未来气候变化背景下橡胶树白根病在中国的风险分析*

白 蕤 李 宁 刘少军 陈小敏 邹海平吕 润

(1.海南省气候中心 海口 570203；2.海南省气象科学研究所 海南省南海气象防灾减灾重点实验室 海口 570203；3.中国农业大学资源与环境学院 北京 100193；4.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所 海口 571101)

由橡胶树(Heveabrasiliensis)白根病菌(Rigidoporuslignosus)引起的橡胶树白根病是一种世界性病害(Nakaewetal.,2015)，在《中华人民共和国进境植物检疫危险性病、虫、杂草名录》中被列为检疫对象。该病于1904年在新加坡发现，之后马来西亚、印度尼西亚、泰国等地均有发生(黄贵修等，2012；Siri-Udometal.,2017)。1983年在中国海南省东太农场橡胶林段中首次发现，曾对海南省、云南省、广西壮族自治区等部分橡胶树种植区造成大面积危害。橡胶树白根病主要危害幼龄期橡胶树，发病率可达60%。该病菌可形成新侵染源，由根系接触传给其他橡胶树造成根系感染而发病；未经清除的病残体可作为越冬媒介，可再次传播造成新的病害或经越冬传播造成下一代病害(Ogbeboretal.,2015；贺春萍等，2016)。因此，掌握橡胶树白根病基准时段和未来风险区分布情况，进行病害早期监测预警，及时采取正确防治策略，对保障橡胶树安全生产具有重要意义。

风险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。目前关于研究病虫害风险区预测模型，包括动态模拟模型(CLIMEX)(Sutherstetal.,1985)、基于遗传算法的规则组合预测模型(GARP)(Stockwell,1999)、生物气候分析系统模型(BIOCLIM)(Fischeretal.,2001)、生态位因子分析模型(ENFA)(Hirzeletal.,2002)以及MaxEnt模型(Phillipsetal.,2006)等。其中MaxEnt模型所需样本量少，受样本偏差影响小，在数据有限的情况下，预测结果要优于同类预测模型(Giovanellietal.,2008；Pearsonetal.,2007)。基于该模型利用未来气候数据对多种病虫害的潜在分布区进行了预测，如马铃薯块茎蛾(Phthorimaeaoperculella)(Kroscheletal.,2013)、稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocismedinalis)(姜淦等，2017)、刺槐叶瘿蚊(Obolodiplosisrobiniae)(赵佳强等，2019)、松针红斑病(Dothistromapini)(王晓玮等，2019)、血吸虫病(Schistosomiasis)(段居琦等，2019)。

随着全球气候变暖不断加剧，已经出现了病虫害繁殖代数增多、越冬死亡率降低和发生期提前等一系列问题。了解病虫害风险区的分布，及时掌握病虫害的发生发展规律，建立健全的病虫害防控机制十分必要。目前，对于橡胶树白根病的风险区预测及分析方面的研究仍处于空白，本研究通过文献调研等方法，基于MaxEnt模型确定可能影响橡胶树白根病分布的主导环境因子,预测橡胶树白根病风险区分布，探究从基准时段到未来风险时空变化趋势，识别未来气候变化下橡胶树白根病的防治关键区及敏感区，以期为中国橡胶树白根病的防控决策提供参考。

1 材料与方法

1.1 资料收集和整理

从以下2种途径获取橡胶树白根病地理分布数据：国内外公开发表的相关论文论著、博物馆或标本馆中的标本记录的灾情资料；经过筛选去除相同和极为相近的地点后保留193个分布点。

影响橡胶树白根病发生环境因子选用WORLDCLIM(http:∥www.Worldclim.org/)提供的19个生物气候变量，包括Bio1(年平均温度)、Bio2(昼夜温差月均值)、Bio3[等温性(Bio2/Bio7×100)]、Bio4(温度季节性变化标准差)、Bio5(最暖月最高温度)、Bio6(最冷月最低温度)、Bio7[年均温变化范围(Bio5-Bio6)]、Bio8(最湿季度平均温度)、Bio9(最干季度平均温度)、Bio10(最暖季度平均温度)、Bio11(最冷季度平均温度)、Bio12(年降水量)、Bio13(最湿月降水量)、Bio14(最干月降水量)、Bio15(降水量季节性变化变异系数)、Bio16(最湿季度降水量)、Bio17(最干季度降水量)、Bio18(最暖季度降水量)、Bio19(最冷季度降水量)，数据空间分辨率为2.5′。基准时段生物气候变量数据采用1970—2000年的观察记载。未来生物气候变量为RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下2050s(2041—2060年)和2070s(2061—2080年)数据采用等权重集合平均方法结合由CMIP5提供的常用且气候情景齐全的5个GCMs模式(BCC-CSM1-1、CCSM4、HadGEM2-ES、MRI-CGCM3、NorESM1-M)获取。

