基于GIS空間統(tǒng)計誘捕法的松褐天牛種群動態(tài)和空間密度分布測定
——以湖北省遠(yuǎn)安縣為例

肖正利，敬順華，劉海玲，周 勇，陳玉萍

(遠(yuǎn)安縣林業(yè)局，湖北 遠(yuǎn)安 444200)

松褐天牛是松材線蟲最重要的傳播媒介，監(jiān)測松褐天牛種群動態(tài)和預(yù)測空間密度分布是防控松材線蟲病疫情的重要舉措，防治松褐天牛已成為控制松材線蟲的一個方向。

松褐天牛(MonochamusalternatusHope)又名松墨天牛、松天牛，屬鞘翅目(Coleoptera)天?？?Cerambycidae)溝脛天牛亞科(Laminae)墨天牛屬(Monochamus)[1]，國內(nèi)幾乎各地均有分布[2]，由于是傳播松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)的媒介昆蟲，對松林造成危害，被列為森林植物檢疫對象和林業(yè)有害生物[3]；松褐天牛寄主廣泛，國內(nèi)主要寄主并造成危害為馬尾松(Pinusmassoniana)，其次黑松(Pinusthunbergii)[4]，其危害達(dá)40多種松屬[5]；在無松材線蟲病疫情和疫區(qū)的松林，松褐天牛不對松林造成嚴(yán)重危害和導(dǎo)致死亡。松褐天牛幼蟲主要鉆蛀松枯死木，成蟲主要取食樹枝嫩稍，在健康的松樹刻槽產(chǎn)卵，成活量較低。松褐天牛主要危害松林中長勢衰弱木、枯死或垂死的樹木、頻死木和新伐倒木[6]。

松褐天牛是典型的鉆蛀性害蟲，生活史具有隱蔽性，成蟲體色與松皮接近，具有偽裝性，成蟲幾乎無天敵，卵和幼蟲階段的天敵主要為花絨寄甲(Dastarcushelophoroides)、赤眼蜂(Trichogrammaspp.)等寄生蜂類以及啄木鳥[7-8]；成蟲羽化周期長，發(fā)育不整齊，不受外界環(huán)境和天敵干擾，化學(xué)藥劑難以接觸到蟲體，成蟲具有飛翔距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，其防治難度大，任何防治均不徹底。在林間對松褐天牛種群密度直接調(diào)查和掌握分布情況極為困難[9]。通過裝有誘芯的誘捕器誘捕，這種方式不僅具有監(jiān)測作用，同時還具有防治作用[10]。采用引誘劑試驗研究，為松褐天牛的林間蟲情調(diào)查提供一種方便方法。

攜帶松材線蟲的天牛類昆蟲較多，其媒介昆蟲主要為松褐天牛[11]，有效地控制松褐天牛是遏制松材線蟲病傳播蔓延的主要措施。開展松褐天牛的種群動態(tài)和密度研究，掌握其生長發(fā)育變化規(guī)律、生物學(xué)特性，進(jìn)行科學(xué)防治，防止松材線蟲病疫情蔓延，以期為區(qū)域松材線蟲防治工作提供參考。本文以湖北省遠(yuǎn)安縣為例，收集了該地不同區(qū)域2019—2020年2個年度誘捕數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS空間分析，構(gòu)建密度空間模型，估算密度分布，為松材線蟲病疫情除治提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域湖北省遠(yuǎn)安縣(30°53′08.1″～31°22′34″N，111°14′34.5″～111°52′41″E)，位于鄂西北長江中上游，系鄂西北山地向江漢平原過渡地帶，全境海拔76～1 325 m，屬亞熱帶型大陸季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，年均降水量1 000～1 100 mm，年均蒸發(fā)量1 300 mm，7—8月降水較為集中，年均溫12～16 ℃，年太陽輻射80～107 kCal/cm2，≥10 ℃活動積溫3 700～4 900 ℃，無霜期210～250 d；年日照時間1 878.5 h，年均相對濕度78.5%。

該區(qū)域森林面積13.87 × 104hm2，屬國家天然林保護(hù)工程區(qū)范圍，森林覆蓋率達(dá)76%，闊葉混交林占67.1%，馬尾松林占26.5%，其它林分占6.4%。馬尾松是亞熱帶典型森林類型，松林群落在該區(qū)域是頂級群落之一，也是天然分布最廣的森林類型，馬尾松林分布呈純林和混交分布，在森林植被類型上占有一定的生態(tài)空間與分布范圍。

