基于GIS与生物气候相似性的西花蓟马在广东的适生性研究

齐国君，高 燕，钟 锋，赵成银，吕利华*

(1.广东省农业科学院植物保护研究所，广州 510640;2.华南农业大学资源与环境学院，广州 510642)

西花蓟马Frankliniella occidentalis(Pergande)，又称苜蓿蓟马，英文名为 western flower thrips，原产于北美洲，20世纪七八十年代在世界范围内迅速传播扩散，给许多国家造成了严重的经济损失，目前分布已遍及美洲、欧洲、亚洲、非洲、大洋洲的许多国家和地区，成为世界性的重要害虫及各国重要的检疫对象 (Brodsgaard，1993;杜宇等，2001;吴青君等，2005)。由于西花蓟马繁殖速度快、寄主范围广、抗药性强等特点，还可以传播番茄斑萎病毒 (TSWV)等多种病毒 (Kritzman et al.，2002)，已被EPPO列入A2检疫对象名单 (OEPP/EPPO，1989)，我国也将其列为进境植物检疫潜在的危险性害虫 (中华人民共和国动植物检疫局，1997)。

2003年北京郊区首次发现该虫以来 (张友军等，2003)，在云南、山东、浙江、贵州等地陆续发现西花蓟马 (徐家菊和韦丽莉，2005;郑长英等，2007;吴青军等，2007;李景柱等，2009)，并在局部地区暴发成灾，给当地经济造成了重大的损失。广东省地处华南沿海，是我国沿海对外开放的重要门户，也是我国重大植物疫情传入蔓延并造成严重危害的地区之一，在入侵有害生物检疫和防控方面具有重要战略地位 (刘红卫，2004)。根据目前的调查，已在广州市部分花卉市场的云南输入性花卉中频繁发现该虫，所幸的是，尚未发现其在本地定殖 (未发表资料)，但广东省作为我国蔬菜、花卉、果树的主产区之一，一旦西花蓟马传入并成功定殖，将对广东省蔬菜、花卉、果树的生产造成灾难性的损失，因此，亟需对西花蓟马在广东省的适生分布进行科学的分析。

本研究根据西花蓟马的生物学特性，利用ArcGIS和气候相似距来分析和预测西花蓟马的潜在地理分布，以期为有关部门制定检疫政策和技术措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据及来源

气象资料:广东省12个气象站点 (广州、汕头、汕尾、徐闻、高要、南雄、梅县、信宜、河源、阳江、惠阳、连州)以及北京市、山东省青岛市、浙江省杭州市、云南省昆明市、贵州省贵阳市1951～2008年的逐月气象资料 (包括月均温、月最低温、月最高温、月降雨量)，由中国气象科学数据共享服务网提供。

美国加利福尼亚州 (萨克拉门托)、亚利桑那州 (弗拉格斯塔夫)、德克萨斯州 (奥斯汀)、乔治亚州 (亚特兰大)、北卡罗来纳州 (阿什维尔)、佛罗里达州 (坦帕)、夏威夷群岛 (檀香山)、宾夕法尼亚州 (费城)1961～1990年逐月气象资料(包括月均温、月最低温、月最高温、月降雨量)，由世界天气信息服务网下载。

地图资料:中国省级行政区图 (1∶4000000)，从国家基础地理信息中心 (http:∥nfgis.nsdi.gov.cn)下载。

农作物资料:广东省2008年各地区主要农作物的种植面积，来源于广东统计年鉴2009。

1.2 气候相似性分析

1.2.1 气候相似距分析原理

气候相似距分析是利用修正的欧氏距离系数来表示各种气候要素在两地之间的相似程度。将欧氏距离系数应用于农业气候相似距的计算，可以反映各种农业气候要素在两地之间的相似程度。将某个地方的每一种农业气候要素作为一维空间，m种农业气候要素即有 m维空间，每一个地方作为m维空间上的一点，计算任意两个地方的相似程度，就相当于计算m维空间中此两点之间的距离，其距离越大，相似程度就越低，反之相似程度就越高 (魏淑秋，1984;蒋青，1994;马平等，2009)。

欧式距离系数 (dij)计算公式如下:

