基于CLIMEX 和ArcGIS 的湿地松粉蚧在中国的适生性分析

陈燕婷，尤民生

(福建农林大学应用生态研究所，农业部闽台作物有害生物综合治理重点实验室，

福建省昆虫生态学重点实验室，福州 350002)

湿地松粉蚧Oracella acuta(Lobdell)Ferris，又称为火炬松粉蚧，属半翅目Hemiptera 蚧总科Coceoidea 粉蚧科Pseudococcidae，是一种繁殖快、危害大、防治难的外来有害生物，是我国进境植物检疫性害虫(陈良昌等，2009;赵鑫和彭洪波，2009)。湿地松粉蚧是重要的林业害虫，原产于美国，现分布于美国的东南部和南部以及中国的广东、广西、湖南和江西。该粉蚧为害马尾松Pinus massoniana Lamb、湿地松P.elliottii Engelm.、火炬松P.taeda L.等松属植物。害虫主要集中在枝梢端部，吸取松梢汁液，导致新梢难以抽出、针叶难以延伸、老针叶提前枯黄脱落70%-80%，并伴随有煤污病的爆发等，其危害虽未造成林木死亡，却对松树生长造成严重影响(徐家雄等，1992;张心结等，1997)。在广东省严重受害的林分，主梢和侧梢生长分别下降23.7%和25.8%，树高年生长量减少达26.8%，材积损失率达33.5%，松树产脂能力下降19.9%(张心结等，1997;任辉等，2000)。如果湿地松粉蚧继续向北扩散，将对马尾松、湿地松和火炬松等松属植物的规模发展造成严重威胁。

中国与美国纬度范围和气候条件相似，且该粉蚧的主要寄主植物在我国广泛分布，说明我国许多省份可能是该种害虫的潜在适生区。随着经济的快速发展，贸易往来频繁，该种害虫向周边地区扩散的可能性极大。因此对当前在我国造成严重危害的湿地松粉蚧的潜在危险性进行科学的分析与评价，对促进森林资源的可持续发展具有重要意义。本研究根据已报道的湿地松粉蚧的分布资料和生物学资料，利用CLIMEX 2.0 的地点比较模型、ArcGIS 软件的插值和叠加功能对湿地松粉蚧在中国的潜在适生区作出初步预测，为制定更为科学的防控措施以及更为合理的林种和树种结构提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 基础资料

1.1.1 已知地理分布

湿地松粉蚧原产于美国，目前分布于乔治亚州、弗洛里达州、北卡罗来纳州、南卡罗来纳州、密西西比州、弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州、肯塔基州、马里兰州、路易斯安那州、德克萨斯州、密苏里州、俄克拉荷马州和亚利桑那州(Johnson and Lyon，1976;Clarke et al.，1992;Sun et al.，1996;Masner et al.，2004;Miller，2005)。湿地松粉蚧是1988年在广东台山市红岭湿地松种子园嫁接从美国乔治亚州引进的无性系湿地松时传入的(徐家雄等，1992;Sun et al.，1996)。1990年在广东省台山市首次被发现(徐家雄等，1992)，随后在广东省迅速扩散蔓延(庞雄飞和汤才，1994;徐家雄等，2002)。2000年往西入侵到与广东交界的广西省玉林和梧州市(吕送枝，2000)。2003年向北入侵到与广东省毗邻的湖南郴州市宜章县黄沙堡乡，接着在湖南省迅速扩散(陈良昌等，2009)。2005年在江西寻乌县和定南县发现湿地松粉蚧为害(赣州市森防站，2007)。

1.1.2 寄主植物

湿地松粉蚧的主要寄主为火炬松、湿地松、马尾松、长叶松P.palustris Mill.、短叶松P.echinata Mill.和弗吉尼亚松P.virginiana Mill.(Johnson and Lyon，1976;Clarke et al.，1990)。

根据国家林业局统计数据以及相关文献报道(王锡赞等，1988;周政贤，2001;何家庆，2012)，湿地松粉蚧寄主植物主要分布于我国广东、广西、福建、台湾、海南、云南、贵州、四川、重庆、湖北、安徽、江西、浙江、安徽、江苏、上海、河南、陕西和山东等省份(市、区)。

