神農(nóng)架林區(qū)華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)分析

洪承昊,柏冰洋,易家喜,孫宜平,謝志強(qiáng),向勁松

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北武漢 430079；2.神農(nóng)架林區(qū)林業(yè)科學(xué)研究所，湖北神農(nóng)架 442499；3.神農(nóng)架森林病蟲害防治檢疫站，湖北神農(nóng)架 442499)

華山松大小蠹Dendroctonus armandiTsai and Li，又名大凝脂小蠹，隸屬鞘翅目Coleoptera小蠹科Scolytidae大小蠹屬Dendroctonus，為中國特有種，主要分布在陜西、四川、甘肅、河南和湖北等地區(qū)，是侵入華山松Pinus armandii的先鋒蟲種，主要危害30年以上的華山松健康樹[1-2]，也是我國重要的毀滅性森林害蟲之一[3]。華山松又名五針?biāo)?，是松科中的著名常綠喬木之一，原產(chǎn)于中國，因集中產(chǎn)于陜西的華山而得名。華山松是我國溫帶及亞熱帶地區(qū)的重要山地針葉林樹種[4]，廣泛分布于我國北方的寧夏、山西、陜西、河南、甘肅等省市區(qū)，南方主要分布在湖北西部、四川、貴州、云南直至西藏東南部山區(qū)[5]。世界范圍內(nèi)，在緬甸、日本也有引種分布。華山松是我國秦巴山區(qū)的主要造林樹種，也是我國特有的鄉(xiāng)土樹種，在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、凈化空氣等重要生態(tài)功能，是該區(qū)域森林植物群落演替的重要指標(biāo)性樹種，在我國經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境建設(shè)和地理分布等方面具有舉足輕重的地位。

我國最早于1932年在秦嶺巴山林區(qū)首次發(fā)現(xiàn)華山松遭華山松大小蠹侵害[6]。近年來，由于華山松大小蠹的區(qū)域性危害，給我國湖北、陜西、甘肅、四川、云南和貴州等秦巴山區(qū)華山松的生長生存造成了前所未有的威脅，特別是在重要水源涵養(yǎng)區(qū)和風(fēng)景名勝地的神農(nóng)架出現(xiàn)了暴發(fā)危害，截至2018年成災(zāi)面積約0.67萬hm2(神農(nóng)架森林病蟲害防治檢疫站數(shù)據(jù))，造成的影響和破壞更加嚴(yán)重，僅2012—2018年，華山松大小蠹導(dǎo)致湖北神農(nóng)架地區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失1 000多萬元，間接生態(tài)效益損失上億元。

由于華山松大小蠹的危害極為隱蔽，幼蟲在韌皮部下進(jìn)行取食，不易察覺，加之世代重疊[7]，造成防治不及時(shí)，防治方法相對落后，因此，研究和評價(jià)華山松大小蠹的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)則顯得尤為重要。景觀斑塊的分布和空間格局是影響有害生物流行擴(kuò)散的直接因素，其次是人為活動、經(jīng)濟(jì)因素等[8-9]。近年來，有不少學(xué)者從華山松大小蠹的生理生化、行為學(xué)和引誘劑研制等方面做了許多研究[10-12]，然而從景觀斑塊層面研究和控制華山松大小蠹的報(bào)道卻較少[13]。景觀結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系是研究森林保護(hù)學(xué)的重要方向[14-16]。研究表明，有害生物災(zāi)害發(fā)生程度與森林景觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[17-18]。

神農(nóng)架林區(qū)華山松分布廣且垂直落差大，因此在神農(nóng)架林區(qū)研究華山松大小蠹具有很好的代表性。筆者通過研究神農(nóng)架林區(qū)的華山松空間分布，首先從景觀層面分析華山松林斑的空間格局差異，對華山松大小蠹年均發(fā)生情況進(jìn)行擬合分析，其次對神農(nóng)架林區(qū)各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和分析，為控制和預(yù)防華山松大小蠹的蔓延擴(kuò)散提供理論和技術(shù)支持。

