氣候變暖趨勢下松墨天牛適生區(qū)分布模擬與預測

徐瑞鈞,周汝良,劉乾飛,李 唯,王艷霞

(1.西南林業(yè)大學 地理與生態(tài)旅游學院,昆明 650224；2.西南林業(yè)大學 林學院,昆明 650224)

松墨天牛(Monochamusalternatus),別名松天牛、松褐天牛、橙黃到赤褐色,是天?？颇炫俚囊环N昆蟲[1]。它對桔(Citrusreticulata)、雞眼藤(Morindaparvifolia)、蘋果(Malusdomestica)[2]等具有危害性,其中最主要的寄主和危害程度最高的為松屬(Pinus)植物,主要包括馬尾松(PinusmassonianaLamb)、云南松(Pinusyunnanensis)、落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)、云杉(PiceaasperataMast)、冷杉(Abiesfabri(Mast.)Craib)等 40 多個松屬樹種[3]。

松墨天牛的幼蟲是松樹的重要蛀干害蟲,成蟲取食松針,危害嚴重時造成樹勢的衰弱。更重要的是,它是松樹的毀滅性病害松材線蟲病(Bursaphelenchusxylophilus)的主要媒介昆蟲[4-5]。在松材線蟲的擴散和侵染的過程中,松墨天牛攜帶、傳播和協(xié)助病原侵入寄主。了解并防治松墨天牛能有效控制松材線蟲病[1],目前,關于森林蟲害的發(fā)生動態(tài)和對松墨天牛的研究較多,在其生物學[6-7]研究和防治技術[8]的研究中有許多成果。根據已研究的松墨天牛生物學特性[9],氣象因子對松墨天牛的生長和分布有顯著的影響,其中溫度和降水這兩個因子是影響其空間格局分布的主要因素。周汝良等[10]通過關聯(lián)函數(shù)法以90m×90m 的像元分辨率為基礎計算了松材線蟲適生性概率,用一種新的模式精細化地分析了森林蟲害的適生性；根據這種模式,葉江霞等[11]獲取了1971—1985 年共 15 年間云南省 134個氣象站點的氣象統(tǒng)計數(shù)據,建立了松墨天牛在云南省的適生性空間分布模型,以 90 m×90 m 為空間尺度,實現(xiàn)了云南省松墨天牛適生分布模擬；于志軍等[12]使用了近50年的溫度數(shù)據計算了我國松材線蟲氣候適生概率。隨著森林蟲害的日益嚴峻,對松墨天牛在氣候變暖趨勢下在我國的適生區(qū)分布做出模擬預測是必要的。

根據丁一匯等[13]在氣候變化國家評估報告中提出中國氣候變化的歷史和未來趨勢:未來20～100 年內,我國地表氣溫將明顯增加,與2000年比較,2020 年我國年平均氣溫將增加1.3～2.1℃,2030年增加1.5～2.8℃,2050年增加2.3～3.3℃。故本文以預測的節(jié)點溫度1.3,1.5,2.1,2.3,2.8,3.3 ℃為溫度增幅[13],以松材線蟲的主要蔓延時間6—8月的平均溫度為基礎,研究氣候變暖趨勢下和不同增溫階段下,對我國松墨天牛的空間適生分布及其格局變化趨勢進行預測。首先,獲取2006—2015年10年間6—8月的月平均溫度數(shù)據,構建一個10年6—8月的月平均溫度場；其次,根據溫度與松墨天牛適生概率的關系構建適生概率模型,在10年6—8月月平均溫度場中進行松墨天牛的適生空間模擬；最后,在10年6—8月月平均溫度基礎上,對溫度場進行增溫,得到松墨天牛適生概率在不同增溫模式下的分布區(qū),從中得到松墨天牛在氣候變暖趨勢下的分布特征,并對結果進行討論。

1 研究區(qū)概況

以我國大陸地區(qū)為研究區(qū)。該區(qū)位于亞洲東部,太平洋的西岸。我國領土南北跨越的緯度近50°,大部分在溫帶,小部分在熱帶,沒有寒帶。因跨緯度較廣,距海遠近差距較大,加之地勢高低不同,地形類型及山脈走向多樣,因而氣溫降水的組合多樣,形成了多樣的氣候。東部屬季風氣候(又可分為亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候和熱帶季風氣候),西北部屬溫帶大陸性氣候,青藏高原屬高寒氣候。地勢西高東低,呈階梯狀分布。松墨天牛主要對樹木特別是松屬樹木有危害,我國植被的類型、分布和豐富度是判斷松墨天牛危害范圍和適生分布的重要依據。我國植被分布具有地帶性規(guī)律,分別是水平分布規(guī)律和垂直分布規(guī)律。在水平分布規(guī)律中又分為沿緯向分布和經向分布:沿緯向分布由于自南向北熱量和水分隨緯度遞減,依次分布著熱帶季雨林、雨林帶,亞熱帶常綠闊葉林帶,暖溫帶落葉闊葉林帶,溫帶針闊葉混交林帶,還溫帶針葉林帶；沿徑向分布是由于自東南向西北因夏季東南季風的強弱決定降水的多少,故植被依次為溫帶落葉闊葉林或針闊葉混交林,溫帶草原區(qū),溫帶荒漠區(qū)。另外,海拔的高度變化形成了植被的垂直地帶性,隨著海拔上升,熱量下降,降水先上升后下降,迎風坡較背風坡降水更豐富,造成植被隨海拔上升大致為落葉闊葉林、針闊葉混交林、針葉林、灌叢和草甸等,且迎風坡植被類型較背風坡更豐富。

