新疆荒漠草地亮柔偽步甲蟲害與草地變化關(guān)系研究—以昌吉州南山草場為例

沈江龍，陳吉軍，阿布都瓦里·伊瑪木，楊坤，郭雅婷，鄭江華*

（1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2. 新疆維吾爾自治區(qū)蝗蟲鼠害預(yù)測預(yù)報防治中心站，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆草原面積廣闊，是我國重要的畜牧業(yè)基地之一，同時也是遭受草原鼠蟲害最嚴(yán)重的地區(qū)之一［1?2］。蟲害爆發(fā)，危害牧草的生長，加劇草畜矛盾，直接影響牧區(qū)的正常生產(chǎn)，并且隨著蟲害的加劇將導(dǎo)致草地覆蓋度降低，甚至土地裸露，水土流失，生態(tài)環(huán)境惡化［3］。植被發(fā)生病蟲害引起植物理化特征改變而造成植物光譜反射曲線變化是基于遙感技術(shù)研究植被病蟲害的理論基礎(chǔ)［4］；而利用遙感高效獲取地表土壤溫度、濕度、植被指數(shù)等地表參數(shù)的能力對植被病蟲害進(jìn)行發(fā)生特征［5］、災(zāi)害評估［6］、預(yù)測預(yù)報［7?8］等研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

亮柔偽步甲（Prosodes dilaticollis）是棲息在我國新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等西北干旱區(qū)荒漠草地的地下害蟲，屬昆蟲綱鞘翅目擬步甲科，3年完成1 代，世代重疊，其幼蟲強(qiáng)烈咬食草根，破壞草場。1989年在伊犁河谷爆發(fā)了以突頰側(cè)琵甲為主，刺甲屬、齒刺甲屬、琵甲屬、沙土甲屬、土甲屬等6 種擬步甲為輔的混合種群蟲害，發(fā)生面積達(dá)數(shù)萬hm2，重災(zāi)區(qū)蟲口密度最高時逾500 頭·m?2，平均100 頭·m?2［9］；2007年在昌吉州瑪納斯縣、呼圖壁縣的南山草場爆發(fā)亮柔偽步甲蟲害，發(fā)生面積超過3萬hm2，嚴(yán)重危害面積達(dá)1.67萬hm2，平均蟲口密度達(dá)38.2 頭·m?2［10］。關(guān)于亮柔偽步甲蟲害的研究涵蓋兩個方面：一是草原工作者通過野外調(diào)查、溫室培養(yǎng)進(jìn)行了生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等方面的研究。如趙莉等［11］、肖宏偉等［12］通過室內(nèi)溫室培養(yǎng)實驗，得出飼料類型、有效積溫和土壤溫濕度會顯著地影響亮柔偽步甲生長速率和卵成活率的結(jié)論。王吉云［9］、陳新喬［13］經(jīng)過多年野外調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)持續(xù)性的降水會顯著地影響亮柔偽步甲蟲害發(fā)生的蟲口密度。二是近年來隨著“3S”技術(shù)在植被病蟲害方面的廣泛應(yīng)用，有學(xué)者利用“3S”技術(shù)對亮柔偽步甲蟲害進(jìn)行了研究。如李培先等［14］使用最大熵模型和GIS 空間分析技術(shù)，對新疆突頰側(cè)琵甲潛在地理分布進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明降水是影響其分布的關(guān)鍵因素；吳秀蘭等［15?17］基于資源一號遙感影像，估算了昌吉州瑪納斯縣、呼圖壁縣的亮柔偽步甲蟲害的發(fā)生面積，并結(jié)合數(shù)字高程模型分析了亮柔偽步甲蟲害發(fā)生的地形特征。但是在尚未清楚蟲害成災(zāi)機(jī)制之前，基于遙感技術(shù)監(jiān)測研究成果也難以在實際應(yīng)用，加之由于亮柔偽步甲生活在地下，蟲害發(fā)生時比較隱蔽，發(fā)現(xiàn)其危害時草地已發(fā)生毀滅性退化，恢復(fù)植被困難，且傳統(tǒng)野外監(jiān)測效率低，造成防治“留白”地區(qū)較多，形成“年年防治、年年成災(zāi)”的被動局面。

