降水對新疆馬鈴薯甲蟲分布的影響

李　超, 劉　懷,郭文超,程登發(fā), 張云慧, 吐爾遜·阿合買提

1 西南大學植物保護學院,重慶　400715 2 新疆農業(yè)大學農學院，農林有害生物監(jiān)測與安全防控重點實驗室，烏魯木齊　830052 3 農業(yè)部西北荒漠綠洲作物有害生物重點實驗室,新疆農業(yè)科學院植物保護研究所，烏魯木齊　830052 4 中國農業(yè)科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京　100193

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降水對新疆馬鈴薯甲蟲分布的影響

李超2, 劉懷1,*,郭文超3,程登發(fā)4, 張云慧4, 吐爾遜·阿合買提3

1 西南大學植物保護學院,重慶400715 2 新疆農業(yè)大學農學院，農林有害生物監(jiān)測與安全防控重點實驗室，烏魯木齊830052 3 農業(yè)部西北荒漠綠洲作物有害生物重點實驗室,新疆農業(yè)科學院植物保護研究所，烏魯木齊830052 4 中國農業(yè)科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京100193

摘要:為明確降水在中國新疆地區(qū)對馬鈴薯甲蟲分布的影響,揭示制約馬鈴薯甲蟲分布擴散的關鍵環(huán)境因子,為馬鈴薯甲蟲的持續(xù)防控和綜合治理提供理論依據。該研究結合新疆歷史降水數據,對馬鈴薯甲蟲現有分布區(qū)內的降水時空格局展開分析,比較了馬鈴薯甲蟲危害程度與降水時空格局的關系。結果表明：馬鈴薯甲蟲現主要分布于新疆年降水量在150 mm以上地區(qū),早期定殖的地區(qū)降水量大于后期定殖區(qū),其擴散方向為自西向東,同時年降水量也逐漸減少。馬鈴薯甲蟲危害程度也隨著經度增加而遞減,早期發(fā)現馬鈴薯甲蟲的地區(qū)受危害程度較重。降水量減少導致的水分缺乏對馬鈴薯甲蟲的分布擴散具有一定的制約作用。

關鍵詞：馬鈴薯甲蟲；分布；年降水量；空間格局；定殖

馬鈴薯甲蟲[Leptinotarsadecemlineata(Say)],隸屬鞘翅目,葉甲科,是國際公認的毀滅性檢疫害蟲,也是中國對外重大檢疫對象和重要外來入侵物種之一[1- 3]。20世紀90年代初由哈薩克斯坦傳入中國新疆北部地區(qū)以來,該蟲一直持續(xù)自西向東傳播擴散,目前已在新疆北部大部分地區(qū)廣泛分布[4-5]。馬鈴薯甲蟲主要以成蟲和幼蟲危害茄科作物,其中最嗜栽培寄主植物是馬鈴薯,其次是天仙子和茄子[6]。馬鈴薯甲蟲帶來的危害通常是毀滅性的,給馬鈴薯生產造成嚴重的經濟損失,一般可減產30%—50%,嚴重時達90%[7-8]。洪波等對中國新疆地區(qū)馬鈴薯甲蟲田間種群的空間分布型展開研究,提出了序貫抽樣方法[9-10]。在馬鈴薯甲蟲空間大尺度分布的研究方面,國內外學者也已開展了廣泛的適生區(qū)和潛在分布方面的研究[11- 13]。同時,對影響馬鈴薯甲蟲分布擴散的生態(tài)環(huán)境因子[14],如溫度[15]、河流[16]等開展了相關研究。

中國新疆地區(qū)農業(yè)種植的特點是典型的“灌溉農業(yè)”。農業(yè)種植區(qū)域主要分布于新疆天山北坡的綠洲地帶,降水與河流為該地區(qū)的農業(yè)種植提供了主要水源。近年來,全球變暖所帶來的境外輸入水汽量的增加導致新疆年降水量總體上呈增加的趨勢[17-21]。馬鈴薯甲蟲發(fā)育的適宜相對濕度為60%—75%,即需要一定的降雨條件或者地面徑流、地下水等水分條件。新疆地區(qū)獨特的降水分布特征,對馬鈴薯甲蟲的空間分布帶來何種影響？本研究基于新疆地區(qū)歷史降水資料的分析,利用ArcGIS軟件對新疆地區(qū)降水的時空分布格局與馬鈴薯甲蟲分布的關系進行了研究。旨在明確制約馬鈴薯甲蟲分布擴散的關鍵環(huán)境因子,為馬鈴薯甲蟲的綜合治理提供依據。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

