MaxEnt與遙感技術(shù)在草原蝗蟲災害風險監(jiān)測中的應(yīng)用： 以東烏珠穆沁旗農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)為例

孫忠祥，胡澤學，葉回春，黃文江，額爾登其木格，張 瑩

(1.中國農(nóng)業(yè)博物館，北京 100026；2.可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國際研究中心，北京 100094；3.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟草原工作站，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000)

東烏珠穆沁旗(以下簡稱“東烏旗”)游牧生產(chǎn)系統(tǒng)以東烏旗全境為遺產(chǎn)地范圍，以蒙古族傳統(tǒng)“冬春-夏秋，逐水草而居”的四季游牧生產(chǎn)生活方式為特征，在漫長的歷史進程中，形成了以牧民-牲畜(五畜)-草原(河流)為主體的游牧生產(chǎn)系統(tǒng)，孕育出遼闊淳樸的游牧文化。東烏旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)于2021年被認定為第6批中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)[1]，然而當?shù)厣星啡睂r(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的價值和保護重要性的認識，農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)在促進鄉(xiāng)村振興、文化傳承和生態(tài)保護等方面的潛在價值還未得到充分發(fā)揮[2]。近年來由于全球變暖、超載過牧等因素的影響，蝗蟲逐漸成為最頻繁和最具破壞性的草原災害之一[3]，且蝗蟲種群高度集中在東烏旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)。據(jù)相關(guān)研究，東烏旗70%以上的可利用草場遭受了蝗蟲災害，這給畜牧業(yè)帶來致命性的打擊[4]。另外，由于長期存在的“重農(nóng)輕草”思想，當下關(guān)于農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)保護方面的研究大多集中于農(nóng)田方面，對草原及草原災害的關(guān)注較少[5]。因此，亟須明確東烏旗草原的蝗蟲發(fā)生風險區(qū)域，提出相應(yīng)的保護措施，保障東烏旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

目前關(guān)于蝗蟲發(fā)生風險區(qū)域提取方法主要有2類：一類是篩選與蝗蟲生長發(fā)育密切相關(guān)的氣候和土壤等要素作為指標，劃分不同的生態(tài)適生區(qū)[6-7]；另一類是建立物種生態(tài)適宜性評估模型，依據(jù)蝗蟲實際分布點，結(jié)合其生境因子評估物種適宜性[8]。相比前者，后者的結(jié)果更加客觀，可避免因研究尺度不同造成研究結(jié)果的差異。其中，基于最大熵原理建立的最大熵模型(MaxEnt)對已有分布樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量要求低且預測精度高，已廣泛用于物種分布的預測研究[9-10]。目前我國僅少數(shù)研究基于MaxEnt模型評價了蝗蟲的氣候和生態(tài)適宜性，這些研究在選擇生境因子時多考慮氣候和土壤因素[8,11]，對蝗蟲生態(tài)適宜性的研究多為小尺度。因此，有必要融合氣候、植被、土壤和遙感等多源數(shù)據(jù)高精度評估草原蝗蟲的發(fā)生風險，為保護草原類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)提供支撐。農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的保護與發(fā)展離不開科技的支撐與助力，實地觀測、遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)以其成熟的監(jiān)測手段為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中景觀要素的監(jiān)測提供了技術(shù)方法支撐[12-15]。

筆者以東烏旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)為研究區(qū)，收集并整理地面調(diào)查數(shù)據(jù)，包括抽樣樣點的地理位置、蝗蟲發(fā)生面積和密度，探究草原蝗蟲關(guān)鍵生境因子的遙感可反演性，對蝗蟲發(fā)生區(qū)的關(guān)鍵生境因子進行遙感反演，結(jié)合植被類型、海拔、土壤類型和蝗蟲地面觀測等數(shù)據(jù)，在地統(tǒng)計學等技術(shù)手段輔助下實現(xiàn)星地多源數(shù)據(jù)的信息融合，獲取滿足高時空分辨率的數(shù)據(jù)源；結(jié)合最大熵模型對東烏旗草原蝗蟲發(fā)生風險區(qū)進行提取，確定草原蝗蟲發(fā)生的關(guān)鍵生境因子；對東烏旗草原蝗蟲發(fā)生風險分級并提取，探討不同風險區(qū)的保護對策。研究結(jié)果有利于更好地保護東烏旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，是生態(tài)草原建設(shè)的重要內(nèi)容之一，也可為其他草原類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)災害風險監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

