基于Maxent模型的寧夏枸杞木虱地理分布風(fēng)險分析

武萬里馬菁劉垚張學(xué)儉

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息技術(shù)研究所，寧夏 銀川 750002)

枸杞是寧夏農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)，寧夏素以“枸杞之鄉(xiāng)”而聞名。目前，全區(qū)的枸杞種植面積已超過6萬hm2，占全國枸杞種植面積的1/2以上，目前已形成了以中寧縣為核心，以清水河流域和銀川市以北為重點的枸杞產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟帶。近年來，隨著氣候變暖以及枸杞種植面積的逐年擴大，枸杞的病蟲害也日趨嚴(yán)重。枸杞木虱(BactericeragobicaLoginova.)是寧夏枸杞產(chǎn)區(qū)的主要害蟲之一，以成蟲、若蟲刺吸葉片組織或吸食汁液導(dǎo)致枸杞葉片枯黃、樹勢衰弱、果實發(fā)育不良[1]，顯著抑制寧夏枸杞根系生長和葉片光合作用[2]，影響枸杞的產(chǎn)量和質(zhì)量。枸杞木虱1a中發(fā)生3～4代，發(fā)生的時間跨度長，由于其產(chǎn)卵量大且世代重疊，其防治難度較大[3]，防治成本也越來越高，環(huán)保壓力也越來越大。生態(tài)位理論是生態(tài)學(xué)最重要的理論之一[4]，在有害生物生境分析和預(yù)測工作中廣泛應(yīng)用。其中，最大熵(Maxent)模型是目前應(yīng)用較廣模型[5]，在物種分布預(yù)測研究和應(yīng)用上表現(xiàn)出了很好的預(yù)測能力[6]，具有模擬精度高、操作方法簡單、輸出結(jié)果穩(wěn)定、所需的數(shù)據(jù)樣本量小等優(yōu)點[7]。實踐中，柳曉燕基于MaxEnt模型預(yù)測了紅火蟻在中國的適生區(qū)，結(jié)果表明模型預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確[8]。Gao Tai等利用最大熵模型預(yù)測了氣候變化背景下，樹蜂(Sirexnitobei)在中國當(dāng)前和未來分布[9]。劉洋等利用Maxent模型對埃及吹綿蚧在中國當(dāng)前和未來(2050年和2070年)的適生區(qū)進(jìn)行了預(yù)測，模型預(yù)測結(jié)果顯示可信度高[10]。王蕾基于Maxent模型分析了新疆特色林果區(qū)春尺蠖發(fā)生風(fēng)險，ROC評價顯示新疆特色林果春尺蠖潛在風(fēng)險區(qū)的模擬效果較好[11]。LiWang等利用Maxent模型預(yù)測氣候變化下中國線紋夜蛾(Batoceralineolata)的分布[12]，馬菁等利用Maxent模型開展了寧夏枸杞蚜蟲適生分布預(yù)測研究[13]。本研究擬應(yīng)用Maxent模型分析寧夏區(qū)域枸杞木虱的危害特征，探討枸杞木虱致災(zāi)的氣象因子等指標(biāo)參數(shù)，構(gòu)建枸杞木虱適生分布預(yù)測模型，分析枸杞木虱在寧夏的適生分布區(qū)域，研究枸杞木虱在寧夏的適生地理分布特征及其擴散的潛在區(qū)域，旨在為制定科學(xué)防控措施、控制枸杞木虱危害，提供有利技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 枸杞木虱的分布數(shù)據(jù)采集

本研究共設(shè)立了21個枸杞木虱蟲害監(jiān)測點，分別位于中寧核心產(chǎn)區(qū)、清水河流域、銀川及以北3大枸杞種植帶的21個規(guī)模化枸杞種植基地，地點為中寧百瑞源、鑫陽、紅寶、大地生態(tài)、中杞、杞泰、早康、舟塔、杞源祥、不老子、銀川百瑞源、南梁農(nóng)場、園林場、暖泉、吳忠杞愛、惠農(nóng)西夏堂、紅寺堡百瑞源、金沙灣、同心潤德、易捷、固原正杞紅。觀測方式采用田間自動采集器和病蟲害移動采集系統(tǒng)結(jié)合人工調(diào)查的方式采集蟲口數(shù)量和密度。具體做法：利用田間自動采集器對枸杞木虱進(jìn)行區(qū)域化遠(yuǎn)程監(jiān)測，將信息素黃板上監(jiān)控到的枸杞木虱等蟲害的蟲口數(shù)量和密度圖像信息，通過3G或4G等無線通信模式傳輸至后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，并進(jìn)行圖像識別處理入庫，遠(yuǎn)程獲取各枸杞種植基地病蟲監(jiān)測點的枸杞木虱監(jiān)測信息；利用枸杞病蟲害移動采集系統(tǒng)，采取隨機監(jiān)測點監(jiān)測和人工客戶端填報等方式，將監(jiān)測信息傳輸至后臺服務(wù)器。2013—2018年5a間，共計點位數(shù)據(jù)34000余條。