1.1.3 气候数据

本研究所用的CLIMEX 2.0 软件带有2892个全球气象站点的数据资料，其中中国气象站点数为86个。通过整理并导入中国气象信息中心提供的气象站点数据，将CLIMEX 软件自带的中国气象站点数增加到820个。气象数据包括我国1980-2010年的月平均最高气温和平均最低气温、月总降雨量和月平均9∶00 和15∶00 的日空气相对湿度等。

1.1.4 地理数据

本研究所采用的电子地图来源于国家基础地理信息系统(http://nfgis.Nsdi.gov.cn)下载的1∶400 万的中国行政区划图。

1.2 分析工具与方法

本研究采用由澳大利亚科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CRISO)开发的CLIMEX 2.0 软件以及美国环境研究所(Environmental Systems Research Institute，ESRI)开发的ArcGIS 9.3 软件。CLIMEX 模型是在1989年由我国农业部植物检疫实验所引进，随后对一系列有害生物进行了适生性分析，为制定相关检疫措施提供了科学依据(宋红敏等，2004)。该软件由中国农业科学院植物保护研究所提供。

本研究主要根据湿地松粉蚧在美国的分布情况，采用CLIMEX 2.0 的地点比较模型(Compare Locations)，并结合ArcGIS 9.3 的插值功能对湿地松粉蚧的潜在地理分布进行预测，预测结果用生态气候指数值(Ecological Index，EI)表示。根据湿地松粉蚧的生物学资料以及参考CLIMEX 2.0 自带的与湿地松粉蚧在美国潜在分布相似的马铃薯甲虫Leptinotarsa decemlineata(Say)参数值，设定湿地松粉蚧相应参数的初始值，并根据湿地松粉蚧的实际分布反复调试，使得湿地松粉蚧在美国的分布和实际分布情况达到最佳的吻合，最终确认适用于湿地松粉蚧适生性分析的CLIMEX 参数值。利用校正后的参数值计算我国820个气象站点的EI 值。利用ArcGIS 9.3 空间分析模块中的反距离权重插值功能(Inverse Distance Weighted，IDW)将预测得到的EI 值进行插值分析，插值点数设为5，插值单元大小设为0.5，其他插值参数为默认值，并对EI 值进行分类，得到湿地松粉蚧在中国的适生区分布图。

2 结果与分析

2.1 CLIMEX 模型预测的参数值

CLIMEX 一共预设了42个生物学参数，本研究根据湿地松粉蚧的相关生物学数据以及实际地理分布，选用了其中的17个参数，以马铃薯甲虫为模板，反复调试并确定了参数值(表1)。温度参数DV0、DV1、DV2、DV3 和有效积温PDD 是根据相关文献报道以及湿地松粉蚧的实际发生情况进行调试的，而湿度参数SM0、SM1、SM2、SM3 是根据该虫在美国沿海城市以及内陆城市的发生情况确定的。将湿度下限SM0 设为0.04，以保证湿地松粉蚧在美国亚利桑那州等干旱地区的分布，而湿地松粉蚧在弗罗里达州、乔治亚州等湿润地区分布广泛，因此将湿度上限SM3 设为1.50。冷胁迫指数主要依据湿地松粉蚧在美国分布的北界以及有效积温来调试，通过调整TTCS 和THCS 调试其北界的分布，最后确定TTCS=-7.00℃，THCS=-0.0058。热胁迫指数主要依据湿地松粉蚧在美国分布的南界，并且热胁迫主要产生在美国的亚利桑那州，所以通过调整TTHS和THHS 来拟合湿地松粉蚧在亚利桑那州的分布，最后确定TTHS=35.00℃，THHS=0.00139。干湿指标是根据湿地松粉蚧在美国分布的东西界限进行调试，使得湿地松粉蚧在干旱的亚利桑那州分布与实际情况吻合，调试后，SMDS=0.04，HDS=-0.0625，SMWS=1.50，HWS=0.0002。