山脈與盆地相間排列盆地與高山環(huán)抱、喻稱“三山夾二盆”。北部阿爾泰山,南部為昆侖山系；天山橫亙于新疆中部,把新疆分為南北兩半,南部是塔里木盆地,北部是準噶爾盆地。習慣上稱天山以南為南疆,天山以北為北疆,把哈密、吐魯番盆地為東疆。新疆遠離海洋,深居內陸,四周有高山阻隔,海洋水汽不易到達,形成明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫變化大,日照時間長(年日照時間達2500—3500 h),降水量少,空氣干燥。新疆年平均降水量為150 mm左右,但各地降水量相差很大,南疆的氣溫高于北疆,北疆的降水量高于南疆[18]。

1.2數據來源

降水數據來自于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)的中國地面氣候資料日值數據集,由各省上報的全國地面月報信息化文件根據《全國地面氣候資料(1955—2012)統(tǒng)計方法》及《地面氣象觀測規(guī)范》有關規(guī)定,進行整編統(tǒng)計而得。

1.3馬鈴薯甲蟲蟲情調查方法

馬鈴薯甲蟲發(fā)生期蟲情普查選擇北疆地區(qū)已有馬鈴薯甲蟲分布的縣(市)進行,每縣(市)選擇有代表性的鄉(xiāng)鎮(zhèn)2—3個,每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇2—3塊寄主田進行普查。在每一田塊內,調查選用對角線抽樣的方法,根據馬鈴薯田田塊面積的大小調查不同株數。4 hm2以下地塊取10個調查點,每點連續(xù)調查10株,4 hm2以上地塊取20個調查點,每點連續(xù)調查5株(馬鈴薯甲蟲疫情監(jiān)測規(guī)程)。在每個采樣點,分別記錄馬鈴薯甲蟲成蟲,卵塊(不計算一齡幼蟲在孵化的卵的數量),一齡(L1),二齡(L2),三齡(L3),和四齡(L4)幼蟲的數量,并換算成百株蟲量。百株蟲量以相對成蟲數量(EAN)表示,相對成蟲數量指潛在的成蟲數量,包括所有的未成熟的馬鈴薯甲蟲個體(卵和幼蟲),具體計算方法見參考文獻[24]。

危害程度分為五級,零級(沒有發(fā)生)；1級(輕度發(fā)生：百株相對成蟲數量小于600)；2級(中度發(fā)生：百株相對成蟲數量600—1200)；3級(重度發(fā)生：百株相對成蟲數量1200—2400)；4級(非常嚴重危害：百株相對成蟲數量大于2400)。 每個調查點的地理坐標使用Garmin(Olathe, KS, USA)的60CX手持GPS裝置記錄經緯度坐標,采集完成后調查點地理數據導入ArcGIS9.2(ESRI,2006年)進行地圖繪制和分析。

1.4數據分析和統(tǒng)計

為分析降雨影響,提取了1955—2012年降雨量日值數據,并制作了年均降水量和4—9月新疆地區(qū)降水量統(tǒng)計數據。應用ArcGIS軟件中的地統(tǒng)計學模塊進行空間降水插值。根據前人研究結果,在局部地區(qū)的分析上,反距離加權插值方法得到的結果較為理想[22]。故本研究也采用反距離加權法進行插值,并應用ArcGIS9.2(ESRI,2006年)繪制了對應的降雨分布圖。同時運用SPSS統(tǒng)計軟件分別對4—9月新疆馬鈴薯甲蟲定殖區(qū)和非定殖區(qū)內的月降水量進行t-test檢驗。