1.2 變量參數(shù)的獲取

研究中，用于枸杞木虱風(fēng)險分布預(yù)測分析的環(huán)境數(shù)據(jù)源自Worldclim氣候數(shù)據(jù)庫[14]，分辨率為30s(約為1km2)，變量包含1971—2000年30a氣溫、降水、輻射、風(fēng)速的月平均數(shù)據(jù)以及19個能反映監(jiān)測區(qū)域水熱變化的氣候變量。

1.3 建模方法與評價標(biāo)準(zhǔn)

使用Maxent模型對寧夏枸杞木虱風(fēng)險分布區(qū)域進(jìn)行預(yù)測分析，并利用ArcGIS進(jìn)行空間特征分析。具體做法：將實際調(diào)查的枸杞木虱地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一整理為Maxent模型指定的CSV格式數(shù)據(jù)，作為樣本輸入數(shù)據(jù)；利用ArcGIS提取與枸杞木虱地理信息數(shù)據(jù)所對應(yīng)的各變量數(shù)據(jù)值，作為模型輸入的變量數(shù)據(jù)。使用刀切法檢驗來評判各變量的貢獻(xiàn)率，剔除貢獻(xiàn)率小的變量；將枸杞木虱分布數(shù)據(jù)和4—10月降水量、氣溫以及19個生物氣候變量等，再次輸入模型，其中監(jiān)測數(shù)據(jù)的75%作為訓(xùn)練樣本，用于建模，剩余的25%監(jiān)測數(shù)據(jù)用于模型檢驗。利用AUC值評價模型的模擬精度，AUC值是ROC曲線下的面積，取值范圍在0～1，越接近1，表示模型預(yù)測精度越高[15]；AUC值的評價按5級劃分，0.5≤AUC<0.6、0.6≤AUC<0.7、0.7≤AUC<0.8、0.8≤AUC<0.9、0.9≤AUC<1.0；對應(yīng)的評價等級：失敗、較差、一般、好、非常好；通常，當(dāng)AUC>0.75時，認(rèn)為模型模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的。Maxent模型的預(yù)測輸出結(jié)果是枸杞木虱的存在概率，利用ArcGIS軟件插值，可得到枸杞木虱的存在概率分布值；將存在概率劃分為高風(fēng)險區(qū)(存在概率>0.8)、次高風(fēng)險區(qū)(0.6≤存在概率<0.8)、中風(fēng)險區(qū)(0.4≤存在概率<0.6)、次低風(fēng)險區(qū)(0.2≤存在概率<0.4)和低風(fēng)險區(qū)(存在概率<0.2)5個等級，并繪制枸杞木虱風(fēng)險分布預(yù)測圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型檢驗

ROC曲線法(即AUC法)是Maxent模型精度評價上應(yīng)用最廣的方法，用于模擬結(jié)果的驗證?；谙嚓P(guān)變量，構(gòu)建枸杞木虱風(fēng)險地理分布模擬模型，輸出的ROC曲線圖及對應(yīng)的AUC值，見圖1。從圖1可以看出，基于所有變量構(gòu)建的枸杞木虱卵、若蟲、成蟲潛在地理分布模型的AUC值分別為0.940、0.936、0.948，這說明所構(gòu)建模型的預(yù)測準(zhǔn)確性達(dá)到“非常好”的標(biāo)準(zhǔn)，可用于研究枸杞木虱卵、若蟲、成蟲的潛在地理分布區(qū)劃。

注：a.卵；b.若蟲；c.成蟲。

2.2 各變量對模型預(yù)測的貢獻(xiàn)率

通過刀切法對枸杞木虱各變量進(jìn)行相關(guān)分析，得到各變量對枸杞木虱分布影響的貢獻(xiàn)率，木虱卵AUC值排名前6的變量分別為9月平均地溫、9月最低地溫、8月最高地溫、10月最高地溫、10月氣溫、6月降水量。其中，6月降水量的AUC>0.9，屬于“非常好”；10月最高地溫和10月氣溫的AUC均介于0.8～0.9，屬于“好”；9月平均地溫、9月最低地溫、8月最高地溫的AUC介于0.7～0.8，屬于“一般”，見圖2a。木虱若蟲AUC值排名前6的變量分別為10月最高地溫、10月氣溫、6月降水量、7月降水量、8月降水量、9月降水量。其中，9月降水量的AUC介于0.7～0.8，屬于“一般”；其它5個變量的AUC均介于0.8～0.9，屬于“好”，見圖2b。木虱成蟲AUC值排名前6的變量分別為10月最高地溫、10月氣溫、5月降水量、6月降水量、7月降水量、8月降水量。其中，5月降水量的AUC介于0.7～0.8，屬于“一般”；其它5個變量的AUC均介于0.8～0.9，屬于“好”，見圖2c。