東烏旗位于內(nèi)蒙古正北方，東鄰興安盟、通遼市和赤峰市，南接錫林浩特市，北與蒙古國接壤，國境線長527.6 km，屬北溫帶大陸性氣候區(qū)，冬季寒冷風大，夏季水熱同期，北部為低山丘陵，南部為盆地，地處烏珠穆沁草原[16](圖1)。

烏珠穆沁草原是亞洲東部草原亞區(qū)保存比較完整的天然草甸草原，草原生物多樣性突出，植被類型多樣，為畜牧業(yè)發(fā)展提供了良好的天然生態(tài)環(huán)境。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，東烏旗主要蝗蟲成災種包括毛足棒角蝗(Dasyhippusbarbipes)、寬須蟻蝗(Myrmeleotettixpalpalis)、鼓翅皺膝蝗(Angaracrisbarabensis)、白邊痂蝗(Bryodemaluctuosum)和亞洲小車蝗(Oedaleusdecorusasiaticus)(表1)。其中，亞洲小車蝗占整個蝗蟲種群的50%～60%，嚴重時達90%以上。亞洲小車蝗趨光性強，其習性與飛蛾相似，常爆發(fā)成災[17]。東烏旗草原蝗蟲在7—9月產(chǎn)卵，冬季(1—2月)停留在土壤中，直到翌年4—5月孵化， 6月生長成熟。因此，將東烏旗草原蝗蟲生育期分為4個階段：產(chǎn)卵期(7—9月)、越冬期(1—2月)、孵化期(4—5月)和生長期(6月)。

表1 東烏旗草原主要蝗蟲的生物學特性

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所選取的草原類型數(shù)據(jù)來自1∶100萬中國植被圖，由中國科學院植物研究所科學數(shù)據(jù)中心提供；土壤類型數(shù)據(jù)來自1∶100萬中國土壤圖，由中科院南京土壤研究所提供；高程數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM V3數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)從Google Earth Engine平臺獲得。蝗蟲生境的溫度和降水數(shù)據(jù)來源于MOD11A2 V6的8 d平均陸地表面溫度(land surface temperature，LST)和Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data(CHIRPS)的30多 a再分析降水數(shù)據(jù)?；认x生境的植被狀況數(shù)據(jù)來源于MOD13A2 V6計算的歸一化差異植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，各生育期遙感數(shù)據(jù)從Google Earth Engine平臺獲得，共計6種生境因子，詳細參數(shù)見表2。

表2 東烏旗草原蝗蟲生境因子

研究區(qū)地理信息數(shù)據(jù)來源于2017年國家1∶100 萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為矢量格式，由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供。東烏旗草原蝗蟲發(fā)生數(shù)據(jù)由內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟草原工作站提供。東烏旗草原蝗蟲調(diào)查在2020年6—8月進行，當草原蝗蟲密度>15只·m-2時，該地點被標記為蝗蟲分布點?；?020年草原蝗蟲調(diào)查數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.3軟件對數(shù)據(jù)進行處理，具體點位分布如圖2所示。

1.3 研究方法

1.3.1MaxEnt模型

使用MaxEnt 3.4.1進行模擬，MaxEnt模型的一般公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，x為輸入環(huán)境變量；y為東烏旗蝗蟲發(fā)生區(qū)域的地理位置；fi(x,y)為特征函數(shù)；wi為特征函數(shù)的權(quán)重；n為數(shù)據(jù)集的數(shù)量；Zw(x)為環(huán)境變量的權(quán)重函數(shù)；Pw(y|x)為東烏旗蝗蟲的適宜性[18]。采用子抽樣復制運行的方式，隨機抽取70%的樣本點作為訓練數(shù)據(jù)集，其余30%作為測試數(shù)據(jù)集。收斂閾值被設(shè)定為10-5，當每次迭代的對數(shù)損失低于收斂閾值時，訓練將停止。預測分布所選擇的輸出格式為Logistic，其值為概率(在0～1之間)，可以解釋為相對適宜性[19]。

