秦巴山區(qū)核桃舉肢蛾潛在分布預(yù)測(cè)

廖占東 ,李鋒 ,姬紅敏 ,王慶*

1.南江縣大壩國(guó)有林場(chǎng),四川 南江 636000；

2.南江縣林業(yè)局,四川 南江 636000；

3.四川省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)綜合信息中心,四川 成都 610072

核桃舉肢蛾（Atrijuglans hetaoheiYang），屬鱗翅目舉肢蛾科，對(duì)核桃果實(shí)危害極大，會(huì)造成減產(chǎn)甚至絕收。該蟲在中國(guó)主要分布在河南、四川、山東、陜西、北京、甘肅、河北和山西8 個(gè)省市，且以陜西省商洛地區(qū)、北京市山區(qū)及山西省太行山區(qū)危害最為嚴(yán)重[1]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，1985 年該蟲造成陜西商洛地區(qū)核桃減產(chǎn)達(dá)4×103噸[2]，1987 年山西9 個(gè)市縣普查發(fā)現(xiàn)蟲果率為47.7%～90%[3]。由此可見(jiàn)，該蟲對(duì)核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展危害極大。

鑒于核桃舉肢蛾分布的廣泛性和危害嚴(yán)重性，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，研究范圍包括分布與危害[4-5]、生物學(xué)特性[6]、發(fā)生規(guī)律[7]及防治措施[8]。盡管對(duì)核桃舉肢蛾分布地區(qū)的研究很多，但都局限于單個(gè)市縣，對(duì)整個(gè)秦巴山區(qū)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。秦巴山區(qū)泛指秦嶺大巴山及毗鄰地區(qū)，地跨四川省、湖北省、河南省、陜西省、甘肅省和重慶市，是中國(guó)核桃三大栽培片區(qū)之一。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，截至2015 年底，僅商洛市和安康市核桃總種植面積就達(dá)到了28.67×104hm2，年產(chǎn)量6.14×104t，產(chǎn)值超過(guò)22.89 億元，是山區(qū)群眾脫貧致富的重要產(chǎn)業(yè)[9]。因此，對(duì)秦巴山區(qū)核桃舉肢蛾潛在分布區(qū)研究是十分必要的。

研究利用文獻(xiàn)資料和實(shí)際調(diào)查獲取的核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)點(diǎn)位數(shù)據(jù)和當(dāng)前情景下生物學(xué)氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合最大熵（MaxEnt）預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)當(dāng)前氣候情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)潛在分布，旨在為秦巴山區(qū)核桃舉肢蛾防治和核桃產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

研究使用了核桃舉肢蛾實(shí)際點(diǎn)位數(shù)據(jù)、生物學(xué)氣候數(shù)據(jù)和海拔數(shù)據(jù)。核桃舉肢蛾實(shí)際點(diǎn)位數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)收集及實(shí)地調(diào)研，為避免區(qū)域差異引起的生態(tài)位狹窄，此部分?jǐn)?shù)據(jù)選用中國(guó)范圍，剔除密集點(diǎn)位后獲得41 個(gè)實(shí)際分布點(diǎn)位。生物學(xué)氣候數(shù)據(jù)由2000—2020 年中國(guó)地表氣候月數(shù)據(jù)集的月溫度和降雨量計(jì)算而得，包括代表年趨勢(shì)（如年均溫、年降水量）、季節(jié)性（如溫度或降水量的年較差）、極端或限制性（如最冷或最暖月溫度、濕季或干季降水量）的19 個(gè)因子。海拔數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）的DEM 高程數(shù)據(jù)中提取。

1.2 模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

常用的模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，例如精準(zhǔn)度（Precision）、召回率（Recall）、混淆矩陣（Confusion Matrix）、受試者工作特征曲線（ROC）及受試者工作特征曲線下面積（AUC）等。相較其他評(píng)價(jià)指標(biāo)，AUC 是一種整體上的衡量方法，不需要手動(dòng)設(shè)置閾值，其在樣本不均衡情況下仍能合理評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確性，研究遂選用此方法對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)估。AUC 的取值范圍為0～1，數(shù)值越接近1 說(shuō)明預(yù)測(cè)效果越好。

1.3 適生區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

參照趙金鵬[10]等對(duì)物種分布可能性（Probability,P）的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將核桃舉肢蛾的適生區(qū)分為四個(gè)等級(jí)，即高適生區(qū)（P≥0.66）、中適生區(qū)（0.33≤P＜0.66）、低適生區(qū)（0.05≤P＜0.33）和不適生區(qū)P＜0.05）。

