气候变暖趋势下松墨天牛适生区分布模拟与预测

徐瑞钧,周汝良,刘乾飞,李 唯,王艳霞

(1.西南林业大学 地理与生态旅游学院,昆明 650224；2.西南林业大学 林学院,昆明 650224)

松墨天牛(Monochamusalternatus),别名松天牛、松褐天牛、橙黄到赤褐色,是天牛科墨天牛属的一种昆虫[1]。它对桔(Citrusreticulata)、鸡眼藤(Morindaparvifolia)、苹果(Malusdomestica)[2]等具有危害性,其中最主要的寄主和危害程度最高的为松属(Pinus)植物,主要包括马尾松(PinusmassonianaLamb)、云南松(Pinusyunnanensis)、落叶松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)、云杉(PiceaasperataMast)、冷杉(Abiesfabri(Mast.)Craib)等 40 多个松属树种[3]。

松墨天牛的幼虫是松树的重要蛀干害虫,成虫取食松针,危害严重时造成树势的衰弱。更重要的是,它是松树的毁灭性病害松材线虫病(Bursaphelenchusxylophilus)的主要媒介昆虫[4-5]。在松材线虫的扩散和侵染的过程中,松墨天牛携带、传播和协助病原侵入寄主。了解并防治松墨天牛能有效控制松材线虫病[1],目前,关于森林虫害的发生动态和对松墨天牛的研究较多,在其生物学[6-7]研究和防治技术[8]的研究中有许多成果。根据已研究的松墨天牛生物学特性[9],气象因子对松墨天牛的生长和分布有显著的影响,其中温度和降水这两个因子是影响其空间格局分布的主要因素。周汝良等[10]通过关联函数法以90m×90m 的像元分辨率为基础计算了松材线虫适生性概率,用一种新的模式精细化地分析了森林虫害的适生性；根据这种模式,叶江霞等[11]获取了1971—1985 年共 15 年间云南省 134个气象站点的气象统计数据,建立了松墨天牛在云南省的适生性空间分布模型,以 90 m×90 m 为空间尺度,实现了云南省松墨天牛适生分布模拟；于志军等[12]使用了近50年的温度数据计算了我国松材线虫气候适生概率。随着森林虫害的日益严峻,对松墨天牛在气候变暖趋势下在我国的适生区分布做出模拟预测是必要的。

根据丁一汇等[13]在气候变化国家评估报告中提出中国气候变化的历史和未来趋势:未来20～100 年内,我国地表气温将明显增加,与2000年比较,2020 年我国年平均气温将增加1.3～2.1℃,2030年增加1.5～2.8℃,2050年增加2.3～3.3℃。故本文以预测的节点温度1.3,1.5,2.1,2.3,2.8,3.3 ℃为温度增幅[13],以松材线虫的主要蔓延时间6—8月的平均温度为基础,研究气候变暖趋势下和不同增温阶段下,对我国松墨天牛的空间适生分布及其格局变化趋势进行预测。首先,获取2006—2015年10年间6—8月的月平均温度数据,构建一个10年6—8月的月平均温度场；其次,根据温度与松墨天牛适生概率的关系构建适生概率模型,在10年6—8月月平均温度场中进行松墨天牛的适生空间模拟；最后,在10年6—8月月平均温度基础上,对温度场进行增温,得到松墨天牛适生概率在不同增温模式下的分布区,从中得到松墨天牛在气候变暖趋势下的分布特征,并对结果进行讨论。