亮柔偽步甲屬于擬步甲科昆蟲，是荒漠草地中的優(yōu)勢無脊椎動物類群，也是草地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，在物質(zhì)循環(huán)過程中扮演重要的角色，對草地生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有至關(guān)重要的作用。Liu 等［18］研究了中國鹽池地區(qū)不同年齡荒漠造林區(qū)對蟻科、擬步甲科等土壤動物群落的影響，認(rèn)為荒漠造林工程能夠改善土壤動物的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的正向演變。Rosas 等［19］利用GIS 技術(shù)制作了巴塔哥尼亞高原的擬步甲科昆蟲的多樣性地圖并分析了擬步甲的物種多樣性與放牧強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)、荒漠化程度的關(guān)系。Lescano 等［20］通過分析不同植被類型條件下蟻科、擬步甲科等土壤動物群落的多樣性，認(rèn)為擬步甲群落結(jié)構(gòu)在不同的植被類型下有很大差異。但是目前關(guān)于亮柔偽步甲的研究多是從蟲害角度進(jìn)行，而忽略了其生態(tài)價值，實際防治工作中，在尚未明白蟲害的成災(zāi)機(jī)制之前持續(xù)性的增加投入反而有可能危害草原生態(tài)系統(tǒng)自身的平衡。目前的植被病蟲害研究多集中于蝗災(zāi)等危害面積廣的災(zāi)害，使用的遙感數(shù)據(jù)分辨率較低，而亮柔偽步甲遷移能力弱，活動范圍小，啃食牧草，引起草地覆蓋變化，因此可以用高分辨率遙感影像分析蟲害發(fā)生與草地變化的關(guān)系。

綜上所述，基于遙感影像、土地覆蓋、氣象等多元數(shù)據(jù)，分析亮柔偽步甲蟲害發(fā)生與植被覆蓋變化、土地利用狀態(tài)變化、氣候等環(huán)境因素的相互作用關(guān)系，為理解亮柔偽步甲蟲害成災(zāi)機(jī)制，從而采取科學(xué)的防治措施具有重要意義。本研究基于2014?2020年野外定點監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用環(huán)境一號多時相遙感影像數(shù)據(jù)反演歸一化植被指數(shù)、植被變異系數(shù)、植被變化斜率表征研究區(qū)草地植被覆蓋狀況，使用線性趨勢法、方差分析、土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣等方法定量分析亮柔偽步甲蟲害的爆發(fā)與草地覆蓋變化、氣候等因素的相互關(guān)系，以期為草原保護(hù)部門科學(xué)預(yù)測、監(jiān)測、防治亮柔偽步甲蟲害提供理論依據(jù)，促進(jìn)荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北坡昌吉州瑪納斯縣和呼圖壁縣交界的南山山區(qū)草場，86°2′51″?86°48′30″E，43°47′43″?44°8′5″N，平均海拔1000 m，為中低山帶與前山帶夾持的山間小盆地，地勢南高北低，南部是天山山區(qū)，北部是沖積平原形成的農(nóng)業(yè)種植區(qū)（圖1）。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，年均氣溫2.9～7.1 ℃，年均降水量205～300 mm，土壤類型為栗鈣土，植被景觀類型以荒漠草地為主，植被以絹蒿（Seriphidium kaschgaricum）、苔草（Carex duriuscula）、駱駝蓬（Peganum harmala）、芨芨草（Achnatherum splendens）為主，是當(dāng)?shù)刂饕拇呵锬翀觥Ａ寥醾尾郊紫x害常年監(jiān)測區(qū)有旱卡子灘哈薩克民族鄉(xiāng)、黑羊溝、塔西河哈薩克民族鄉(xiāng)加嶗、阿克奇村等地的草場，面積9.6萬hm2，常年危害區(qū)約2萬hm2［21］。亮柔偽步甲蟲害爆發(fā)期在每年4?6月，平均密度40 頭·m?2，最高達(dá)240頭·m?2，蔓延速度快，其把一片草地破壞至裸地后向有草的地方遷移，繼續(xù)危害草場，對草場造成毀滅性危害。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study areaa：研究區(qū)區(qū)位圖、b：野外調(diào)查工作照、c：亮柔偽步甲危害景觀、d：研究區(qū)概況圖。a：Position map of study，b：Field work photo，c：Landscape of pests，d：Overview of study area.

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 野外調(diào)查數(shù)據(jù) 于2014?2020年每年4?6月對呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)阿克奇村和瑪納斯縣的塔西河哈薩克民族鄉(xiāng)、旱卡子灘哈薩克民族鄉(xiāng)等地區(qū)的亮柔偽步甲危害區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查。采取野外探查和樣點挖掘等方法，樣點采集方法為人工挖掘長0.5 m，寬0.5 m，深0.5 m 的土坑，對樣點內(nèi)亮柔偽步甲昆蟲數(shù)量計數(shù)，得到樣點的蟲口密度數(shù)據(jù)，共搜集到2014?2020年238 個實測樣點的蟲口密度數(shù)據(jù)。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù) 遙感數(shù)據(jù)利用環(huán)境一號衛(wèi)星高時間、空間分辨率的特點，使用其可見光波段反演歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI），構(gòu)建2010?2020年的平均NDVI、年際植被變異系數(shù)、植被變化斜率用于反映這一時間內(nèi)研究區(qū)地表植被覆蓋變化（表1）。為降低11年間物候變化對研究的影響（如：每年草地生長期的變化、蟲害爆發(fā)時間節(jié)點的變化），并考慮亮柔偽步甲的爆發(fā)期在每年的4?6月，研究使用每年4?6月間質(zhì)量較好的環(huán)境一號光學(xué)衛(wèi)星影像共計30 幅。遙感影像數(shù)據(jù)從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（http：//www.cresda.com）下載得到，使用ENVI 遙感影像分析軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、正射校正、大氣校正、拼接裁剪等預(yù)處理操作。

