入侵植物飛機(jī)草在貴州的適生區(qū)預(yù)測及風(fēng)險(xiǎn)分析*

喻三鵬，田茂娟，張念念，邱建生,，周倩，班啟明，陳又清

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025;2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005;3.綏陽縣林業(yè)局，貴州 綏陽 563300;4.望謨縣林業(yè)局，貴州 望謨 552300;5.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650000)

飛機(jī)草(ChromolaenaodorataR.M.King et H.Rob.)原產(chǎn)中、南美洲，歸屬于菊科(Asteraceae)飛機(jī)草屬(Chromolaena)，是多年生草本或亞灌木[1-3]，也是世界上最具危害的植物之一[4]，飛機(jī)草入侵熱帶和亞熱帶地區(qū)后，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[5]。2001年，國際自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)首次將其列入到100種全球最具威脅的入侵物種名單中[4]，2013年修訂版中再次將其列入。2003年，我國公布的首批外來入侵物種名單中，飛機(jī)草排在第7位[6]。1934年，首次在我國云南南部發(fā)現(xiàn)了飛機(jī)草，在80多年間，飛機(jī)草在我國南方迅速傳播，目前已遍布多個(gè)省區(qū)[7]。飛機(jī)草作為一種惡性雜草，其有性生殖與無性生殖并存，通過分泌的化感物質(zhì)，抑制周圍的植物生長，通過快速的繁殖能力，擠占生態(tài)空間，嚴(yán)重破壞了我國南方地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[8-9]。飛機(jī)草入侵貴州以來，在南北盤江及紅水河流域快速傳播，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)造成重大影響，隨著其種群不斷蔓延，其破壞力持續(xù)加劇，嚴(yán)重干擾群眾生產(chǎn)生活，已成為影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

為了摸清飛機(jī)草在貴州省的適生區(qū)范圍和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采用MaxEnt生態(tài)位模型和林業(yè)危險(xiǎn)性有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系對(duì)飛機(jī)草的適生區(qū)進(jìn)行預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。MaxEnt生態(tài)位模型是被廣泛用來進(jìn)行物種適生區(qū)預(yù)測的工具之一[10-11]，也是目前較為準(zhǔn)確的預(yù)測模型[12]。對(duì)于飛機(jī)草在國內(nèi)的適生區(qū)的預(yù)測研究，主要集中在全國大區(qū)域的分布預(yù)測上，如楊波等[12]運(yùn)用MaxEnt生態(tài)位模型預(yù)測飛機(jī)草在我國的適生區(qū)，結(jié)果顯示，飛機(jī)草在我國的主要適生區(qū)集中在南方各?。挥葳S等[13]采用層次分析法，研究了飛機(jī)草在中國的適生區(qū)，結(jié)果顯示，其適生區(qū)集中在臺(tái)灣、海南、云南、廣東、廣西以及西藏的東南部小部分地區(qū)，貴州南部與廣西交界的小部分地區(qū)和福建東南部部分地區(qū)為次適生區(qū)。在省級(jí)層面上對(duì)飛機(jī)草的分布預(yù)測研究，未見報(bào)道。由于我國在外來有害生物的防控原則上以屬地管理為主，因此，對(duì)省級(jí)區(qū)域進(jìn)行更詳細(xì)的分布預(yù)測分析，將更有利于對(duì)飛機(jī)草進(jìn)行精準(zhǔn)防控。目前，對(duì)外來入侵物種風(fēng)險(xiǎn)分析方法較多，本文主要采用國家林業(yè)局確定的“林業(yè)危險(xiǎn)性有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系”[14]進(jìn)行分析，該體系是在綜合和改進(jìn)多種指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上建立的，是目前應(yīng)用較多的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之一[15]。本次通過飛機(jī)草在貴州適生區(qū)的預(yù)測，進(jìn)一步細(xì)化飛機(jī)草在貴州省的“高度、中度、低度適生區(qū)及非適生區(qū)”，準(zhǔn)確量化多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)，減少賦值的主觀性，使飛機(jī)草的風(fēng)險(xiǎn)分析值更加準(zhǔn)確。