該地2019年被公布為松材線蟲病疫區(qū)[12]，松材線蟲病疫情危害造成死亡松樹12 × 104株，2020年度松材線蟲病疫情發(fā)生范圍涉及7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)83個村，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，疫情傳播主要是通過媒介昆蟲松褐天牛成蟲攜帶松材線蟲傳播到健康松樹。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)來源于遠(yuǎn)安縣2019—2020年2個年度不同區(qū)域松褐天牛防治誘捕監(jiān)測數(shù)據(jù)，每個誘捕器空間位置與誘捕量數(shù)據(jù)作為一個空間點(diǎn)GIS數(shù)據(jù)，采用空間點(diǎn)模式分析。采用ArcGIS10.8、Microsoft Excel 2010、SPSS 23軟件進(jìn)行空間信息圖制作與統(tǒng)計分析。

2.2 監(jiān)測材料

選用十字交叉BF-Ⅱ型誘捕器，采用APF-Ⅰ型高效松褐天牛成蟲化學(xué)引誘劑，該引誘劑是目前我國應(yīng)用較多的天牛引誘劑[13]，具有較廣泛的地理適應(yīng)性，是用于松褐天牛種群動態(tài)監(jiān)測的主要藥劑。

2.3 松褐天牛種群監(jiān)測方法

監(jiān)測地的選取是根據(jù)松林分布以及松褐天牛傳播松材線蟲病疫情發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域布設(shè)誘捕器，選取鳴鳳鎮(zhèn)—北門村、嫘祖鎮(zhèn)—茍家埡村、荷花店村(兩個區(qū)域為A、B區(qū))天然馬尾松混交林，馬尾松達(dá)8成以上，人為干擾少。由于疫區(qū)范圍大，按照約6.67 hm2自然隨機(jī)布設(shè)，同時兼顧監(jiān)測和防治作用。A區(qū)布設(shè)35個點(diǎn)，B區(qū)域布設(shè)20個點(diǎn)，共計55個點(diǎn)(圖1)。

圖1 誘捕器分布

誘捕器掛設(shè)在周圍環(huán)境條件一致的林緣及林內(nèi)地勢開闊區(qū)域，底部距地面高度≥2.5 m，記錄誘捕器坐標(biāo)點(diǎn)和環(huán)境因子(海拔、坡向、坡位、林型、樹高、胸徑、林分密度和郁閉度)。布置時間為4—10月，每隔 15 d對誘捕器蟲口數(shù)量進(jìn)行檢查記錄，每月更換一次誘心，共采集18次，收集誘捕器蟲筒內(nèi)的各種昆蟲，統(tǒng)計松褐天牛的種群數(shù)量及變化情況(表1)。

表1 誘捕點(diǎn)設(shè)置信息

2.4 松褐天牛發(fā)生期的劃分

將松褐天牛成蟲活動發(fā)生期劃分為羽化期、高峰期和盛末期，其中：羽化期為開始累計捕獲成蟲數(shù)量占總誘捕量10%的時段；高峰期為一年中捕獲松褐天牛成蟲數(shù)量最多(占總誘捕量的80%)的時段；盛末期為累計捕獲成蟲數(shù)量占總捕獲量90%的時段，將誘捕量與時間進(jìn)行函數(shù)擬合，構(gòu)建時間動態(tài)模型。

2.5 密度分析

2.5.1核密度分析

由于松褐天牛采用誘捕器引誘捕殺起到防治作用，一定范圍內(nèi)自然隨機(jī)布設(shè)，同時兼顧監(jiān)測作用，每個誘捕器空間位置點(diǎn)和誘捕數(shù)量作為空間點(diǎn)值，誘捕器布置具不規(guī)則性，誘捕量具不確定性；采用引入點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，點(diǎn)密度是一定范圍內(nèi)點(diǎn)數(shù)量的統(tǒng)計值，是地理空間分析的重要任務(wù)[14]；核密度分析用于計算要素在其周圍鄰域中的密度分布，是空間分析中運(yùn)用廣泛的非參數(shù)估計方法，廣泛用于地理空間分布研究，核密度是基于研究對象本身分布特征的空間分析方法[15-16]，其根據(jù)核密度估計函數(shù)將平面的二維離散點(diǎn)生成連續(xù)的三維表面，計算事件點(diǎn)在設(shè)定周圍鄰近空間的分布密度的過程，直觀地反映點(diǎn)群的聚集或離散分布特征[14]。

