三峽宜昌區(qū)域松材線蟲病疫情擴(kuò)散空間分析

古劍， 肖正利， 李金鞠， 趙金文， 湯丹， 周丹

(1.宜昌市森林病蟲防治檢疫站，湖北 宜昌 443001；2.遠(yuǎn)安縣林業(yè)局, 湖北 宜昌 444200； 3.夷陵區(qū)自然資源和規(guī)劃局，湖北 宜昌 443100)

松材線蟲病(Bursaphelenchusxylophilus)，又稱松樹萎蔫病，其病原是國際檢疫性林業(yè)有害生物[1-2]。該病疫情2006年傳入宜昌地區(qū)[3]，2021年3月國家林業(yè)和草原局公告宜昌市區(qū)域松材線蟲病縣級(jí)疫區(qū)12個(gè)[4]，湖北省林業(yè)局公告宜昌市松材線蟲病鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)疫點(diǎn)55個(gè)[5]。松材線蟲本身并無擴(kuò)散能力[6]，主要借助媒介昆蟲傳播，能攜帶松材線蟲的昆蟲有45種，可作為媒介昆蟲的有13種，為墨天牛屬(Monochamus)種類[7]，國內(nèi)最常見能傳播松材線蟲的昆蟲有6種[8]，宜昌三峽區(qū)域以松褐天牛(Monochamusalternatus)成蟲為攜帶傳播主要途徑。主要危害對(duì)象為馬尾松(Pinusmassoniana)，馬尾松是該區(qū)域森林頂級(jí)群落之一，也是天然分布最廣的森林類型，是該地域森林資源的主要樹種。

近十年來，關(guān)于松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、傳播途徑、防治措施出現(xiàn)了大量研究，涉及從分類到疫情防控,包括病原、媒介、遺傳、行為以及共生菌等方面[1]。但松材線蟲病地理空間與疫情擴(kuò)散空間規(guī)律方面的研究較為少見。

研究松材線蟲病疫情發(fā)生空間地理，有助于揭示松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，為松材線蟲病疫情防控提供輔助技術(shù)支撐；本研究采用收集受害松林空間位置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于ArcGIS軟件平臺(tái)，對(duì)其傳播擴(kuò)散空間分布數(shù)據(jù)定量化、數(shù)據(jù)建模、模擬分析空間地理分布特征，測度地域疫情發(fā)展的影響極其差異性，挖掘相關(guān)影響因子，以期為松材線蟲的生態(tài)控制、綜合治理、監(jiān)測與防控等決策提供理論依據(jù)，遏制松材線蟲病的擴(kuò)散蔓延。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖北省宜昌市三峽庫區(qū)位于湖北省西南部，宜昌市共轄5個(gè)市轄區(qū)、3個(gè)縣級(jí)市、3個(gè)縣、2個(gè)自治縣(詳見圖1)，地處長江上游與中游的結(jié)合部，鄂西山區(qū)向江漢平原的過渡地帶，地跨110°15′—112°04′E、29°56′—31°34′N，東西最大橫距174.08 km，南北最大縱距180.6 km。宜昌三峽庫區(qū)地形復(fù)雜，海拔懸殊，最高海拔2 426.9 m(興山縣的仙女山)，全市最低海拔35 m(枝江市的楊林湖)，相對(duì)高差2 392 m，境內(nèi)山地、丘陵、平原兼有。土壤主要為紅壤、黃棕壤、黃壤、棕壤、草甸土、石灰(巖)土，紫色土、潮土、水稻土等。宜昌屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均水量為992～1 404 mm，無霜期200～307 d。氣候特征適合松材線蟲的入侵、生長與繁殖。據(jù)2020年森林普查結(jié)果顯示，宜昌市森林面積139.45×104hm2，約占國土總面積的66%。其中松林面積33.877×104hm2，占全部森林面積的45.67%。馬尾松以純林和混交林形式分布，在該區(qū)域森林植被類型上占有很大的生態(tài)空間與分布范圍，其生態(tài)保護(hù)極為重要。