1 研究区概况

以我国大陆地区为研究区。该区位于亚洲东部,太平洋的西岸。我国领土南北跨越的纬度近50°,大部分在温带,小部分在热带,没有寒带。因跨纬度较广,距海远近差距较大,加之地势高低不同,地形类型及山脉走向多样,因而气温降水的组合多样,形成了多样的气候。东部属季风气候(又可分为亚热带季风气候、温带季风气候和热带季风气候),西北部属温带大陆性气候,青藏高原属高寒气候。地势西高东低,呈阶梯状分布。松墨天牛主要对树木特别是松属树木有危害,我国植被的类型、分布和丰富度是判断松墨天牛危害范围和适生分布的重要依据。我国植被分布具有地带性规律,分别是水平分布规律和垂直分布规律。在水平分布规律中又分为沿纬向分布和经向分布:沿纬向分布由于自南向北热量和水分随纬度递减,依次分布着热带季雨林、雨林带,亚热带常绿阔叶林带,暖温带落叶阔叶林带,温带针阔叶混交林带,还温带针叶林带；沿径向分布是由于自东南向西北因夏季东南季风的强弱决定降水的多少,故植被依次为温带落叶阔叶林或针阔叶混交林,温带草原区,温带荒漠区。另外,海拔的高度变化形成了植被的垂直地带性,随着海拔上升,热量下降,降水先上升后下降,迎风坡较背风坡降水更丰富,造成植被随海拔上升大致为落叶阔叶林、针阔叶混交林、针叶林、灌丛和草甸等,且迎风坡植被类型较背风坡更丰富。

2 数据和方法

2.2 数据

本研究数据来源于MODIS中国合成产品—MODLT1M中国1km地表温度月合成产品。MODIS地表温度产品是用劈窗算法从MODIS数据中反演得到的,主要用于地表热量的空间分析和地表蒸散发、环境质量、地表—大气相互作用数值模拟以及全球变化分析等方面[14]。从地理空间数据云平台可获取2006—2015年的6—8月MODIS遥感影像。在ArcGIS中使用空间统计分析生成2006—2015年6—8月历史均温场,再使用空间统计分析以预测节点温度1.3,1.5,2.1,2.3,2.8,3.3为温度增幅,将历史平均温度场进行线性变换,计算得到6种不同增温模式下的温度场。

2.2 方法

2.2.1松墨天牛的空间适生性概率模型

根据宋红敏等[9]利用CLIMEX模型对松墨天牛生态气候参数的拟合可知:松墨天牛发育起点温度为10.8℃,有效积温为690(d·℃)时能完成发育,适宜温度下限为15℃,适宜温度上限为30℃,限制性高温为33℃。叶江霞等[11]将上述定量温度转为发育均温和发育程度的关系,以发育适宜温度下限和上限为基础,得到最适宜温度为22.5℃,此温度下适宜性概率最高,取值1。适宜性下限到发育起点温度的步长为4.4℃,所以,当温度小于15-4.4=10.6℃时,其不能正常发育,取小概率0.05。上限到限制性发育高温的步长为3℃,故35℃为停止发育概率,取小概率0.05,并假设达到适宜发育的节点温度15,30℃的发育适宜性概率为0.32。根据该理论,设松墨天牛适生概率为y,温度为x,建立松材线虫适生性函数拟合的节点表,如表1所示。

表1 松墨天牛适生性关键节点的取值Tab.1 Key adaptability values of monochamus alternatus

图1 松墨天牛适生性拟合曲线图Fig.1 Fitting curve of monochamus alternatus

图2 松墨天牛适生性拟合曲线线性变换散点图Fig.2 Scatter diagram of linear transformation of

y=exp(-0.019(x-22.5)2-0.04)

(1)

2.2.2松墨天牛空间适生分布区的模拟预测

以1km为空间分辨率,将2006—2015年10年间6—8月的月平均温度分布数据代入式(1),经栅格计算得到我国现有温度下的松墨天牛适生分布；将此10年间 6—8月平均温度分布数据进行增温,将不同增温阶段的6—8月平均温度模拟场代入式(1)中,叠加我国行政区图,经栅格计算,得到基于历史均温水平和不同增温模式下我国松墨天牛适生概率分布图。依据森防部门基层管理方便及常用概率分级模型,将松墨天牛的适生概率按以下标准进行分级显示:[0,0.4]为一级,代表适生度低,患虫害风险较低；(0.4,0.6]为二级,代表中度适生,患虫害风险中度；(0.6,0.8]代表易适生,患虫害风险较高；(0.8,1.0]代表高适生,有高度患虫害风险[10]。叠加行政区图、地名等地理参考要素后,得到适生区图。利用ArcGIS栅格统计分析功能,统计和计算不同适生等级的面积。等级划分规则如表2所示。

表2 松墨天牛适生等级划分规则Tab.2 Division rules of the suitable life grade of monochamus alternatus

