東北虎豹國家公園野生動物口蹄疫空間風險評估

孟慶禮，黃利亞

（1. 長白山自然保護管理中心，吉林 安圖 133613；2. 長白山科學研究院，吉林 延邊 133613）

口蹄疫是由小RNA 病毒科（Picornaviridae）口瘡病毒屬的口蹄疫病毒（Foot-and-mouth disease virus，F(xiàn)MDV）引起的急性傳染病，可感染包括牛、鹿、豬、山羊和羚羊在內的多種偶蹄類動物，對野生動物種群的生態(tài)健康造成了一定威脅。由于口蹄疫是一種高度接觸性傳染病，在物種間傳播速度快、傳播途徑多、并且具有較強的變異性，導致其一度在全球范圍廣泛流行。與東北虎豹國家公園東南部相毗鄰的朝鮮，曾在全國范圍內暴發(fā)口蹄疫疫情，因此東北虎豹國家公園對口蹄疫的風險評估與防控極為必要。由于國家公園內自然環(huán)境和氣候條件多樣，景觀多樣性較高，因此如何實現(xiàn)口蹄疫的精準防控，已經(jīng)成為現(xiàn)階段亟待解決的問題之一。

1 材料與方法

1.1 FMDV 分布數(shù)據(jù)的收集和處理FMDV 病例的地理位點數(shù)據(jù)，在NCBI、CNKI 以及OIE（世界動物衛(wèi)生組織）中分別檢索“Foot-and-mouth disease virus”、“口蹄疫”，追蹤相關文獻及口蹄疫疾病報告。排除無法確定地理坐標和重復數(shù)據(jù)。共收集到97個分布點。

1.2 環(huán)境數(shù)據(jù)收集和處理環(huán)境數(shù)據(jù)來源于“野生動物疫源疫病研究平臺”數(shù)據(jù)庫，從中獲取高分辨率氣候數(shù)據(jù)，空間分辨率為30arc-seconds 1 km。所使用的67個環(huán)境變量分別為全年12個月的平均最低溫度（Tmin1～12）、全年12個月的平均最高溫度（Tmax1～12）、 全年12個月 的 平 均 溫 度（Temp1～12）、全年12個月的降水量（Prec1～12）和19個生物氣候變量（Bio1～19）。

1.3 環(huán)境數(shù)據(jù)篩選使用ArcGis 中Spatial Analyst工具提取97個分布點對應的環(huán)境屬性值，并采用SPSS 22 軟件對FMDV 的環(huán)境數(shù)據(jù)進行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）。根據(jù)主成分個數(shù)的選取原則，主成分的特征值是主要影響主成分大小的指標，如果特征值小于1，則表明該主成分的綜合解釋力度不足。本研究中選取特征值大于1 的主成分，并選擇該主成分中載荷值大于0.95 的變量。通過上述準則對環(huán)境變量進行篩選，將篩選后得到的氣象變量使用SPSS 22 軟件進行共線性診斷，若依然存在多重共線性，則將篩選后得到的氣象變量輸入MaxEnt 模型中進行分析，依次剔除貢獻率小于1、5、10、20 的環(huán)境變量，將篩選后得到的環(huán)境變量再次進行共線性診斷，直到VIF小于10，即可停止。本研究中投影坐標系為GCS_WGS_1984。

1.4 FMDV 風險分析方法使用MaxEnt 3.4.1 版 本（http://www.cs.princeton.edu/～schapire/maxent/），將采集的數(shù)據(jù)按測試集30%和訓練集70%隨機分組，選擇刀切法來評估環(huán)境因子的貢獻率，重復次數(shù)為3次；并采用ROC 曲線和AUC 值來評價MaxEnt 模型的精確度，運行得到FMDV 空間分布預測圖。

2 結果與分析

2.1 環(huán)境變量確定及統(tǒng)計分析通過PCA（主成分分析法）共篩選得到9個相關性較大的變量進行MaxEnt 模型運算（見表1）。環(huán)境因子分為2 類，分別是溫度相關和降水量相關的環(huán)境變量。