1 研究地概況

神農(nóng)架林區(qū)是我國唯一以“林區(qū)”命名的行政地區(qū)，湖北省直轄管理。地處湖北省西北部，屬秦巴山區(qū)。 地跨東經(jīng) 109°56′～ 110°58′，北緯 31°15′～31°75′，全區(qū)總面積3 253平方公里，林地占區(qū)域面積85%以上，生物資源和礦產(chǎn)資源豐富。林區(qū)平均海拔1 800 m，最高點(diǎn)神農(nóng)頂海拔約3 106 m，最低點(diǎn)為林區(qū)下谷坪鄉(xiāng)約398 m，最大海拔相對落差為2 707.4 m，因此造就林區(qū)獨(dú)特的氣候環(huán)境條件。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)本底資料來源于湖北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院2019年二類調(diào)查數(shù)據(jù)，通過Arcmap[19]建立屬性數(shù)據(jù)庫，采取定點(diǎn)踏查核實(shí)，數(shù)據(jù)精確。將原始矢量圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將景觀類型重新定義劃分，分類后將數(shù)據(jù)資料生成分辨率為10 m的柵格圖像，進(jìn)行景觀指數(shù)運(yùn)算。華山松大小蠹發(fā)生數(shù)據(jù)來源于神農(nóng)架森林病蟲害防治檢疫站，2012—2017年神農(nóng)架森林病蟲害防治檢疫站調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，木魚林場、紅坪林場、溫水林場和紅花朵林場華山松大小蠹危害最為嚴(yán)重，新華林場、宋洛鄉(xiāng)、新華鎮(zhèn)和徐家莊林場沒有華山松大小蠹發(fā)生，林區(qū)其余地區(qū)無寄主或有極小量面積分布。

2.2 分析方法 采用一、二級結(jié)合分類體系重新劃分土地利用類型，參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)，并考慮研究對象危害特點(diǎn)，將華山松和針闊葉混交林劃分為一類，其他非華山松大小蠹寄主劃分為一類。神農(nóng)架林區(qū)華山松大部分為20世紀(jì)70年代人工造林，均已達(dá)成熟林，各林場寄主分布具體情況見表1。采用Fragstats景觀格局指標(biāo)系統(tǒng)描述斑塊類型景觀水平特征[20]，選取斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)和景觀形狀指數(shù)(LSI)分析華山松斑塊景觀格局差異。

表1 各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)華山松分布情況Tab.1 The distribution of Pinus armandii in each forest farm and town

斑塊數(shù)(NP)是指類型水平或者景觀水平上總的斑塊數(shù)目，是標(biāo)志景觀破碎化程度的重要指標(biāo)之一；其計(jì)算公式為NP=N，N為景觀中的斑塊總數(shù)。

斑塊密度(PD)是單位面積上的斑塊數(shù)，是描述景觀破碎化的重要指標(biāo)之一，PD值越大，斑塊破碎化程度越大；其計(jì)算公式為PD=N/A×10 000，N為景觀中的斑塊總數(shù)，A為景觀總面積。

景觀形狀指數(shù)(LSI)是結(jié)合景觀面積對景觀總邊緣長度或邊緣密度的標(biāo)準(zhǔn)化度量，也可看作是對斑塊聚集或離散程度的度量；其計(jì)算公式為LSI=E/minE，E指景觀的邊緣總長度，minE是E的最小可能值。