1 材料與方法

1.1 使用軟件

使用軟件 Excel 2016、MaxEnt 3.4.1、ArcMap 10.4.1。采用Excel 2016錄入飛機(jī)草分布點(diǎn)經(jīng)緯度，采用MaxEnt 3.4.1對(duì)飛機(jī)草的適生區(qū)進(jìn)行預(yù)測，運(yùn)用ArcMap 10.4.1對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換、提取、重分類等。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

飛機(jī)草分布點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取：(1)通過全球生物多樣數(shù)據(jù)庫(https://www.gbif.org/)，獲取了6 272個(gè)飛機(jī)草分布點(diǎn)數(shù)據(jù)；(2)2019年9月—2021年1月，通過野外實(shí)際調(diào)查，獲得飛機(jī)草在貴州省內(nèi)的分布點(diǎn)21個(gè)；(3)通過文獻(xiàn)查詢，獲取飛機(jī)草省外分布點(diǎn)22個(gè)[3,8]。

環(huán)境數(shù)據(jù)獲取 模型共采用20個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，其中氣候因子19個(gè)(bio01～19)，海拔因子1個(gè)(elevation)。氣候因子主要包括年度、季度、月的溫度變化和雨量變化，20個(gè)數(shù)據(jù)集均從世界氣象數(shù)據(jù)庫(https://worldclim.org/)獲取，數(shù)據(jù)集為1950—2000年數(shù)據(jù)，其空間分辨率約為1 km2。貴州省行政區(qū)劃圖來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)(http://nfgis.nsdi.gov.cn)。

1.2.2 預(yù)測方法

以飛機(jī)草分布點(diǎn)、氣候因子和海拔因子作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用MaxEnt 3.4.1軟件預(yù)測飛機(jī)草在貴州省的適生區(qū)。設(shè)置25%的點(diǎn)作為驗(yàn)證集，通過驗(yàn)證集中的實(shí)際分布點(diǎn)和預(yù)測值，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；由MaxEnt模型生成受試者工作特征曲線(ROC)，用其曲線下面積(AUC)對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，AUC值越大，證明離隨機(jī)分布越遠(yuǎn)，環(huán)境變量與模型對(duì)應(yīng)地理分布的相關(guān)性越大，即模型預(yù)測效果越好；預(yù)測結(jié)果通過ArcMap10.4.1軟件柵格化處理后映射到貴州省行政區(qū)底圖上，運(yùn)用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)對(duì)飛機(jī)草的適生區(qū)進(jìn)行重分類，獲得飛機(jī)草在貴州的適生區(qū)分布圖。

1.2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析方法

風(fēng)險(xiǎn)分析方法采用國家林業(yè)局森林病蟲害防治總站“林業(yè)危險(xiǎn)性有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系”[14]。評(píng)價(jià)體系共設(shè)置5個(gè)準(zhǔn)則層、13個(gè)指標(biāo)因子，根據(jù)各指標(biāo)的相對(duì)重要程度設(shè)置對(duì)應(yīng)權(quán)重及綜合評(píng)價(jià)公式，并對(duì)最終的綜合評(píng)價(jià)值(R)進(jìn)行劃分，判定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。其中，“區(qū)域內(nèi)分布情況”P11、“區(qū)域內(nèi)適生范圍”P24，依據(jù)飛機(jī)草在貴州的適生區(qū)預(yù)測面積和飛機(jī)草在貴州現(xiàn)有分布面積[15]計(jì)算。其余指標(biāo)依據(jù)對(duì)飛機(jī)草的調(diào)查[15]、飛機(jī)草生物學(xué)特性[7]及其它林業(yè)有害生物生物學(xué)進(jìn)行賦分。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性分析

