基于Maxent模型的寧夏枸杞癭螨適生性分析

武萬里 劉垚 馬菁 張學(xué)儉

摘要：為評估分析寧夏區(qū)域枸杞癭螨危害的風(fēng)險特征，探討枸杞癭螨致災(zāi)的氣象因子指標(biāo)，基于2013-2018年寧夏全區(qū)枸杞癭螨田間自動采集器、病蟲害移動采集系統(tǒng)監(jiān)測資料，應(yīng)用Maxent模型及ArcGIS技術(shù)，構(gòu)建了枸杞癭螨適生分布模型，分析了生態(tài)環(huán)境因子對枸杞癭螨分布的影響。結(jié)果表明：對枸杞癭螨分布影響較大的環(huán)境變量主要為6月、7月、8月、9月降水量、10月的平均氣溫和最高地溫;構(gòu)建的枸杞癭螨潛在地理分布模型的AUC值達到0.950，屬“非常好”的標(biāo)準(zhǔn)，可用于研究枸杞癭螨適生性地理分布研究;枸杞癭螨的適生區(qū)范圍主要在中寧核心枸杞產(chǎn)區(qū)和銀川市賀蘭山沿山枸杞產(chǎn)區(qū);枸杞癭螨高、次高、中等氣候風(fēng)險區(qū)的面積分別為1323.01 km2、2779.96 km2、4346.14 km2，分別占寧夏國土總面積的1.99%、4.19%、6.55%。研究結(jié)果對于制定合理防控措施、控制枸杞癭螨災(zāi)害具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：枸杞;枸杞癭螨;Maxent模型;適生性分析

中圖分類號：S431.9

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2022）02-0066-005

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2022.02.010

枸杞是寧夏的農(nóng)業(yè)優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)之一，目前全區(qū)枸杞種植面積已超過600 km2，占全國種植面積一半以上，形成了以中寧為核心，清水河流域和銀川以北為重點布局的枸杞產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟帶。但近些年來，隨著氣候變化以及枸杞產(chǎn)區(qū)面積的逐年擴大，枸杞病蟲害的發(fā)生也越來越嚴(yán)重，對枸杞的產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。枸杞癭螨（拉丁學(xué)名Aceria macrodonis ?Keifer），又稱大瘤癭螨[1]，主要分布于寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、山西、陜西、青海等地的枸杞產(chǎn)區(qū)，是枸杞的主要害蟲之一，主要危害枸杞的葉片、花蕾、幼果、嫩莖、花瓣及花柄[2]，優(yōu)先侵染枸杞幼嫩部位[3]。嫩莖受害時，在頂端葉芽處會形成長3～5 mm的丘狀蟲癭，受害嚴(yán)重時葉片會扭曲變形，嚴(yán)重的頂端嫩葉卷曲膨大成拳頭狀，變成褐色，提前脫落，造成禿頂枝條，停止生長，危害嚴(yán)重時，可能造成50%以上減產(chǎn)。在寧夏地區(qū)，枸杞癭螨為常發(fā)害蟲，1年可繁殖十余代。每年4月，越冬的成螨開始出蟄活動，5-6月份和8-9月份出現(xiàn)2次危害高峰，11月成螨開始越冬，并通過枸杞木虱成蟲攜帶越冬[4]。由于枸杞癭螨發(fā)生的時間跨度長，大多數(shù)時間生活于蟲癭內(nèi)，防治難度大，防治成本高，因此，科學(xué)有效地進行枸杞癭螨監(jiān)測預(yù)報工作至關(guān)重要。生態(tài)位理論是生態(tài)學(xué)最重要的理論之一[5]，廣泛應(yīng)用于生物生境分析和預(yù)測工作中。其中，最大熵（Maxent）模型是目前應(yīng)用較廣的用于模擬給定環(huán)境條件下物種出現(xiàn)概率的物種分布模型[6]。多年的研究證明，Maxent模型在物種分布預(yù)測研究和應(yīng)用上表現(xiàn)出了很好的預(yù)測能力，它具有模擬精度高、操作簡便、結(jié)果穩(wěn)定、所需樣本量小等優(yōu)點[7]，廣泛應(yīng)用在物種生境適宜區(qū)的預(yù)測和評價工作中。實踐中，Li等[8]利用最大熵模型（Maxent）和地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件，根據(jù)三種氣候情景模擬了椰棕扁葉甲的未來分布。孫佩珊等[9]利用Maxent模型預(yù)測了地中海實蠅在中國的適生區(qū)域，評估了其入侵中國的風(fēng)險。王蕾等[10]基于Maxent模型分析了新疆特色林果區(qū)春尺蠖發(fā)生的風(fēng)險，ROC評價顯示，對新疆特色林果區(qū)春尺蠖潛在風(fēng)險區(qū)模擬效果較好。劉博等[11]利用Maxent模型預(yù)測了小巢粉虱在中國的潛在地理分布。Li等[12]利用Maxent生態(tài)位模擬軟件，模擬了云斑天牛的分布，預(yù)測了氣候變化情景下的潛在變化范圍。馬菁等[13]利用Maxent模型預(yù)測了寧夏枸杞蚜蟲適生分布。本研究擬應(yīng)用Maxent模型，分析寧夏區(qū)域枸杞癭螨的危害特征，探討枸杞癭螨致災(zāi)的氣象因子等指標(biāo)參數(shù)，構(gòu)建枸杞癭螨適生地理分布預(yù)測模型，分析寧夏全區(qū)枸杞癭螨適生分布區(qū)域，研究寧夏枸杞癭螨的適生地理分布特征，旨在為及時掌握寧夏枸杞癭螨地理分布特征及發(fā)生范圍、為制定合理防控措施、控制癭螨災(zāi)害提供參考和理論依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1枸杞癭螨分布數(shù)據(jù)采集