該方法基于誘捕器位置坐標(biāo)與誘捕量，計算任意區(qū)域半徑范圍內(nèi)的密度數(shù)據(jù)值，計算公式[17]為：

disti

(1)

式中，i=1，…，n是輸入誘捕器點(diǎn)位于位置(x, y)的半徑距離內(nèi)，包括總和中的誘捕器點(diǎn)；popi是i點(diǎn)的population字段值參數(shù)(誘捕量值)，disti是誘捕器點(diǎn)i和位置(x, y)之間的距離。

2.5.2克里金插值分析

克里金法被廣泛用于各類觀測的空間插值[18]，引入克里金插值法來刻畫區(qū)域誘捕量密度分布的空間特征，是通過已知的分散點(diǎn)數(shù)據(jù)來推算未知點(diǎn)的值，插值結(jié)果是一個連續(xù)的表面，在連續(xù)的面上可以找到每一個點(diǎn)的值；通過對地理位置監(jiān)測點(diǎn)與誘捕量在GIS空間上計算出的分布密度，生成柵格圖, 然后對柵格圖進(jìn)行分析，克里金方法的插值公式為：

(2)

(3)

式中，Z(x0)為x0處的估計值，Z(xi)為xi處的屬性值；λi為克里金權(quán)重系數(shù)，n點(diǎn)(誘捕器)個數(shù)。

2.5.3核密度值與克里金插值等級面積計算

具體方法為先對柵格圖層進(jìn)行高斯投影，設(shè)置單位為m, 運(yùn)用工具箱(Arc Tool box)模塊—重分類(Reclassify)工具計算，將連續(xù)柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為離散柵格數(shù)據(jù)，然后使用以表格顯示分區(qū)幾何統(tǒng)計(Zonal Geome try As Table)工具，以像素單位計算得出不同等級的柵格面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)分布分析

對誘捕器監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本利用SPSS軟件進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov(K-S)、X2、T檢驗，K-S檢驗結(jié)果：p>0.05，樣本值服從正態(tài)分布，樣本數(shù)據(jù)符合自然隨機(jī)規(guī)律；X2檢驗結(jié)果：p<0.05。兩組監(jiān)測總體樣本存在顯著性差異；T檢驗結(jié)果：p<0.05，監(jiān)測值樣本均值存在顯著性差異；數(shù)據(jù)樣本分析表明，兩組數(shù)據(jù)樣本無明顯關(guān)聯(lián)性特征。

3.2 松褐天牛種群監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測2019—2020年2個年度松褐天牛發(fā)生情況，于當(dāng)年4月1日布設(shè)誘捕器，自4月10日—10月8日進(jìn)行連續(xù)觀察監(jiān)測，直至誘捕和觀察不到為止。共計捕獲松褐天牛成蟲3 911只(表2)，其中：A區(qū)域20個誘捕器捕獲1 973只，B區(qū)域35個誘捕器捕獲1 938只，雌雄性別綜合比為162.66%，受氣候和海拔因素影響，兩個監(jiān)測區(qū)誘捕量存在差異，高峰期在6—8月，誘捕量為3 150只，兩個區(qū)域分別占比88.1%和73.1%；綜合占比80.6%(表2)。

