利用MAXENT预测橡胶树棒孢霉落叶病在中国的适生区

曲伟伟, 李志红*, 黄贵修, 林春花, 倪文龙

(1.中国农业大学农学与生物技术学院,北京 100193; 2.海南省热带农业有害生物检测监控重点实验室,中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,儋州 571737)

利用MAXENT预测橡胶树棒孢霉落叶病在中国的适生区

曲伟伟1, 李志红1*, 黄贵修2, 林春花2, 倪文龙1

(1.中国农业大学农学与生物技术学院,北京 100193; 2.海南省热带农业有害生物检测监控重点实验室,中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,儋州 571737)

[目的]对引起橡胶树棒孢霉落叶病的橡胶树棒孢霉落叶病菌在我国的适生区进行分析,为相关部门制定相应的防控对策,及进一步进行风险评估和监测区域的确定提供依据。[方法]利用MAXENT与ArcGIS,结合橡胶树在中国的分布预测该病在中国的适生区。[结果]预测结果显示,该病在我国的橡胶园几乎均可适生且适生程度较高,适生区内监测及预警对橡胶产业持续健康发展具有重要意义。预测结果的AUC值为0.978,预测效果较好。[结论]研究结果可为该病害防控策略的制定提供科学依据。

橡胶树棒孢霉落叶病; 适生性分析; MAXENT; ArcGIS

由多主棒孢[Corynespora cassiicola(Berk.&Curt.)Wei]侵染引起的橡胶树棒孢霉落叶病(Corynesporaleaf fall disease,CLFD),是继南美叶疫病(South American leaf blight,SALB)之后又一严重威胁天然橡胶产业的毁灭性病害[1]。该病于1958年最早在印度橡胶树苗圃中被发现,随后蔓延至马来西亚、尼日利亚、印度尼西亚、巴西、斯里兰卡、喀麦隆、泰国、越南等植胶国[2],2007年首次在中国发现,目前仅分布于云南、海南、广西等地的植胶园[3-6]。该病在橡胶树的各个生理期均能发生,相对湿度96%～100%,温度28～30℃,全日照或黑暗条件有利于病原物分生孢子的萌发[7],侵染叶片、枝条,使叶脉变褐,产生特征性的“铁轨状”或“鱼骨状”病斑;造成橡胶树周年反复落叶甚至幼树死亡,严重时造成将近20%的橡胶树产量损失[8-10]。很多国家橡胶树棒孢霉落叶病的发生表明,该病害最初只零星发生,并不严重,但如果气候等环境条件适宜,加上强致病力菌株的存在,再遇上感病品系,则极有可能暴发流行[11]。该病害目前在我国发生不久,危害程度较轻。主要发生在橡胶实生苗圃,定植胶园发生少,但对我国天然橡胶生产的潜在威胁性不容忽视[12]。因此对橡胶树棒孢霉落叶病菌在我国的适生区进行分析,可为相关部门制定相应的防控对策,为进一步风险评估和监测区域的确定提供一定的科学依据。

对物种适生区进行预测的方法有多种,目前最常用的便是采用诸如CLIMEX、GARP、MAXENT等生态位模型进行分析。2004年,Phillips等人基于最大熵原理用JAVA语言编写了MAXENT软件。此软件运行需要两组数据,一是目标物种的现实地理分布点,以经纬度的形式表示;二是物种现实分布地区和目标地区的环境变量,主要是气候数据、植被覆盖和地形地貌等,根据这两组数据运算得出预测模型,再利用此模型模拟目标物种在目标地区的可能分布情况[13]。MAXENT虽然推出时间较短,但已得到比较广泛的运用[14-20]。本研究采用MAXENT软件对橡胶树棒孢霉落叶病菌在我国的适生范围和程度进行预测。

1 材料与方法

1.1 材料

分布数据的获取可以通过3种途径,依据国内外公开发表的相关论文,通过博物馆或标本馆中的标本记录,另外还可以通过实地考查来获取分布数据[21]。本研究的分布数据来源于国内外公开发表的论文[11,22-27],核对位置后得到92个参考点,如图1,根据MAXENT软件要求,将参考点按物种名、分布点经度和纬度顺序储存成csv格式的文件,其中东经和北纬为正,西经和南纬为负。