注：a.卵；b.若蟲；c.成蟲。

2.3 各變量與木虱潛在分布的關(guān)系

枸杞木虱卵、若蟲、成蟲潛在地理分布模型預(yù)測結(jié)果顯示，降水、氣溫、地表溫度對枸杞木虱蟲害分布的影響較大。降水對枸杞木虱蟲害發(fā)生的影響較為一致，6—8月適宜月降水量范圍在20～40mm，其中，6月降水量30mm左右對枸杞木虱的發(fā)展最為有利，見圖3a。生長期枸杞木虱的適宜氣溫范圍在7℃以上，其中，10月氣溫顯著影響枸杞木虱的分布，見圖3b。地表溫度也是枸杞木虱風(fēng)險環(huán)境的重要因子，其中，10月最高地溫對枸杞木虱分布的影響明顯，最適宜的地面最高地溫42±3℃，見圖3c。

注：a.6月降水量；b.10月平均氣溫；c.10月最高地溫。

2.4 枸杞木虱風(fēng)險分析

對基于Maxent模型的寧夏枸杞木虱風(fēng)險分布預(yù)測結(jié)果，利用ArcGIS軟件得到枸杞木虱的存在概率分布。將存在概率劃分為高風(fēng)險區(qū)、次高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、次低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)5個等級，見圖4。由圖4可知，枸杞木虱的高風(fēng)險區(qū)和次高風(fēng)險區(qū)主要位于中寧縣及周邊，中風(fēng)險區(qū)集中在銀川市西夏區(qū)、賀蘭縣、同心縣等地區(qū)，其高、次高、中等、次低風(fēng)險區(qū)面積分別為1217.89km2、1943.053km2、4357.13km2、10131.53km2，分別占寧夏土地面積的1.83%、2.93%、6.56%、15.26%(寧夏土地總面積6.64×104km2)。

圖4 寧夏木虱蟲害風(fēng)險分布圖

3 結(jié)論與討論

利用Maxent模型對寧夏的枸杞木虱蟲害開展風(fēng)險分布預(yù)測分析，結(jié)論如下。應(yīng)用Maxent模型進(jìn)行寧夏枸杞木虱風(fēng)險分布區(qū)預(yù)測，構(gòu)建的枸杞木虱卵、若蟲、成蟲潛在地理分布模型的AUC值分別為0.940、0.936、0.948，模型的預(yù)測準(zhǔn)確性達(dá)到“非常好”的標(biāo)準(zhǔn)，可用于研究枸杞木虱卵、若蟲、成蟲的潛在地理分布風(fēng)險分析；根據(jù)變量與枸杞木虱的分布數(shù)據(jù)構(gòu)建的Maxent模型模擬結(jié)果顯示，枸杞木虱風(fēng)險區(qū)范圍主要位于寧夏中部地區(qū)，其中，高風(fēng)險區(qū)和次高風(fēng)險區(qū)主要位于中寧縣及周邊，中風(fēng)險區(qū)集中在銀川市西夏區(qū)、賀蘭縣、同心縣等區(qū)域。對枸杞木虱蟲害分布影響較大的環(huán)境變量主要有降水、氣溫、和地表溫度。6—8月適宜月降水量范圍在20～40mm，其中，6月降水量30mm左右，對枸杞木虱的發(fā)展最為有利。生長期枸杞木虱的適宜氣溫范圍在7℃以上，其中，10月氣溫顯著影響枸杞木虱的分布。地表溫度也是影響枸杞木虱風(fēng)險環(huán)境的重要因子，其中，10月份最高地溫對枸杞木虱分布的影響明顯，最適宜的地面最高地溫42±3℃。

Maxent模型用于寧夏枸杞木虱風(fēng)險分布的預(yù)測研究，具有較高的準(zhǔn)確性，但也存在一定的局限性。模型所選用的變量都是氣候因子，未涉及自然、植被等其它環(huán)境因子，其結(jié)果偏重于氣候因子對枸杞木虱的風(fēng)險分布影響。Maxent模型是基于基礎(chǔ)生態(tài)位理論構(gòu)建的模型，影響因素只考慮了非生物因素而沒有考慮生物因素對物種分布產(chǎn)生的影響，如物種代際變化、天敵等，而實際情況要復(fù)雜得多，所以得到的預(yù)測結(jié)果可能比現(xiàn)實的生態(tài)位要寬。