1.2 MaxEnt模型预测建立及精度验证

将橡胶树白根病地理分布数据和各环境因子数据导入MaxEnt模型。随机选取75%的橡胶树白根病分布点用于建立模型，剩余25%的分布点用于模型验证。为了减少由环境因子之间相关性引起的过拟合，对MaxEnt模型进行2次模拟。第1次模拟采用刀切法检验环境因子与橡胶树白根病分布的相关性，剔除贡献率和排列重要性为0的环境因子，并确定对橡胶树白根病分布有重要影响的环境因子；第2次采用剩余的环境因子进行模拟，以得到橡胶树白根病风险概率分布。

模型精度验证采用基于模型本身的验证和基于实际灾情的验证2种方式。模型自身的预测结果选择ROC进行检验。ROC曲线以假阳性率为横坐标，真阳性率为纵坐标，根据AUC值判定模型的精确度。AUC的取值范围为0～1，其值越接近1说明模型精确性越高。另外，基于实际灾情的验证是依据各文献中的橡胶树白根病发生记录，选取全球1970—2000年橡胶树白根病发生的年作对比分析，进一步检验MaxEnt模型模拟的合理性和准确性。由于文献中橡胶树白根病发生记录中并未对橡胶树白根病发生等级进行说明，因此仅对相应时间段内该地区是否发生橡胶树白根病进行验证，验证选取历史灾害记录中详细记录橡胶树白根病的发生时间和主要发生地点。

1.3 橡胶树白根病风险区划分及订正

在ArcGIS10.1软件中加载MaxEnt模型模拟结果，将ASCII格式转换成栅格格式，结合橡胶树白根病实际分布，利用空间分析的重分类工具，将橡胶树白根病分布概率按照从低到高的顺序划分为4个等级：0～0.1为非风险区；0.1～0.3为低风险区；0.3～0.5为中风险区；0.5～1为高风险区(白蕤等，2020)。最终得到橡胶树白根病在中国的不同程度风险区分布概率。

考虑到寄主橡胶树的种植界限，故采用中国热带作物种植业区划办公室(1989)提出的中国橡胶树种植北界对本研究基准时段和未来时段橡胶树白根病风险区域界限进行订正。另外，由于中国橡胶树北移可能遇到冬季寒、冻害而导致无法安全越冬等问题，本研究借鉴李宁等(2018)的研究，利用1970—2000年历史气象数据和2041—2080年在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5模式下5个模式(BCC-CSM1-1、CCSM4、HadGEM2-ES、MRI-CGCM3、NorESM1-M)的气候情景数据，根据《橡胶寒害等级(QX/T169-2012)》行业标准，得到中国橡胶树特重寒害事件在基准时段和未来时段的分布情况，对中国橡胶树白根病在基准时段和未来时段的风险程度进行订正。

2 结果与分析

2.1 MaxEnt模型预测结果的准确性评价

利用MaxEnt模型训练和测试数据的ROC曲线验证模型的预测能力，结果显示训练和测试数据的ROC曲线均远离随机分布模型的ROC曲线，平均AUC值分别为0.965、0.942，显著高于随机模型的AUC值(0.5)(图1)。以上结果说明，MaxEnt模型预测分布区与橡胶树白根病实际分布区的拟合度较高，橡胶树白根病的地理分布是有规律、非随机存在，即环境因子对其分布有重要影响。

图1 MaxEnt模型的ROC检验Fig.1 ROC test of MaxEnt model

本研究列出6个受灾记录较详细的年份和站点进行验证，发现历史橡胶树白根病发生记录情况与对应年份MaxEnt模型模拟的橡胶树白根病中、高风险区的地点吻合度较高，说明该模型模拟可靠性较强(表1)。

表1 基于灾情的模型模拟验证Tab.1 Model simulation verification based on disaster

2.2 橡胶树白根病风险区分布与环境因子的关系

刀切法检验结果表明，影响橡胶树白根病发生的主导环境因子是年均温变化范围、最湿月降水量、昼夜温差月均值、最冷季度平均温度、温度季节性变化标准差、最冷月最低温度、最湿季度降水量、年降水量、降水量季节性变化变异系数、年平均温度、最暖季度降水量、等温性、最暖季度平均温度。其中，贡献率较高的主导环境因子是年均温变化范围、最湿月降水量、昼夜温差月均值、最冷季度平均温度、温度季节性变化标准差、最冷月最低温度，贡献率分别是26.715 3%、17.406 2%、10.169 4%、10.112 5%、9.780 2%、8.276 5%，排列重要性分别是4.728 8、7.161 1、15.806 2、33.336 7、6.346 0、6.573 7。与温度相关的因子贡献率达到69.306 4%，与降水量相关的因子贡献率达到30.693 6%。与温度相关的因子排列重要性达到79.512 5，与降水量相关的因子排列重要性达到20.487 5。

