缝锤小蠹与美西部云杉小蠹的声学特征与比较

潘 杰 ，刘 翔，邵沛泽，颜柳松，秦国勋，安榆林，温俊宝

(1.连云港出入境检验检疫局，江苏连云港 222042;2.江苏出入境检验检验局，南京 210001;3.北京林业大学林木有害生物防治北京市重点实验室，北京 100083)

近年来我国木材进口量一直保持着高速增长的趋势。进口原木地区涵盖来自美洲、欧洲、亚洲、大洋洲、非洲在内的一百多个国家和地区，其来源十分广泛。我国木材进境口岸多而分散，进口量逐年增加，携带疫情也非常复杂，这给我国植物检疫工作带来了前所未有的挑战(安榆林等，2010)。而原木所携带的有害生物大多为蛀干害虫，具有一定的隐蔽性，难以发现，给检疫工作带来了较大困难。一线口岸所使用的检测方法主要采取目测、手检等手段，对于有虫害迹象的原木进行剥皮、斧凿进而寻找蛀干害虫，然后进行室内检疫鉴定，不仅费时，而且费力，工作效率也较低。如何提升检疫查验技术也是以后木材检疫查验所面临的新课题。

近年来，害虫声音探测技术，逐渐成为昆虫声学研究的一个热点领域 (Webb et al.，1988;Hagastrum et al.，1996;赵丽稳等，2008;赵源吉等，2009)。目前美国已经利用害虫声音探测技术建立了水果害虫和储粮害虫声音信号微机探测系统，进行监测和鉴别储粮中害虫的数量和种类，实际应用于农产品的出口及存储检疫等方面(唐为民等，2000;徐昉等，2001)，这也为此技术应用于口岸原木检疫提供了可行性;而随着国外害虫声音探测技术的不断发展，我国对此的研究也取得了较大的进步，研究对象也由水果类害虫和仓储类害虫逐步扩大到林木蛀干害虫，也为此技术应用于口岸原木检疫提供了可靠性。罗茜等(2011)采用语音处理与识别技术，通过收集与分析华山松大小蠹Dendroctonus ponderosae、短毛切梢小蠹Tomicus brevipilosus (Eggers)、云南切梢小蠹Tomicus yunnanensis 和红脂大小蠹Dendroctonus valens 4 种小蠹虫雄虫的胁迫声进行鉴别;Soroker利用声波探测装置及相应软件分析以识别不同龄期幼虫的为害 (Soroker et al.，2004;Soroker et al.，2005)。本文主要对口岸经常截获的有害生物缝锤小蠹Gnathotrichus materiarius 和美西部云杉小蠹Gnathotrichus sulcatus 进行了声学特征的研究探讨及对比分析，以期为进一步研究林木钻蛀类害虫声音探测技术积累一些经验，作一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 害虫饲养

试验中所用缝锤小蠹和美西部云杉小蠹均为对来自美国的花旗松检疫截获所得，均经连云港出入境检验检验局鉴定。用保鲜盒进行饲养，盒盖上均匀打10个直径4 mm的小气孔，在盒内放入蘸水的滤纸，湿度约为70%，封闭饲养于生化培养箱内(温度为24℃)，并进行一一编号，待其发育为成虫后进行试验。

1.1.2 仪器设备

生化培养箱(ZSP-A0270);AED2010 便携式声音监测仪:可存储250个数据，前置放大器能提供20 dB的增益;R09 便携录音机:Wav 格式信号的采样率也可达44.10/48.00 KHz，位深16或24 bits;Goldwave 处理软件:过滤信号中的噪声;MATLAB 信号处理工具箱进行声音分析。

1.2 方法

1.2.1 信号采集

选择具有较强隔音效果的实验室进行录制声音，使用AED-2010 进行信号采集时，要避免SP-1 探针与其它物体接触产生噪音。在室内温度25℃、湿度60%条件下，将缝锤小蠹、美西部云杉小蠹分别放在劈开的花旗松上，观察成虫活动，在距离成虫5 cm 处采集信号，并记录成虫活动状况。每只成虫采集5个重复，信号的采集长度设为10 s，采样间隔为5 s，位深为24 bits。

1.2.2 信号分析

对所采集的声信号进行适当的截取，用于统计分析信号脉冲持续时间等。然后利用Goldwave软件对信号进行降噪。最后使用MATLAB 工具箱进行信号的时域、频域分析。

2 结果与分析

2.1 两种小蠹取食声学特征分析

2.1.1 时域特征

试验中分别采集缝锤小蠹、美西部云杉小蠹成虫各8 头的取食声信号，每次录制信号10 s，每头成虫5个重复。对采集到的声音进行物理降噪，通过Goldwave 软件来实现。再利用MATLAB 打开处理后的取食声(图1、图2)，可知缝锤小蠹取食信号脉冲持续时间较短，美西部云杉小蠹成虫取食声音信号脉冲间隔不稳定。通过统计分析其取食声信号的脉冲持续时间，可以看出缝锤小蠹主要分布于59.00-85.00 ms 区间;美西部云杉小蠹主要分布于80.00-130.25 ms 区间(表1)。

表1 缝锤小蠹、美西部云杉小蠹成虫取食声信号脉冲持续时间(ms)Table 1 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult feeding acoustic signal pulse duration

图1 信号时域图(A，缝锤小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.1 The time domain graph of signal (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