图1 已报道的橡胶树棒孢霉落叶病分布点示意图

1.1.2 软件工具

MAXENT 软件:从 www.cs.princeton.edu/～schapire/maxent免费下载,版本为3.3.1;GIS软件:由中国农业大学植物检疫实验室提供,版本为ArcGIS 9.3。

1.1.3 环境数据

本研究选取影响橡胶树棒孢霉落叶病分布的7个生物气候变量(年平均温度BIO1、年降雨总量BIO12、最寒冷季度的平均温度BIO11、最寒冷季度的降雨量BIO19、最干燥季节的降雨量BIO17、最干燥季节的平均温度BIO9和季度降雨量BIO15)和一个海拔变量(altitude)作为主要环境数据。选取1950-2000年间分辨率为5arc-minutes气候数据,从http:∥www.diva-gis.org/climate.htm免费下载,并转换成MAXENT软件所要求的后缀名为asc格式的文件。

1.1.4 寄主分布

橡胶树又名巴西橡胶树、三叶橡胶树,在我国主要分布于海南,云南的西双版纳、普洱、红河、临沧、德宏和文山,广东西部的徐闻、雷州、遂溪、廉江、电白、化州、高州、信宜、阳西、阳东、阳春等县市及东部的揭阳、汕尾局部地区,广西的合浦、陆川、北流、博白、浦北、防城和东兴/钦州一线,崇左和宁明也有部分种植,福建的诏安、云霄,平和、漳浦、龙海和长泰也有部分种植,台湾南部地区[28-30]。

1.1.5 基础地理数据

开花期是大豆需水的关键时期，这时代谢旺盛，耗水量大。如遇干旱，土壤含水量降低，易导致植株生理缺水，引起大量落花。必须给予水分补充，灌水提倡小水浇灌，水量不宜过大，防止大水漫灌。但遇暴雨或连阴雨时，要及时排水防涝。

从国家基础地理信息系统(http:∥nfgis.nsdi.gov.cn/)下载获得1∶400万的中国国界和省界以及县界行政区划图,作为分析的底图。

1.2 方法

将分布数据和环境数据导入MAXENT,随机选取25%的分布点作为测试集(test data),剩余75%作为训练集(training data),其他参数均为软件默认值。分析结果以 Logistic格式,ASCII类型文件输出。导入ArcGIS处理,显示结果图,最后结合橡胶树在我国的分布情况推测该病菌的潜在地理分布。

2 结果与分析

利用MAXENT依据环境条件数据预测橡胶树棒孢霉落叶病菌在中国适生范围与程度如图2。

适宜值越高代表病菌在某种环境条件下适生程度越高。预测结果中,该病菌目前分布地的适宜值都在0.1以上,且病害高发地的适宜值在0.35以上,将其在中国的适生区划分为4个等级如表1。在环境条件基础上再考虑橡胶树在我国的分布情况,如图3。

表1 橡胶树棒孢霉落叶病菌适生性评判标准

图2 橡胶树棒孢霉落叶病病菌在中国的适生范围与程度

图3 橡胶树棒孢霉落叶病病菌在中国植胶区的适生范围和程度

海南三亚的西、南部,乐东的西部,保亭的南部,昌江的北部,白沙的西北,儋州的西、北部,临高的北部为该病菌中度适生区;其余地区均为高度适生区。

广东西部的徐闻、雷州、遂溪、廉江、电白、化州、高州、信宜的中部、阳西、阳东、阳春、汕尾为该病菌的高度适生区;揭阳为中度适生区,汕尾的陆丰、海丰为高度适生区。

云南西双版纳的勐海为低度适生区,景洪的北部为低度适生区,中部为中度适生区,南部为高度适生区,勐腊南部为高度适生区,其余为中度适生区;德宏的瑞丽为中度适生区,泸西西部、北部为中度,德宏的其他地区为低度适生区;临沧小部分地区为低度适生区,其余为非适生区;普洱北部为非适生区,南部为低度适生区;红河的河口,绿春的西南,金平东部为高度适生区,屏边南部,元阳、红河、建水和个旧的南部为低度适生区,金平南部为中度适生区,其余均为非适生区;文山的东部为中度适生区,零星地区为低度适生区。其他均为非适生区。