表1 遙感影像時間Table 1 Remote sensing image date

1.2.3 土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù) 亮柔偽步甲是一種生活在土壤中的地下昆蟲，土地覆蓋利用的變化必然影響其生長發(fā)育及種群數(shù)量，進(jìn)而影響蟲害的發(fā)生強(qiáng)度。清華大學(xué)宮鵬教授團(tuán)隊發(fā)布的2010（30 m）［22］、2017（10 m）［23］年全球地表覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)空間分辨率高、分類效果好、分類精度高，被廣泛運(yùn)用于全球土地利用/覆蓋變化的地理空間建模研究中（http：//data.ess.tsinghua.edu.cn）。該數(shù)據(jù)有農(nóng)用地、草地、森林、灌木、裸地、水體、不透水面、云、冰雪等9 大土地利用類型，在本研究主要涉及的有草地向裸地、不透水面、農(nóng)用地的變化。

1.2.4 氣象數(shù)據(jù) 根據(jù)蝗災(zāi)的研究經(jīng)驗，昆蟲發(fā)育受溫度、降水、土壤濕度、光照等氣象因素的影響，因此研究使用中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集中瑪納斯氣象站的平均氣溫（℃）、20?20 時降水量（mm）、平均相對濕度（%）、日照時數(shù)（h）等氣象要素，探討氣候因素對草地生長、亮柔偽步甲蟲口密度的影響。數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.data.cma.cn），獲取了2010?2020年4?6月的氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

植被光譜反射曲線能夠反映植被生長狀況好壞，目前許多研究利用遙感影像的植被光譜反射曲線構(gòu)造植被指數(shù)來監(jiān)測植被生長狀況［24?25］。歸一化植被指數(shù)（NDVI）對綠色植被敏感與植被分布密度呈線性關(guān)系，是監(jiān)測植被生長狀態(tài)和植被分布密度的最佳指標(biāo)［26?27］，因此本研究使用NDVI 反映研究區(qū)草地植被覆蓋狀況。

式中：NIR 為近紅外波段，R 為紅光波段。

為定量化草地變化趨勢，本研究借鑒前人的研究［28?30］使用線性趨勢法反演草地的生長趨勢，以一元線性方程的斜率量化蟲害對草地變化趨勢的影響。

式中：n是研究時間序列的長度，即2014?2020年共7年，i為第i年。為避免物候因素在分析蟲害與草地生長關(guān)系時的不確定性，對4?6月多時相的NDVI 值求平均值得到每年4?6月的平均NDVIi，i表示第i年。由于多景的遙感影像受大氣輻射條件、衛(wèi)星軌道姿態(tài)等偶然因素影響，使得NDVI 存在異常值、最大最小值不一致的問題，所以在去除異常值之后對NDVIi進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化。以NDVIi表示該年受包括偽步甲蟲害在內(nèi)的自然條件、人類活動等因素綜合影響下的植被生長狀況。Slope 為正表示NDVI 隨時間正向變化，即草地生長狀況變好，為負(fù)表示草地生長狀況變差。使用ArcGIS 軟件柵格計算器工具計算年際間的平均NDVI、變異系數(shù)、植被變化斜率反映研究區(qū)草地植被覆蓋狀況及其年際變化，使用值提取點工具提取樣點的NDVI 值、變異系數(shù)、植被變化斜率用于相關(guān)性分析和方差分析研究。

為定量蟲害爆發(fā)對草地變化的影響從而為建立亮柔偽步甲防治標(biāo)準(zhǔn)提供參考，方差分析時根據(jù)草原管理部門亮柔偽步甲蟲害防治經(jīng)驗，以蟲口密度為0 頭·0.25 m?2的實測點為對照水平（level 0），1～20 頭·0.25 m?2的實測點為輕度危害水平（level 1），20～50 頭·0.25 m?2的實測點為中度危害水平（level 2），50 頭·0.25 m?2以上的實測點為重度危害水平（level 3）。

因為不同年份實測點蟲口密度差異較大，Z-score 標(biāo)準(zhǔn)化可以減小個別離群值對總體分布趨勢的影響，所以使用Z-score 法對每年的實測點數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，式中，yi是標(biāo)準(zhǔn)化后的蟲口密度，xi表示原始值，-x是該年度蟲口密度的平均值，s是該年度樣本點蟲口密度的標(biāo)準(zhǔn)差。方差分析時使用未標(biāo)準(zhǔn)化的蟲口密度樣點數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討不同亮柔偽步甲蟲害發(fā)生水平之間的年際平均NDVI、年際植被變異系數(shù)、年際植被變化斜率的顯著性差異。