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)來源于宜昌市森林病蟲防治檢疫站收集管轄區(qū)域2020—2021年度松材線蟲病疫情馬尾松疫木(枯死樹、瀕死樹、感染死亡木)采伐地理位置數(shù)據(jù)庫(*.shp格式)，運(yùn)用ArcGIS軟件空間連接(Spatial Join)工具將疫木位置與數(shù)量所匯集成面圖層數(shù)據(jù)庫；由于疫木點(diǎn)所涉及范圍廣、數(shù)據(jù)大，本研究數(shù)據(jù)分析層級(jí)僅到行政村一級(jí)；為便于數(shù)據(jù)分析，基于村級(jí)面圖層受害松林?jǐn)?shù)量為屬性值，以村級(jí)面圖層幾何中心坐標(biāo)為村級(jí)疫情(疫源、侵染源)數(shù)據(jù)，面圖層與點(diǎn)圖層相互轉(zhuǎn)換；以此為基礎(chǔ)底圖建立六個(gè)層級(jí)數(shù)據(jù)庫，分別為縣行政界線、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、林班、小班和村級(jí)疫源。

1.3 研究方法

1.3.1 空間自相關(guān)分析

采用全局自相關(guān)莫蘭指數(shù)(Moran′s I)研究松材線蟲病疫源地理區(qū)域的空間相關(guān)性，其取值范圍[-1，1]，Moran’s I計(jì)算公式為：

當(dāng)I>0時(shí)，表示正相關(guān)，表示具有相似的屬性聚集在一起，且越接近于1聚集性越大；當(dāng)I<0，負(fù)相關(guān)，表示具有相異的屬性聚集在一起，I=0，或不存在空間自相關(guān)性，是隨機(jī)現(xiàn)象[9-10]。

1.3.2 空間聚集分析

應(yīng)用空間聚集模型(Getis-Ord Gi*)統(tǒng)計(jì)每一個(gè)疫點(diǎn)要素，通過得到的Z值得分和p值來判斷高值或低值疫源在空間上發(fā)生聚類的位置[11-12]。公式為：

式中：xj是疫源j的屬性值，Wij是疫源i和j之間的空間權(quán)重，n為疫源總數(shù)。

1.3.3 核密度分析

核密度分析可直觀的反映出離散測量值在連續(xù)區(qū)域內(nèi)的分布情況。核密度值的高低代表研究對(duì)象在空間分布上的集聚程度[13]，即疫源區(qū)域半徑范圍內(nèi)受害松林值的密度，判斷受害松林空間整體空間分布特點(diǎn)。計(jì)算公式[10,14]：

disti

(9)

式中：疫點(diǎn)(x，y)位置范圍內(nèi)的受害松林株數(shù)值密度，i=1，2，…，n是輸入疫源，位于(x,y)位置的半徑距離內(nèi)，popi是i點(diǎn)的領(lǐng)域數(shù)量字段值參數(shù)，為全部受害死亡松值，disti是疫源i和(x,y)位置之間的距離。

1.3.4 區(qū)域重心

借鑒重心研究地理空間分布分析，在疫源空間分布中，重心即加權(quán)平均中心，是通過賦予空間對(duì)象要素坐標(biāo)的不同權(quán)重，將空間對(duì)象的屬性(受害松林株數(shù)程度)加以分析，得出受災(zāi)區(qū)域中心，直觀地表現(xiàn)區(qū)域差異。區(qū)域重心坐標(biāo)為公式為[14-15]：

(10)

(11)

式中：xi和yi為各村行政區(qū)域疫源坐標(biāo)，n為疫源總和，wi為疫源i處的權(quán)重，z疫源危害株數(shù)屬性值。

1.3.5 多環(huán)緩沖區(qū)

緩沖區(qū)是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍。按設(shè)定的距離條件圍繞其疫源中心而形成一定緩沖區(qū)多邊形實(shí)體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在二維空間得以擴(kuò)展的范圍信息，探索疫區(qū)地理自然擴(kuò)散范圍空間模型圖。公式為[10,12]：