表1 相關性≥0.95 的環(huán)境變量

2.2 AUC 檢測值及環(huán)境變量貢獻率結果分析

（1）MaxEnt 模型檢驗預測 利用MaxEnt 最大熵模型多次建模，利用方差膨脹因子VIF 對環(huán)境因子進行檢驗，保證VIF＜10。經(jīng)過多次運算，最終保留Temp6、Tmax5 以及Bio5 進行預測。MaxEnt 模型重復運算3次，最終得到的模型AUCtest 的平均值為0.919＞0.9，具有較高可信度（見圖1）。

圖1 MaxEnt 模擬預測口蹄疫的精度分析曲線

（2）各變量貢獻率及單一因子分析 如表2所示，Temp6、Tmax5、Bio5 這3個環(huán)境變量對FMDV具有較大的貢獻率，貢獻率均在10%以上。其中，Temp6、Tmax5 均為溫度變量，貢獻率累積達到85.3%。

表2 MaxEnt 模型中環(huán)境變量相對貢獻率分析

由響應曲線以及頻數(shù)分布圖可知，在6月平均溫度為14℃左右時，口蹄疫發(fā)病率最高（圖2-a）；在5月最高溫度為28℃左右時，口蹄疫發(fā)病率最高（圖2-b）；在最熱月的最高溫度為32℃左右時，口蹄疫發(fā)病率最高（圖2-c）。

圖2 -c Bio5 環(huán)境變量與口蹄疫關系反應曲線圖

圖2 -b Tmax5 環(huán)境變量與口蹄疫關系反應曲線圖

圖2 -a Temp6 環(huán)境變量與口蹄疫關系反應曲線圖

2.4 東北虎豹公園FMDV風險分布分析由圖3可以看出，虎豹公園中部及南部部分區(qū)域處于高風險水平（＞0.7，深黃色至紅色區(qū)域）；西北部分地區(qū)處于中風險水平（0.5～0.7，淡黃色至黃色區(qū)域）；南部地區(qū)（琿春市南部）處于低風險水平（＜0.4，淺藍色至藍色區(qū)域）；西部邊界部分地區(qū)、北部部分地區(qū)以及東北部分地區(qū)處于低風險水平（＜0.4，淺藍色至藍色區(qū)域）。

圖3 虎豹公園口蹄疫疫情風險水平分布圖

3 討 論

本研究所用方法是采取PCA 法對環(huán)境因子進行篩選，在景觀尺度上利用MaxEnt 等手段，將口蹄疫風險分布區(qū)環(huán)境選擇機制與環(huán)境因素耦合起來，綜合評估流行風險。

由主成分分析可知與口蹄疫分布相關的第一主成分為溫度主成分。溫度對FMDV 的發(fā)生均成正相關性。Temp6、Tmax5、Bio5 這3個環(huán)境變量對FMDV 影響最大。3個環(huán)境變量均與溫度有關，其中，Tmax7、Tmax9 累計貢獻率達到78.4%。由模型最終結果可得，口蹄疫分布主要與溫度有關，且以溫暖季節(jié)發(fā)病較多，這主要與野生動物在溫暖季節(jié)行為活動比較頻繁、患病動物接觸密切以及口蹄疫具有較高的傳染性有關。東北虎豹公園應全面掌握口蹄疫流行態(tài)勢、分布規(guī)律，并根據(jù)風險評估制定針對性的口蹄疫防治計劃，建立完善的綜合防治措施與政策，并在國家公園內進行定期監(jiān)測、分區(qū)防治以及生態(tài)健康綜合治理，并重視對口蹄疫跨境傳播的防治與監(jiān)測，降低疫病的輸入性風險。同時，國家公園應當加強對管理人員的技能培訓，提高野生動物源疫病的防治水平，最終實現(xiàn)對口蹄疫有效控制的目標。