1、辽宁农业科学 2 0 2 3(1):2 32 6L i a o n i n gA g r i c u l t u r a lS c i e n c e s文章编号:1 0 0 2-1 7 2 8(2 0 2 3)0 1-0 0 2 3-0 4 d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-1 7 2 8.2 0 2 3.0 1.0 0 5草地贪夜蛾迁飞入侵辽宁省的潜在地理分布*何莉莉1,栾云松1,赵大伟1,李修伟2(1.辽宁省农业发展服务中心,辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 0;2.沈阳农业大学,辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 1)摘要:基于气候、高程等2 2个环境数
2、据,利用M a x E n t模型和地理信息系统,同时综合环境因子贡献率和刀切法检验评估制约草地贪夜蛾存在概率的主要环境变量,模拟并划分草地贪夜蛾现代气候适宜区和未来的扩散趋势。R O C曲线分析法得出受试者工作曲线面积(AU C值)为0.9 5 4,表明预测结果可靠。影响草地贪夜蛾周年繁殖和迁飞入侵的主要环境因子有:年平均气温、温度年较差、年降雨量和最干季降水量。迁飞入侵区主要集 中 在 辽 南 和 辽 中 地 区,现 代 气 候 条 件 下 高 适 生 区 的 面 积 为4.6 71 04k m2、中 适 生 区 面 积 为2.5 11 04k m2,未来气候变化背景下,高、中适生区面积增
3、加,低适生区面积减少,高适生区重心向高纬度和东北方向扩张。草地贪夜蛾如果能在辽宁省西南方向地区越冬繁殖或气候变暖导致其迁飞期提前,在辽宁省有较大的入侵潜力。管理部门应重点监测省内温室大棚、山东、河北、河南等地区草地贪夜蛾的越冬和气候变暖导致其迁飞期提前等情况,以便提前布控,做好防控预警。关键词:草地贪夜蛾;M a x E n t模型;A r c G I S;迁飞入侵;气候变化;辽宁省中图分类号:S 4 3 1.3文献标识码:B 草地贪夜蛾S p o d o p t e r af r u g i p e r d a是原产于美洲热带地区的重大害虫,具有扩散快、迁徙能力强、寄主范围广等特性,已在多国
4、造成巨大的农业损失1,被联合国粮农组织预警为全球重大迁飞性农业害虫。草地贪夜蛾于2 0 1 9年1月入侵我国云南普洱,并自南向北一路扩散,1 0月8日到达西南、华南、江南、长江中下游、黄淮、西北、华北地区的2 6个省(区、市)15 9 8个县(区、市)2,2 0 2 0年入侵辽宁省东港市3。截至目前,草地贪夜蛾在我国主要危害玉米、高粱和甘蔗等农作物。黄淮海平原盛产夏玉米,是草地贪夜蛾种群繁殖、迁飞与再定殖的绝佳栖境,这些地区为辽宁省草地贪夜蛾的入侵提供虫源4。同时气候变暖加快了季节的转变过程,提前了迁飞性害虫的迁移时间,迁飞性害虫在实现地带转移之后,滞留的时间则由于气候变暖变得比正常时间更长,
5、使其对该地段造成的危害也随之加重5。因此,应进一步研究草地贪夜蛾在辽宁省的潜在适生区,分析气候变化背景下草地贪夜蛾适生范围的变化,有助于相关部门采取科学的措施防止草地贪夜蛾的入侵,从而最大程度减少当地的农业经济损失6。目前,我国对草地贪夜蛾的研究主要集中在发生情况、防控技术,对基于地理信息系统和生态位模型预测区域分布的较少,少量的研究都是聚焦现代气候条件下,未来气候变化背景下的扩散趋势分析未见报道。1 材料与方法1.1 数据来源1.1.1 分布数据用G B I F全 球 生 物 多 样 性 数 据 平 台(h t t p:/ww w.g b i f.o r g)和 国 内 相 关 文 献 的