P={x|d(x,A)≤r}

(12)

式中：A為疫源中心，r為鄰域半徑緩沖區(qū)，d為歐氏距離。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

應(yīng)用Excel 2010處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用ArcGIS10.8軟件進(jìn)行空間信息圖制作與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 疫情分布及危害

截止2021年5月底統(tǒng)計(jì)分析，宜昌市三峽區(qū)域2020年度各疫區(qū)松材線蟲病疫情發(fā)生危害程度概況(詳見表1)，該病疫情經(jīng)過15年發(fā)展已經(jīng)擴(kuò)展到12個(gè)縣(市、區(qū))疫區(qū)74個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街辦、林場)522個(gè)村(居委會(huì))，松林受到不同程度受到危害。2020—2021年度，該病危害松林面積2.317 3×104hm2，清理病枯死松樹79.873 5萬株。疫情發(fā)生較重的區(qū)域分布在當(dāng)陽市(村級(jí)疫源63個(gè))、夷陵區(qū)(村級(jí)疫源113個(gè))、宜都市(村級(jí)疫源60個(gè))。三個(gè)市、區(qū)發(fā)生面積分別為3 686.7 hm2、10 233.3 hm2和1 566.7 hm2，松林疫木分別為274 501株、236 217株、84 340株。危害最輕的分布在猇亭區(qū)(46.7 hm2)和枝江市(80 hm2)，對(duì)應(yīng)的村級(jí)松林疫木分別為3 673株和1 906株。各縣市(區(qū))松材線蟲病疫木與發(fā)生面積進(jìn)行相關(guān)性分析(圖2)，決定系數(shù)R2=0.663(P<0.01)，結(jié)果表明：擬合程度為適度模型，死亡數(shù)量均與疫情發(fā)生面積大小存在顯著正相關(guān)關(guān)系，松林死亡數(shù)量越大，疫情發(fā)生面積越大。

圖2 發(fā)生面積與疫木數(shù)量線性回歸關(guān)系Figure 2 The linear regression relationship between the occurrence area and the number of endemic trees

表1 松材線蟲疫病情發(fā)生概況Table 1 Occurrence of pine wood nematode blight

2.2 地理分布特點(diǎn)

村級(jí)疫源松林受害株數(shù)值自然間斷分級(jí)色彩程度圖(圖3)顯示，10個(gè)等級(jí)值[280，700，1 226，1 925，3 036，4 648，6 886，10 901，18 156，32 593]顯示了疫情危害程度地理空間格局。疫情的傳播地理區(qū)域特點(diǎn)為集中連片，受害松林相對(duì)集中，呈現(xiàn)面狀擴(kuò)散；邊境區(qū)域面狀相連，具有連續(xù)性。該病疫情造成危害區(qū)域集中在當(dāng)陽市、夷陵區(qū)、遠(yuǎn)安縣、猇亭區(qū)、宜都市和點(diǎn)軍區(qū)。

研究區(qū)地理村級(jí)疫源點(diǎn)高程疊加圖顯示(圖4)，點(diǎn)密度大小顯示了疫情危害程度空間分布格局，點(diǎn)大小密度屬性值分布不均，顯示了松林受害量級(jí)，疫源相對(duì)集中，稠密程度不一，疫源散布分布和局部爆發(fā)特點(diǎn)。危害較重區(qū)域分布在當(dāng)陽市。疫源的地理分布集中在海拔1 200 m以下，這與馬尾松主要分布在高程低于1 200 m相關(guān)[16]，同時(shí)也與高海拔馬尾松林密度分布較低相關(guān)。當(dāng)陽市、宜都市較低海拔區(qū)域受害程度重，高海拔成為疫源傳播的自然屏障。