本研究共設(shè)立了21個枸杞癭螨蟲害監(jiān)測點，分別位于中寧核心產(chǎn)區(qū)、清水河流域、銀川及以北三大枸杞種植帶的21個規(guī)模化枸杞種植基地，其中，中寧核心產(chǎn)區(qū)有：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、吳忠杞愛、金沙灣枸杞種植基地;銀川及以北植產(chǎn)區(qū)有：銀川百瑞源、南梁農(nóng)場、園林場、暖泉、惠農(nóng)西夏堂枸杞種植基地;清水河流域種植產(chǎn)區(qū)有：紅寺堡百瑞源、同心潤德、易捷、固原正杞紅枸杞種植基地。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。具體做法是：（1）利用田間自動采集器對枸杞癭螨進行區(qū)域化遠程監(jiān)測，將信息素黃板上監(jiān)控到的枸杞癭螨等蟲害的蟲口數(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，并進行圖像識別處理入庫，遠程獲取各枸杞種植基地病蟲監(jiān)測點的枸杞癭螨監(jiān)測信息;（2）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。采集時間為2013—2018年。5年間共計獲取點位數(shù)據(jù)34 300余條。

1.2氣象數(shù)據(jù)獲取

用于枸杞癭螨風(fēng)險分布預(yù)測分析的氣象數(shù)據(jù)，源自寧夏氣象檔案館，包含近30年的氣溫、降水、輻射、風(fēng)速月平均數(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，來源于Worldclim氣候數(shù)據(jù)庫（https：//worldclim.org/data/worldclim21.html）。

1.3建模方法與評價標(biāo)準(zhǔn)