由預(yù)測模型遺漏率分析(圖1)可知，測試樣本遺漏率與預(yù)測遺漏率基本吻合，表明樣本無空間自相關(guān)，由受試者工作特征曲線(圖2)可知，AUC值為0.887，標(biāo)準(zhǔn)差為0.004，顯著高于隨機(jī)分布模型(0.5)，表明該模型的適生區(qū)預(yù)測優(yōu)于隨機(jī)分布模型，且曲線下面積接近1，表明模型預(yù)測可靠。

圖1 預(yù)測模型遺漏率分析Fig.1 Prediction model omission rate analysis

圖2 受試者工作特征曲線(ROC)Fig.2 Receiver operating characteristic curve(ROC)

2.2 飛機(jī)草在貴州省適生區(qū)的預(yù)測結(jié)果

從飛機(jī)草在貴州省的分布預(yù)測圖(圖3)可知，飛機(jī)草的高適生區(qū)主要分布在貴州省的西南部 24.61°～26.37°N、104.52°～106.91°區(qū)域，面積約8 800 km2，約占全省行政區(qū)面積的5%。中適生區(qū)分布在貴州省的南部、東南部、西南部及北部的赤水河流域24.61°～26.72°N、104.41°～109.35°E區(qū)域，面積約18 800 km2，占全省行政區(qū)面積的10%。

圖3 飛機(jī)草在貴州省的分布預(yù)測

根據(jù)適生區(qū)預(yù)測結(jié)果，對(duì)飛機(jī)草在貴州的實(shí)際分布作進(jìn)一步調(diào)查。結(jié)果表明，飛機(jī)草主要分布在黔南州羅甸縣，黔西南州望謨縣、冊(cè)亨縣、貞豐縣、安龍縣、興仁縣、興義市，安順市鎮(zhèn)寧縣、紫云縣、關(guān)嶺縣等3市州10縣市，成片分布面積合計(jì)251.5 km2。其中，黔西南州225.8 km2，占 89.78%，黔南州20 km2，占7.95 %，安順市5.7 hm2，占 2.27%。貴州西南部南北盤江及紅水河流域河谷地帶是其集中分布區(qū)，與預(yù)測的適生區(qū)高度重合(圖4)。

圖4 飛機(jī)草分布范圍與適生區(qū)比較Fig.4 Comparison of distribution range and suitable area of C.odorata

從分布圖可以看出，當(dāng)前飛機(jī)草絕大部分集中分布在高適生區(qū)內(nèi)，僅少部分開始進(jìn)入中適生區(qū)。說明飛機(jī)草仍在擴(kuò)散蔓延中，并主要沿河流和公路傳播，其分布的最北位置已到達(dá)關(guān)嶺縣與晴隆縣交界處的北盤江關(guān)嶺一側(cè)。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

按照“林業(yè)危險(xiǎn)性有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系”評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[14]，結(jié)合貴州飛機(jī)草適生區(qū)預(yù)測面積，進(jìn)行指標(biāo)賦分，飛機(jī)草的各項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)和賦值如下(表1)。

表1 飛機(jī)草風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)判指標(biāo)及賦值

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系采用的量化計(jì)算公式(表2)，計(jì)算準(zhǔn)則層(Pi)得分，依據(jù)準(zhǔn)則層各項(xiàng)得分值計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)值(R)，得到風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)(R)值為2.32。參照風(fēng)險(xiǎn)分析等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)，飛機(jī)草在貴州屬于高度危險(xiǎn)的入侵植物。

