四川省美國白蛾適生性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李 濤，李澤華,余仲東，李 斌

(1四川省森林病蟲防治檢疫總站，四川 成都 610082；2西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

美國白蛾(Hyphantriacunea)，又稱秋幕毛蟲、網(wǎng)幕毛蟲，是一種世界性檢疫害蟲。它原產(chǎn)北美洲，1922年在加拿大最早發(fā)現(xiàn)，此后相繼在美國、墨西哥局部地區(qū)發(fā)生。第二次世界大戰(zhàn)期間(1940年之后)，隨著地區(qū)間的物資運(yùn)輸從美洲擴(kuò)散到歐洲的許多國家，先后入侵匈牙利、羅馬尼亞、保加利亞、奧地利、原蘇聯(lián)、波蘭和法國等國家。1945年傳入日本，1957年傳入韓國，1961年傳入朝鮮，1979年傳入中國。最早在我國與朝鮮交界處的遼寧省丹東地區(qū)發(fā)現(xiàn)，之后陸續(xù)傳播擴(kuò)散到山東(1981年)、陜西(1984年)、河北(1989年)、上海(1994年)、天津(1995年)、北京(2003年)、河南(2008年)、吉林(2010年)、江蘇(2011年)、安徽(2012年)等省(市)[1]。李淑賢等[2]預(yù)測，美國白蛾可分布于我國21.20°-46.33°N，97.80°-132.11°E和36.81°-41.85°N，76.00°-94.66°E的廣大地區(qū)。

美國白蛾食性非常雜，寄主植物幾乎包括疫情區(qū)所有林木、果樹、蔬菜、農(nóng)作物、園林花卉以及雜草等，能夠危害175～300種農(nóng)林植物及野生植物[3-4]；適應(yīng)性強(qiáng)，不取食15 d后仍然可以正常繁殖；繁殖量大，成蟲產(chǎn)卵量高達(dá)1 800粒[5]；傳播能力強(qiáng)，每年可自然擴(kuò)散35～40 km，更可隨貨物、交通工具等進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播；缺乏原產(chǎn)地天敵的有效制約，常在新傳入地暴發(fā)成災(zāi)，造成的經(jīng)濟(jì)損失重大[6]。我國政府高度重視美國白蛾的防控工作，自1979年發(fā)現(xiàn)以來，林業(yè)部或國家林業(yè)局分別于1984年、1996年、2004年、2013年連續(xù)4次將其列入全國森林植物檢疫對(duì)象或全國林業(yè)檢疫性有害生物名單，并作為重大林業(yè)有害生物在全國范圍內(nèi)組織開展了防治工作[1]。1998年，國家林業(yè)局啟動(dòng)了美國白蛾國家級(jí)治理工程，工程范圍覆蓋北京、天津、河北3省(市)的67個(gè)縣(區(qū))，工程治理取得明顯成效。但近年來，美國白蛾出現(xiàn)了新的危害苗頭，新疫點(diǎn)不斷出現(xiàn)，發(fā)生面積明顯反彈，危害程度不斷加劇，擴(kuò)散速度明顯加快，因此做好美國白蛾在中國的分布預(yù)警和危險(xiǎn)性評(píng)估，對(duì)于美國白蛾的防治工作具有重要意義。本研究基于MaxEnt模型，結(jié)合我國105個(gè)美國白蛾已發(fā)生區(qū)環(huán)境變量，按1∶400萬尺度勾勒出四川省行政區(qū)劃面要素，并計(jì)算美國白蛾在四川省的分布范圍和分布面積，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)估了美國白蛾入侵四川省的風(fēng)險(xiǎn)，為盡早建立美國白蛾防控體系和應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 美國白蛾適生性分析軟件

MaxEnt軟件是從其官方網(wǎng)站(http：//www.cs. princeton.edu/～schapire/maxent/)下載的。與MaxEent配合使用的GIS軟件是美國Esri公司ArcGis軟件。

