疫應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)越性，所以可以預(yù)測(cè)林木蛀干害蟲(chóng)聲音探測(cè)技術(shù)將會(huì)有良好的發(fā)展前景;但聲音探測(cè)技術(shù)上也有一定的困難，對(duì)做過(guò)熏蒸處理的原木進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不能很好的探測(cè)到卵、蛹以及死蟲(chóng)，具有一定的局限性;另外，同一批原木中可能有多種昆蟲(chóng)，其個(gè)體和形態(tài)也有較大的差別，如何甄別多種昆蟲(chóng)是此項(xiàng)技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。

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