為探求土地覆蓋變化、氣候變化等因素如何影響亮柔偽步甲蟲害爆發(fā)，結(jié)合2010，2017年土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)，建立土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，提取草地退化/恢復(fù)區(qū)域；結(jié)合氣象要素數(shù)據(jù)分析年際間的氣候變化與植被覆蓋狀況、亮柔偽步甲蟲口密度的相互關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 亮柔偽步甲蟲口密度與年際平均NDVI 的關(guān)系

圖2 中考慮到便于理解、驗證、對比分析等因素，所以結(jié)合遙感影像（a）、土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)（c）對比分析。首先由圖2 綜合分析可知，研究區(qū)自西向東，西北角是瑪納斯河和沿河畔的旱卡子灘鄉(xiāng)，中部是沿塔西河以及兩岸分布的塔西河鄉(xiāng)，中東部是阿克奇村，最東部是呼圖壁河，3 條河流沿岸分布著村莊和農(nóng)田，農(nóng)田外側(cè)是草場，南北兩側(cè)是山地，中間是河流沖擊形成的洪積扇，洪積扇也是草場的大部分。由圖2 可知，不同土地覆蓋類型的NDVI 顯著不同，南山草地、農(nóng)田、中部草地、裸地、裸巖的NDVI 值逐漸降低。亮柔偽步甲野外采樣點呈現(xiàn)定點監(jiān)測區(qū)內(nèi)的密集分布以及沿季節(jié)性河流沖積物的帶狀分布特征。結(jié)合蟲口密度與NDVI 分布來看，高密度樣點對應(yīng)分布在草場NDVI 低的裸地上，低密度樣點對應(yīng)分布在草場NDVI 高的草地上。在阿克奇草場，實測點的蟲口密度呈現(xiàn)由裸地向草地內(nèi)部減小的趨勢。綜合分析可知，亮柔偽步甲蟲害爆發(fā)區(qū)具有貼近農(nóng)牧交錯區(qū)（如旱卡子灘鄉(xiāng)兩農(nóng)田所夾處、塔西河鄉(xiāng)東南、阿克奇村東西兩側(cè)），沿著冰雪融水匯集河流的河床、河漫灘的條狀分布趨勢（如阿克奇村西側(cè)、呼圖壁河西側(cè)）。

圖2 蟲口密度與NDVI 的空間關(guān)系Fig. 2 The spatial relationship between insect density and NDVIa：高分一號遙感影像，b：NDVI，c：土地覆蓋類型。a：Image data of GF1-WFV，b：NDVI，c：Land coverage.

由圖3a 可知，亮柔偽步甲蟲口密度與NDVI 呈弱負(fù)相關(guān)性，蟲口密度越高NDVI 值越低。由圖3b 可知，對照、輕度發(fā)生水平的NDVI 要高于中度、重度發(fā)生并且值域大于中度發(fā)生，但是各水平之間并沒有顯著性差異。重度發(fā)生水平NDVI 平均值最低并且集中在低值區(qū)間。由圖3c、d 可知，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后，亮柔偽步甲蟲口密度與NDVI 并無相關(guān)性，各水平之間也無顯著性差異，原因是與2014?2020年多年數(shù)據(jù)的研究結(jié)果（圖3a、b）相比以每一年數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的研究結(jié)果（圖3b、d）減弱了亮柔偽步甲不同發(fā)生水平之間NDVI 值的差異性。但由圖3c、d可知，蟲口密度與NDVI 的線性擬合直線斜率仍為負(fù)值，對照組的NDVI 高于輕度、中度、重度水平。綜上可知，在植被生長狀況較好的草地上，亮柔偽步甲蟲口密度低，在植被生長狀況較差的草地上蟲口密度高。

圖3 蟲口密度與NDVI 的相關(guān)性和方差分析Fig.3 Correlation and variance analysis of insect density and NDVI*代表相關(guān)系數(shù)通過0.05 置信水平下的顯著性檢驗。 a：原始數(shù)據(jù)的相關(guān)分析；b：原始數(shù)據(jù)的方差分析；c：標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)分析；d：標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的方差分析。下同。*represents correlation coefficient passing the significance test at the 0.05 confidence level. a：Correlation analysis of raw data；b：Variance analysis of raw data；c：Correlation analysis of standardized data；d：Variance analysis of standardized data.The same below.