1.4 研究區(qū)域

秦巴山區(qū)西起青藏高原東緣，東至華北平原西南部，區(qū)域范圍包括河南、湖北、重慶、四川、陜西和甘肅六省市的75 個(gè)縣（區(qū)），其中河南10個(gè)、湖北7 個(gè)、重慶5 個(gè)、四川15 個(gè)、陜西29 個(gè)和甘肅9 個(gè)，國(guó)土總面積約為22.5 平方公里。

2 結(jié)果與分析

2.1 主導(dǎo)環(huán)境因子的篩選及響應(yīng)分析

基于核桃舉肢蛾實(shí)際點(diǎn)位數(shù)據(jù)、生物學(xué)氣候數(shù)據(jù)和海拔數(shù)據(jù)構(gòu)建核桃舉肢蛾潛在地理分布初始預(yù)測(cè)模型，依據(jù)貢獻(xiàn)率和置換重要性篩選出8 個(gè)影響核桃舉肢蛾潛在地理分布的主導(dǎo)環(huán)境因子（表1）。從表1 中可知，8 個(gè)主導(dǎo)環(huán)境因子依次為最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、海拔、最冷季降水量、等溫性、最干季降水量和最冷季平均溫度（按照貢獻(xiàn)率大小排序），累計(jì)貢獻(xiàn)率和置換重要性分別為93.3%和90.1%，可以用來(lái)描述核桃舉肢蛾環(huán)境需求特點(diǎn)，故選取以上8 個(gè)因子作為影響核桃舉肢蛾分布的主導(dǎo)環(huán)境因子建立最終預(yù)測(cè)模型。

表1 影響核桃舉肢蛾分布的主導(dǎo)環(huán)境因子Tab.1 Dominant environmental factors affecting the distribution of A. hetaohei

從核桃舉肢蛾對(duì)主導(dǎo)環(huán)境因子的響應(yīng)情況（圖2）可知，對(duì)于8 個(gè)主導(dǎo)環(huán)境因子，核桃舉肢蛾存在概率均是先隨著主導(dǎo)環(huán)境因子值的增大而升高，達(dá)到一定峰值后，存在概率隨著主導(dǎo)環(huán)境因子值的增加而降低。以存在概率0.33 及以上為研究對(duì)象，最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、海拔、最冷季降水量、等溫性、最干季降水量和最冷季平均溫度的范圍分別為110.5～272.7 mm、-4.8～8.8 ℃、-13～4 ℃、90.5～2154.5 m、8.5～97.9 mm、24.2～33.8、15.5～87.9 mm 和-4.7～7.8 ℃，最佳值為186.09 mm、1.9 ℃、-3.7 ℃、353.1 m、28.2 mm、27.5、36.1 mm和1.6 ℃。

2.2 預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

研究利用測(cè)試數(shù)據(jù)集對(duì)構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性檢驗(yàn)，并繪制了受試者工作特征（ROC）曲線圖（圖1）。從圖1 可知，重復(fù)測(cè)試的AUC 平均為0.948，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.008。根據(jù)模型準(zhǔn)確性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)模型能較好模擬核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)的分布。

圖1 不同主導(dǎo)環(huán)境因子狀態(tài)下核桃舉肢蛾的存在概率Fig.1 Existence probability of A. hetaohei existence under different dominant environmental factors

圖2 核桃舉肢蛾預(yù)測(cè)模型的ROC 曲線圖Fig.2 ROC curve of the prediction model for A.hetaohei

2.3 當(dāng)前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)的潛在分布

核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)分布較廣，總適生區(qū)面積達(dá)19.63×104km2。根據(jù)當(dāng)前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)的潛在適生面積（表2）和潛在分布圖（圖3），核桃舉肢蛾高適生區(qū)主要集中在秦巴山區(qū)的中部，河南、四川和重慶等6 省市均有分布，其中甘肅省面積最?。?.13×104km2），主要分布在甘肅與陜西交界的地區(qū)，包括兩當(dāng)縣、徽縣、成縣、武都縣、康縣和文縣；陜西省面積最大（4.8×104km2），除周至縣和太白縣外，陜西南部的17 個(gè)縣（區(qū)）均有分布。不適生區(qū)面積約為1.6×104km2，主要集中在秦巴山區(qū)的西部和東南部，即四川的北川、平武兩縣，甘肅的宕昌、文、禮三縣及河南的淅川和鎮(zhèn)平兩縣。