2 數(shù)據和方法

2.2 數(shù)據

本研究數(shù)據來源于MODIS中國合成產品—MODLT1M中國1km地表溫度月合成產品。MODIS地表溫度產品是用劈窗算法從MODIS數(shù)據中反演得到的,主要用于地表熱量的空間分析和地表蒸散發(fā)、環(huán)境質量、地表—大氣相互作用數(shù)值模擬以及全球變化分析等方面[14]。從地理空間數(shù)據云平臺可獲取2006—2015年的6—8月MODIS遙感影像。在ArcGIS中使用空間統(tǒng)計分析生成2006—2015年6—8月歷史均溫場,再使用空間統(tǒng)計分析以預測節(jié)點溫度1.3,1.5,2.1,2.3,2.8,3.3為溫度增幅,將歷史平均溫度場進行線性變換,計算得到6種不同增溫模式下的溫度場。

2.2 方法

2.2.1松墨天牛的空間適生性概率模型

根據宋紅敏等[9]利用CLIMEX模型對松墨天牛生態(tài)氣候參數(shù)的擬合可知:松墨天牛發(fā)育起點溫度為10.8℃,有效積溫為690(d·℃)時能完成發(fā)育,適宜溫度下限為15℃,適宜溫度上限為30℃,限制性高溫為33℃。葉江霞等[11]將上述定量溫度轉為發(fā)育均溫和發(fā)育程度的關系,以發(fā)育適宜溫度下限和上限為基礎,得到最適宜溫度為22.5℃,此溫度下適宜性概率最高,取值1。適宜性下限到發(fā)育起點溫度的步長為4.4℃,所以,當溫度小于15-4.4=10.6℃時,其不能正常發(fā)育,取小概率0.05。上限到限制性發(fā)育高溫的步長為3℃,故35℃為停止發(fā)育概率,取小概率0.05,并假設達到適宜發(fā)育的節(jié)點溫度15,30℃的發(fā)育適宜性概率為0.32。根據該理論,設松墨天牛適生概率為y,溫度為x,建立松材線蟲適生性函數(shù)擬合的節(jié)點表,如表1所示。

表1 松墨天牛適生性關鍵節(jié)點的取值Tab.1 Key adaptability values of monochamus alternatus

圖1 松墨天牛適生性擬合曲線圖Fig.1 Fitting curve of monochamus alternatus

圖2 松墨天牛適生性擬合曲線線性變換散點圖Fig.2 Scatter diagram of linear transformation of

y=exp(-0.019(x-22.5)2-0.04)

(1)

2.2.2松墨天?？臻g適生分布區(qū)的模擬預測

以1km為空間分辨率,將2006—2015年10年間6—8月的月平均溫度分布數(shù)據代入式(1),經柵格計算得到我國現(xiàn)有溫度下的松墨天牛適生分布；將此10年間 6—8月平均溫度分布數(shù)據進行增溫,將不同增溫階段的6—8月平均溫度模擬場代入式(1)中,疊加我國行政區(qū)圖,經柵格計算,得到基于歷史均溫水平和不同增溫模式下我國松墨天牛適生概率分布圖。依據森防部門基層管理方便及常用概率分級模型,將松墨天牛的適生概率按以下標準進行分級顯示:[0,0.4]為一級,代表適生度低,患蟲害風險較低；(0.4,0.6]為二級,代表中度適生,患蟲害風險中度；(0.6,0.8]代表易適生,患蟲害風險較高；(0.8,1.0]代表高適生,有高度患蟲害風險[10]。疊加行政區(qū)圖、地名等地理參考要素后,得到適生區(qū)圖。利用ArcGIS柵格統(tǒng)計分析功能,統(tǒng)計和計算不同適生等級的面積。等級劃分規(guī)則如表2所示。

表2 松墨天牛適生等級劃分規(guī)則Tab.2 Division rules of the suitable life grade of monochamus alternatus

