東北地區(qū)落葉松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃初步研究*

郭安紅，王純枝，李軒，張玉書，張旭東

(1.國(guó)家氣象中心，北京100081;2.沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧沈陽110016;3．國(guó)家林業(yè)局森防總站，遼寧沈陽110034)

落葉松毛蟲(Dendrolimus superans(Butler))是我國(guó)東北落葉松林多發(fā)的主要害蟲。林木遭受害蟲危害后，會(huì)引起生長(zhǎng)受阻，嚴(yán)重時(shí)甚至死亡［1－3］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)落葉松毛蟲每年發(fā)生面積大約達(dá)200～280萬hm2，發(fā)生周期大約為14年，以每公頃每年減少生長(zhǎng)量1.38 m3計(jì)算，減少木材生長(zhǎng)量276～368萬m3［4］。

研究表明，氣象條件不但直接影響松毛蟲的分布和世代的多少，同時(shí)也影響整個(gè)生物種群間的動(dòng)態(tài)平衡，從而誘發(fā)間歇性周期發(fā)生和數(shù)量變動(dòng)。在光、熱充足的條件下，生長(zhǎng)發(fā)育期縮短;在氣象條件不適宜的情況下則可造成松毛蟲大量死亡，張玉書等［5］對(duì)松毛蟲越冬死亡率與氣象條件的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明松毛蟲越冬死亡率主要與冬季負(fù)積溫呈明顯指數(shù)關(guān)系，相關(guān)達(dá)極顯著水平;另外，長(zhǎng)期干旱時(shí)寄主植物內(nèi)部水分減少、糖分增加，可使幼蟲的取食量增大，間接地促使害蟲增加繁殖量;短時(shí)的暴風(fēng)驟雨可以沖刷樹上的幼蟲，長(zhǎng)期連綿陰雨會(huì)影響幼蟲的結(jié)繭、化蛹和成蟲的羽化［6］。劉志明等［7］分析了大興安嶺林區(qū)落葉松毛蟲大發(fā)生與≥10℃積溫、月平均相對(duì)濕度、降水量、溫度等氣象條件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，連續(xù)2～3年4－6月的相對(duì)濕度低于多年平均值、4－9月降水量低于多年同期、4－9月份的≥10℃積溫和平均氣溫高于歷年同期平均值，這三個(gè)條件以相對(duì)濕度指標(biāo)占主要地位，并在其它條件(蟲口基數(shù)、天敵、人為活動(dòng))相適應(yīng)的情況下，則有松毛蟲大發(fā)生的可能。此外，還有不少學(xué)者開展了利用氣象條件預(yù)測(cè)松毛蟲發(fā)生期、發(fā)生量的預(yù)測(cè)研究［8－10］。

氣象因子對(duì)松毛蟲災(zāi)害的發(fā)生有著直接相關(guān)影響，但是目前關(guān)于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的氣象風(fēng)險(xiǎn)尚未見有相關(guān)研究。近年來，隨著全球氣候變化和極端氣候事件增多，為松毛蟲等病蟲害發(fā)生提供了有利條件。本文利用黑龍江省牡丹江市海林市松毛蟲發(fā)生情況與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，篩選出影響松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子，通過分析東北地區(qū)松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子1971－2010年的變化趨勢(shì)以及出現(xiàn)的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率，得出東北地區(qū)落葉松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。研究結(jié)果為松毛蟲災(zāi)害防御以及氣候變化下松毛蟲發(fā)生的潛勢(shì)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 落葉松毛蟲資料

資料來源于國(guó)家林業(yè)局森林病蟲害防治總站林木害蟲發(fā)生情況測(cè)報(bào)統(tǒng)計(jì)資料，監(jiān)測(cè)點(diǎn)為黑龍江省牡丹江市海林林場(chǎng)，資料時(shí)間序列為1987－2008年，包括被害株率(%)指標(biāo)、蟲口密度(頭/株)或病情指數(shù)指標(biāo)、發(fā)生面積指標(biāo)以及危害情況等。

1.2 相關(guān)氣象資料的處理

基礎(chǔ)氣象資料來源于國(guó)家氣象中心，包括黑龍江、吉林和遼寧三個(gè)省76個(gè)氣象站逐日氣象觀測(cè)資料。由于松毛蟲的主要活動(dòng)期集中在4月下旬至9月下旬日平均氣溫≥10℃的時(shí)段。所以選擇年≥10℃積溫(距平)，夏季(6－8月)氣溫，夏季日最高氣溫≥30℃天數(shù)，冬季(前一年12月－當(dāng)年2月)氣溫，前一年11月－當(dāng)年3月日最低氣溫≤－20℃天數(shù)，松毛蟲活動(dòng)期前后1個(gè)月(即3－10月)降水≥0.1 mm日數(shù)等作為對(duì)松毛蟲生長(zhǎng)發(fā)育有影響的氣象因子進(jìn)行分析。氣候傾向率的計(jì)算采用一元線性擬合分析方法，分別計(jì)算出76個(gè)氣象站1971－2010年40年上述各要素氣候傾向率，并且利用ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值進(jìn)行分析。