疫源數(shù)據(jù)空間探索三維圖(圖5)顯示了疫區(qū)的空間分布趨勢，區(qū)域內(nèi)每一個(gè)疫源松林受害株數(shù)值為該單元格幾何中心值,用三維數(shù)據(jù)點(diǎn)(X，Y，Z)來表示。其中X，Y為各區(qū)域幾何中心處的經(jīng)度和緯度方向(東、北)，Z維度顯示疫區(qū)受害松林株數(shù)值i，用桿的高低顯示。三維趨勢顯示疫源趨勢為東、中部高，西部低。整體高桿值較少，表明疫源呈現(xiàn)局部爆發(fā)。投影趨勢線值顯示，東北邊平緩坡度，有上升趨勢，中間東部局部凸起，趨勢線總體平緩，未造成大的受災(zāi)或大的嚴(yán)重區(qū)域，危害程度為局部災(zāi)害。

圖5 疫情三維趨勢Figure 5 Three-dimensional trend of the epidemic

2.3 松材線蟲擴(kuò)散流行空間分布特征

2.3.1 空間自相關(guān)分析

采用莫蘭指數(shù)(Global Moran’s Ⅰ)值分析疫源松林受害聚集程度、分布狀況的全局自相關(guān)。疫源距離閥值分別設(shè)定半徑5 km，10 km和20 km。表2結(jié)果顯示，Moran′s I=[0.271 5，0.270 8，0.197 4]，為正相關(guān)，表明具有相似的屬性聚集在一起。Z=[8.02，14.87，18.67]，顯著性檢驗(yàn)P=0,零假設(shè)表示與要素相關(guān)的值聚集模式分布可能性小于1%，即疫源的地理分布模式為隨機(jī)分布。

表2 疫源全局空間自相關(guān)指數(shù)表Table 2 Global spatial autocorrelation index of foci

2.3.2 空間聚集分析

為進(jìn)一步分析檢驗(yàn)疫源聚集危害程度細(xì)化特征，采用高/低聚類(Getis-Ord General G)來檢驗(yàn)疫情危害程度。當(dāng)疫源距離>10 km時(shí)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)意義。表3結(jié)果顯示，General G觀測值=0.000 009，Z=9.8，顯著性檢驗(yàn)P=0，高聚類模式分布可能性小于1%，即疫源的分布模式為隨機(jī)分布，與空間自相關(guān)結(jié)果一致。

表3 疫源高/低聚類指數(shù)表Table 3 High/low cluster indexTable of foci

2.3.3 核密度與區(qū)域重心分析

根據(jù)疫源受害松林株數(shù)密度值，設(shè)定距離閾值R=10 km，計(jì)算周圍鄰域疫源的密度，并制作核密度分布圖。圖6顯示，色彩階層自然間斷10個(gè)等級(jí)值[69,139，208，278，348，417，487，556，626，696]反映了松材線蟲疫情入侵危害程度分區(qū)。疫情的擴(kuò)散和受災(zāi)區(qū)域集中在東部的當(dāng)陽市，是疫情爆發(fā)區(qū)。東南區(qū)域的宜都市、中部區(qū)域的夷陵區(qū)，東部的當(dāng)陽市分布為高密集區(qū)，受害集中在局部區(qū)域。

疫源空間位置地理坐標(biāo)重心如圖6。圓圈為疫情危害縣市區(qū)中心地理位置。中心區(qū)域疊加核密度圖，反映了各縣市區(qū)疫情傳播地理空間受災(zāi)中心區(qū)域。疫情以一個(gè)區(qū)域?yàn)橹行闹饾u向四周擴(kuò)散和外圍蔓延特點(diǎn)，區(qū)域重心與核密度圖中心一致，即重心為疫源的源頭，表明疫情地理傳播以一個(gè)中心點(diǎn)向四周爆發(fā)傳播。

