中歐山松大小蠹在中國的適生性分析

杜 宇, 姚 劍, 李生貴, 馬 平, 蔣小龍

(1.云南出入境檢驗(yàn)檢疫局,昆明 650228; 2.安徽出入境檢驗(yàn)檢疫局,合肥 230022;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,昆明 650223)

中歐山松大小蠹(Dendroctonus ponderosae Hopkins)屬鞘翅目小蠹科(Coleoptera：Scolytidae),是松類的蛀干害蟲,原產(chǎn)地為美國和加拿大等北美地區(qū)[1]。中歐山松大小蠹至少可為害松屬的12種樹木,成蟲可短距離飛行,主要隨針葉樹原木、鋸材和木質(zhì)包裝材料傳播擴(kuò)散[2]。2003年加拿大英屬哥倫比亞省的中歐山松大小蠹發(fā)生面積近410萬hm2,到2004年該省中歐山松大小蠹的總發(fā)生面積已達(dá)900萬hm2,尤以中部?jī)?nèi)陸地區(qū)較為嚴(yán)重,給當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)及發(fā)展造成了巨大損失[3]。隨著我國木材進(jìn)口量逐步增加,大小蠹隨之傳入我國的幾率大大增加[4]。一旦傳入我國,該害蟲將對(duì)林業(yè)生態(tài)安全構(gòu)成直接危害和嚴(yán)重威脅。因此,很有必要開展對(duì)中歐山松大小蠹在中國的潛在適生區(qū)研究。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)及來源

1.1.1 物種分布信息

中歐山松大小蠹分布地點(diǎn)信息主要來自于國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)論文和物種數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要是CABI-Crop Protection Compendium 2006。根據(jù)DIVA-GIS軟件要求,將中歐山松大小蠹實(shí)際分布點(diǎn)按物種名、分布點(diǎn)經(jīng)度和分布點(diǎn)緯度順序儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化為shp格式的文件。

1.1.2 環(huán)境數(shù)據(jù)

本文使用的環(huán)境數(shù)據(jù)是廣泛應(yīng)用于生態(tài)位模型預(yù)測(cè)的全球氣候數(shù)據(jù)集(WORLDCLIM)中的19個(gè)生物氣候數(shù)據(jù)。使用環(huán)境數(shù)據(jù)集的空間分辨率為2～5 arc-second(http：∥www.worldclim.org/)。

1.2 適生性分析

使用BIOCLIM生態(tài)位模型作為分析模型。適生區(qū)分析和ROC曲線分析使用DIVA-GIS軟件(http：∥www.Diva-gis.org,版本5.4)。

1.2.1 分布數(shù)據(jù)選擇

從中歐山松大小蠹分布點(diǎn)中選擇75%的點(diǎn)作為訓(xùn)練點(diǎn),剩下25%的物種分布點(diǎn)和隨機(jī)選取10倍于物種分布點(diǎn)的背景點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)集。利用DIVA-GIS得到兩個(gè)shape圖層,一個(gè)是訓(xùn)練集圖層,一個(gè)是驗(yàn)證集圖層。

1.2.2 模型分析

將分布數(shù)據(jù)圖層和環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入DIVA-GIS,用BIOCLIM模型對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練、預(yù)測(cè),運(yùn)行得出全球氣候條件下中歐山松大小蠹的適生區(qū)數(shù)據(jù),以1∶400萬的中國地圖作為底圖,對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果利用ArcGIS進(jìn)行處理,最終得到中歐山松大小蠹在中國的潛在適生區(qū)圖。ArcGIS9.2使用的分析底圖,來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http：∥nfgis.nsdi.gov.cn/)。

1.2.3 適生結(jié)果數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用ROC曲線分析法抽取中歐山松大小蠹測(cè)試點(diǎn)集的預(yù)測(cè)值計(jì)算AUC(area under curve)值,來判斷BIOCLIM模型對(duì)中歐山松大小蠹適生區(qū)預(yù)測(cè)的效果。AUC值是 ROC曲線與 x軸所圍成的面積值,ROC曲線是以假陽性率為橫坐標(biāo),真陽性率為縱坐標(biāo)形成的曲線。近年來,ROC曲線分析法在物種潛在分布預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)中應(yīng)用越來越廣泛[9]。ROC曲線是以預(yù)測(cè)結(jié)果的每一個(gè)值作為可能的判斷界值,由此計(jì)算得到相應(yīng)的靈敏度和特異度。

2 結(jié)果與分析

2.1 中歐山松大小蠹的分布現(xiàn)狀

中歐山松大小蠹目前分布在太平洋西岸到美國南達(dá)科他州布萊克山脈和英屬哥倫比亞的北部地區(qū)以及從南阿爾伯特省的西部到墨西哥的北部地區(qū)[7]。主要分布在：加拿大的英屬哥倫比亞省、阿爾伯特省、薩斯喀徹溫省,美國的亞利桑那州、加利福尼亞州、科羅拉多州、愛達(dá)荷州,蒙大拿州、內(nèi)華達(dá)州、新墨西哥州、北達(dá)科他州、俄勒岡州、南達(dá)科他州、猶他州、華盛頓州和懷俄明州以及墨西哥的北部地區(qū)等17個(gè)地區(qū)[8]。