式中K表示任意一个农业气象要素，X'ik和X'jk分别为i地和j地第 k个农业气候要素的标准化值，dij表示潜在适生地i与已知分布地j地之间的气候相似距离系数。

1.2.2 气候相似距分析方法

西花蓟马起源于美国西部落基山脉 (Brodsgaard，1993)，目前已在美国广泛分布，其中加利福尼亚州 (萨克拉门托)、亚利桑那州 (弗拉格斯塔夫)、德克萨斯州 (奥斯汀)、乔治亚州 (亚特兰大)、北卡罗来纳州 (阿什维尔)、佛罗里达州(坦帕)、夏威夷群岛 (檀香山)、夕法尼亚州(费城)等地均有西花蓟马严重发生 (McDonald et al.，1997;Waterhouse and Norris，1989; 程俊峰等，2005)，且以上地点在美国地理位置相差较远，气候也存在较大的差异。

温湿度是影响西花蓟马存活和发育的关键因子 (戴霖等，2004)，本研究采用各气象站点的月均温、月最低温、月最高温、月降雨量作为气象要素指标。坦帕位于美国东南部佛罗里达州中北部，纬度及气候条件均与广东相似，且该地西花蓟马的发生较严重 (Waterhouse and Norris，1989;程俊峰等，2005)，因此以坦帕作为参照点，与美国西花蓟马的其它发生地、中国已知发生地进行气候相似距分析，确定西花蓟马气候相似距的划分等级，再与广东省气象观测站的气候数据进行气候相似距计算，得到其气候相似系数。

1.3 GIS的插值与叠加

插值是ArcGIS中较为常用的一项功能，能实现数据由点到面的科学转化，有IDW和Spline两种插值方法，本文选择 IDW(权重距离递减)插值方法，IDW插值方法的基本原理是插值形成的每个栅格的值都是通过平均其周围8个栅格的值获得，这能够充分表现非适生区和适生区之间的过渡特征 (程俊峰等，2005;陈晨等，2007)。为了保持与栅格图的一致性，消除图层叠加所造成的不必要的误差，同时为了保证图形更加细腻和精确，本文所采用的插值单位为0.05。

叠加是ArcGIS中另一个常用的分析功能，它使各个数据图层通过各种各样的运算方式叠加起来，从而将各个因子融合到一个图层中，并能够对其可视化表达，其中每一个栅格都有一个固定的值，这个值即为各个因子相互作用后形成的一个综合适宜度值 (程俊峰等，2005;陈晨等，2007)。叠加包括矢量图层叠加和栅格图层叠加，本文在叠加各个图层时，采用无权重运算，即按1∶1叠加各个图层。

西花蓟马属于杂食性害虫，寄主范围非常广，涉及园林花卉、果树、蔬菜和农作物的60多科500多种植物 (杜宇等，2001)，根据西花蓟马对寄主植物的选择，以广东省2008年各地区蔬菜、豆类、花生、水果的种植面积为基础，利用 GIS形成寄主植物在云南省的分布概况图，再利用GIS空间分析模块对广东省的气候相似系数、寄主分布进行插值、叠加，生成西花蓟马在广东省的适生分布图。

1.4 西花蓟马年发生代数预测

西花蓟马适宜的发育温度为20～30℃，35℃以上的高温对西花蓟马的发育极为不利，其发育起点温度为6.7℃ (McDonald et al.，1998)，也有其它报道表明其发育起点温度为9.4℃、7.9℃、10℃ (程俊峰等，2006;周卫川等，2006)。试验表明，在平均温度低于10℃下，2～3个月内西花蓟马的死亡率达90%，对种群建立极为不利，西花蓟马是一种不耐低温的昆虫，因此，本文取其发育起点温度为 6.7℃，世代有效积温为285.95日·度 (Brodsgaard，1993;周卫川等，2006)，按照以下公式计算广东省各地区的年有效积温值，预测西花蓟马在广东省各地区的年发生世代数。

式中T为年有效积温，Tij为逐旬日平均气温，tij为各旬天数，C为发育起点温度，N为年发生世代数，K为世代有效积温。

2 结果与分析

2.1 气候相似距分析结果

2.1.1 坦帕与美国、中国已知发生地区的气候相似距

帕坦与美国其它地区的气候相似分析 (表1)结果表明，帕坦与美国其它西花蓟马发生地的气候存在一定的差异，帕坦与美国各地的气候相似距最大值为2.41，最小值为0.82，平均值为1.5。帕坦与中国西花蓟马发生地的气候相似分析 (表1)结果表明，帕坦与中国各地的气候相似距最大值为2.31，最小值为1.36，平均值为1.88，可见，西花蓟马对气候适应能力非常强，且目前中国西花蓟马发生地区与帕坦的相似距与美国各西花蓟马发生地相符合。根据气候相似距分析的等级划分原则可以确定本文中西花蓟马在广东省潜在适生地的相似距的等级指标，气候相似距＜2.41的地区为适生区。