通過景觀格局指標(biāo)分析各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)的華山松大小蠹風(fēng)險(xiǎn)等級，并根據(jù)分析結(jié)果給各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)賦予一定風(fēng)險(xiǎn)評估值，從景觀層面分析華山松大小蠹在 神農(nóng)架林區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)危害分布情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型水平差異 寄主華山松斑塊面積百分占比最大的是溫水林場，達(dá)到13.14%，最小的是宋洛鄉(xiāng)，僅為1.46%；斑塊數(shù)量最多的是木魚林場，有152個(gè)，最少的是紅花朵林場，有35個(gè)(表2)。平均斑塊面積最大的是溫水林場，達(dá)到30.77 hm2；最小的是徐家莊林場，僅有1.34 hm2(表1)。斑塊密度最大的是紅坪林場，為54個(gè)/hm2，斑塊密度最小的是紅花朵林場，僅為13個(gè)/hm2；形狀復(fù)雜程度最高的是木魚林場，景觀形狀指數(shù)為20.98，形狀復(fù)雜程度最低的是紅花朵林場，景觀形狀指數(shù)僅為9.10(表2)。

表2 各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)華山松景觀格局指數(shù)及華山松大小蠹年均發(fā)生面積Tab.2 The landscape pattern of P.armandii and annual occurrence area of D.armandi in each forest farm and town

3.2 景觀指數(shù)分析 橫向比較華山松大小蠹發(fā)生區(qū)和未發(fā)生區(qū)，在斑塊面積百分比均值方面，發(fā)生區(qū)是7.20%，顯著高于未發(fā)生區(qū)的3.60%(表2)；在斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度和景觀形狀指數(shù)方面也都高于未發(fā)生區(qū)。Pearson相關(guān)性分析表明，斑塊面積百分比和斑塊密度與華山松大小蠹的年均發(fā)生面積有弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.504和0.379，斑塊個(gè)數(shù)和景觀形狀指數(shù)與華山松大小蠹的年均發(fā)生面積無相關(guān)性(表3)。

表3 景觀格局指數(shù)與華山松大小蠹年均發(fā)生面積的相關(guān)性Tab.3 The correlation of P.armandii landscape pattern with annual occurrence area of D.armandi

面積百分比和斑塊密度與華山松大小蠹的危害程度呈正相關(guān)，因此可建立相關(guān)性模擬。模擬結(jié)果顯示，面積百分比和華山松大小蠹發(fā)生面積之間呈正相關(guān)，相關(guān)方程為Y=24.61+11.46X；斑塊密度與華山松大小蠹發(fā)生面積之間呈正相關(guān)，相關(guān)方程為Y=2.83+2.41X(圖1)。斑塊個(gè)數(shù)和景觀形狀指數(shù)與華山松大小蠹的危害程度之間無相關(guān)性，因此不做線性模擬分析。

圖1 基于面積百分比和斑塊密度的相關(guān)性模擬Fig.1 Correlation simulation based on area percentage and patch density

3.3 基于景觀指數(shù)的華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)評估

華山松斑塊的面積百分比和斑塊密度與華山松大小蠹發(fā)生面積呈正相關(guān)。因此，分析各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)華山松面積和斑塊密度可預(yù)測神農(nóng)架林區(qū)華山松大小蠹的發(fā)生情況。溫水林場華山松面積百分比最高，占比為13.14%，顯著高于其他林場或鄉(xiāng)鎮(zhèn)，受到華山松大小蠹危害的風(fēng)險(xiǎn)等級最高；其次是木魚林場、新華鎮(zhèn)、紅坪林場、徐家莊林場、新華林場、紅花朵林場和宋洛鄉(xiāng)，且各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)間存在顯著差異(sig＜0.05)(圖2)。斑塊密度分析結(jié)果顯示，華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)最高的是紅坪林場，高于其他各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)，往后依次是新華鎮(zhèn)、溫水林場、木魚林場、徐家莊林場、宋洛鄉(xiāng)、新華林場和紅花朵林場，且各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)間存在顯著差異(sig＜0.05)(圖2)。

圖2 各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)華山松面積百分比和斑塊密度橫向比較Fig.2 Compared the area percentage and patch density in each forest farm and town