2.2 适生性等级评判标准

本研究根据湿地松粉蚧在原产地美国的发生情况以及EI 值，将湿地松粉蚧的适生程度划分为四个等级，即非适生区:EI=0，表示湿地松粉蚧在该地区不能发生;低度适生区(低风险区):0＜EI≤14，表示该地区不太适宜湿地松粉蚧种群生长;中度适生区(中风险区):14＜EI≤25，表示该地区适宜湿地松粉蚧种群生长;高度适生区(高风险区):25＜EI≤100，表示该地区非常适宜湿地松粉蚧种群生长。

2.3 湿地松粉蚧在我国的潜在地理分布

基于已确定的CLIMEX 参数值以及适生性等级评判标准，分析目前气候条件下我国820个站点的EI 值，得到湿地松粉蚧在我国各个站点的适生程度以及适生区域。经预测，湿地松粉蚧在中国有486个潜在适生点(EI＞0)，占全国站点的59.20%。

利用ArcGIS 软件对预测得到的EI 值进行插值分析后得到湿地松粉蚧在我国的潜在适生区域及其适生程度(图1)。湿地松粉蚧在我国的潜在适生范围主要分布在3.85°N-39.90°N 之间，适生面积占全国国土总面积的38.79%，其中高度适生区、中度适生区和低度适生区分别占了全国面积的19.52%、13.17%和6.10%。

通过ArcGIS 的叠加功能将湿地松粉蚧的寄主植物分布图和图1 进行叠加，进而得到更为确切的适生区域(图2)。结果可知，湿地松粉蚧目前主要的寄主植物所分布的省份其气候条件均适合于湿地松粉蚧的生存，因此它们都是潜在的分布和适生区。高风险区包括台湾、海南、贵州、重庆、江苏和上海;广东、广西、云南、陕西、河南、安徽、湖北和河南的大部分地区以及福建南部、山东南部、湖南北部、浙江东部和四川东部。中度风险区包括江西省、山东北部;福建、湖南、浙江大部分地区以及安徽、湖北、云南、陕西、四川和河南的小部分地区。

表1 预测湿地松粉蚧在中国分布的CLIMEX 参数及其校正值Table 1 CLIMEX parameters and their calibrated values used for estimating the potential distribution of O.acuta in China

图1 湿地松粉蚧在中国的气候适生区域及适生程度Fig.1 Climate-suitable distribution areas and levels of O.acuta in China

图2 湿地松粉蚧在中国的气候与寄主植物适生区域及适生程度Fig.2 Climate-and host plant-suitable distribution areas and levels of O.acuta in China

2.4 模型验证

CLIMEX 模型拟合的湿地松粉蚧在中国的分布区包含了现有的分布区。进一步利用CLIMEX 模型对湿地松粉蚧的世代发生数以及生长指数(Growth Index，GI)进行拟合。模拟结果表明，广东省平均发生5.2 代，在广西省、湖南省、江西省分别平均发生4.9 代、3.6 代和3.8 代，与中国实际发生情况相符(徐家雄等，2002;陈良昌等，2009)。模拟得到的湿地松粉蚧在广东省、广西省、湖南省和江西省的GI 值均大致呈双峰型，说明湿地松粉蚧在这些省份一年内有两个高峰期。以模拟的湿地松粉蚧在广东省台山市的GI 值为例，该虫在3月和11月出现最大峰值(图3)。根据文献报道，湿地松粉蚧在广东发生的两大高峰期分别为4-5月和10-11月(徐家雄等，1992;周昌清等，2003)，而预测得到的结果与文献报道有一定的差异，这可能是因为:1)松林内的温度一般与气温相差5℃左右(汤才等，2000);2)气候变暖的因素，模拟所用气象数据为1980-2010年的气象，相比前人研究调查年份1994、1995年温度有所升高，松树春梢抽梢期提前，所以导致模拟结果第一个高峰提前。同时，夏季的高温、多雨使得湿地松粉蚧的生长指数曲线降低，说明高温、多雨对湿地松粉蚧的生长发育有一定的抑制作用，这与前人的研究结果一致(汤才和黄德超，2003;周昌清等，2003)。