表2 風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系采用的量化計(jì)算公式表

表3 林業(yè)有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本次適生區(qū)預(yù)測結(jié)果是基于1950—2000年氣候環(huán)境數(shù)據(jù)上獲得，在全球氣溫不斷升高的情況下，飛機(jī)草的適生區(qū)將會(huì)怎樣變化，尚有待進(jìn)一步研究。本次預(yù)測得到飛機(jī)草的適生區(qū)面積中包含河流、湖泊水面面積，調(diào)查表明，飛機(jī)草僅能在江河的“消落帶”上生長，無法在水中生存，所以預(yù)測得到的適生區(qū)面積比實(shí)際的適生區(qū)面積略大。

目前，飛機(jī)草主要分布在熱帶和亞熱帶區(qū)域，分布區(qū)域溫度較高，在飛機(jī)草分布的黔西南州最冷月平均氣溫7.28 ℃。在20個(gè)環(huán)境因子中，最冷季度平均溫對(duì)預(yù)測結(jié)果的貢獻(xiàn)率為25.7%，為最重要因子，推測在氣候因素方面，低溫是限制飛機(jī)草分布的主要因素。當(dāng)前飛機(jī)草在貴州主要分布在海拔900 m以下的南亞熱帶的河谷區(qū)，但近年來，在冊(cè)亨、望謨海拔1 140 m處已發(fā)現(xiàn)飛機(jī)草定殖，說明飛機(jī)草對(duì)低溫的耐受性不斷提高，開始適應(yīng)更高海拔的新環(huán)境，正在逐步擴(kuò)大分布范圍。

楊波等[12]研究顯示，貴州西南部為飛機(jī)草的適生區(qū)，入侵概率>0.6，虞赟等[13]的研究顯示，貴州為飛機(jī)草的次適生區(qū)，二者都未對(duì)飛機(jī)草在貴州的適生區(qū)進(jìn)行過詳細(xì)劃分。本研究詳細(xì)調(diào)查了飛機(jī)草在貴州的實(shí)際分布區(qū)域，擴(kuò)充了模型運(yùn)行數(shù)據(jù)，使得結(jié)果更加可靠，并詳細(xì)地劃分了適生等級(jí)，對(duì)于區(qū)域防治和監(jiān)測起到參考作用。

3.2 結(jié)論

飛機(jī)草在貴州的適生區(qū)主要在西南部的南北盤江及紅水河南亞熱帶的河谷區(qū)域，部分在東南的都柳江區(qū)域，少部分在北部的赤水河區(qū)域，適生區(qū)面積大，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其實(shí)際分布區(qū)與預(yù)測的適生區(qū)高度吻合。表明運(yùn)用MaxEnt生態(tài)位模型對(duì)飛機(jī)草在省級(jí)區(qū)域內(nèi)的適生區(qū)進(jìn)行預(yù)測準(zhǔn)確可行。

通過MaxEnt生態(tài)位模型預(yù)測，飛機(jī)草在貴州省高適生區(qū)面積為8 800 km2，占全省面積的5%，中適生區(qū)面積為18 800 km2，占全省面積的10%；高適生區(qū)和中適生區(qū)集中分布在南北盤江及紅水河流域，都柳江、龍江流域，赤水河流域也有少部分中適生區(qū)分布。風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果表明，飛機(jī)草在貴州的風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)值(R)為2.32，在貴州屬于高度危險(xiǎn)入侵植物。

為阻止飛機(jī)草進(jìn)一步擴(kuò)散，須采取以下措施：(1)對(duì)飛機(jī)草高適生區(qū)輸出的苗木、種子、農(nóng)產(chǎn)品等加強(qiáng)檢疫執(zhí)法，阻斷其傳播路徑。(2)在高適生區(qū)內(nèi)，積極防除，運(yùn)用物理[16]、化學(xué)[17]、生物[18]等方法防治后，利用經(jīng)濟(jì)作物替代，減少飛機(jī)草的生存空間；在中適生區(qū)內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)后，立即除治。(3)積極宣傳飛機(jī)草的危害性，降低人為傳播，增強(qiáng)公眾防范意識(shí)，讓公眾參與到監(jiān)測和防治飛機(jī)草實(shí)踐中來。