6、分 布 点 作 为 预 测 数 据,共16 5 4个分布点,用辽宁省农业部门的监测信息作为验证数据,验证模型的转移能力。1.1.2 环境数据1 9个气候和1个地形数据来源于世界气候数据网站(h t t p:/w ww.w o r l d c l i m.o r g/),空间分辨率为3 0,地理坐标系WG S 1 9 8 4。图层中的温度数值()为实际数值1 0;未来气候数据选择与全球经济框架相适应的R C P4.5模式7。地形数据包括高程、坡度和坡向,坡度和坡向利用A r c G I S软件对高程数据进行表面分析得到8。1.2 研究方法1.2.1 筛选分布数据在E X C E L去掉重复的分布
7、点并存储为C S V文件格式,在A r c G I S中加载后删除落在海洋上的坐标,并对分布点进行缓冲区分析,在每10 0 0m区域内只选取一条分*收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 3基金项目:辽宁省农作物种业发展及病虫害防控专项作者简介:何莉莉(1 9 8 1-),女,硕士,教授研究员级高级农艺师,主要从事农村能源环保工作。E-m a i l:1 4 6 0 6 5 6 9q q.c o m辽 宁 农 业 科 学 2 0 2 3年布记录,最终获得13 2 1个草地贪夜蛾的有效分布点。1.2.2 筛选环境数据将1 9个气候因子和3个地形因子在A r c G I S中统一边界和相元,转换成A
8、 S C格式导入M a x E n t模型中,得到2 2个环境因子的贡献率。为避免模型出现过度拟合现象,在A r c G I S中对所有环境因子进行相关性分析,当2个环境因子相关系数0.8时,保留贡献率大的9,最终确定3个气温因子、5个降水因子、3个地形因子用于模型分析,分别为年平均气温、平均气温日较差、温度年较差、年降雨量、降雨量季节性变异系数、最干季降雨量、最暖季降雨量、最冷季降雨量、海拔、坡度、坡向。1.2.3 模型的构建将筛选后的分布点和环境变量导入模型,模型参数设置为:将2 5%分布点作为测试集,7 5%分布点作为训练集,最大迭代次数为5 0 0次,最大背景点数量设置为10 0 0个
9、。采用刀切法对权重进行检验,将受试者工作特征曲线(R O C)作为模型评价指标,其余参数不变。将结果文件导入地理信息系统,将模型结果的A S C文件转为栅格文件,利用空间分析工具中的重分类命令,利用自然间断点分级法将适生生境分为4个等级分别为:非适生区(00.1)、低适生区(0.10.3)、中适生区(0.30.5)和高适生区(0.51)。1.2.4 模型的评价使用受试者工作特征曲线(R O C)下面积(AU C)值判断模型预测精度,AU C取值范围为(0,1 0 0%,当AU C数值在(0,6 0%时,说明预测结果不准确;当AU C数值在(6 0%,9 0%时,说明预测结果一般;当AU C数值
10、在(9 0,1 0 0%时,说明该模型预测结果非常好1 0。AU C计算公式如下:A U C=i n s ip o s i t i v e c l a s sr a n ki n s i-M(M+1)2MN式中,M为正类样本数,N为负类样本数。2 结果与分析2.1 影响草地贪夜蛾地理分布格局的主要环境因子在参与模型运算的1 1个环境因子中,贡献率最高的3个环境因子依次为:年平均气温(B i o 1,3 2.5%),年降雨量(B i o 1 2,2 6.2%),温度年较差(B i o 7,1 5.8%),累计贡献率为7 5%;置换重要值排前3位的环境因子分别为:年平均气温(B i o 1,6 1
11、.2%),温度年较差(B i o 7,1 8.9%),年降雨量(B i o 1 2,6.7%),累 积 值 为8 6.8%。由 刀 切 法(J a c k-k n i f e)检验结果可知,对正规化训练增益影响最大的3个环境因子变量为:年平均气温(B i o 1),年降雨量(B i o 1 2),最干季降雨量(B i o 1 7)。综合来看,影响草地贪夜蛾周年繁殖和迁飞入侵的主要环境因子为:气温因子(年平均气温和温度 年较 差),降 水因 子(年 降雨 量和 最 干季 降 雨量),气温因子占主导因素,降水因子次之。前人的研究结果证明,环境因子包含年平均温和极端温湿度,能够提高昆虫模型的转移能力