1.3 影響落葉松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子篩選

由于牡丹江市海林市松毛蟲發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)資料時(shí)間的序列為1987－2008年，因此整理牡丹江市1987－2008年對(duì)松毛蟲生長(zhǎng)發(fā)育有影響的氣象因子與同年被害株率(%)、蟲口密度(頭/株)或病情指數(shù)和發(fā)生面積進(jìn)行相關(guān)分析，篩選出影響落葉松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子。

1.4 氣象因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

由于松毛蟲災(zāi)害的發(fā)生可能同時(shí)與多種關(guān)鍵氣象因子有關(guān)，因此首先針對(duì)1.3節(jié)中篩選出來的每個(gè)關(guān)鍵氣象因子，計(jì)算其40年來出現(xiàn)利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的概率。例如年≥10℃積溫與松毛蟲災(zāi)害發(fā)生具有正相關(guān)關(guān)系，則計(jì)算某一地區(qū)1971－2010年40年來出現(xiàn)的正距平的概率，如果出現(xiàn)正距平的概率≥0.5，那么該地區(qū)年≥10℃積溫單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大;反之，對(duì)于負(fù)相關(guān)的關(guān)鍵氣象因子，如果某一地區(qū)該氣象因子出現(xiàn)負(fù)距平的概率≥0.5，那么該地區(qū)這個(gè)負(fù)相關(guān)單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大。基于黑龍江、吉林和遼寧三個(gè)省76個(gè)氣象站進(jìn)行計(jì)算，并且利用ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值分析得到單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)分布。

2 主要結(jié)果

2.1 影響落葉松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子

通過牡丹江市1987－2008年氣象因子與松毛蟲發(fā)生情況進(jìn)行相關(guān)分析表明，松毛蟲的發(fā)生面積與≥10℃積溫、夏季氣溫和日最高氣溫≥30℃天數(shù)之間有較好的正相關(guān)關(guān)系(r分別為0.427、0.308和0.445)，而與3－10月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(r為0.398)。

另外，從海林市松毛蟲發(fā)生面積較高的1998、1999、2006年個(gè)例來看，1998年≥10℃年積溫距平達(dá)到549.3℃·d，日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃日數(shù)達(dá)到177 d，為近20年來的極值;另外，1997年12月－1998年2月(1997/1998冬季)氣溫為正距平，1997年11月－1998年3月日最低氣溫≤－20℃天數(shù)均為負(fù)距平;同時(shí)，1998年3－10月降水量和降水日數(shù)為負(fù)距平。也就是說1998年冬季相對(duì)偏暖，年≥10℃年積溫較高，3－10月降水量偏少，三因素共同作用導(dǎo)致了1998年海林市松毛蟲發(fā)生面積較高。

同樣分析表明，1999年夏季氣溫、日最高氣溫≥30℃天數(shù)分別為近20年來的第2高和第1高;1998/1999冬季氣溫為正距平，1998年11月－1999年3月日最低氣溫≤－20℃天數(shù)為負(fù)距平;1999年3－10月降水量為近20年來的最低值，3－10月降水≥0.1 mm日數(shù)為負(fù)距平。顯然1999年經(jīng)歷了一個(gè)較為溫暖的冬季和相對(duì)炎熱的夏季，松樹生長(zhǎng)季持續(xù)干旱(1998年3－10月降水也偏少)，導(dǎo)致了1999年海林市松毛蟲發(fā)生面積較高。

2006年≥10℃年積溫、夏季氣溫和日最高氣溫≥30℃天數(shù)等溫度要素均為正距平，而2003－2006年連續(xù)4年3－10月降水量為負(fù)距平，也就是說2006年松毛蟲生長(zhǎng)季和夏季溫度偏暖，松樹生長(zhǎng)季長(zhǎng)期持續(xù)干旱造成松毛蟲發(fā)生面積較高。