1.3.2MaxEnt驗證

為了確定最佳模型，使用測試數(shù)據(jù)的接受者操作特征曲線下的面積(AUC)來評估模型的質(zhì)量。AUC值在0.5～1.0之間，隨機模型的AUC值為0.5，完美模型的AUC值為1[8-9]。根據(jù)AUC值對不同模型的表現(xiàn)進行分類：0.5～0.6，失??；>0.6～0.7，差；>0.7～0.8，一般；>0.8～0.9，良好；>0.9～1.0，極好。

1.3.3生境因子篩選

優(yōu)先篩選合適的指標進行建模，土壤類型、草原類型和海拔等靜態(tài)生境因素會影響蝗蟲生境的時空分布特征[6]。研究選取的遙感因子包括地表溫度、降水和植被長勢，主要影響蝗蟲發(fā)生的時間變化[20-21]。針對東烏旗草原蝗蟲的不同生育期，計算不同生育期的遙感因子。

初始模型構(gòu)建過程中選擇MaxEnt軟件中的刀切法檢驗(jackknife test)來測定環(huán)境變量對模型預測的貢獻大小，以此剔除對MaxEnt模型預測結(jié)果貢獻較小的環(huán)境變量，對貢獻較大的因子進行Spearman相關(guān)分析，減小因子自相關(guān)性，提高模型模擬精度。在此基礎(chǔ)上重建草原蝗蟲分布的最大熵模型，并對模擬結(jié)果進行準確性評價[11]。刀切法檢驗使用MaxEnt軟件，Spearman相關(guān)分析使用R語言完成。

1.3.4發(fā)生風險分區(qū)

MaxEnt模型輸出結(jié)果為草原蝗蟲在研究區(qū)域的存在概率，數(shù)據(jù)為ASCⅡ格式，首先使用ArcGIS 10.3的ArcToolbox格式轉(zhuǎn)換工具，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Raster格式，使該結(jié)果可在ArcGIS 10.3中顯示，而后使用“提取分析”功能得到蝗蟲在研究區(qū)的存在概率分布圖[22]。MaxEnt軟件模擬輸出的結(jié)果值在0～1之間，值越接近1表示物種越可能存在。參考IPCC報告關(guān)于評估可能性的劃分方法[23]，結(jié)合草原蝗蟲的實際情況，利用“Reclassify”功能，劃分分布值等級及相應(yīng)分布范圍，并使用不同顏色表示，存在概率劃分標準為：<0.05為低風險區(qū)；0.05～<0.33 為中等偏低風險區(qū)；0.33～<0.66為中等偏高風險區(qū)；≥0.66為高風險區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生境因子篩選

使用Spearman相關(guān)系數(shù)法計算所有生境因子間的相關(guān)性，以消除共線性對模型建模過程和結(jié)果解釋的影響，生境因子之間的相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.8，則認為兩者具有很強的相關(guān)性[8]。圖3表明，所有生境因子兩兩之間相關(guān)系數(shù)均未超過0.8，因此選定上述6種環(huán)境變量來對草原蝗蟲的分布進行模擬。

2.2 MaxEnt模型精度測試

以AUC為評價指標，選擇具有最佳參數(shù)組合的MaxEnt模型來預測東烏旗草原蝗蟲的適生區(qū)。紅色(訓練)線表示模型對訓練數(shù)據(jù)的擬合程度，藍色(測試)線表示模型對測試數(shù)據(jù)的擬合程度，是對模型預測能力的真正測試。每個參數(shù)組合的結(jié)果都是10次重復的平均值。評估結(jié)果顯示，MaxEnt模型AUC值為0.826，表明該模型很適合模擬東烏旗草原蝗蟲的潛在分布(圖4)。

2.3 東烏旗草原發(fā)生風險分布

提取結(jié)果表明，東烏旗草原蝗蟲的低風險區(qū)、中等偏低風險區(qū)、中等偏高風險區(qū)和高風險區(qū)的面積分別為10 982、20 094、7 494和1 426 km2，分別占全旗面積的32.49%、37.06%、26.70%和3.75%。