表2 野外誘捕結(jié)果

3.3 松褐天牛發(fā)生數(shù)量及動態(tài)分析

松褐天牛成蟲誘捕量隨時間變化規(guī)律見圖2。

由圖2分析可知，松褐天牛成蟲整個活動期較長，羽化初期始見于5月上旬，并開始頻繁活動，高峰期于6—8月，成蟲補(bǔ)充營養(yǎng)并開始交配、產(chǎn)卵集中期，主要活動集中在高峰期，之后種群數(shù)量迅速減少，盛末期終于10月中旬，后期便再誘捕不到松褐天牛成蟲，成蟲整個活動期為5個月。松褐天牛成蟲活動數(shù)量數(shù)據(jù)模型擬合曲線多元回歸方程決定系數(shù)R2分別為0.912和0.730，觀測值的擬合優(yōu)度較好，能對實際觀測的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)模擬預(yù)測，誘捕量值呈一個時間段高峰曲線谷，可確定松褐天牛在該區(qū)域一年發(fā)生1代。2020年(A區(qū)域)高峰值比2019年(B區(qū)域)在時間上提前近15 d，盛末期推遲15 d，這與區(qū)域海拔高度存在關(guān)聯(lián)，海拔高的區(qū)域高峰期延遲，盛末期提前；2020年度，該地降雨比2015年增加0.5倍，雨季時間長，擬合曲線有所波動，應(yīng)與氣候降雨存在關(guān)聯(lián)，平均誘捕量曲線圖數(shù)據(jù)接近，波動不大；兩個不同區(qū)域除誘捕數(shù)量上存在差異，其種群活動動態(tài)變化趨勢大體一致。

圖2 松褐天牛成蟲誘捕量變化規(guī)律

3.4 松褐天牛種群密度分布分析

3.4.1核密度分析

運(yùn)用核密度工具(Kernal Density)完成點(diǎn)數(shù)據(jù)的核密度估算，采用自然斷點(diǎn)法將誘捕量核密度估算值劃分為 9個等級，設(shè)定距離閾值搜索，搜索范圍為外切點(diǎn)矩形；由于核密度估算值結(jié)果受搜索半徑距離影響，半徑值越小，核密度圖所顯示的信息越詳細(xì)，但整體特征不明顯，反之，半徑值越大，核密度圖概括程度越高，通過多次設(shè)定不同距離閾值發(fā)現(xiàn)，距離半徑R=1 km時，涵蓋所有點(diǎn)，效果最為理想；增大半徑不會使計算密度值發(fā)生很大變化，更能包含更多的點(diǎn)，但計算密度時點(diǎn)數(shù)將除以更大的面積，大半徑的主要影響是計算密度時需要包括所有點(diǎn)(圖3，表3)。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)核密度分布

表3 核密度值克里金插值密度面積等級

由圖3、表3分析可知，核密度圖顯示中間密度值高，呈向周圍逐漸降低的趨勢，誘捕器布設(shè)密集度較高區(qū)域的密度值較大；兩個區(qū)域核密度估算等級值分布區(qū)間在75～672和65～584，密度均值區(qū)間在(2～50)只/hm2和(3～128)只/hm2，受區(qū)域海拔影響存在差異，誘捕量總體呈現(xiàn)核心不均衡分布，等級密度差異較大，高密度區(qū)分布在低海拔。核密度反映誘捕量聚集狀況，核密度數(shù)值越大，說明蟲口在該區(qū)域越分布聚集。試驗發(fā)現(xiàn)，誘捕器布置密度較高的區(qū)域誘捕量大，誘捕器布設(shè)密度與誘捕量存在關(guān)聯(lián)，在核密度圖中得到了驗證。

3.4.2克里金插值分析

運(yùn)用克里金插值工具(kriging)對誘捕量數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖，采用自然間斷分級法將數(shù)據(jù)柵格圖分成9個等級比較插值結(jié)果(圖4)，所生成外切點(diǎn)矩形密度分布空間特征，從整體上看，克里金插值趨勢結(jié)果區(qū)間波動較大，反映出不同等級連續(xù)區(qū)域變化空間密度特征，A、B區(qū)域密度等級值區(qū)間分別為40～85和35～129，密度均值區(qū)間分別為(1～85)只/hm2和(2～207)只/hm2(表3)?？死锝鸩逯的艽笾路从巢煌瑓^(qū)域誘捕量間密度分布特征，A區(qū)域海拔低，密度分布較高，海拔低區(qū)域分布密度較高。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)克里金插值結(jié)果