2結果與分析

2.1新疆年降水空間分布特征

新疆地區(qū)年降水量地域差異明顯,北疆地區(qū)降水量大,而南疆地區(qū)降水稀少(圖1)。其中北疆的伊犁地區(qū)降水量最為充沛,年降水量達200 mm 以上,包括察布查爾縣、霍城市、伊寧縣和伊寧市全境,尼勒克縣、鞏留縣、特克斯縣和昭蘇縣的西北區(qū)域部。同時與該區(qū)域相鄰的博樂地區(qū)的博樂市、溫泉縣以及精河縣的西部地區(qū)年降水量也較大。上述區(qū)域均為馬鈴薯甲蟲早期定殖區(qū)域。在馬鈴薯甲蟲定殖區(qū)內,除烏魯木齊市南部地區(qū),吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘縣外,其他縣市的年降水量均在150 mm以上。越過天山山脈向南,年降水量開始逐漸減少,其中以南疆塔里木盆地中心的沙漠區(qū)域降水量最低,年降水量在20 mm以下。南疆其他地區(qū)中,靠近山區(qū)的地方降水較多,如阿克蘇西北地區(qū)和克州地區(qū)。新疆地區(qū)的降水的空間分布格局為：北疆地區(qū)降水多于南疆地區(qū),西北地區(qū)多于東南地區(qū)。

圖1　新疆年降水量分布圖(1955—2012年)Fig.1　Spatial pattern of annual precipitation in Xinjiang (1955—2012)

2.2馬鈴薯甲蟲蟲害分布狀況與危害程度

根據調查結果,馬鈴薯甲蟲已在新疆北部地區(qū)46個縣(市)中的36個縣市發(fā)生危害。沒有發(fā)生馬鈴薯甲蟲危害的縣市為：克拉瑪依市、和布克賽爾縣、巴里坤縣、伊吾市,哈密市、吐魯番市、鄯善縣、托克遜縣、青河縣和富蘊縣。其中福海縣僅在2008年有發(fā)現,后期調查未發(fā)現。受制于荒漠,山脈等新疆地區(qū)典型的天然屏障,或當地非農業(yè)種植地區(qū),缺乏馬鈴薯寄主植物的縣市在本研究調查中也沒有發(fā)現,如烏蘇市和克拉瑪依市(表1)。

表1　馬鈴薯甲蟲蟲害分布(新疆,2011)

空白區(qū)域表明馬鈴薯甲蟲的危害情況未知,零表示沒有馬鈴薯甲蟲分布；① 非農業(yè)種植區(qū),缺乏馬鈴薯甲蟲的寄主植物；② 本研究中調查未發(fā)現,但其他研究曾有報道;③ 本研究中調查未發(fā)現,也沒有其他前人有過相關報道馬鈴薯甲蟲發(fā)生

2.3新疆馬鈴薯甲蟲發(fā)生與降水的關系

在新疆北部的馬鈴薯甲蟲發(fā)生區(qū)域內,伊犁河谷地區(qū)的霍城縣和塔城地區(qū)的塔城市是馬鈴薯甲蟲最早入侵的地區(qū),馬鈴薯甲蟲發(fā)生的時間是1992年,上述兩地年降水量較大,均在200 mm以上。隨著時間的推移,馬鈴薯甲蟲一路自西向東擴散,同時隨著地理位置逐漸向東,年降水量開始逐漸減少(圖2),年降水量與地理位置的經度呈線性相關(圖3),相關系數為r=-0.9637。在馬鈴薯甲蟲發(fā)生期(4—9月)月降水量與經度也均呈線性相關,相關系數分別為：4月,r=-0.8670；5月r=-0.96789； 6月,r=-0.96282；7月,r=-0.92455；8月,r=-0.8727；9月,r=-0.9365。馬鈴薯甲蟲危害程度也隨著經度增加而遞減,早期發(fā)現馬鈴薯甲蟲的地區(qū)受危害程度較重。

圖2　新疆馬鈴薯甲蟲發(fā)生與年降水空間分布格局的關系(1955—2012)Fig.2　The relationship of CPB occurrence and annual precipitation in Xinjiang from 1955 to 2012

圖3　降水量、危害級別與經度的關系　Fig.3　The decrease of precipitation and damage levels with moving to east in Northern Xinjiang