图3 CLIMEX 预测湿地松粉蚧在广东省台山市的周生长指数Fig.3 Weekly growth index of O.acuta in Taishan，Guangdong Province，China based on CLIMEX and local data of temperature and rainfall

黄德超(2000)利用GIS 图像编辑和空间分析功能，预测湿地松粉蚧向北扩散的北限为黄河，南限为南海等沿海一带，最适生境主要在长江流域一带。汤才等(2000)根据温度对湿地松粉蚧成虫产卵量、成虫存活率、卵发育速率及种群繁殖力的影响，也认为湿地松粉蚧的最适生境应在长江流域一带。徐家雄等(1996)结合湿地松粉蚧发育起点温度、有效积温和各地气温条件推测湿地松粉蚧在华南地区为年发生代数4 代区，长江以南地区为3 代区，黄河以南地区为2 代区。You et al.(2013)认为湿地松粉蚧寄主植物在中国的分布区均为湿地松粉蚧潜在为害的区域。以上研究结果与本研究预测结果相似。然而，本研究的预测结果范围大于章彦等(2010)运用MaxEnt 生态位模型预测湿地松粉蚧在中国的适生范围，笔者认为出现这种差异的原因是本研究所使用的CLIMEX 气象站点较多，且气象数据更新为1980-2010年。

3 结论与讨论

温度和湿度是影响害虫分布最为直接的限制因子。通过CLIMEX 模型预测结果与湿地松粉蚧分布情况对比得知:温度对湿地松粉蚧的分布影响更为明显。当温度低于TTCS=-7.00℃，以速度THCS=-0.0058 累积时，陕西延安(36.4°N，110.0°E)的冷胁迫达80，山西吕梁市(38.3°N，111.1°E)的冷胁迫达144，而内蒙古呼和浩特(40.5°N，111.4°E)的冷胁迫达372。冷胁迫和纬度呈现显著正相关(r=0.697，p=0.00)。受冷胁迫影响的北部地区基本不适宜湿地松粉蚧种群生长，可见冷胁迫限制湿地松粉蚧向北进一步扩散。在中国，热胁迫(Heat Stress，HS)不是湿地松粉蚧的主要限制因子，仅限在新疆地区高温干旱地区，如吐鲁番(HS=46)、阿克苏市(HS=5)。然而在美国，热胁迫是湿地松粉蚧向内陆高温干旱地区扩散的主要限制因子，如美国亚利桑那州尤马Yuma(HS=100)。干胁迫(Dry Stress，DS)主要表现在新疆、甘肃和内蒙古地区。湿胁迫(Wet Stress，WS)对湿地松粉蚧在中国的潜在分布范围影响不大，该虫在美国的主要分布区均位于沿海地带。

气候因素和非气候因素(如寄主、天敌等)共同决定着生物的分布区。本研究考虑了湿地松粉蚧的寄主植物分布对其潜在分布区的影响。虽然目前其寄主植物分布于我国17个省(市、区)，但这些松属植物潜在适生范围远大于目前的分布(王锡赞等，1988;周政贤，2001;田大伦，2005)。从研究结果可以看出，湿地松粉蚧主要寄主植物分布的省份气候条件均适合于湿地松粉蚧的生存。其他未有湿地松粉蚧为害的省份与我国发现湿地松粉蚧疫情的广东、广西、湖南和江西相邻近，湿地松粉蚧一旦传入就极易定殖。因此，必须进一步加强对湿地松粉蚧的检疫和防控力度，防止其传入和扩散。具体措施是:

1)优化造林项目。可根据该虫的潜在适生区以及传播扩散趋势，对林种和树种结构进行调整，对邻近疫情发生区和疫情边缘区的纯松林进行改造，提高林分自身抵御害虫的能力。2)加强检疫措施。对苗木调动、木材、木质包装材料以及装载容器、运载工具等进行严格的现场检疫和处理，尤其是对来自广东省、广西省、湖南省、江西省和美国等疫区的应检物。3)加强湿地松粉蚧的监测。根据湿地松粉蚧在我国的潜在适生区分布情况，重点在中高度风险区所在省(市、区)建立监测点，定期检查，尤其是与疫区临近的省(市、区)。4)加强宣传。各级检疫部门和检疫工作人员应加强对湿地松粉蚧防治的宣传力度，以增强苗木相关部门以及苗农对湿地松粉蚧的防范意识。