3 结果与分析

3.3 基于历史6—8月月平均气温的松墨天牛适生分布测报

如图3所示,低适生区主要位于西藏、青海、四川、新疆以及内蒙古和黑龙江的高纬度地区；中度适生区主要位于黑龙江、吉林、内蒙古、河北等地区；易适生区主要位于上海、江西、山西、重庆等地区；高适生区主要位于山东、河南、安徽、广西、福建、贵州、北京等地区。

图3 基于历史均温的松墨天牛适生概率分布Fig.3 Probability distribution of monochamus alternatus based on historical average temperature

根据表3可知,目前松墨天牛在全国范围内的分布情况为:高适生面积占各适生情况总面积最大,为62.17%；中适生面积占各适生情况总面积最小,为5.78%；低适生面积占总面积的12.75%；易适生面积占19.3%。低适生区面积占省面积比例大于20%的主要为黑龙江、新疆、四川、云南、甘肃、青海、西藏,分别为29.4%,31.2%,60.95%,35.52%,28.05%,84.88%,97.41%。中度适生区比例大于10%的有内蒙古、黑龙江、吉林、河北、山西、上海,分别为14.1%,31.31%,25.24%,13.57%,18.25%,23.15%。易适生面积比例大于30%的有黑龙江、吉林、山西、重庆、江西、上海、澳门,分别为35.94%,49.04%,34%,30.73%,32.45%,55.97%,50%。高适生面积占总体面积的比例普遍较大,最大的地区是山东,为98.66%,占省面积比例大于80%的地区有北京、河南、安徽、福建、广西、广东、海南、香港、贵州、江苏、天津,分别为83.09%,96.03%,86.84%,93.97%,95.17%,80.59%,91%,84.23%,83.12%,80.33%,96.03%。

表3 全国各省适生分布面积比例Tab.3 Suitable distribution areas in provinces %

(续表)

3.3 不同增温阶段下松墨天牛适生性概率分布

由图 4可以看出,随温度增加,青海、西藏、内蒙古地区的低适生区占比降低,中度适生区、易适生区和高适生区占比逐渐增加。安徽、湖北、重庆、四川、湖南、江西、广东、海南、浙江、江苏地区易适生区和高适生区面积逐渐减少,低适生区和中度适生区范围扩大。贵州、甘肃、宁夏、陕西、河南地区低适生区和高适生区占比逐渐减少,中适生区和易适生区占比逐渐扩大。云南低适生区和中适生区逐渐减少,易适生和高适生区增加。北京、天津、香港、广西、福建、台湾、新疆地区低适生、中适生、易适生地区占比都会有所上升,但高适生区占比将下降。黑龙江、吉林、河北、山西地区低适生区、中适生区和易适生区面积占比减少,但高适生区面积将增加。辽宁易适生区占比下降,高适生区占比会有较大上升。山东中适生和易适生区占比增加,高适生区占比下降。澳门低适生区占比上升,易适生区占比下降。上海低适生区占比上升,中适生、易适生和高适生区占比下降。

图4 不同增温下松墨天牛适生性分布Fig.4 Distribution of monochamus alternatus under increasing temperature

从全国范围看,随着温度增加,低适生区在西藏、青海、吉林、河北、山西等地区减少,在长江中下游平原地区和东南部地区增加。中度适生区除在东北部地区、部分华北地区减少,在其他地区大都呈现增加的趋势。易适生区随温度增加在南部地区面积大多呈减少的趋势,在北部地区大多呈增加的趋势。高适生区整体来看多数地区面积占比将减少,在高原地区、东北部分地区会增加。

由表4可以看出,随温度增加,低适生区总体占全国总面积比例逐渐减少,中度适生区逐渐增加,易适生区先增加后降低,但大体比例在21%左右,高适生区逐渐减少。通过这样的变化可以得出,松墨天牛随着温度升高,低适生区和高适生区的面积占比逐渐下降,于此同时,中适生区和易适生区逐渐增加并在总面积中占最大比例。这说明,松墨天牛随着温度上升其适生范围逐渐扩大,向原本的低适生、中适生地区蔓延,这些地区也是高纬度,高海拔地区。可以认为,随着温度上升,松墨天牛渐渐具有了向高纬度、高海拔地区侵蚀的趋势。