1.2 美國白蛾分布的氣候環(huán)境變量

氣候環(huán)境變量數(shù)據(jù)下載于WorldClim(http ：//www.worldcfim.org/)，包括1950-2000年的溫度、降水和海拔等20個(gè)變量因子。利用ArcGis提取中國行政區(qū)內(nèi)環(huán)境變量并轉(zhuǎn)化為MaxEnt模型需要的ASCII格式數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算機(jī)的模型運(yùn)行能力和物種分布數(shù)據(jù)本身的準(zhǔn)確度，選擇WorldClim環(huán)境數(shù)據(jù)的空間分辨率為2.5 arc-min。根據(jù)MaxEnt模型自身附帶的Jackknife刀切法對(duì)初始變量的重要性進(jìn)行權(quán)重分析。

1.3 美國白蛾已知分布區(qū)確定

按照MaxEnt模型要求格式，整理所收集美國白蛾在我國的105個(gè)已知分布地點(diǎn)(來自當(dāng)前文獻(xiàn)資料及相關(guān)研究調(diào)查網(wǎng)站，包含了國內(nèi)所有美國白蛾發(fā)生過的省區(qū), 參考文獻(xiàn)[7]和國家林業(yè)局2016年8號(hào)公告)。所得分布按照物種、經(jīng)度、緯度(經(jīng)度、緯度來自Google earth)的順序在Excel中列出，并另存為MaxEnt可以識(shí)別的csv格式。

1.4 結(jié)果輸出和模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

根據(jù)已知分布區(qū)，選擇MaxEnt模型中maxentResults.csv文件最適合已知分布區(qū)的閾值規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證,并將預(yù)測結(jié)果ASC格式通過ArcMap軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，采用ROC曲線分析法[8]，計(jì)算AUC值,對(duì)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)[9-10]。

1.5 美國白蛾的適生性分析

用MaxEnt軟件初步模擬出美國白蛾在中國的適生區(qū)，將結(jié)果導(dǎo)入ArcGis，之后根據(jù)比例尺為1∶400萬的中國地圖做底圖進(jìn)行校正，并單獨(dú)勾勒出四川省的分布，利用ArcGis軟件中的拓?fù)涔δ苌擅嬉?，求出四川省適生區(qū)面積。中國行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息網(wǎng)(http：//nfgis.nsdigov.cn/)，下載獲得比例尺為1∶400萬的中國國界及省界圖。

1.6 美國白蛾在四川的風(fēng)險(xiǎn)分析

參照蔣青等[11]的評(píng)估體系，按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行分層賦值和綜合評(píng)估，全面評(píng)估美國白蛾在四川省的風(fēng)險(xiǎn)狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 美國白蛾適生區(qū)環(huán)境變量的權(quán)重

美國白蛾適生區(qū)環(huán)境變量權(quán)重分析表明，20個(gè)環(huán)境變量因子中，alt(海拔)、bio1(年平均溫度)、bio5(最暖月最高溫度)、bio10(最暖季度平均溫度)、bio11(最冷季度平均溫度)、bio6(最冷月最低溫度)、bio8(最濕季度平均溫度)、bio9(最干季度平均溫度)、bio12(年均降水量) 9個(gè)環(huán)境因子為美國白蛾適生區(qū)范圍的主要影響因子，其中最冷季度平均溫度、海拔、最干季度平均溫度對(duì)美國白蛾分布范圍貢獻(xiàn)最大(圖1)。