其中高風險區(qū)主要分布在嘎達布其鎮(zhèn)，面積為920 km2，占高風險區(qū)的64.52%；中等偏高區(qū)主要分布在薩麥蘇木、嘎達布其鎮(zhèn)、阿拉坦合力蘇木、額吉淖爾鎮(zhèn)，面積為6 533 km2，占中等偏高區(qū)的87.18%；中等偏低區(qū)主要分布在額吉淖爾鎮(zhèn)、道特淖爾鎮(zhèn)、呼熱圖淖爾蘇木、薩麥蘇木和嘎海樂蘇木，面積為16 023 km2，占中等偏低區(qū)的79.74%；低風險區(qū)主要分布在哈拉蓋圖農(nóng)場、賀斯格烏拉農(nóng)牧場、呼熱圖淖爾蘇木和滿都胡寶拉格鎮(zhèn)，面積為8 095 km2，占低風險區(qū)的73.71%(圖5)。

2.4 影響蝗蟲分布的主要生境因子

貢獻率是指每個生境因子對模型的貢獻，數(shù)值越大，該因子對模型的貢獻就越大。置換重要性是指訓練樣本點生境因子的隨機替換。減少值越高，替換百分比越高，模型對該變量的依賴性就越高。根據(jù)Jackknife方法，各生境因子貢獻率最高的是孵化期地表溫度(ILST，23.4%)、產(chǎn)卵期降水(SRP，23.1%)、生長期植被長勢(GNDVI，14.2%)、生長期地表溫度(GLST，10.3%)、生長期降水(GRP，8.6%)和產(chǎn)卵期植被長勢(SNDVI，4.4%)。置換重要性最高的是孵化期地表溫度(ILST，39.6%)、生長期地表溫度(GLST，22.9%)、生長期降水(GRP，11.2%)、孵化期降水(IRP，7.5%)、孵化期植被長勢(INDVI，6.7%)和產(chǎn)卵期植被長勢(SNDVI，4.0%)(表3)。綜合考慮到貢獻率和置換重要性，ILST、GLST、SRP、GRP、GNDVI和INDVI這6個生境因子被選為影響蝗蟲分布的主要因素。

表3 影響東烏旗蝗蟲分布的環(huán)境變量貢獻百分率和置換重要性

2.5 主要生境因子響應(yīng)分析

圖6顯示了6個主要生境因子的響應(yīng)曲線。在孵化期和生長期，蝗蟲發(fā)生風險隨著地表溫度的增加而增加。這是因為孵化期和生長期是蝗蟲生長最為迅速的階段，此期氣溫每升高1 ℃，蝗蟲的生理生化速率約提高9.8%，采食量也有明顯增加[20]。產(chǎn)卵期蝗蟲發(fā)生風險與降水呈負相關(guān)，生長期降水在3.0 mm·d-1時最適合蝗蟲生長，超過這一范圍蝗蟲發(fā)生風險與降水呈負相關(guān)，可能是因為蝗蟲卵長期浸泡在溫暖潮濕的土壤中會發(fā)霉，從而降低蝗蟲的孵化率[24]。孵化期和生長期蝗蟲發(fā)生風險隨植被指數(shù)的增加而減少，可能是因為當植被指數(shù)過高時，植被覆蓋度過大，地面溫度較低，蝗蟲取食、活動受到限制[25]。

3 討論

草原蝗蟲的爆發(fā)成災對東烏旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的危害主要體現(xiàn)在3個方面：(1)生態(tài)方面，東烏旗草原具有遺傳資源與生物多樣性、水土保護等多種生態(tài)服務(wù)功能。草原蝗蟲災害使草原生態(tài)環(huán)境發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的惡化，對生態(tài)造成巨大破壞。近年草原蝗蟲災害此起彼伏，致使部分地區(qū)寸草不留，個別地方甚至出現(xiàn)了“蟲進人退”的現(xiàn)象，嚴重破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。(2)經(jīng)濟方面，草原蝗蟲持續(xù)大面積發(fā)生，近5 a東烏旗年均蝗蟲危害面積達1 181.33 km2，牧草損失與大面積防控給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。加之財政補助和地方自籌能力有限，使得草原蟲害年均防治比例不高，害蟲殘留基數(shù)和越冬基數(shù)較高，為翌年發(fā)生留下隱患，從而造成惡性循環(huán)。(3)文化方面，東烏旗草原文化是中華文化的杰出代表，也是草原絲綢之路的重要樞紐之一。近年來為了追求短期經(jīng)濟效益，草原放牧強度較大，草原蝗蟲頻發(fā)加速了草地的退化沙化，從而破壞了 “人與自然和諧相處”的核心理念。