使用Maxent模型對寧夏枸杞癭螨風(fēng)險分布區(qū)域進行預(yù)測分析，并利用ArcGIS進行空間特征分析，具體作法為：（1）將實際調(diào)查的枸杞癭螨地理信息數(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提取與枸杞癭螨地理信息數(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);（2）使用刀切法評判各變量的貢獻率，剔除貢獻率小的變量。將枸杞癭螨分布數(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，隨機選取75%的監(jiān)測數(shù)據(jù)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;（3）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之間，越接近1，表示模型預(yù)測精度越高[14]。AUC值的評價按五級劃分，即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共5個區(qū)間。對應(yīng)的評價等級為失敗、較差、一般、好、非常好5個評價等級。通常，當(dāng)AUC值>0.75時，可判定模型模擬結(jié)果準(zhǔn)確度高;（4）Maxent模型的預(yù)測輸出結(jié)果為枸杞癭螨的存在概率，利用ArcGIS軟件插值，可得到枸杞癭螨的存在概率分布值。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，并繪制枸杞癭螨風(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。從ROC曲線圖（圖1）可以看出，基于所有變量構(gòu)建的枸杞癭螨潛在地理分布模型的AUC值為0.950，表明所構(gòu)建模型的預(yù)測準(zhǔn)確性達到“非常好”的標(biāo)準(zhǔn)，可用于枸杞癭螨潛在地理分布研究。

2.2各變量對模型預(yù)測的貢獻率

通過刀切法對氣象數(shù)據(jù)變量進行相關(guān)性分析，得到各變量對枸杞癭螨分布影響的貢獻率（圖2），AUC值排名前六的變量分別為：6月降水量、10月氣溫、10月最高地溫、7月降水量、9月降水量、8月降水量。其中，6月降水量和10月氣溫AUC值>0.9，達到“非常好”的標(biāo)準(zhǔn)，10月最高地溫、7月降水量、9月降水量、8月降水量AUC值介于0.8～0.9之間，屬于“好”的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3各氣象變量與癭螨潛在分布的關(guān)系

枸杞癭螨潛在地理分布模型預(yù)測結(jié)果顯示（圖3），6月降水量、10月平均氣溫、10月最高地溫、7月降水量、9月降水量、8月降水量對枸杞癭螨發(fā)生發(fā)展影響較大。6月、7月和8月降水量在20～40 mm適宜枸杞癭螨發(fā)生發(fā)展，基本在30 mm左右蟲口密度達到最大，之后蟲口密度隨著降水量的增加逐漸下降。9月降水量在15 mm以下和30～45 mm范圍較適宜枸杞癭螨發(fā)生發(fā)展。10月平均氣溫和10月最高地溫對枸杞癭螨發(fā)生影響較為明顯，適宜的10月平均氣溫范圍在6.0 ℃以上，適宜的10月最高地溫范圍在38 ℃以上。

2.4枸杞癭螨風(fēng)險分析

基于Maxent模型的寧夏枸杞癭螨風(fēng)險分布預(yù)測結(jié)果，利用ArcGIS軟件得到枸杞癭螨的存在概率分布。寧夏枸杞癭螨蟲害風(fēng)險區(qū)主要集中在銀川市賀蘭山沿山枸杞產(chǎn)區(qū)和中寧枸杞產(chǎn)區(qū)（圖4）。其中，高和次高氣候風(fēng)險區(qū)位于中寧枸杞核心產(chǎn)區(qū);中等氣候風(fēng)險區(qū)位于銀川市賀蘭山沿山枸杞產(chǎn)區(qū)及清水河流域北部的枸杞產(chǎn)區(qū)。枸杞癭螨的高、次高、中等氣候風(fēng)險區(qū)的面積分別為1323.01 km2、2779.96 km2、4346.14 km2，分別占寧夏國土面積的1.99%、4.19%、6.55%。