總結(jié)1998、1999、2006年這三個(gè)大發(fā)生年個(gè)例，發(fā)現(xiàn)都有3－10月降水量負(fù)距平這個(gè)關(guān)鍵氣象因子，顯然松毛蟲生長(zhǎng)季降水偏少對(duì)松毛蟲大發(fā)生是極為有利的。而在年≥10℃積溫正距平、夏季氣溫正距平、夏季日最高氣溫≥30℃天數(shù)正距平以及冬季氣溫正距平溫度類關(guān)鍵氣象因子中，往往有年≥10℃積溫正距平、夏季氣溫正距平(或者夏季日最高氣溫≥30℃天數(shù)正距平，因?yàn)橄募練鉁卣嗥脚c夏季日最高氣溫≥30℃天數(shù)正距平往往具有變化上的一致性)，以及冬季氣溫正距平三個(gè)溫度要素中的任意兩個(gè)因子滿足條件，主要是因?yàn)樯L(zhǎng)季溫度偏高、夏季炎熱以及暖冬都是導(dǎo)致松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的有利溫度氣象條件，而當(dāng)有利溫度條件出現(xiàn)一定程度的疊加時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致松毛蟲的大發(fā)生，單一條件滿足尚不足以導(dǎo)致大發(fā)生。

2.2 東北地區(qū)40年來影響松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子變化趨勢(shì)

根據(jù)上述分析，選用≥10℃積溫、夏季氣溫和日最高氣溫≥30℃天數(shù)、冬季氣溫四個(gè)正相關(guān)因子和3－10月降水量一個(gè)負(fù)相關(guān)因子綜合分析東北地區(qū)40年來影響松毛蟲大發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子變化趨勢(shì)

(1)1971－2010年東北地區(qū)年≥10℃積溫、夏季和冬季氣溫均呈明顯增加趨勢(shì)。其中，黑龍江南部、吉林西部等年≥10℃積溫氣候傾向率基本都在10℃/10 a以上(圖1a);黑龍江中部地區(qū)冬季氣溫氣候傾向率在0.6℃/10 a以上(圖1b);以黑龍江小興安嶺為主的地區(qū)夏季氣溫氣候傾向率為0.4－0.6℃/10 a(圖1c)。圖1d中顯示除了黑龍江三江平原東部地區(qū)外，東北地區(qū)大部夏季日最高氣溫≥30℃日數(shù)呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，其中黑龍江北部以小興安嶺為主的地區(qū)、遼寧大部和吉林西部部分地區(qū)夏季日最高氣溫≥30℃日數(shù)氣候傾向率在0.2 d/10 a以上。

圖1 1971－2010年東北地區(qū)氣溫氣候傾向率分布

(2)東北地區(qū)大部松毛蟲生長(zhǎng)季前后(3－10月)降水呈現(xiàn)微弱的降低趨勢(shì)。圖2中表明黑龍江中東部大部地區(qū)、吉林中西部大部和遼寧大部3－10月降水量呈現(xiàn)微弱的減少趨勢(shì);黑龍江小興安嶺為主的地區(qū)、吉林東部和遼寧東北部則呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)。

圖2 1971－2010年東北地區(qū)3－10月降水量氣候傾向率分布

根據(jù)前述得分析，松毛蟲的發(fā)生面積與≥10℃積溫、夏季氣溫和日最高氣溫≥30℃天數(shù)之間有較好的正相關(guān)關(guān)系;而與3－10月降水量有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系;另外，暖冬對(duì)于松毛蟲的安全越冬較為有利。總體看來，40年來東北地區(qū)大部氣候趨向于利于松毛蟲災(zāi)害的發(fā)生。

2.3 氣象因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)1.4節(jié)中的分析方法，采用≥10℃積溫、夏季氣溫和日最高氣溫≥30℃天數(shù)、冬季氣溫等關(guān)鍵氣象因子1971－2010年40年正距平概率≥0.5來表示該地區(qū)該關(guān)鍵氣象因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大;采用3－10月降水量負(fù)距平概率≥0.5來表示該地區(qū)3－10月降水量利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大。

圖3為東北地區(qū)1971－2010年40年中≥10℃積溫正距平和夏季氣溫正距平出現(xiàn)的概率分布圖。從圖3a中可以看出在遼寧大部、吉林東部和黑龍江三江平原東部40年來≥10℃積溫出現(xiàn)正距平的概率都在0.51以上，上述地區(qū)≥10℃積溫單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大;從圖3b中可以看出黑龍江大興安嶺地區(qū)、三江平原西北部以及遼寧中部平原的部分地區(qū)40年來夏季氣溫出現(xiàn)正距平的概率都在0.51以上，上述地區(qū)夏季氣溫單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大。東北地區(qū)夏季日最高氣溫≥30℃天數(shù)出現(xiàn)正距平概率≥0.5的分布區(qū)域很小(圖略)，也就是說東北地區(qū)夏季日最高氣溫≥30℃天數(shù)單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較小。