圖3 當(dāng)前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)的潛在分布圖Fig.3 Potential suitable distribution of A.hetaohei in Qinba Mountain area under current situation

表2 當(dāng)前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)的潛在適生面積Tab.2 Potential suitable area of A. hetaohei in Qinba Mountain area under current situation

3 結(jié)論與討論

目前對(duì)分類預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，例如精確率、召回率、F 值和AUC 值（ROC 曲線）。相較于其他方法，AUC 因不受診斷閾值的影響，且能提供所有閾值范圍上的性能評(píng)價(jià)結(jié)果，被公認(rèn)為生態(tài)位分類預(yù)測(cè)模的最佳評(píng)價(jià)指標(biāo)?；谶x取的主導(dǎo)環(huán)境變量重復(fù)測(cè)試的AUC 平均為0.948，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.008，模型預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到“極好”標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明建立的預(yù)測(cè)模型能夠很好地模擬核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)分布。

物種與環(huán)境之間的關(guān)系是研究物種生態(tài)學(xué)和空間分布的重要方面之一，對(duì)核桃舉肢蛾對(duì)主導(dǎo)環(huán)境因子的響應(yīng)情況進(jìn)行了分析，繪制了相應(yīng)的響應(yīng)曲線。研究結(jié)果表明，最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、海拔、最冷季降水量、等溫性、最干季降水量和最冷季平均溫度8 個(gè)環(huán)境變量是主導(dǎo)核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)分布的環(huán)境因子，且對(duì)于8 個(gè)主導(dǎo)環(huán)境因子，核桃舉肢蛾存在概率均是先隨著主導(dǎo)環(huán)境因子值的增大而升高，達(dá)到一定峰值后，存在概率隨著主導(dǎo)環(huán)境因子值的增加而降低。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，各地區(qū)的核桃舉肢蛾普遍以老熟幼蟲在樹冠下1～3 厘米深的表土層中、石塊下及樹縫中、枯果內(nèi)結(jié)繭越冬。越冬幼蟲普遍于 5 月上旬開始出土化蛹，5 月中旬或6 月上旬為出土化蛹盛期，而成蟲主要發(fā)生在 5 月下旬至7 月下旬，8 月上旬或8 月底第2 代老熟幼蟲進(jìn)入脫果盛期，9 月至翌年 3 月以老熟幼蟲結(jié)繭越冬[11-14]。由此可見(jiàn)，最冷月最低溫度、最冷季降水量和最冷季平均溫度關(guān)系著核桃舉肢蛾是否能夠安全過(guò)冬，而最濕月降水量、最干季平均溫度和最干季降水量則關(guān)系著核桃舉肢蛾是否能夠發(fā)育繁殖。研究進(jìn)一步分析表明核桃舉肢蛾中適生區(qū)以上區(qū)域的最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、最冷季降水量、最干季降水量和最冷季平均溫度范圍分別為110.5～272.7 mm、-4.8～8.8 ℃、-13～4℃、8.5～97.9 mm、15.5～87.9 mm 和-4.7～7.8 ℃，最佳值為186.09 mm、1.9 ℃、-3.7 ℃、28.2 mm、36.1 mm 和1.6 ℃。

核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)分布較廣，總適生區(qū)面積達(dá)19.63×104km2。高適生區(qū)主要集中在秦巴山區(qū)的中部，其中甘肅省面積最小，約為0.13×104km2，包括兩當(dāng)縣、徽縣、成縣、武都縣、康縣和文縣；陜西省面積最大，約為4.8×104km2，除周至縣和太白縣外，陜西南部的17 個(gè)縣（區(qū)）均有分布。由此可看出，核桃舉肢蛾在秦巴山區(qū)危險(xiǎn)系數(shù)極高,有關(guān)部門應(yīng)引起高度重視,嚴(yán)防核桃舉肢蛾造成重大損失。昆蟲的潛在地理分布不僅受氣候和海拔因素的影響，也受地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口等因素影響，但研究未考慮此類情況；同時(shí)，在統(tǒng)計(jì)核桃舉肢蛾適生面積過(guò)程中，未扣除水體、城鎮(zhèn)等核桃舉肢蛾非生長(zhǎng)區(qū)。以上兩個(gè)問(wèn)題，不可避免地會(huì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，未來(lái)研究將重點(diǎn)關(guān)注上述兩個(gè)問(wèn)題，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)模型結(jié)果的準(zhǔn)確性。