3 結果與分析

3.3 基于歷史6—8月月平均氣溫的松墨天牛適生分布測報

如圖3所示,低適生區(qū)主要位于西藏、青海、四川、新疆以及內蒙古和黑龍江的高緯度地區(qū)；中度適生區(qū)主要位于黑龍江、吉林、內蒙古、河北等地區(qū)；易適生區(qū)主要位于上海、江西、山西、重慶等地區(qū)；高適生區(qū)主要位于山東、河南、安徽、廣西、福建、貴州、北京等地區(qū)。

圖3 基于歷史均溫的松墨天牛適生概率分布Fig.3 Probability distribution of monochamus alternatus based on historical average temperature

根據表3可知,目前松墨天牛在全國范圍內的分布情況為:高適生面積占各適生情況總面積最大,為62.17%；中適生面積占各適生情況總面積最小,為5.78%；低適生面積占總面積的12.75%；易適生面積占19.3%。低適生區(qū)面積占省面積比例大于20%的主要為黑龍江、新疆、四川、云南、甘肅、青海、西藏,分別為29.4%,31.2%,60.95%,35.52%,28.05%,84.88%,97.41%。中度適生區(qū)比例大于10%的有內蒙古、黑龍江、吉林、河北、山西、上海,分別為14.1%,31.31%,25.24%,13.57%,18.25%,23.15%。易適生面積比例大于30%的有黑龍江、吉林、山西、重慶、江西、上海、澳門,分別為35.94%,49.04%,34%,30.73%,32.45%,55.97%,50%。高適生面積占總體面積的比例普遍較大,最大的地區(qū)是山東,為98.66%,占省面積比例大于80%的地區(qū)有北京、河南、安徽、福建、廣西、廣東、海南、香港、貴州、江蘇、天津,分別為83.09%,96.03%,86.84%,93.97%,95.17%,80.59%,91%,84.23%,83.12%,80.33%,96.03%。

表3 全國各省適生分布面積比例Tab.3 Suitable distribution areas in provinces %

(續(xù)表)

3.3 不同增溫階段下松墨天牛適生性概率分布

由圖 4可以看出,隨溫度增加,青海、西藏、內蒙古地區(qū)的低適生區(qū)占比降低,中度適生區(qū)、易適生區(qū)和高適生區(qū)占比逐漸增加。安徽、湖北、重慶、四川、湖南、江西、廣東、海南、浙江、江蘇地區(qū)易適生區(qū)和高適生區(qū)面積逐漸減少,低適生區(qū)和中度適生區(qū)范圍擴大。貴州、甘肅、寧夏、陜西、河南地區(qū)低適生區(qū)和高適生區(qū)占比逐漸減少,中適生區(qū)和易適生區(qū)占比逐漸擴大。云南低適生區(qū)和中適生區(qū)逐漸減少,易適生和高適生區(qū)增加。北京、天津、香港、廣西、福建、臺灣、新疆地區(qū)低適生、中適生、易適生地區(qū)占比都會有所上升,但高適生區(qū)占比將下降。黑龍江、吉林、河北、山西地區(qū)低適生區(qū)、中適生區(qū)和易適生區(qū)面積占比減少,但高適生區(qū)面積將增加。遼寧易適生區(qū)占比下降,高適生區(qū)占比會有較大上升。山東中適生和易適生區(qū)占比增加,高適生區(qū)占比下降。澳門低適生區(qū)占比上升,易適生區(qū)占比下降。上海低適生區(qū)占比上升,中適生、易適生和高適生區(qū)占比下降。

圖4 不同增溫下松墨天牛適生性分布Fig.4 Distribution of monochamus alternatus under increasing temperature

從全國范圍看,隨著溫度增加,低適生區(qū)在西藏、青海、吉林、河北、山西等地區(qū)減少,在長江中下游平原地區(qū)和東南部地區(qū)增加。中度適生區(qū)除在東北部地區(qū)、部分華北地區(qū)減少,在其他地區(qū)大都呈現(xiàn)增加的趨勢。易適生區(qū)隨溫度增加在南部地區(qū)面積大多呈減少的趨勢,在北部地區(qū)大多呈增加的趨勢。高適生區(qū)整體來看多數(shù)地區(qū)面積占比將減少,在高原地區(qū)、東北部分地區(qū)會增加。

由表4可以看出,隨溫度增加,低適生區(qū)總體占全國總面積比例逐漸減少,中度適生區(qū)逐漸增加,易適生區(qū)先增加后降低,但大體比例在21%左右,高適生區(qū)逐漸減少。通過這樣的變化可以得出,松墨天牛隨著溫度升高,低適生區(qū)和高適生區(qū)的面積占比逐漸下降,于此同時,中適生區(qū)和易適生區(qū)逐漸增加并在總面積中占最大比例。這說明,松墨天牛隨著溫度上升其適生范圍逐漸擴大,向原本的低適生、中適生地區(qū)蔓延,這些地區(qū)也是高緯度,高海拔地區(qū)?？梢哉J為,隨著溫度上升,松墨天牛漸漸具有了向高緯度、高海拔地區(qū)侵蝕的趨勢。