12、。响应曲线可以反应环境因子与草地贪夜蛾存在概率的关系,一般认为,当物种的存在概率大于0.5时,其对应的值比较适合该物种生存1 1。但在实际监测中发现,低适生区域放置的诱捕器中也会扑捉到少量成虫,由于草地贪夜蛾属于重大农业迁飞性害虫,所以本研究将存在概率大于0.3生态因子值作为草地贪夜蛾的适生值(图1),以期为该虫的预警提供更科学的理论依据。年平均气温(贡献率3 2.5%,置换重要值6 1.2%)年均温小于9.8的时候,草地贪夜蛾的生存概率在0.3以下,随着年均温的升高生存概率呈上升趋势,在2 2.1 的时候达到峰值,随后开始下降,当年均温到达2 7.0的时候,生存概率回到0.3以下。温度年较差
13、(贡献率1 5.8%,置换重要值1 8.9%)气温的年较差小于9.8 时,草地贪夜蛾的生存概率在0.3以下,随着气温年较差幅度的增大生存概率逐渐提高,在3 5.1 的时候达到峰值0.9,随后开始下降,当气温年较差为4 2.5的时候,生存概率下降到0.3以下。年降雨量(贡献率2 6.2%,置换重要值6.7%)草地贪夜蛾的生存概率随着年降雨量的增加而直线上升,当年降雨量大于8 6 0mm,草地贪夜蛾的生存概率不在受降雨的影响。最干季降雨量(贡献率1 3.1%,置换重要值1.3%)当最干季降雨量小于6 9mm的时候,草地贪夜蛾的生存概率在0.3以下,随着最干季降雨量的增加,草地贪夜蛾的生存概率呈显著
14、上升趋势,当达到1 5 8mm的时候生存概率达到峰值,随后开始下降,最干季降雨量增加到5 1 5mm的时候,草地贪夜蛾的生存概率下降到0.3以下。2.2 现代气候背景下草地贪夜蛾在辽宁省的潜在入侵格局2.2.1 模型预测结果M a x E n t模型模拟出草地贪夜蛾在辽宁省的潜在入侵分布区(图2)。草地贪夜蛾在辽宁省的高适生区面积为4.6 71 04k m2,约占辽宁省总土地面积的3 0%,主要位于大连、营口、盘锦全市范围内,辽阳和鞍山的大部分地区,丹东和沈阳的南部,葫芦岛和锦州的南部以及东部的小部分地区。中适生区面积为2.5 11 04k m2,约占辽宁省总土地面积的1 6%,呈带状分布,主
15、要位于丹东、沈阳的中部,铁岭的西南、抚顺的西部、本溪的西北部,葫芦岛的中部和东南部、锦州的中部,辽阳和鞍山的小部分地区。低适生区面积为6.5 71 04k m2,约占辽宁省总土地面积的4 2%,主要位于葫芦岛市的南部,朝阳市的北部,阜新全市范围,沈阳市的北部,铁岭、抚顺、本溪的大部分地区,丹东市的北部。2.2.2 模型精度和转移能力评价42第1期 何莉莉等:草地贪夜蛾迁飞入侵辽宁省的潜在地理分布本研究的预测结果表明,R O C曲线下面积AU C值为0.9 2 4,表明模型的预测结果可信度较高。辽宁省农业部门的调查结果显示,草地贪夜蛾于2 0 2 0年首次在辽宁省发现,8月1 0日9月9日间,先
16、后在丹东东港市、盘锦市大洼区西安镇、沈阳市辽中区潘家堡镇诱捕到草地贪夜蛾成虫,其中丹东东港市最多,1 4个乡镇3 5个村累计发现1 3 2头,从本研究的预测结果可以看出,这些区域均分布在模型的高适生区(图2),证明模型的转移能力较好,预测结果基本可靠。图1 草地贪夜蛾存在概率对主要环境因子的响应曲线图2 现代气候条件下草地贪夜蛾的潜在迁飞入侵地理分布2.3 气候变化对草地贪夜蛾在辽宁省入侵趋势的影响利用M a x E n t模型预测了R C P4.5排放情景下草地贪夜蛾在辽宁省的潜在入侵格局(图3),草地贪夜蛾的高适生区面积为6.1 01 04k m2,约占辽宁省总土地面积的3 9%,较现代气候条件下的高适生区面积增加了9%;中适生区面积为5.4 31 04k m2,约占辽宁省总土地面积的3 5%,较现代气候条件下的中适生区面积增加了1 9%;低适生区面积为4.0 21 04k m2,约占辽宁省总土地面积的2 6%,较现代气候条件下的低适生区减少了1 6%(图3)。2.4 未来气候变化下草地贪夜蛾高适生区的移动轨迹基于R C P4.5排放情景下草地贪夜蛾的高适生区重心变化,揭示了未来气