2.2 亮柔偽步甲蟲害與年際植被變異系數(shù)的關(guān)系

變異系數(shù)反映了數(shù)據(jù)波動程度的大小，植被生長狀況受自然條件、人類活動等因素綜合影響。自然條件如氣溫、降水、地形等因素會顯著影響整體植被的生長，西北干旱區(qū)氣候干旱，降水稀少，植被對自然氣候的變化更加敏感，植被指數(shù)變化更劇烈［31?32］。南山草場位于天山北坡中段的山前洪積扇，瑪納斯河、塔西河、呼圖壁河、清水河貫穿其中，這些以冰雪融水為主要水源的河流不僅滋養(yǎng)了下游大面積的綠洲農(nóng)業(yè)，同時使得處在上游南山草場的旱卡子灘哈薩克民族鄉(xiāng)、塔西河哈薩克民族鄉(xiāng)、雀爾溝鎮(zhèn)等地區(qū)發(fā)展了以畜牧業(yè)為主，伴有少量作物種植業(yè)的生產(chǎn)模式，在這種生產(chǎn)模式下造成植被覆蓋變化的因素有放牧強(qiáng)度、農(nóng)田開墾、工程建設(shè)等，相較于自然因素人類活動影響地表植被更加劇烈，且具有區(qū)域性。如圖4 所示，裸地、農(nóng)田變異系數(shù)較大，草地波動較小，農(nóng)田變異系數(shù)大是由遙感圖像過境時間不同以及每年農(nóng)作物耕作物候期變化所致，裸地是由于荒漠半荒漠草場植被覆蓋度較低，植被覆蓋受降水影響敏感，尤其草地返青時少量降水的變化就能明顯影響地表植被覆蓋狀況。另外，加嶗、阿克奇、旱卡子灘、黑羊溝變異系數(shù)依次減小，原因可能是加嶗、阿克奇草地的荒漠化演替程度劇烈，草地破碎化程度劇烈，有大面積的草地退化成裸地。

圖4 蟲口密度與NDVI 變異系數(shù)的空間關(guān)系Fig.4 The spatial relationship between insect density and coefficient of variation of NDVI

由圖5 可知，原始數(shù)據(jù)分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)化后分析結(jié)果一致，亮柔偽步甲蟲口密度與植被覆蓋度年際變異系數(shù)無相關(guān)性，并且對照、輕度、中度、重度危害水平也無顯著性差異。整體而言，所有樣點的變異系數(shù)的平均值在0.33 左右，表明草場年際間的植被覆蓋度變化較大，這是由荒漠草地對水熱條件反應(yīng)的敏感性和脆弱性所致。

圖5 蟲口密度與變異系數(shù)的相關(guān)性和方差分析Fig.5 Correlation and variance analysis of insect density and coefficient of variation

2.3 亮柔偽步甲蟲害與植被變化斜率的關(guān)系

如圖6 所示，根據(jù)最小二乘法計算出2010?2020年植被變化一元線性方程斜率，斜率為負(fù)值表示NDVI 呈現(xiàn)降低趨勢，正值表示NDVI 呈現(xiàn)增加趨勢。結(jié)合植被變化斜率與土地覆蓋數(shù)據(jù)分析可知，研究區(qū)草場退化的區(qū)域有黑羊溝北側(cè)草場，中部加嶗草場，阿克奇大部分草場。從土地覆蓋數(shù)據(jù)可以看出加嶗主要是以裸地覆蓋類型退化為主，黑羊溝北側(cè)草場和阿克奇草場主要是以草地覆蓋類型退化。由植被變化斜率圖可知，蟲口密度與草地退化不存在明顯的空間關(guān)系，蟲害爆發(fā)區(qū)一般在保持不變或變綠的草地，植被退化的草地內(nèi)部并未見蟲口密度高的實測點。

圖6 亮柔偽步甲蟲口密度與NDVI 變化斜率的空間關(guān)系Fig. 6 The spatial relationship between insect density and slope of vegetation change

由圖7a、c 可知，無論是否經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果都一致，蟲口密度與植被變化斜率沒有相關(guān)關(guān)系，亮柔偽步甲蟲害活動區(qū)的植被變化斜率既有正值也有負(fù)值，平均在?0.003 左右，蟲口密度高的樣點（＞50 頭·0.25 m?2）并不具有低的植被變化斜率。由圖7b、d 可知，各個危害水平與對照的植被變化斜率沒有顯著性差異。綜上所述，亮柔偽步甲蟲害發(fā)生水平與草地退化并無直接關(guān)系，而整個研究區(qū)的草地發(fā)生輕度退化。

圖7 蟲口密度與植被變化斜率的相關(guān)性分析和方差分析Fig.7 Correlation and variance analysis of insect density and vegetation change slope

2.4 亮柔偽步甲蟲害與自然環(huán)境變量的關(guān)系

如圖8 所示，橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是環(huán)境要素與蟲口密度的標(biāo)準(zhǔn)化值。蟲口密度數(shù)據(jù)時間是2014?2020年，蟲口密度年際變化與平均溫度、日照時數(shù)在2014?2019年間具有較為一致的變化趨勢，2020年則表現(xiàn)出相反的變化趨勢。NDVI 與降水量、平均相對濕度具有較為一致的變化趨勢，與平均溫度、日照時數(shù)具有相反的變化趨勢。

圖8 自然環(huán)境要素與亮柔偽步甲蟲口密度的變化趨勢Fig. 8 Tendency analysis of environment factors and insect density