圖6 受損松林核密度的分布Figure 6 Distribution of kernel density in damaged pine forest

2.3.4 多環(huán)緩沖區(qū)分析

空間物體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離變化而呈不同強(qiáng)度的擴(kuò)散或衰減[17]，緩沖區(qū)可得到疫情傳播的范圍和預(yù)測傳播區(qū)域，進(jìn)行合理的監(jiān)測、普查、設(shè)防，以及擴(kuò)散范圍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[18]。由圖7可知，以1 km等間距對(duì)疫源為圓心分成5個(gè)等級(jí)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)模型圖體現(xiàn)了空間連續(xù)影響和由環(huán)內(nèi)向外的空間疊加效應(yīng)。長江以南區(qū)域疫源點(diǎn)狀分布，長江以北地理區(qū)域被疫情環(huán)繞，疫情在三峽宜昌區(qū)域范圍具有傳播擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 疫區(qū)多環(huán)緩沖區(qū)Figure 7 Epidemic area multi-ring buffer

3 結(jié)論與討論

松材線蟲病疫情已經(jīng)擴(kuò)展分布到三峽宜昌區(qū)域的12個(gè)縣(市、區(qū))疫區(qū)74個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街辦、林場)522個(gè)村(居委會(huì))，危害面積2.317 3×104hm2。地理分布集中在當(dāng)陽市、夷陵區(qū)、遠(yuǎn)安縣，猇亭區(qū)，宜都市、點(diǎn)軍區(qū)?？h市(區(qū))邊境成片狀相連，存在交叉?zhèn)鞑ペ厔荨Ｒ咴幢l(fā)區(qū)分布在當(dāng)陽市，疫源危害高密集區(qū)分布在宜都市、夷陵區(qū)。且受害區(qū)域有面積增多、擴(kuò)大的特點(diǎn)，疫源呈跳躍式和遷徙式蔓延。但松林受害地理分布集中在海拔1 200 m以下，高海拔成為疫源傳播的自然屏障。

三峽宜昌區(qū)域松材線蟲病疫情的發(fā)生、傳播、流行與地理環(huán)境之間有著密切的關(guān)系。地理分析說明了疫情的傳播與松林的密度、分布、人為活動(dòng)相關(guān)，各因素在地理面上的疊加研究是必要的[19-20]。將空間地理分布作為新的輔助依據(jù)，根據(jù)松材線蟲病疫情空間傳播規(guī)律和特點(diǎn)，制定科學(xué)防控措施。

三峽宜昌區(qū)域松材線蟲病疫情疫源地理空間傳播蔓延擴(kuò)散是隨機(jī)的。疫源在自然傳播是連續(xù)性緩慢過程[20]，隨機(jī)傳播增大了防治難度。人為活動(dòng)也可造成疫源跳躍式和遷移式發(fā)展，使得疫源中心點(diǎn)隨擴(kuò)散時(shí)間變化，危害程度也時(shí)刻發(fā)生改變，極小的疫源都有可成的新的爆發(fā)點(diǎn)出現(xiàn)。因此疫情擴(kuò)散極難預(yù)測和防治，疫源的傳播發(fā)生具有不確定性。針對(duì)疫情傳播特點(diǎn)，應(yīng)該以疫木清理為防控核心，輔助化學(xué)和生物防治手段,控制傳播媒介松褐天牛蟲口密度，禁止疫木流通，減少侵染及傳播來源[21-22]。

松材線蟲不會(huì)主動(dòng)感染松樹。因此，預(yù)防傳播可從傳播媒介方向上轉(zhuǎn)移，減少傳播媒介。此外，可從森林經(jīng)營措施上調(diào)節(jié)松樹密度[20,23]，培育闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，調(diào)整和建立合理的樹種結(jié)構(gòu)，設(shè)置自然屏障，達(dá)到抵御災(zāi)害能力[24]。通過控制疫源人為活動(dòng)傳播，加大疫木的清理力度，在地理空間上阻擋疫源。同時(shí)，加強(qiáng)聯(lián)防聯(lián)治、區(qū)域合作、防止區(qū)域交叉?zhèn)鞑ィ郧笤诘乩韰^(qū)域上整體去除疫情。