2.1.2 坦帕与广东省各地区的气候相似距

帕坦与广东省各地区的气候相似分析 (表2)结果表明，广东省各地的气候相似距介于1.27～2.26之间，平均值为1.63，梅县、惠阳、河源、信宜、广州、汕头等地气候相似距相对较低，其与帕坦的气候相似程度也较高，其它地区气候相似距略高，但均低于2.41。可见，西花蓟马在广东省有广泛的气候适生区。

2.2 广东省西花蓟马的寄主分布分析

西花蓟马的寄主在广东省分布的结果表明(图1)，广东省不同地区蔬菜、水果、豆类、花生的种植面积存在较大的差异。蔬菜种植区域十分广泛，以雷州半岛、广州、清远、惠州为主，其中广州种植面积最高，为9134 hm2;水果种植区域也十分广泛，在湛江、茂名、阳江、肇庆、云浮、揭阳、梅州等地种植面积较大，其中茂名种植面积高达239526 hm2;豆类种植范围较小，主

要集中在江门、韶关、河源、梅州等地区种植，其中河源种植面积最高，为642 hm2;花生在雷州半岛、韶关、肇庆、清远一带种植较为广泛，以湛江、茂名种植面积最大，分别为2986 hm2、2723 hm2。可见，广东省有广泛的寄主适宜西花蓟马生存。

表1 帕坦与美国、中国西花蓟马发生地的气候相似距Table 1 The climatic comparability distance between Tampa and the occurrence areas of western flower thrips in the United States，China

表2 坦帕与广东省各地区的气候相似距Table 2 The climatic comparability distance between Tampa and Guangdong Province

图1 广东省蔬菜、水果、豆类、花生的种植面积Fig.1 The planting area of vegetable，fruit，beans，peanut in Guangdong Province

2.3 广东省西花蓟马的适生分析

图2 广东省西花蓟马的适生分布区Fig.2 The suitable distribution of Frankliniella occidentalis(Pergande)in Guangdong Province

利用GIS将西花蓟马在广东省的寄主分布栅格图、气候相似距按乘积的运算方式叠加起来即可得到西花蓟马在广东省的适生分布图 (图2)。适生分析结果表明:西花蓟马在广东省的适生范围较广，其中雷州半岛一带、韶关、清远、河源、梅州、惠州等地区的适生程度相对较高，而珠三角地区及潮汕地区适生程度较低，可见，西花蓟马在广东省的适生环境存在地域性的差异。

广东省为热带季风气候，一般4～10月份平均温度均大于20℃，也极少出现35℃以上的高温，且各地区的平均温度变化趋势也基本一致，可见，温度对西花蓟马的适生程度影响较小。雷州半岛、梅州一带降雨量相对较小，气候较其它地区相对干燥，适宜西花蓟马生存。珠三角地区以广州为例，年平均降雨量较大，且周期长，气候潮湿闷热，不利于西花蓟马的发育，西花蓟马的适生程度较低，这也与西花蓟马的生物学特性吻合。另外，雷州半岛等地区寄主植物分布较多，适合西花蓟马的发生，珠三角等地区寄主植物相对较少，也是影响西花蓟马适生的重要因素。

2.4 广东省西花蓟马的年发生世代数预测

根据有效积温公式，计算西花蓟马在广东省的发生世代数 (表3)，结果表明，西花蓟马在广东省年可发生20.2±1.5代，其中最高值为徐闻(23.4代)，最低为南雄 (17.55代)、连州(17.64代)，按发生世代数的频度统计，1年发生20～21代的地区出现频率最高，达到75%。

表3 广东省各地区的年有效积温和西花蓟马的发生世代数Table 3 The yearly effective accumulated temperature and generations of western flower thrips in Guangdong Province