2.4馬鈴薯甲蟲蟲害危害程度與降水的關系

馬鈴薯甲蟲的危害程度與月降水量也存在著一定的關系(圖4)。危害級別2和危害級別3的地區(qū),月降水量較大,并顯著高于危害級別1和危害級別4的地區(qū)(P<0.05),但危害級別1和危害級別3的地區(qū)之間,月降水量差異不顯著,危害級別1和危害級別4的地區(qū)之間也無顯著差異。馬鈴薯甲蟲在新疆的整個發(fā)生期內(4—9月)的月降水量均符合上述規(guī)律。

3結論與討論

新疆是典型的干旱少雨區(qū),約有76%的氣象站測得的多年平均年降水量不超過200 mm,其中年降水量100 mm以下的占46%。馬鈴薯甲蟲現有分布區(qū)內年降水量在150 mm以上,最早發(fā)現馬鈴薯甲蟲定殖的地區(qū)降水量大,隨著其自西向東擴散的方向,年降水量開始逐漸減少。木壘縣以東及其巴里坤、哈密等東疆地區(qū)年降水量低于150 mm。南疆地區(qū)降水量更低。降水量減少導致的水分缺乏在馬鈴薯甲蟲分布擴散中具有一定的制約作用。

大氣濕度和降水對馬鈴薯甲蟲生長發(fā)育影響的研究很少。一般認為馬鈴薯甲蟲發(fā)育的適宜相對濕度為60%—75%RH。在年平均降水量為600—1500 mm的地區(qū)發(fā)育繁盛,如在加拿大安大略省,降水造成低齡幼蟲和卵的死亡率分別只有0%—35%和4%。在馬鈴薯甲蟲越冬過程中,土層水分含量是影響其越冬存活率的重要因素,馬鈴薯甲蟲在干土壤中的死亡率低于濕土壤中的死亡率[23]。因此,降水對馬鈴薯甲蟲分布的影響主要是對其寄主植物分布的影響。研究發(fā)現馬鈴薯甲蟲的傳播和擴散在很大程度上受制于寄主的分布、越冬條件、地理阻隔等環(huán)境要素[24]。此外,由于新疆特殊氣候條件和地形地貌因素決定了馬鈴薯甲蟲在新疆發(fā)生區(qū)的傳播,實際上是被高大山脈屏障和荒漠構成的地理阻隔壓縮在相對狹長的綠洲荒漠地帶?；哪c高大山脈之間的綠洲區(qū),是新疆農業(yè)生產的主要區(qū)域,其寄主植物馬鈴薯也主要種植于山區(qū),除在山前地帶,絕大多數荒漠地區(qū)無馬鈴薯甲蟲野生寄主的分布[1]。由于其寄主植物相對單一,調查寄主植物上的危害是獲取其分布區(qū)的唯一途徑,同時,作為一種檢疫性害蟲,早期蟲情的發(fā)現的數據難以獲得,也在一定程度上制約了本研究的開展。

圖4　馬鈴薯甲蟲危害級別與月降水量之間的關系Fig.4　The relationship between the damage levels of CPB and monthly precipitation

新疆農業(yè)是典型的“灌溉農業(yè)”,馬鈴薯甲蟲發(fā)生區(qū)內河流分布密集。新疆耕地面積占全區(qū)土地面積的2%左右,約94%的農田靠引水灌溉,形成獨特的荒漠綠洲灌溉農業(yè)。有文獻曾報道馬鈴薯甲蟲在通過風和海流進行傳播時,成蟲墮入海中后能在海水中存活一段時間,當成蟲被拋上岸之后,又可重新恢復生命活動[25]。河流對馬鈴薯甲蟲的分布擴散具有一定的作用[16]。在少數沒有河流經過的鄉(xiāng)鎮(zhèn),馬鈴薯甲蟲的危害同樣嚴重,降水與灌溉是新疆農業(yè)種植的主要水來源,這兩者共同作用對馬鈴薯甲蟲發(fā)生與分布的影響需要進一步研究。

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Effects of precipitation on the distribution of colorado potato beetle,Leptinotarsadecemlineata,in Xinjiang

LI Chao2, LIU Huai1,*, GUO Wenchao3, CHENG Dengfa4, ZHANG Yunhui4, Tuerxun·Ahemaiti3