References)

Chen LC，Li X，Zhang Q，et al.，Biological characteristics and control of Oracella acuta［J］.Hunan Forestry Science ＆ Technology，2009，(36)3:1-3.［陈良昌，李恂，张祺，等.湿地松粉蚧的生物学特性及防治［J］.湖南林业科技，2009，(36)3:1-3］

Clarke SR，DeBarr GL，Berisford CW.Life history of Oracella acuta(Homoptera:Pseudococcidae)in loblolly pine seed orchards in Georgia［J］.Environmental Entomology，1990，(19)1:99-103.

Clarke SR，Negron JF，DeBarr GL.Effects of four pyrethroids on scale insect(Homoptera)populations and their natural enemies in loblolly and shortleaf pine seed orchards［J］.Journal of Economic Entomology，1992，(85)4:1246-1252.

Ganzhou Station of Forest Pest Management.Monitoring actions of Hemiberlesia pitysophila and Oracella acuta in Ganzhou city of Jiangxi Province［EB/OL］.http://www.gnly.gov.cn/bencandy.php?fid=75＆id=5706，(2007)［2014-5-15］.［赣州市森防站.赣州市认真组织全南等边境六县开展松突圆蚧、湿地松粉蚧专项调查［EB/OL］.http://www.gnly.gov.cn/bencandy.php?fid=75＆id=5706，(2007)［2014-5-15］

He JQ.Exotic Plants in China［M］.Shanghai:Shanghai Science and Technology Press，2012，231-236.［何家庆.中国外来植物［M］.上海市:上海科学技术出版社，2012，231-236］

Huang DC.Study on GIS-based prediction and forecast of the mealybug，Oracella acuta(Lobdell)［D］.Master thesis of South China Agricultural University，2000.［黄德超.基于GIS 的湿地松粉蚧预测预报系统研究［D］.华南农业大学硕士论文，2000］

Johnson WT，Lyon HH.Insects that Feed on Trees and Shrubs［M］.London:Cornell University Press，1976.

Lu SZ..Extension of the mealybug，Oracella acuta，to Guangxi Province［J］.Forest Pest and Disease，2000，(6):39.［吕送枝.湿地松粉蚧蔓延进入广西［J］.森林病虫通讯，2000，(6):39］

Masner L，Sun JH，Clarke SR，et al.Description of Allotropa oracellae(Hymenoptera:Platygastridae)，a parasitoid of Oracella acuta(Heteroptera:Pseudococcidae)［J］.Florida Entomologist，2004，(87)4:600-602.

Miller DR.Selected scale insect groups(Hemiptera:Coccoidea)in the southern region of the United States［J］.Florida Entomologist，2005，(88)4:482-501.

Pang XF，Tang C.The prevention and control of new invaded pest loblolly pine mealybug(Oracella acuta)［J］.Forest Pest and Disease，1994，2:32-34.［庞雄飞，汤才.新侵入害虫——湿地松粉蚧的防治问题［J］.森林病虫通讯，1994，2:32-34］

Song HM，Zhang QF，Han XM，et al.CLIMEX:professional biological software for predicting potential distribution of species［J］.Entomological Knowledge，2004，(41)4:379-386.［宋红敏，张清芬，韩雪梅，等.CLIMEX:预测物种分布区的软件［J］.昆虫知识，2004，(41)4:379-386］

Ren H，Chen MR，Yu HB，et al.A newly found native parasitoid，Anagyrus dactylopii of loblolly pine mealybug，Oracella acuta［J］.Natural Enemies of Insects，2000，(22)3:140-143.［任辉，陈沐荣，余海滨，等.湿地松粉蚧本地寄生天敌-粉蚧长索跳小蜂［J］.昆虫天敌，2000，(22)3:140-143］

Sun JH，DeBarr GL，Liu TX，et al.An unwelcome guest in China:a pine-feeding mealybug［J］.Journal of Forestry，1996，(94)10:27-32.