3 结论与讨论

3.1 生物气候相似距和GIS预测的可靠性

适生性分析是入侵生物监测、风险评估与早期预警研究的重要内容。农业气候相似距是魏淑秋建立的有害生物适生区分析方法，其最初的设计是用于作物引种咨询，后来经过改进形成了农业气候分析的数据库系统—— “农业气候相似矩库”，在此基础上提出了“生物气候相似研究方法”(魏淑秋，1984)，被广泛用于不同生物的适生性分析中，如美国白蛾、假高粱、桔小实蝇、褐云玛瑙螺、硬雀麦、甜菜锈病、小麦矮腥黑穗病、谷斑皮蠹，成为研究生物适生分析、地理分布的一个重要工具 (沈文君等，2004)。

地理信息系统 (GIS)集空间数据的采集、存储、地图和图形统计分析与输出为一体，是为检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统 (程俊峰等，2006)。1993年Liebhold率先将其应用于植物检疫研究 (Liebhold et al.，1993)，随后，GIS在国内先后运用到苹果蠹蛾、小麦印度腥黑穗病菌、福寿螺、梨火疫病、云杉树蜂、蔗扁蛾、稻水象甲、西花蓟马、椰心叶甲等病虫害的风险分析中 (沈文君等，2004)，并在有害生物风险性分析、疫情监测和检疫决策等方面发挥了重要作用。GIS的出现使潜在外来有害生物的空间分布格局向图形和图像化发展，这为生态学领域中的物种入侵、种群分布等研究提供了有效的方法。

本研究根据西花蓟马的生物学特性，利用气候相似距原理分析西花蓟马在广东省的潜在适生区，综合考虑了多种农业气象要素，克服了单因子温度模型的缺陷，气候相似性分析结果表明，西花蓟马在广东省具有广泛的适生区，这与程俊峰等使用CLIMEX软件及提供的气候匹配性分析和位置比较分析模型，戴霖等利用地理信息系统ArcView的分析结果一致 (程俊峰等，2006;戴霖等，2004)，本研究还利用 ArcGIS强大的空间分析功能分析了寄主因素对西花蓟马适生性的影响，从而使预测结果更加精细准确。可见，利用GIS和生物气候相似性相结合的方法预测物种适生区，操作简单，结果直观，具有很好的应用前景。

3.2 西花蓟马入侵广东省的风险

外来生物入侵一般分为到达、建群、扩散三个过程，一般情况下，当种群密度低于某一阈值时，物种将会灭绝，无法在入侵地建立种群，但是外来入侵物种一旦入侵定殖后，再将其铲除就会非常困难，甚至是不可能的。

虽然目前我国西花蓟马的分布区域仅局限在北京、云南、山东、浙江、贵州等部分地区 (张友军等，2003;徐家菊和韦丽莉，2005;郑长英等，2007;吴青军等，2007;李景柱等，2009)，其它地区尚未报道，但由于西花蓟马有极强的气候适应性和寄主适应性，其扩散蔓延趋势较强。以云南省为例，2000年在昆明国际花卉节参展的缅甸盆景上截获西花蓟马 (蒋小龙等，2001)，之后未再发现其踪迹，直到2003年11月在昆明市塑料大棚花卉作物再次发现，不到几年时间西花蓟马便在云南省昆明、玉溪、临沧等多个地州广泛分布并建立了稳定的种群，危害严重 (李志敏等，2009)，由此可见，西花蓟马的传播扩散能力非常强，一旦传入，便会迅速传播。

昆明西花蓟马的发生案例为广州敲响了警钟，据目前调查，广州市部分花卉市场的云南输入性花卉中携带有一定数量的西花蓟马，且广东省有适宜西花蓟马生存的气候和寄主，随着花卉、蔬菜等大规模的调运，势必会为西花蓟马的传播扩散提供便利的条件。广东省作为作为我国蔬菜、花卉、果树的主产区之一，一旦西花蓟马传入，将对广东省蔬菜、花卉、果树的生产造成灾难性的损失。

外来物种在一个新的生境中能否居留，不仅取决于对当地气候因子和寄主的耐受能力，也取决于它与其它生物的竞争、捕食等关系;另外，本研究使用的12个气象站点的气象数据基本代表了广东省的总体气候特征，但由于各地区地形复杂，气候要素与实际的生态环境亦不相同，因此，本研究结果只是初步的，有待于进一步的研究论证。

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