福建诏安、平和东西两侧,云霄的西北,龙海的西、北部,长泰的西、南部为该病菌中度适生区;漳浦、云霄大部分地区,平和的中、西部,龙海的中、东部,长泰的中、北部为低度适生区。

广西浦北,北流的北部为中度适生区;宁明、崇左 、防城港 、东兴 、钦州 、合浦 、博白 、陆川,北流大部分地区,浦北的南部为高度适生区。

台湾南部少数地区为高度适生区。

3 讨论

MAXENT是近几年刚开发出的物种地理分布预测软件,一般采用 AUC(areas under curve,曲线下面积)值对预测结果的准确性进行判断,一般认为AUC值为0.5～0.7时模型诊断价值较低;0.7～0.9时诊断价值中等;大于0.9时诊断价值优秀[31]。本研究预测结果的AUC值为0.978,效果较好,预测得出橡胶树棒孢霉落叶病菌在中国的适生范围和程度具有比较高的可信度。MAXENT运行过程中通过刀切法(jackknife test)测定选用变量的重要性,以此判断变量对橡胶树棒孢霉落叶病菌分布的不同影响及重要性,从图4可看出具有最高值的环境变量是年降雨总量,其中包含最有价值的信息;而MAXENT后台运行结果显示年平均温度则具有其他变量不具有的信息。这反映出该病害的发生对温、湿度有很高的要求,与前人的研究结果一致,也从侧面说明研究中选取了恰当的环境数据。

图4 MAXENT刀切法测定变量的重要性

橡胶树棒孢霉落叶病在我国发生不久,危害程度较轻。但本次预测通过ArcGIS运算得出该病适生区约占我国天然橡胶种植区的70%;其中,高度及中度适生区占植胶区面积的48%(图5),且大都分布在我国橡胶产业三大优势区的海南、云南、广东等地。条件适宜,该病极有可能流行发生,造成重大损失。为此,一方面应防止国外强致病株系传入我国造成危害;另一方面,应立即开展针对该病害的普查工作,确定重点监测区域。严禁从病害发生地调运繁殖或种植材料,并对病区病株残体进行处理和集中烧毁,防止病害的进一步传播和蔓延。另外,环境条件适宜,准备发展橡胶种植产业的地区,可根据橡胶树棒孢霉落叶病菌在中国的适生范围与程度(图2),综合考虑制定完善的发展计划。

图5 橡胶树棒孢霉落叶病适生区占中国植胶区的面积比

本研究中,在环境变量方面,由于缺少相应的数字底图,仅仅考虑了海拔及气候因素,而没有考虑土壤类型、植被以及气候变暖等因素对病害分布的影响;以后的研究中也可以将多种软件分析方法结合起来使用相互参照。

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Prediction of potential geographic distribution of Corynespora leaf fall disease in China using MAXENT

Qu Weiwei1, Li Zhihong1, Huang Guixiu2, Lin Chunhua2, Ni Wenlong1
(1.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing100193,China;2.Hainan Key Laboratory for Monitoring and Control of Tropical Agricultural Pests,Institute of Environmental and Plant Protection,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Danzhou571737,China)

[Objective]The potential geographic distribution ofCorynespora cassiicola(Berk.&Curt.)Wei,which causedCorynesporaleaf fall disease,was analyzed to provide the basis for control and monitoring of the disease.[Method]The potential geographic distribution of the disease was analyzed based on the distribution ofHevea brasiliensisin China using MAXENT and ArcGIS.[Result]The results showed that the disease had a high suitability in most rubber plantations in China.Monitoring and early warning were of great significance to the sustainable and healthy development of rubber industry in the suitable areas.The AUC value of the results reached 0.978,indicating that the predicted results were good.[Conclusion]This study would provide scientific proofs for making the policies on prevention and control of the disease.

Corynesporaleaf fall disease; potential geographic distribution; MAXENT; ArcGIS

S 435.76

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2011.04.011

2010-05-06

2010-06-11

农业部热带农林有害生物入侵监测与控制重点开放实验室开放课题基金项目(MACK L0907)

*通信作者Tel:010-62733000;E-mail:lizh@cau.edu.cn