綜合華山松面積百分比和斑塊密度指數(shù)兩項(xiàng)景觀指標(biāo)，對各個(gè)林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行賦值。基于面積百分比的賦值從小到大依次為:宋洛鄉(xiāng)，1；紅花朵林場，2；新華林場，3；徐家莊林場，4；紅坪林場，5；新華鎮(zhèn)，6；木魚林場，7；溫水林場，8?；诎邏K密度的賦值從小到大依次為:紅花朵林場，1；新華林場，2；宋洛鄉(xiāng)，3；徐家莊林場，4；木魚林場，5；溫水林場，6；新華鎮(zhèn)，7；紅坪林場，8。 賦值后，進(jìn)行歸一化處理(表4)。

表4 各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)歸一化處理值Tab.4 Normalize value in each forest farm and town

對各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)的華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行賦值后，采取克里金插值(kriging interpoloction)分析方法，得出林區(qū)華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測圖(圖3)。

直觀分析圖3可知，基于華山松面積百分比的華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測顯示風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在林區(qū)西部地區(qū)和中部地區(qū)(圖3A)，該區(qū)域也是林區(qū)華山松主要分布區(qū)?；谌A山松斑塊密度的華山松大小蠹危害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果與上述一致，風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域主要集中在林區(qū)中部地區(qū)和西部地區(qū)(圖3B)。由于各林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)在寄主面積占比和斑塊密度兩個(gè)指標(biāo)的大小有差異，因此分析結(jié)果有一定差異?；诩闹髅娣e分布占比的分析結(jié)果顯示風(fēng)險(xiǎn)最高的在最西部，其次是中部地區(qū)；基于斑塊密度的分析結(jié)果顯示風(fēng)險(xiǎn)最高的是中部偏北地區(qū)，其次是西部和中部偏南地區(qū)。結(jié)合兩圖可知，林區(qū)風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域集中在西部和中部地區(qū)，其他位置風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖3 神農(nóng)架林區(qū)華小松大小蠹風(fēng)險(xiǎn)分析Fig.3 Risk analysis of Dendroctonus armandi in Shennongjia Forestry District

4 討論

筆者針對神農(nóng)架林區(qū)華山松大小蠹寄主植株華山松進(jìn)行了景觀格局層面的分析研究，從華山松斑塊的空間格局分析了與華山松大小蠹發(fā)生程度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，華山松在林場鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積分布和斑塊密度與華山松大小蠹發(fā)生程度之間有正相關(guān)性。寄主分布面積越廣泛，會提供給華山松大小蠹更多的資源，發(fā)生的程度也會更大。斑塊的密度越高，單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)量更大，華山松大小蠹在揚(yáng)飛期的傳播擴(kuò)散成功率更高，定殖能力和概率也會更高，進(jìn)一步傳播擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)也更大[21]，因此風(fēng)險(xiǎn)等級也更高。

通過景觀格局控制森林病蟲害是森林保護(hù)學(xué)的一個(gè)重要手段，本研究可以為綜合控制華山松大小蠹的危害和擴(kuò)散提供一定基礎(chǔ)[22]。在華山松斑塊密度較大的區(qū)域，可以通過改造寄主斑塊或減小斑塊數(shù)量，切斷鄰近度高的斑塊聯(lián)系，形成抑制華山松大小蠹擴(kuò)散的屏障廊道，從而達(dá)到控制華山松大小蠹危害的目的。

筆者僅從華山松的景觀層面進(jìn)行了分析，景觀中的其他異質(zhì)性斑塊，人為活動程度和公路道路的建設(shè)程度等也是影響生物擴(kuò)散和蔓延的重要因子之一，實(shí)際發(fā)生過程中也會對昆蟲的行為產(chǎn)生較大的影響，如何定量分析景觀生態(tài)學(xué)和森林有害生物之間的關(guān)系還需要進(jìn)行更為深入的研究。

志謝：感謝湖北神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站給予經(jīng)費(fèi)支持并協(xié)助開展工作。