1CollegeofPlantProtection,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2KeyLaboratoryofthePestMonitoringandSafetyControlonCropandForestinUniversitiesofXinjiangUyghurAutonomousRegion，CollegeofAgronomy，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052,China3KeyLaboratoryofIntegratedPestManagementonCropinNorthwesternOasis,MinistryAgricultureP.R.China,PlantProtectionInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830052,China4StateKeyLaboratoryforBiologyofPlantDiseasesandInsectPests,InstituteofPlantProtectionChineseAcademyofAgriculturalSciences(CAAS),Beijing100193,China

Abstract：The Colorado potato beetle (CPB) Leptinotarsa decemlineata is a major destructive pest of potato crops worldwide. It has dispersed from Kazakhstan into Xinjiang Uygur Autonomous Region (Xinjiang) of China. The dispersal mechanism of an invasive species and its interactions with abiotic and biotic variables of the new environment are critical determinants of spatial pattern and invasion rate. We investigated the relationship between precipitation and the distribution pattern of CPB using ArcGIS spatial analysis tools. Annual and monthly (April to September) precipitation in CPB-colonized and non-colonized regions were analyzed. The climate data were obtained from the website of China Meteorological Data Sharing Service System. Based on the current distribution of CPB in China, we surveyed the occurrence and distribution of CPB in commercial potato fields across 35 cities/counties in northern Xinjiang for a five-year period, from 2008 to 2012. In each city/county, 2—3 villages with potato cultivation were randomly selected for the field survey, and in each village, 2—3 fields were sampled. CPB occurrence data were categorized into five levels: no occurrence (Level 0), light occurrence (Level 1), medium occurrence (Level 2), heavy occurrence (Level 3), and very heavy occurrence (Level 4). From the study results, the annual precipitation was above 150 mm in CPB colonized regions; the regions where CPB affected plants during the preliminary growth stages, such as in Ili Prefecture, had higher rainfall than regions where CPB affected plants in the later, established stage. When correlating CPB colonization with the direction of CPB spread from west to east, we found that annual precipitation was lower where CPB colonization was high. When the CPB spread reached the eastern front of the current distribution in Mori County, the annual precipitation was less than 150 mm, the same as that in the eastern part of Barkol County, Hami Prefecture of Eastern Xinjiang. Further, the precipitation in Southern Xinjiang was less than that in Northern Xinjiang. In the central region of the Tarim Basin, no precipitation was noted for the whole year. Thus, in regions with different CPB damage levels, the precipitation also differed. A linear relationship was noted between the damage level and longitudinal CPB occurrence, where the CPB damage levels decreased with increasing longitude. In addition, less damage was noted in regions with CPB occurrence in later plant stages than in early plant stages. Higher precipitation was noted in Level 2 and 3 regions than in Level 1 and 4 regions. A significant difference was noted between monthly precipitation in the Level 2 and 3 regions and Level 1 and 4 regions from April to September. These months were the main period of CPB damage in Xinjiang. Thus, reduced rainfall leads to a lack of moisture, which plays a role in restricting the spread of CPB. Therefore, our study results show the necessity of strengthening inspection and quarantine measures to prevent CPB from spreading eastward by artificial transmission. In addition, our results highlight the importance of the protection of potatoes and other Solanaceae crops.

Key Words:Leptinotarsa decemlineata; distribution; annual precipitation; spatial pattern; colonization

基金項目:廣東省科技計劃(2014A020209067); 植物病蟲害生物學國家重點實驗室開放基金(SKLOF201413)；公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(2011030262)

收稿日期:2014- 03- 24;

修訂日期:2015- 12- 08

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: liuhuai@swu.edu.com.cn

DOI:10.5846/stxb201403240525

李超, 劉懷,郭文超,程登發(fā), 張云慧, 吐爾遜·阿合買提.降水對新疆馬鈴薯甲蟲分布的影響.生態(tài)學報,2016,36(8):2348- 2354.

Li C, Liu H, Guo W C, Cheng D F, Zhang Y H, Tuerxun·Ahemaiti.Effects of precipitation on the distribution of colorado potato beetle,Leptinotarsadecemlineata,in Xinjiang.Acta Ecologica Sinica,2016,36(8):2348- 2354.