圖3 東北地區(qū)1971－2010年≥10℃積溫正距平和夏季氣溫正距平概率分布

圖4為東北地區(qū)1971－2010年3－10月降水量出現(xiàn)負(fù)距平的概率分布圖?？梢钥闯鲈跂|北的大部分地區(qū)40年來3－10月降水量出現(xiàn)負(fù)距平的概率都在0.51以上，其中遼寧東部、吉林東南部和黑龍江北部部分地區(qū)3－10月降水量出現(xiàn)負(fù)距的概率平都在0.55以上。.也就是說東北地區(qū)大部3－10月降水量單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較高。

圖5為東北地區(qū)1971－2010年40年中冬季氣溫出現(xiàn)正距平的概率分布圖。可以看出在遼寧和吉林的大部分地區(qū)以及黑龍江大興安嶺的部分地區(qū)40年來冬季氣溫出現(xiàn)正距平的概率都在0.51以上，上述地區(qū)冬季氣溫單因子利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的歷史風(fēng)險(xiǎn)概率較大。

圖4 東北地區(qū)1971－2010年3－10月降水量負(fù)距平概率分布圖

圖5 東北地區(qū)1971－2010年冬季氣溫正距平概率分布圖

圖6 東北地區(qū)松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃示意圖

2.4 東北地區(qū)松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

根據(jù)2.1節(jié)中分析的1998、1999、2006年這三個(gè)大發(fā)生年個(gè)例，可以得出:如果某一地區(qū)某年份出現(xiàn)3－10月降水量負(fù)距平的同時(shí)，又出現(xiàn)了≥10℃積溫正距平、夏季氣溫正距平(或者日最高氣溫≥30℃天數(shù)正距平)，以及冬季氣溫正距平三溫度要素中任意兩個(gè)因子正距平，則該年氣象條件利于松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的可能性較大。如果該地區(qū)1971－2010年40年中滿足上述氣象條件的年份較多，則該地區(qū)松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)就較高;反之40年中滿足上述氣象條件的年份少，則該地區(qū)松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖6中給出了根據(jù)上述條件分析的松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的氣象風(fēng)險(xiǎn)分布圖?？梢钥闯?，吉林省中部、黑龍江大小興安嶺、牡丹江半山區(qū)的南部和西部松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)約為10年二、三遇;遼寧大部，吉林省東南部、黑龍江松嫩平原和三江平原松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)約為10年三至四遇。

3 討論

(1)本文利用黑龍江省牡丹江市海林市松毛蟲發(fā)生情況與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，篩選出影響松毛蟲發(fā)生的關(guān)鍵氣象因子，其主要結(jié)論與近年來的研究結(jié)果基本相同。由于松毛蟲對(duì)環(huán)境氣象因子的生理需求具有一定的一致性，所以利用該關(guān)鍵氣象因子外推并用以分析影響東北地區(qū)松毛蟲發(fā)生的氣象條件。本文的主要結(jié)論之一——1971－2010年40年來東北地區(qū)氣候變化趨向于利于松毛蟲發(fā)生，顯然與近年來氣候變化和極端氣候事件增多，為松毛蟲發(fā)生提供了有利條件的研究結(jié)果相一致。

(2)本文利用氣象條件滿足3－10月降水量負(fù)距平的同時(shí)，又滿足冬季氣溫、≥10℃積溫、夏季氣溫(或者日最高氣溫≥30℃天數(shù))三個(gè)關(guān)鍵溫度要素中任兩個(gè)要素正距平作為判別東北地區(qū)松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的依據(jù)。但是需要注意的是，該氣象條件與松毛蟲災(zāi)害發(fā)生為充分而非必要條件，即滿足上述氣象條件，則存在松毛蟲災(zāi)害發(fā)生的可能性，但不是必然性。

(3)本文在利用ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值進(jìn)行分析時(shí)主要是基于東北地區(qū)76個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象資料以及站點(diǎn)的空間分布，采用反向距離插值法(IDW)進(jìn)行的空間分析，對(duì)于地形和高程的考慮不足，可能還有其它插值方法更適合于本文各要素的分析。此外，東北地區(qū)松毛蟲災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃僅為氣象條件這一充分非必要條件，沒有考慮東北地區(qū)落葉松以及落葉松毛蟲的主要分布區(qū)，在以后的研究中將進(jìn)一步展開。

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