表4 不同增溫模式下我國松墨天牛適生區(qū)面積比例Tab.4 Area proportion of monochamus alternatus suitable distribution under increasing temperature

4 結論與討論

根據森林蟲害的研究現(xiàn)狀和預測模型顯示,未來氣候變化加劇,氣溫趨向變暖[15]將使森林蟲害發(fā)生的頻率和強度上升[16-18]。預測氣候變暖背景下我國松墨天牛的分布情況,從而尋求有針對性的防控方案。借助松墨天牛發(fā)育溫度指標,構建適生性模型預測其適生區(qū)分布,借用松墨天牛適生性等級劃分規(guī)則來評估風險高低和發(fā)生風險區(qū)分布,這種預測方式在1km×1km空間單元上,以像元為單位,更為精細地顯示松墨天牛從適生到不適生的連續(xù)化分布結果,便于以可視化良好的專題圖向公眾發(fā)布預警結果,直觀性和可讀性強。

基于適生性模型預測,松墨天牛適生性的評估結果表明,在現(xiàn)有溫度水平下,松墨天牛高度適生的省份有山東、河南、安徽、貴州、廣西、海南等地區(qū)。隨著未來溫度的不斷遞增(6個增幅),適宜松墨天牛發(fā)育生長的區(qū)域逐漸向北、向西南轉移,我國松墨天牛原本分布的高適生區(qū)會呈逐漸減少趨勢,高適生范圍減少的地區(qū)主要有江蘇、山東、安徽、湖北、湖南、江西、河南、福建、廣西、廣東、重慶、上海等地區(qū),但山西、 云南、遼寧、吉林、黑龍江等地區(qū)的高適生區(qū)面積將擴大,成為松墨天牛防治的重點省份。張新平等[3]參照有害生物危險性分析法對松墨天牛在新疆發(fā)生的危險性作出評價,并進行了定性和定量分析,結果表明,松墨天牛在新疆屬于高度危險有害生物且適生區(qū)域相當廣闊；王志明等[19]于2004年在吉林省通化市采集到松墨天牛的標本,從而證實松墨天牛在吉林省確已存在,而在此之前,松墨天牛在吉林省還未廣布；時鵬等[20]通過低溫暴露實驗,結合氣溫數(shù)據,統(tǒng)計分析、預測出不同低溫脅迫條件下松墨天牛的高度適生區(qū)、中度適生區(qū)和非適生區(qū),得出松墨天牛在低溫脅迫條件下,具有向高緯度地區(qū)擴散的能力。從已有的研究和本文預測的適生分布變化可以看出,隨著溫度增加,松墨天牛具有向更高緯度,高海拔的地區(qū)侵入的趨勢,其危害的范圍將變得更廣泛。松墨天牛作為具有代表性的危害昆蟲也可以反映未來森林蟲害能夠觸及的區(qū)域將更加廣泛。

僅以2006—2015年10年間6—8月的月平均溫度場為指標,對其進行增溫變換并結合松墨天牛適生概率函數(shù)來預測松墨天牛在不同增溫階段下的分布情況。現(xiàn)實世界中,病蟲害的擴散速度滯后于氣候變化的速度,所以本研究所建立的松墨天牛適生性預測模型是潛在分布,并非未來某一時間段的實際分布狀況。預測的分布狀況可作為后續(xù)防治松墨天牛爆發(fā)的重要依據。若將松墨天牛危害的主要植被分布結合溫度場進行模擬,得到的結果會更加精確,因為森林蟲害與森林有直接的關系,林區(qū)的面積大小,林區(qū)的分布,樹種的構成等因素都會對松墨天牛的分布產生直接的影響。本文僅討論變暖背景下的松墨天牛適生區(qū)的分布變化,綜合其他因素的模擬與預測有待于下一步工作。

根據目前的預測和模擬,針對松墨天牛在不同地區(qū)的擴散。治理研究工作應該重視了解地區(qū)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的構成和種類,以此為依據進行有針對性的預防和防治工作。通過松墨天牛的寄生關系來指引地區(qū)的樹種培育、引進工作。或者通過加強樹木病癥的檢疫技術手段,做好預警工作,做到早

發(fā)現(xiàn)、早預防、早治理。面對林業(yè)害蟲的擴散以預防為主,通過不斷的基礎性研究和治理對策的研究,切實找到治理松墨天牛的根本性措施。

隨著氣溫的增加,松墨天牛的分布將在西南地區(qū)和北方地區(qū)擴散,為了避免松墨天牛對我國森林資源造成更大的損害以及對森林生態(tài)造成更嚴重的影響,應該對類似的森林蟲害問題引起持續(xù)的關注。