通過資料收集和整理,將已知有中歐山松大小蠹的分布區(qū)形成分布表,具體分布點(diǎn)如圖1所示,并將其轉(zhuǎn)化為DIVA-GIS識(shí)別的格式進(jìn)行分析。

圖1 全球范圍內(nèi)中歐山松大小蠹的主要分布點(diǎn)

2.2 中歐山松大小蠹的適生區(qū)

利用BIOCLIM生態(tài)位模型并經(jīng)ArcGIS進(jìn)行處理后的分析結(jié)果見圖2。根據(jù)中歐山松大小蠹在北美洲的為害程度,將中歐山松大小蠹在我國潛在分布區(qū)劃分為4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),即無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

如圖2所示,中歐山松大小蠹在我國的適生區(qū)主要集中在華中、華北、東北和西南地區(qū),具體分布區(qū)如下。

圖2 BIOCLIM預(yù)測(cè)的中歐山松大小蠹在中國的適生區(qū)分布圖

高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：云南中部和北部、貴州中北部、四川東部、重慶西部、湖北北部、陜西、山西、甘肅南部、內(nèi)蒙古南部、北京、天津、河北北部、山東東部、遼寧、吉林。

中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：云南少數(shù)地區(qū)、四川少數(shù)地區(qū)、新疆少數(shù)地區(qū)、貴州南部、重慶東部、湖南西北部、湖北南部、安徽南部部分地區(qū)、江蘇東部、山東西部地區(qū)、黑龍江南部、內(nèi)蒙古北部、吉林中部少數(shù)地區(qū)。

低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：新疆北部、云南南部、廣西北部、廣東北部、福建大部、浙江大部、湖南大部、江西大部、安徽部分地區(qū)、內(nèi)蒙古西部、黑龍江北部部分地區(qū)。

無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：新疆大部、西藏大部、云南南部、青海、甘肅北部、廣西南部、廣東南部、海南、臺(tái)灣。

2.3 中歐山松大小蠹的適生區(qū)結(jié)果驗(yàn)證

基于全球氣候數(shù)據(jù)集通過對(duì)中歐山松大小蠹的適生區(qū)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,得到AUC值為0.951,ROC曲線見圖3。一般認(rèn)為AUC值為0.5～0.7時(shí)診斷價(jià)值較低,為0.7～0.9時(shí)診斷價(jià)值中等,大于0.9時(shí)診斷價(jià)值較高[10]。由此可見利用BIOCLIM生態(tài)位模型對(duì)中歐山松大小蠹預(yù)測(cè)的效果較好,能夠正確反映中歐山松大小蠹的適生區(qū)分布。

圖3 BIOCLIM的ROC曲線

3 討論

本研究利用BIOCLIM模型對(duì)中歐山松大小蠹在我國的適生區(qū)進(jìn)行了研究,通過預(yù)測(cè)模型對(duì)實(shí)際分布點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和ROC曲線檢驗(yàn),結(jié)果顯示中歐山松大小蠹實(shí)際分布地區(qū)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際分布基本吻合,ROC曲線檢驗(yàn)值也較高,表明BIOCLIM預(yù)測(cè)結(jié)果能夠反映中歐山松大小蠹在我的潛在適生區(qū),可以為我國降低或控制中歐山松大小蠹的入侵風(fēng)險(xiǎn)和在潛在風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)對(duì)其采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

DIVA-GIS軟件中自帶BIOCLIM分析模型,是適生分析與地理信息有效的結(jié)合,極大地方便了各類有害生物適生性的研究。利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS對(duì)分析值進(jìn)行了處理,使預(yù)測(cè)結(jié)果更能直觀地呈現(xiàn)出中歐山松大小蠹在我國的潛在適生范圍。

外來物種在一個(gè)新的生境中能否定殖,不僅取決于對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛞蜃雍图闹鞯哪褪苣芰?也取決于它與其他生物的競(jìng)爭(zhēng)、捕食等關(guān)系。環(huán)境因子和生物因子的共同作用往往使外來物種的入侵具有不確定性[11]。本研究所用的環(huán)境數(shù)據(jù)集只包含氣溫、濕度、降水等常見環(huán)境變量,未將海拔、地形等非生物因素納入考慮,影響預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性。因此,在下一步試驗(yàn)中,應(yīng)綜合考慮其他影響中歐山松大小蠹適生的因素,并通過不同的預(yù)測(cè)模型對(duì)其可能的適生區(qū)進(jìn)行深度分析,使預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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