另根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立不同環(huán)境要素、蟲口密度之間的相關(guān)系數(shù)矩陣如表2。從表中可以看出NDVI 與降水量、平均相對濕度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與平均溫度、日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，蟲口密度與降水量、平均溫度、日照時數(shù)呈正相關(guān)，與NDVI 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水量、平均相對濕度的相關(guān)性高于平均溫度、日照時數(shù)，說明降水是控制研究區(qū)荒漠植被覆蓋度變化最主要的因素，降水多則植被覆蓋度明顯改善，降水少，平均溫度高，植被退化。亮柔偽步甲與降水量、平均溫度、日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，說明在暖濕的年份可能導(dǎo)致蟲害的爆發(fā)。

表2 自然環(huán)境因素、蟲口密度相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of environment factors and insect density

2.5 亮柔偽步甲蟲害與土地利用/覆蓋變化的關(guān)系

由圖9 可知，2010年南山草場土地覆蓋類型主要有草地、裸地、農(nóng)田和少量灌木，并且可以看出草地比較破碎。2017年南山草場土地覆蓋類型主要有草地、裸地、農(nóng)田，草地依然破碎化，但是與2010年相比不僅裸地與草地的分布和面積發(fā)生了變化，而且地表灌木顯著減少，這主要是由干旱氣候和放牧強(qiáng)度變化所致。蟲害爆發(fā)區(qū)主要分布在裸地地表，在草地內(nèi)部蟲口密度較低，例如在阿克奇東，由南至北，地表類型由大片的草地逐漸過渡到北部荒地，蟲口密度也具有由高到低的趨勢，同理在旱卡子灘定點監(jiān)測區(qū)，由西北方的裸地過渡到東南方向的大片草地，蟲口密度逐漸減小。

圖9 南山草場土地覆蓋與蟲口密度的疊加分析Fig. 9 Overlap analysis of land cover and insect density

利用2010、2017年土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)建立土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，由于兩個土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)不一致，考慮蟲害發(fā)生主要在草地上，研究問題所涉及的土地覆蓋類型主要有裸地、草地之間的轉(zhuǎn)變，因此把兩個數(shù)據(jù)統(tǒng)一劃分為草地、裸地、農(nóng)田、水體、村莊5 種地表類型。由表3 可知研究區(qū)2010年草地覆蓋面積25480.00 hm2，其中有12940.00 hm2草地退化成了裸地。2017年草地覆蓋面積30086.67 hm2，其中有15380.00 hm2草地由裸地轉(zhuǎn)化而來，草地、裸地覆蓋之間的相互轉(zhuǎn)化很大，這主要是因為荒漠草地類型的植被以一年生禾本科、蒿類植物為主，對降水量變化的響應(yīng)比較敏感，干旱年份植被覆蓋度減小，濕潤年份植被覆蓋度增大。2010?2017年草地面積增長了4606.67 hm2，裸地面積減少了900.00 hm2，這是由于研究區(qū)草地生態(tài)補(bǔ)助機(jī)制、草畜平衡補(bǔ)貼、草場承包責(zé)任制、禁牧、輪牧區(qū)等政策的落實使得部分草場由裸地恢復(fù)成草地。

表3 2010-2017年土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land cover state transfer matrix of 2010-2017（hm2）

圖10 是2010 和2017年土地覆蓋數(shù)據(jù)中草地和裸地兩種覆蓋類型之間相互轉(zhuǎn)化的提取結(jié)果疊加野外調(diào)查樣本點的分析圖。由圖可知，蟲害爆發(fā)點與草地恢復(fù)或草地退化的地方并無空間上的聯(lián)系，蟲害發(fā)生點主要是無草地退化或恢復(fù)的裸地。

圖10 2010-2017年南山草場草地變化與蟲口密度的疊加分析Fig.10 2010-2017 overlap analysis of land cover change and insect densityA：未疊加樣點；B：疊加樣點；a：旱卡子灘；b：黑羊溝；c：加嶗；d：阿克齊。A：No overlying samples；B：Overlying samples；a：Hanqiazitan；b：Heiyanggou；c：Jialao；d：Akeqi.