表4 不同增温模式下我国松墨天牛适生区面积比例Tab.4 Area proportion of monochamus alternatus suitable distribution under increasing temperature

4 结论与讨论

根据森林虫害的研究现状和预测模型显示,未来气候变化加剧,气温趋向变暖[15]将使森林虫害发生的频率和强度上升[16-18]。预测气候变暖背景下我国松墨天牛的分布情况,从而寻求有针对性的防控方案。借助松墨天牛发育温度指标,构建适生性模型预测其适生区分布,借用松墨天牛适生性等级划分规则来评估风险高低和发生风险区分布,这种预测方式在1km×1km空间单元上,以像元为单位,更为精细地显示松墨天牛从适生到不适生的连续化分布结果,便于以可视化良好的专题图向公众发布预警结果,直观性和可读性强。

基于适生性模型预测,松墨天牛适生性的评估结果表明,在现有温度水平下,松墨天牛高度适生的省份有山东、河南、安徽、贵州、广西、海南等地区。随着未来温度的不断递增(6个增幅),适宜松墨天牛发育生长的区域逐渐向北、向西南转移,我国松墨天牛原本分布的高适生区会呈逐渐减少趋势,高适生范围减少的地区主要有江苏、山东、安徽、湖北、湖南、江西、河南、福建、广西、广东、重庆、上海等地区,但山西、 云南、辽宁、吉林、黑龙江等地区的高适生区面积将扩大,成为松墨天牛防治的重点省份。张新平等[3]参照有害生物危险性分析法对松墨天牛在新疆发生的危险性作出评价,并进行了定性和定量分析,结果表明,松墨天牛在新疆属于高度危险有害生物且适生区域相当广阔；王志明等[19]于2004年在吉林省通化市采集到松墨天牛的标本,从而证实松墨天牛在吉林省确已存在,而在此之前,松墨天牛在吉林省还未广布；时鹏等[20]通过低温暴露实验,结合气温数据,统计分析、预测出不同低温胁迫条件下松墨天牛的高度适生区、中度适生区和非适生区,得出松墨天牛在低温胁迫条件下,具有向高纬度地区扩散的能力。从已有的研究和本文预测的适生分布变化可以看出,随着温度增加,松墨天牛具有向更高纬度,高海拔的地区侵入的趋势,其危害的范围将变得更广泛。松墨天牛作为具有代表性的危害昆虫也可以反映未来森林虫害能够触及的区域将更加广泛。

仅以2006—2015年10年间6—8月的月平均温度场为指标,对其进行增温变换并结合松墨天牛适生概率函数来预测松墨天牛在不同增温阶段下的分布情况。现实世界中,病虫害的扩散速度滞后于气候变化的速度,所以本研究所建立的松墨天牛适生性预测模型是潜在分布,并非未来某一时间段的实际分布状况。预测的分布状况可作为后续防治松墨天牛爆发的重要依据。若将松墨天牛危害的主要植被分布结合温度场进行模拟,得到的结果会更加精确,因为森林虫害与森林有直接的关系,林区的面积大小,林区的分布,树种的构成等因素都会对松墨天牛的分布产生直接的影响。本文仅讨论变暖背景下的松墨天牛适生区的分布变化,综合其他因素的模拟与预测有待于下一步工作。

根据目前的预测和模拟,针对松墨天牛在不同地区的扩散。治理研究工作应该重视了解地区林业生态系统的构成和种类,以此为依据进行有针对性的预防和防治工作。通过松墨天牛的寄生关系来指引地区的树种培育、引进工作。或者通过加强树木病症的检疫技术手段,做好预警工作,做到早

发现、早预防、早治理。面对林业害虫的扩散以预防为主,通过不断的基础性研究和治理对策的研究,切实找到治理松墨天牛的根本性措施。

随着气温的增加,松墨天牛的分布将在西南地区和北方地区扩散,为了避免松墨天牛对我国森林资源造成更大的损害以及对森林生态造成更严重的影响,应该对类似的森林虫害问题引起持续的关注。