2.2 美國白蛾在中國適生區(qū)預(yù)測

利用2.1節(jié)中得出的9個(gè)環(huán)境變量因子對(duì)美國白蛾在中國的適生區(qū)預(yù)測表明，美國白蛾在我國渤海灣、膠州半島及東部沿海省區(qū)發(fā)生較為嚴(yán)重，并向西、向南逐漸深入擴(kuò)散，新疆喀什、京津塘地區(qū)為發(fā)生區(qū)域(圖2)，這與已報(bào)道的情況[7,12-13]基本吻合。

alt.海拔；bio1.年平均溫度；bio2.晝夜溫差月均值；bio3.等溫性；bio4.溫度季節(jié)變化標(biāo)準(zhǔn)差；bio5.最暖月最高溫度；bio6.最冷月最低溫度；bio7.年均溫度變化范圍；bio8.最濕季度平均溫度；bio9.最干季度平均溫度；bio10.最暖季度平均溫度；bio11.最冷季度平均溫度；bio12.年均降水量；bio13.最濕月降水量；bio14.最干月降水量；bio15.降水量變異系數(shù)；bio16.最濕季度降水量；bio17.最干季度降水量；bio18.最暖季度降水量；bio19.最冷季度降水量alt.Altitude；bio1.Average annual temperature；bio2.Average monthly temperature difference between night and day；bio3.Isothermal；bio4.Seasonal temperature standard deviation；bio5.Highest temperature of the warmest month；bio6.Lowest temperature of the coldest month；bio7.Average annual temperature range；bio8.Average temperature of the wettest season；bio9.Average temperature of the driest season；bio10.Average temperature of the warmest season；bio11.Average temperature of the coldest season；bio12.Average annual precipitation；bio13.Precipitation of the wettest month；bio14.Precipitation of the driest month；bio15.Precipitation variation coefficient；bio16.Precipitation of the wettest season；bio17.Precipitation of the driest season；bio18.Precipitation of the warmest season；bio19.Precipitation of the coldest season

紅色表示已有分布，值越大越適生Red color means distributed areas,and bigger value means more adaptive

利用ROC曲線分析法對(duì)美國白蛾在中國的適生區(qū)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，MaxEnt模型獲得AUC平均值為0.949，明顯高于隨機(jī)概率值0.5，且AUC值處于0.9～1.0，表明預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，環(huán)境變量與預(yù)測的物種地理分布模型之間相關(guān)性大(圖3)。

圖3 美國白蛾在中國適生區(qū)預(yù)測結(jié)果的AUC檢測Fig.3 AUC test of Hyphantria cunea prediction in China

2.3 美國白蛾在四川省的適生區(qū)

通過圖像校正后，得到四川省行政區(qū)劃面要素(圖4)。利用ArcGis軟件求得四川省面積為48.3萬km2，與實(shí)際面積48.6萬km2相差0.3萬km2，相對(duì)誤差為0.6%，符合要求，并求得美國白蛾在四川省的適生區(qū)面積為11.52萬km2，占全省計(jì)算總面積的23.85%。

圖4 圖像校正后的四川省行政區(qū)劃圖Fig.4 Verified map of Sichuan

由圖5可知，除攀枝花市、甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州、涼山彝族自治州4個(gè)市(州)外，四川省其余各市幾乎都是美國白蛾適生區(qū)，其中以成都市最為適宜美國白蛾生存。

綠色深度表示美國白蛾的適生程度Deep of color represents the adaptive of Hyphantria cunea

2.4 美國白蛾在四川省的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)美國白蛾的生物學(xué)特性、傳入可能性、危害與控制等因素進(jìn)行綜合評(píng)估，各評(píng)估因子詳見表1。參照蔣青等[11]風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值計(jì)算公式：

P1= P11，

P3=0.4·P31+0.4·P32+0.2·P33，

P4=Max(P41，P42，P43)，

P5=(P51+P52+P53)/3，

表1 美國白蛾在四川的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系Table 1 Risk assessment index for Hyphantria cunea in Sichuan