3 討論

亮柔偽步甲蟲害于1980年首次在新疆伊犁的伊犁河、喀什河上游的荒漠草地發(fā)現(xiàn)，草原工作者起初并沒有注意到亮柔偽步甲蟲害，而把草地退化的原因歸為春旱和過度放牧，后來亮柔偽步甲危害日益嚴(yán)重，把草地破壞成不毛之地才發(fā)現(xiàn)亮柔偽步甲蟲害。從亮柔偽步甲蟲害發(fā)現(xiàn)過程可知蟲害與過度放牧、氣候有關(guān)，但是過度放牧、氣候干旱、草地退化、亮柔偽步甲等因素之間的關(guān)系尚不明確。由遙感反演的植被覆蓋度與蟲口密度的疊加分析可知，蟲口密度高值樣點多分布于草地外部的植被覆蓋度極低的裸地，而草地內(nèi)部蟲口密度較低；蟲口密度與草地退化區(qū)域無空間關(guān)系。由統(tǒng)計分析結(jié)果可知，亮柔偽步甲蟲口密度與NDVI 呈負(fù)相關(guān)，不同蟲害危害水平NDVI 大小排序依次是：重度危害水平（蟲口密度＞50 頭·0.25 m?2）＜中度危害水平（21～50 頭·0.25 m?2）＜對照水平（0 頭·0.25 m?2）＜輕度危害水平（1～20 頭·0.25 m?2）；蟲口密度與變異系數(shù)、植被變化斜率無相關(guān)關(guān)系，各個危害水平之間也無顯著性差異。綜上所述，從空間關(guān)系、數(shù)量關(guān)系兩個方面，亮柔偽步甲并不是導(dǎo)致草地退化的主要因素。近年關(guān)于草地放牧強(qiáng)度與植被覆蓋度、地表生物群落結(jié)構(gòu)的研究表明［33］，適度放牧有益于草地生態(tài)系統(tǒng)良好健康發(fā)展，過度放牧導(dǎo)致植被覆蓋度減少，草地退化，動植物群落豐富度減少，步甲優(yōu)勢種群密度顯著增加，草地逆向演替。本研究中亮柔偽步甲蟲口密度與草地植被覆蓋度空間、數(shù)量關(guān)系以及土地利用狀態(tài)變化可以驗證這一點：1）亮柔偽步甲蟲口密度高值樣點集中分布于植被覆蓋度極低的裸地上，如農(nóng)牧交錯區(qū)、季節(jié)性河流的河床、河漫灘，這些地方地表擾動程度劇烈，植被覆蓋度低，地表動植物群落結(jié)構(gòu)不完整，導(dǎo)致亮柔偽步甲蟲口密度顯著增加，而在植被覆蓋度高的草地內(nèi)部蟲口密度較低，輕度危害水平的植被覆蓋度最高。2）2010年南山草場草地分布有少量的灌木，2017年灌木顯著減少。

草地生長受氣溫、降水、載畜量、土地覆蓋/利用方式等自然和人類活動因素綜合控制。據(jù)瑪納斯年鑒記載［34］，2006年瑪納斯縣提出打造畜牧業(yè)強(qiáng)縣的口號，加大力度發(fā)展畜牧業(yè)，自2006 到2016年全縣牲畜存欄量從109萬頭增長到了191萬頭，平均每年增長7.9萬頭。2008年南山草場由于牧草緊張牧民因為牲畜吃草問題引發(fā)多起牧草糾紛案，同年南山草場亮柔偽步甲蟲害引起了縣政府的高度重視，瑪納斯縣迅速組織有關(guān)部門和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，縣上拿出10萬元專項資金制作29 t 毒餌，組織牧區(qū)3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)牧民1715 人次在4月29、30日開展了大面積的防治工作，防治面積6646.67 hm2。2010年塔西河河流管理站在塔西河上游實施水土保持工程。實地的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度極低的裸地上經(jīng)常見有水流沖擊形成的1～2 m 深的沖溝，溝底有大量淹死的亮柔偽步甲尸體。綜上可知，亮柔偽步甲蟲害是與草地退化、生物多樣性減少、水土流失、過度放牧等多種因素有關(guān)的綜合性生態(tài)問題。所以在防治亮柔偽步甲蟲害時，應(yīng)以保護(hù)原有生態(tài)系統(tǒng)平衡為原則，通過補(bǔ)種牧草。嚴(yán)格控制載畜量、設(shè)置禁牧、輪牧區(qū)域進(jìn)行間接防治，盡量避免使用農(nóng)藥防治，積極使用牧雞、人工等精準(zhǔn)防治措施，并且防治標(biāo)準(zhǔn)、防治區(qū)域應(yīng)根據(jù)實地蟲口密度發(fā)生情況制定科學(xué)防治措施，且不可大面積的使用農(nóng)藥防治，以免對地表動植物群落造成毀滅性傷害。

亮柔偽步甲屬于擬步甲科，目前關(guān)于擬步甲蟲害方面的研究較少而更多的研究注重擬步甲科昆蟲的生態(tài)效應(yīng)，如研究干旱區(qū)荒漠草地、沙漠等覆蓋類型不同的放牧強(qiáng)度、植被群落對擬步甲科地表動物群落的影響。擬步甲科昆蟲已發(fā)現(xiàn)約3000 多個物種，是維系干旱區(qū)荒漠草地和沙漠生態(tài)平衡的重要組成部分，干旱區(qū)是擬步甲科昆蟲研究的重要領(lǐng)域。在自然狀態(tài)下，土壤中生活著數(shù)種擬步甲科昆蟲，棲息環(huán)境的變化必然引起擬步甲科昆蟲群落結(jié)構(gòu)的變化，因此擬步甲科土壤動物又是土地荒漠化程度的指示器［35］。然而在實際的亮柔偽步甲蟲害野外調(diào)查中使用挖掘法獲取實測樣點的蟲口密度，采樣時并未對害蟲種類進(jìn)行甄別，忽略了不同植被群落下擬步甲科昆蟲的種群動態(tài)變化。在今后的野外調(diào)查中，應(yīng)考慮使用巴氏罐誘捕法［36?37］代替挖掘法，既可以科學(xué)地獲取蟲害發(fā)生區(qū)長時間序列的擬步甲昆蟲群落結(jié)構(gòu)，提高野外數(shù)據(jù)采集的科學(xué)性，又可以提高采樣效率，減少挖坑數(shù)量保護(hù)草地。并且之后的研究應(yīng)注重不同植被覆蓋條件下，地表昆蟲、植被群落動態(tài)變化與草地退化的關(guān)系，而不是簡單地認(rèn)為亮柔偽步甲蟲害導(dǎo)致了草地退化。