图2 信号单脉冲时域图(A，缝锤小蠹;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 频域特征

利用Goldwave 软件对声信号进行降噪，再利用MATLAB 打开处理后的取食声(图3、图4)，通过表2 可以看出缝锤小蠹取食声信号的主频主要分布于189.50-375.00 Hz;美西部云杉小蠹取食声信号频率主要分布于490.00-640.20 Hz区间。

表2 缝锤小蠹、美西部云杉小蠹成虫取食声信号主频(HZ)Table 2 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult feeding frequency sound signal

图3 信号频域图(A，缝锤小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.3 The signal of frequency-domain (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

图4 信号时频图(A，缝锤小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.4 The signal of frequency chart (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

2.2 两种小蠹爬行声学特征分析

2.2.1 时域特征

首先，对采集到的声音进行物理降噪，通过Goldwave 软件来实现，再利用MATLAB 打开处理后的取食声(图5、图6)，从图中可以看出两种小蠹爬行声信号脉冲持续时间较短，脉冲间隔也较短。表3 中可以看出缝锤小蠹爬行声信号脉冲持续时间主要分布于50.60-67.00 ms 区间;美西部云杉小蠹主要分布于49.00-108.50 ms区间。

表3 缝锤小蠹、美西部云杉小蠹成虫爬行声信号脉冲持续时间(ms)Table 3 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult crawling acoustic signal pulse duration

图5 信号时域图(A，缝锤小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.5 The time domain graph of signal (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

图6 信号单脉冲时域图(A，缝锤小蠹;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 频域特征

利用Goldwave 软件对声信号进行降噪，再利用MATLAB 打开处理后的爬行声(图7)，通过表4 可以看出缝锤小蠹爬行声信号的主频主要分布于349.20-456.10 Hz;美西部云杉小蠹取爬行信号频率主要分布于258.33-620.00 Hz 区间。

表4 缝锤小蠹、美西部云杉小蠹成虫爬行声信号主频(Hz)Table 4 Gnathotrichus materiarius and Gnathotrichus sulcatus adult crawling frequency sound signal

图7 信号频域图(A，缝锤小蠹;B，美西部云杉小蠹)Fig.7 The signal of frequency-domain (A，Gnathotrichus materiarius;B，Gnathotrichus sulcatus)

3 结论与讨论

同种小蠹的取食和爬行声信号差异明显，而且缝锤小蠹、美西部云杉小蠹两种小蠹间取食和爬行声信号差异也较大，声信号脉冲持续时间、主频差异显著，利用声音探测系统对林木蛀干害虫进行监测是可行的。缝锤小蠹成虫取食声信号脉冲持续时间主要分布于59.00-85.00 ms 区间，信号频率主要分布于189.50-375.00 Hz 区间。而爬行声信号脉冲持续时间主要分布于50.60-67.00 ms 区间，信号频率主要分布于349.20-456.10 Hz 区间;美西部云杉小蠹成虫取食声信号脉冲持续时间主要分布于80.00-130.25 ms 区间，信号频率主要分布于490.00-640.20 Hz 区间。而爬行声信号脉冲持续时间主要分布于49.00-108.50 ms 区间，信号频率主要分布于258.33-620.00 Hz 区间。娄定风等(2013)研究鳞毛粉蠹Minthea rugicollis、宽斑脊虎天牛Xylotrechus colonus Fabricius、黑双棘长蠹Sinoxylon conigerum 得到其蛀食声信号脉冲持续时间主要分布于7-14 ms 区间、7-13 ms 区间、10-50 ms 区间，信号频率主要分布于1.50-6.20 KHz 区间、1.50-1.70 KHz区间、3.60-6.70 KHz 区间。可以看出缝锤小蠹、美西部云杉小蠹与其它几种钻蛀类害虫幼虫取食声学特征有较大差别，可以实现不同钻蛀类害虫间有效声识别。

不同科属种的林木蛀干害虫声学特征有待下一步研究。不同科之间、同科不同属之间、同属不同种之间声学特征是否有显著性差异，还需要大范围进行探讨研究。而目前国内缺乏数据库，通过口岸检疫收集信号，建设数据库是一个好途径。通过搭建声音探测系统进行长期监测，统计与昆虫行为特性有关的声音特性，建立林木蛀干害虫声学信息库。由于不同种类害虫的声音特性具有较大差异，可以分辨出害虫的种类。将新探测到的声音与已建立的声音库进行比对分析，能够分辨出原木被何种害虫为害。另外，可综合利用国内外研究成果，构建林木蛀干害虫声音探测技术平台，从而推动我国原木检疫事业的不断发展，防止检疫性有害生物传入我国给农林及生态环境造成危害。

林木蛀干害虫具有蛀食隐蔽性的特点，通过目测、手检等手段发现蛀干害虫的危害，不仅费时费力，而且困难较大。声音探测技术在原木检疫应用方面具有很大的优越性，所以可以预测林木蛀干害虫声音探测技术将会有良好的发展前景;但声音探测技术上也有一定的困难，对做过熏蒸处理的原木进行检测时，不能很好的探测到卵、蛹以及死虫，具有一定的局限性;另外，同一批原木中可能有多种昆虫，其个体和形态也有较大的差别，如何甄别多种昆虫是此项技术亟待解决的问题。

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