該研究綜合土壤、植被和遙感數(shù)據(jù)，利用MaxEnt模型預測東烏旗草原蝗蟲的發(fā)生風險?；谝陨涎芯?，建議采取以下措施，以實現(xiàn)東烏珠穆沁旗游牧生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)保護。

(1)由于草原地區(qū)經(jīng)濟相對落后，近年來政府追求經(jīng)濟增長時容易造成生態(tài)、文化和社會價值的缺失，而且對草原農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的保護規(guī)劃較缺乏[26]。因此，在遺產(chǎn)保護中政府應(yīng)發(fā)揮主導作用，合理控制放牧強度，尤其是在草原蝗蟲高風險區(qū)如嘎達布其鎮(zhèn)，需減少由放牧過度導致的草原退化。

(2)由于研究區(qū)地廣人稀，基層保護人員緊缺，在遙感等數(shù)據(jù)獲取處理方面存在技術(shù)短板，因此應(yīng)建立基層與科技支撐部門的快速對接通道，通過遙感數(shù)據(jù)對草原蝗蟲關(guān)鍵生境因子實時監(jiān)測，重點關(guān)注草原蝗蟲孵化期和生長期的溫度變化，在溫度較高的年份加強防控力度。

(3)由于農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)本身的復雜性，遙感與GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)研究中的應(yīng)用是一項長期復雜的工作，需各相關(guān)行業(yè)學者的積極參與和共同努力，以充分發(fā)揮遙感與GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)開發(fā)、管理、保護、宣傳和創(chuàng)新中的優(yōu)勢和使用價值[15]。

(4)與其他文化遺產(chǎn)類資源相比，農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)更強調(diào)系統(tǒng)性、動態(tài)性以及遺產(chǎn)地社區(qū)的主體性。牧民是遺產(chǎn)地草原文化、知識與技術(shù)體系、生物多樣性、民俗與飲食文化等的創(chuàng)造者和傳承者，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，一些地區(qū)“空心化”嚴重，存在文化不自信、發(fā)展前景不明朗等問題，面對這些問題，可以通過欣賞式探詢這一手段將問題研究轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注組織的積極方面，更大程度上提高牧民保護農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的積極性[27]。

該研究所選取的生境因子及研究方法具有一定的普適性，研究結(jié)果有助于當?shù)丶捌渌菰貐^(qū)植保部門提高防控效率，對于減少農(nóng)藥使用量、蝗蟲風險發(fā)生強度和生態(tài)保護方面有一定的指導意義。但是由于數(shù)據(jù)的可得性和問題的復雜性，該研究尚有如下不足，需要進一步研究：(1)研究只是利用短時序的蝗蟲發(fā)生數(shù)據(jù)提取了適生區(qū)，未進行長時間序列的監(jiān)測分析。(2)對影響因素及風險因子的選擇是有限的，沒有考慮鼠害、放牧強度和防治情況等因素。(3)關(guān)于草原蝗蟲對農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的危害關(guān)系部分缺乏定量分析，需進一步收集數(shù)據(jù)，完善研究方法，通過多因素綜合分析，明確草原蝗蟲和其他因素與農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)之間的相互作用機制。

4 結(jié)論

(1)MaxEnt模擬結(jié)果良好，平均AUC值為0.826。

(2)決定草原蝗蟲發(fā)生風險的主要影響因子為孵化期地表溫度、生長期地表溫度和產(chǎn)卵期降水。

(3)在孵化期和生長期，蝗蟲發(fā)生風險隨著地表溫度的增加而增加。在產(chǎn)卵期，蝗蟲發(fā)生風險與降水呈負相關(guān)，生長期降水在3.0 mm·d-1時最適宜蝗蟲生長，超過這一范圍蝗蟲發(fā)生風險與降水呈負相關(guān)。在孵化期和生長期，蝗蟲發(fā)生風險隨植被指數(shù)的增加而減少。

(4)嘎達布其鎮(zhèn)草原蝗蟲發(fā)生風險等級較高，需密切關(guān)注該地蝗蟲發(fā)育情況，做到早防早控。