3結(jié)論與討論

本研究基于枸杞癭螨地理分布信息、環(huán)境及氣象變量，應(yīng)用Maxent模型對寧夏枸杞癭螨進行了適生性分析。結(jié)果表明，寧夏枸杞癭螨蟲害風(fēng)險區(qū)主要集中在銀川市賀蘭山沿山枸杞產(chǎn)區(qū)和中寧枸杞產(chǎn)區(qū)，其中，高和次高氣候風(fēng)險區(qū)位于中寧枸杞核心產(chǎn)區(qū);中等氣候風(fēng)險區(qū)位于銀川市賀蘭山沿山枸杞產(chǎn)區(qū)及清水河流域北部的枸杞產(chǎn)區(qū);對枸杞癭螨蟲害分布影響較大的環(huán)境變量主要為6月降水量、10月氣溫、10月最高地溫、7月降水量、9月降水量、8月降水量，枸杞癭螨發(fā)生的適宜降水量范圍為6月降水量在20 mm以上，7月、8月和9月降水量適宜范圍在25 ?mm以上，10月平均氣溫范圍在6.0 ℃以上，最高地溫范圍在38 ℃以上。

枸杞癭螨體型較小，活動非常隱蔽，遷徙距離短，在枸杞的生長季終生在蟲癭內(nèi)繁殖，1年中可繁殖多達10代，世代重疊嚴(yán)重，因此，防治難度較大。另一方面，由于枸杞癭螨可通過枸杞木虱攜帶在本地越冬，因此，枸杞癭螨發(fā)生的區(qū)域特征比較明顯。

Maxent模型用于寧夏枸杞癭螨風(fēng)險分布的研究，具有較高的準(zhǔn)確性，但也存在一定的局限性，一是模型所選用的變量都是氣候因子，未涉及自然、植被等其他環(huán)境因子，其結(jié)果偏重于氣候因子對枸杞癭螨的風(fēng)險分布影響。二是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，特別是枸杞癭螨與枸杞木虱的越冬攜帶關(guān)系，實際情況要復(fù)雜的多，所以得到的預(yù)測結(jié)果比現(xiàn)實的生態(tài)位要寬。

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Adaptability Analysis of Aceria macrodonis Keifer in Ningxia Based on Maxent Model

Wu Wanli1，2，Liu Yao1，2*，Ma Jing3，Zhang Xuejian3

（1.Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions，CMA，Yinchuan，Ningxia 750002，China;2.Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction，Yinchuan，Ningxia 750002，China;3.Agricultural Economy and Information Technology Research Institute of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry，Yinchuan，Ningxia 750002，China）

Abstract：In order to evaluate the damage risk of Aceria macrodonis Keifer in Ningxia，and to explore impact of meteorological factors on distribution of A.macrodonis，a suitable distribution model of A.macrodonis was constructed by Maxent model and ArcGIS，based on the monitoring data of A.macrodonis in Ningxia from 2013 to 2018.The effects of ecological factors on the distribution of A.macrodonis were analyzed.The results showed that precipitation in June，July，August and September，mean temperature and maximum ground temperature in October were the main environment variables that affected the distribution of A.macrodonis.The AUC value of potential distribution model of A.macrodonis reached 0.950，which means the model can be used to study ecological suitability of A.macrodonis.The suitable areas of A.macrodonis were mainly in the core producing areas of lycium barbarum in Zhongning and areas along Helanshan，Yinchuan.The area of the high，second high and medium climate risk areas of A.macrodonis were 1323.01 km2，2779.96 km2 and 4346.14 km2，respectively，accounting for 1.99%，4.19% and 6.55% of the total land area of Ningxia.The results have important guiding significance for formulating reasonable prevention and control measures and controlling the A.macrodonis.

Keywords：Chinese wolfberry;Aceria macrodonis Keifer;Maxent model;adaptability analysis

收稿日期：2021-06-25;

修回日期：2021-08-04

基金項目：第五批“寧夏青年科技人才托舉工程”項目;寧夏農(nóng)林科學(xué)院全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新示范項目（QCYL-2018-1102）

通訊作者：劉垚（1987—），女，博士，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)病蟲害氣象相關(guān)研究，Email：liuyao314@163.com.

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