3 結(jié)論與討論

美國白蛾在中國的分布，很多學(xué)者采用不同的方法做了預(yù)測[2,13-14]，均得到相似的結(jié)果。李淑賢等[2]利用GARP適生性軟件對(duì)美國白蛾在我國的適生區(qū)進(jìn)行了預(yù)測，認(rèn)為適生范圍分布在21.20°-46.33°N， 76°-132.11°E的區(qū)域內(nèi)。本研究預(yù)測結(jié)果涵蓋了李淑賢等[2]的預(yù)測結(jié)果，同時(shí)范圍還要更廣泛，擴(kuò)散趨勢更明顯，主要體現(xiàn)在發(fā)生的西南界上，增加了四川、海南、臺(tái)灣地區(qū)，將新疆部分地區(qū)的分布等級(jí)進(jìn)一步提高。這種差異可能與分析軟件不同和分析中使用的變量因子有關(guān)。本研究采用最大熵模型MaxEnt，即自然條件下有害生物會(huì)盡可能大地尋找自己的適生范圍[15-16]，利用9個(gè)影響美國白蛾自然分布的環(huán)境變量因子進(jìn)行了適生區(qū)預(yù)測，擴(kuò)大了目前國內(nèi)該蟲實(shí)際分布范圍，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性，研究結(jié)果還進(jìn)一步預(yù)測了美國白蛾在四川不同縣區(qū)的分布。雖然目前未在四川省內(nèi)發(fā)現(xiàn)有美國白蛾分布，但四川省具備美國白蛾適生的自然地理?xiàng)l件、寄主成分和傳播條件，因此極有可能遭到美國白蛾的入侵。本研究評(píng)估結(jié)果表明，美國白蛾在四川省屬于中等危險(xiǎn)性有害生物，其風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)值為1.80。MaxEnt預(yù)測表明，除攀枝花市、甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州、涼山彝族自治州4個(gè)市(州)外，四川省其余各市幾乎都是美國白蛾適生區(qū)，其中成都市最為適宜美國白蛾生存。

目前，美國白蛾在我國呈快速擴(kuò)散蔓延之勢，截至2015年底，已有北京、天津、遼寧、吉林、河北、河南、山東、陜西、安徽、江蘇等10個(gè)省(直轄市、自治區(qū))共500多個(gè)縣(區(qū))(國家林業(yè)局公告2016第8號(hào))遭到美國白蛾的入侵危害，造成了巨大損失。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快和物流貿(mào)易的頻繁，美國白蛾極有可能向內(nèi)陸省份擴(kuò)散。與四川省毗鄰的陜西省在1984年就發(fā)現(xiàn)美國白蛾危害，經(jīng)過多年艱苦的防治得到有效控制，并沒有翻越秦嶺侵入四川[17]。美國白蛾具有繁殖能力強(qiáng)、寄主廣、食性雜、傳播快、耐餓性強(qiáng)、危害嚴(yán)重、天敵跟進(jìn)慢等特點(diǎn)[18-21]，已引起各級(jí)政府部門的高度重視，做好美國白蛾的監(jiān)測和預(yù)警分析勢在必行。四川地處長江上游，是全國森林資源大省、生態(tài)建設(shè)大省、林業(yè)經(jīng)濟(jì)大省和物種保護(hù)大省。全省林地面積2 400萬hm2，居全國第3位；森林蓄積17.3億m3，居全國第3位；森林面積1 733 萬hm2，居全國第4位；森林覆蓋率36%，是全球生態(tài)多樣性的熱點(diǎn)地區(qū)之一，也是長江上游生態(tài)安全屏障，生態(tài)區(qū)位性極其重要。一旦遭到美國白蛾入侵，很難根除，后果會(huì)很嚴(yán)重。因此，四川省應(yīng)提前做好美國白蛾的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警分析，在美國白蛾適生區(qū)加大檢疫檢驗(yàn)力度，嚴(yán)防死守，確保該蟲不侵入、不擴(kuò)散、不危害，盡早建立美國白蛾防控體系和應(yīng)急預(yù)案，并加強(qiáng)美國白蛾宣傳力度，做好技術(shù)儲(chǔ)備，打贏這場人與白蛾的防控戰(zhàn)爭。

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