本研究使用遙感、空間分析、統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法分析亮柔偽步甲蟲害與草地變化之間的關(guān)系，以期為草原蟲害監(jiān)測、防治、預(yù)防工作提供理論參考，但是存在以下不確定性：1）本研究使用極差標(biāo)準(zhǔn)化法控制歸一化植被指數(shù)的變化區(qū)間，使其具有統(tǒng)一的量綱；使用多期遙感影像反演歸一化植被指數(shù)以減少物候期變化對研究的不確定性。但是歸一化植被指數(shù)、植被變化變異系數(shù)、植被變化斜率與植被覆蓋度及其變化的定量關(guān)系需要進(jìn)一步分析。2）亮柔偽步甲的活動期為每年的4?6月，3年完成1 代，世代重疊，12 齡的老齡幼蟲因化蛹所需能量多，取食巨大，對草場的危害也最甚。但是由于年際間氣候的差別、物候期的變化，種群數(shù)量增長的“S”型曲線、野外調(diào)查時間不同等多種因素，所以年際間實測點的蟲口密度差別很大。研究中使用Z-score 法對年內(nèi)的蟲口密度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以期用標(biāo)準(zhǔn)化值反映實際每處草地亮柔偽步甲數(shù)量分布概率的大小，減少上述因素的誤差，突出亮柔偽步甲的分布規(guī)律，但標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果卻減少了亮柔偽步甲蟲害發(fā)生規(guī)律的顯著性。

4 結(jié)論

本研究基于環(huán)境一號遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土地覆蓋產(chǎn)品等數(shù)據(jù)，結(jié)合野外調(diào)查獲取的蟲口密度樣點數(shù)據(jù)，使用疊加分析、線性趨勢分析、單因素方差分析、相關(guān)性分析、土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣等分析方法，研究了亮柔偽步甲蟲害發(fā)生與植被、氣候、土地覆蓋變化等環(huán)境因子的相互作用關(guān)系，試圖找到亮柔偽步甲蟲害爆發(fā)的原因，從而為亮柔偽步甲蟲害的預(yù)測、防治工作提供理論參考。研究結(jié)論如下：

1）亮柔偽步甲蟲害發(fā)生區(qū)主要分布于荒漠草地植被覆蓋度極低的裸地區(qū)域，與退化/變綠的草地?zé)o空間、數(shù)量關(guān)系，亮柔偽步甲并非造成草地退化的主要原因，草地退化是干旱、過度放牧等多種自然和人類活動因素綜合作用的結(jié)果。亮柔偽步甲蟲口密度增大的原因是草地荒漠化發(fā)生以后，地表生物群落的豐富度減少，優(yōu)勢種群的種群密度增大的自然現(xiàn)象，這是自然界擬步甲科土壤動物對草地荒漠化的指示作用。亮柔偽步甲蟲害的成災(zāi)機(jī)制可歸結(jié)為：每年的4?6月既是牧草的返青期，同時也是亮柔偽步甲的主要活動期。當(dāng)荒漠草地退化至植被覆蓋度很低的裸地后，亮柔偽步甲等地表生物群落中的優(yōu)勢種群數(shù)量顯著增加，亮柔偽步甲的老齡幼蟲需要取食大量牧草以滿足其化蛹所需能量，所以亮柔偽步甲開始圍攻返青后的牧草，引起“蟲害”問題。

2）研究區(qū)南山草場屬荒漠、半荒漠草地類型，其草地生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的生態(tài)脆弱性和敏感性，受降水和放牧等因素影響草地與裸地之間存在強(qiáng)烈相互轉(zhuǎn)化，2010年草地覆蓋面積25480.00 hm2，2017年草地覆蓋面積30086.67 hm2，期間有12940 .00 hm2草地退化成裸地，又有15380 .00 hm2裸地恢復(fù)成草地。降水是限制南山草場植被恢復(fù)的最主要因素。亮柔偽步甲蟲害爆發(fā)區(qū)主要是植被覆蓋度很低的裸地（一般是農(nóng)牧交錯區(qū)、季節(jié)性河流的河床、河漫灘等地），在降水量多、日照時數(shù)、平均溫度較高的暖濕年份可能會有利于蟲害爆發(fā)，應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)測。

致謝：感謝自治區(qū)級產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)研究生基地新疆維吾爾自治區(qū)治蝗滅鼠指揮辦公室在野外調(diào)研、蟲害文獻(xiàn)資料收集等工作的支持。