3.4.3核密度值與克里金插值結(jié)果比較

核密度值與克里金插值用于估算密度分布時，理論上兩種方法估算密度值柵格圖范圍和對應(yīng)等級基本一致或接近。

從圖3、圖4，表3分析可知，核密度結(jié)果反映兩個區(qū)域聚集性均值蟲口密度分布區(qū)間為(2～50)只/hm2和(3～128)只/hm2，克里金插值結(jié)果反映蟲口密度連續(xù)區(qū)域變化空間分布特征，蟲口密度均值區(qū)間為(1～85)只/hm2和(2～207)只/hm2，兩者之間雖范圍接近，但密度等級數(shù)據(jù)之間存在差異，無關(guān)聯(lián)性，表達(dá)的兩種趨向值，其結(jié)果表明，松褐天牛成蟲在松林的活動分布在不同地理位置存在明顯差異，松林范圍內(nèi)普遍存在松褐天牛分布，其防治難度更加困難；產(chǎn)生分布密度差異的相關(guān)因素應(yīng)與海拔、氣候、降雨量、坡向、樹種組成息息相關(guān)。誘捕器誘捕過程中也存在遺漏，加之誘捕器布設(shè)密度過大、誘劑擴(kuò)散等因素，兩個年度不同區(qū)域誘捕量受環(huán)境因子影響不同，該估算值應(yīng)為基礎(chǔ)密度值，應(yīng)在估算值上限以上。

4 結(jié)論與討論

以遠(yuǎn)安縣為例，運(yùn)用誘捕監(jiān)測方法，研究松褐天牛種群動態(tài)和空間密度分布，對松材線蟲病疫情監(jiān)測、根除、遏制和管理至關(guān)重要；通過在林間掛設(shè)誘捕器誘捕，不僅能降低成蟲的蟲口密度和松材線蟲攜帶傳播，還減少了對松林的潛在危害；由于對松褐天牛采用誘捕防治方法并兼顧監(jiān)測，誘捕器布設(shè)帶有隨機(jī)性，誘捕器布設(shè)面積過大、誘劑擴(kuò)散等因素，加之松褐天牛活動與海拔、氣候、降雨量、樹種組成等具有相關(guān)性，對監(jiān)測結(jié)果影響較大，該研究方法是一項重要數(shù)據(jù)的處理和科學(xué)分析技術(shù)手段，研究結(jié)果表明：

1)該區(qū)域松褐天牛羽化期在林間活動始于5月上旬，終于10月中下旬，成蟲活動期約為5個月，時間區(qū)域為5月1日—10月15日；誘捕量值呈現(xiàn)一個時間段高峰曲線谷，松褐天牛在該區(qū)域一年只發(fā)生1代；成蟲羽化初始期始見于5月，高峰期為6—8月，之后種群數(shù)量迅速減少，盛末期終于10月中旬，后期便誘捕不到松褐天牛成蟲，高峰期受海拔影響而推遲15 d，盛末期提前15 d。

2)該區(qū)域松林范圍內(nèi)普遍存在松褐天牛的分布，核密度值與克里金插值驗證松褐天牛在松林中的分布與不同地理位置存在差異，其防治難度更加困難；與氣候、海拔、高程、坡向、樹種組成等的相關(guān)性有待繼續(xù)研究。核密度分析估算了兩個區(qū)域聚集性均值蟲口密度分布特征，克里金插值結(jié)果反映蟲口密度連續(xù)區(qū)域變化空間分布特征，密度等級數(shù)據(jù)之間存在差異，無關(guān)聯(lián)性，表達(dá)兩種趨向值；兩個區(qū)域高海拔蟲口密度低，低海拔蟲口密度高；2020年該區(qū)域高峰期雨季時間長，降雨量大，蟲口活動受降雨量增加影響而減小，蟲口誘捕量少，影響蟲口密度測定結(jié)果。

3)松褐天牛因攜帶了松材線蟲造成疫情傳播，危害了松林，其防治從天敵、物理、化學(xué)、以及人工技術(shù)方面做了大量研究，防治技術(shù)上呈現(xiàn)多樣化；松褐天牛具飛翔能力，具有分布面廣、生活史具隱蔽性且羽化周期長等特點(diǎn)，造成了防治上的難度，防治成本高，目前任何一種防治方法防治效果均不徹底。

4)松褐天牛在松材線蟲病疫情中是一個至關(guān)重要的中間環(huán)節(jié)，其以松樹為寄主，脫離寄主植物，在自然條件下很難存活；松褐天牛攜帶松材線蟲傳播能將松林盡毀，從穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)角度來考慮，建立闊葉林系統(tǒng)，加以人工干擾等措施，將馬尾松純林演替為針闊混交林、闊葉林，自然條件下使松褐天牛不再造成對松林的危害。松材線蟲以天牛為媒介，天牛蟲口密度的增加，促進(jìn)了松材線蟲的攜帶擴(kuò)散，通過減少松褐天牛蟲口密度，除治帶病松木，有助于防止松材線蟲病疫情的擴(kuò)散傳播。