Tang C，Huang DC.Effects of precipitation on the 1st-instar nymph of the first generation of Oracella acuta［J］.Journal of Zhongkai Agrotechnical College，2003，(16)4:38-41.［汤才，黄德超.降雨对湿地松粉蚧第1 代低龄若虫的影响［J］.仲恺农业技术学院学报，2003，(16)4:38-41］

Tang C，Tong XL，Huang DC，et al.Effects of constant temperatures on the experimental population of Oracella acuta［J］.Journal of South China Agricultural University，2000，(21)3:36-39.［汤才，童晓立，黄德超，等.梯度恒温对湿地松粉蚧实验种群的影响［J］.华南农业大学学报，2000，(21)3:36-39］

Tian DL.Ecosystem Structure and Function of Masson Pine and Slash Pine Forestry［M］.Beijing:Science Press，2005，3-4.［田大伦.马尾松和湿地松林生态系统结构与功能［M］.北京:科学出版社，2005，3-4］

Wang XZ，Guo SX，Tang ZY.Loblolly Pine and Slash Pine［M］.Zhengzhou:Henan Science and Technology Press，1988，1-27.［王锡赞，郭拾显，汤之义.火炬松与湿地松［M］.郑州:河南科学技术出版社，1988，1-27］

Xu JX，Ding KJ，SiTu RG.A preliminary study on biology of Oracella acuta［J］.Guangdong Forestry Science and Technology，1992，4:22-24.［徐家雄，丁克军，司徒荣贵.湿地松粉蚧生物学特性的初步研究［J］.广东林业科技，1992，4:22-24］

Xu JX，Yu HB，Fang TS.A study on effective accumulated temperature for development of Oracella acuta and forecasting of domestic spread scope［J］.Guangdong Forestry Science and Technology，1996，(12)3:19-24.［徐家雄，余海滨，方天松.湿地松粉蚧有效积温及其在国内可能扩散范围的研究［J］.广东林业科技，1996，(12)3:19-24］

Xu JX，Yu HB，Fang TS，et al.Study on biology and occurrence of Oracella acuta［J］.Guangdong Forestry Science and Technology，2002，(18)4，1-6.［徐家雄，余海滨，方天松，等.湿地松粉蚧生物学特性及发生规律研究［J］.广东林业科技，2002，(18)4:1-6］

Zhang XJ，Li YZ，Su X，et al.Effects of Oracella acuta(Homoptera:pseudococcidae)on the growth of Pinus elliottii［J］.Journal of South China Agricultural University，1997，(18)2:40-45.［张心结，李奕震，苏星，等.湿地松粉蚧为害对湿地松生长的影响［J］.华南农业大学学报，1997，(18)2:40-45］

Zhang Y，Shi J，Luo YQ.Potential geographic distribution and management measure of Oracella acuta(Lobdell)Ferris in China.In:Wan FH，Peng RL，Wang R，eds.Biological Invasions:Risk Analysis and Early Prevention［M］.Beijing:Science Press，2010，214-221.［章彦，石娟，骆有庆.湿地松粉蚧适生性风险评估与控制预案.见:万方浩，彭德良，王瑞主编.生物入侵:预警篇［M］.北京:科学出版社，2010，214-221］

Zhao X，Peng HB.Damage and control measures of slash pine mealybug，Oracella acuta［J］.Plant Doctor，2009，(22)3:43-44.［赵鑫，彭洪波.湿地松粉蚧的为害及防治对策［J］.植物医生，2009，(22)3:43-44］

Zhou CQ，Liu LP，Chen HD，et al.The population dynamics of theloblolly pine mealybug Oracella acuta(Lobdell)and environmental factors［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2003，(42)6:64-68.［周昌清，刘礼平，陈海东，等.湿地松粉蚧自然种群动态与环境因子关系的研究［J］.中山大学学报(自然科学版)，2003，(42)6:64-68］

Zhou ZX.Masson Pine in China［M］.Beijing:China Forestry Publishing House，2001，14-17.［周政贤.中国马尾松［M］.北京:中国林业出版社，2001，14-17］