中度以上风险区是橡胶树白根病发生与防控的重点区域，故根据橡胶树白根病风险区划分标准，以中风险区和低风险区的分界值为阈值，确定适宜橡胶树白根病发生的主导环境因子范围。结果显示，年均温变化范围的风险值为<21 ℃，最湿月降水量的风险值为>200 mm，昼夜温差月均值的风险值为6～14 ℃，最冷季度平均温度的风险值为>15 ℃，温度季节性变化标准差的风险值为<4.8，最冷月最低温度的风险值为>10 ℃(表2)。

表2 主导环境因子的贡献率、排列重要性和风险值范围Tab.2 Contribution percent,permutation importance and risk value range of major environment factors

2.3 基准时段和未来气候情景下橡胶树白根病在中国的风险分析

基准时段下，中国主要植胶区橡胶树白根病中、高风险区占比为87.716 7%(图2)，比较适宜橡胶树白根病菌存活。高风险区主要集中在海南岛、广东省西南部和东南部部分地区、云南省的南部和东南部部分地区；中风险区主要集中在广东省东部部分地区、广西壮族自治区东南部部分地区、云南省西南部地区；低风险区主要集中在福建省东南部地区、广西壮族自治区防城港市中部地区、云南省盈江县北部地区。

对比基准时段橡胶树白根病各风险区相对面积占比情况，2050s(2041—2060年)和2070s(2061—2080年)不同气候情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)下，中国植胶区高风险区面积占比呈增加趋势；中风险区面积占比呈减少趋势；除2070s RCP8.5情景下低风险区面积占比呈减少趋势外，其余年代情景下呈增加趋势。云南和广西植胶区高风险区面积占比呈增加趋势；中风险区面积占比呈减少趋势；非风险区面积占比基本不变。海南和广东植胶区高风险区面积占比呈减少趋势；中、低风险区面积占比呈增加趋势。福建植胶区高风险区面积占比呈减少趋势；2050s不同气候情景下中风险区面积占比呈减少趋势，2070s呈增加趋势；2050s不同气候情景下低风险区面积占比呈增加趋势，2070s呈减少趋势(图2)。

图2 中国及各省植胶区橡胶树白根病各等级风险区相对面积比Fig.2 Relative rate of different risk area for rubber tree white root disease in rubber tree planting area of China and each provincea:中国植胶区 Rubber tree planting area of China;b:云南植胶区 Rubber tree planting area of Yunnan;c:广西植胶区 Rubber tree planting area of Guangxi;d:海南植胶区 Rubber tree planting area of Hainan;e:广东植胶区 Rubber tree planting area of Guangdong;f:福建植胶区 Rubber tree planting area of Fujian.

2050s和2070s不同气候情景与基准时段下中国橡胶树白根病风险区分布情况相比，同一气候情景下，中国各省植胶区风险等级变化趋势不同。RCP2.6情景下，云南省西南部地区由中风险区变成高风险区；广东省东南部部分地区由高风险区变成中风险区，东部部分地区中风险区变成低风险区；福建省南部部分地区由低风险区变成非风险区。RCP4.5情景下，福建省东南部地区由低风险区变成中风险区。RCP8.5情景下，云南省东南部部分地区由高风险区变成中风险区；广西壮族自治区东南部部分地区由中风险区或低风险区变成高风险区。

质心能形象直观地表达病虫害的地理变迁，图3表示基准时段和未来(2050s和2070s)不同气候情景下中国橡胶树白根病风险区质心变化。基准时段和未来不同气候情景下中国橡胶树白根病风险区质心均位于海南岛，基准时段到未来不同气候情景下风险区质心位置有向东北方向移动的趋势，质心移动距离范围为71.241 6～89.257 2 km。同一气候情景下，从2050s到2070s风险区质心位置有向西北方向移动的趋势。

图3 未来气候情景下中国橡胶树白根病风险区质心分布情况Fig.3 Centroids distribution of risk area for rubber tree white root disease in China in the future climate scenarios

综上结果可知，中国橡胶树白根病防治关键区(指未来气候变化下该区域风险等级上升或持续处于高风险区)为海南岛、云南省南部部分地区、广东省西南部部分地区；防治敏感区(指未来气候变化下该区域风险等级下降甚至消失或有可能发展为风险区)为广西壮族自治区东南部部分地区、广东省东部部分地区、福建省南部部分地区。

3 讨论

3.1 橡胶树白根病的风险区分布模拟验证

本研究使用MaxEnt模型预测中国橡胶树白根病的风险区分布情况，通过AUC参数评估，预测结果具有较高的准确性，说明MaxEnt模型软件在预测橡胶树白根病风险区方面是可行的。另外，随机选取不同地点不同年份的历史灾情资料对模型模拟的橡胶树白根病风险区结果进行检验，均吻合。通过双重验证检验方法即可以避免了模型拟合产生的不确定性，也与历史实际灾情记录高度吻合，具有较高的客观性和真实性。基准时段生物气候条件下，中国橡胶树白根病的高风险区主要集中在海南岛、广东省西南部和东南部部分地区、云南省的南部和东南部部分地区，这与魏铭丽等(2008)研究的橡胶树白根病病原菌为害分布地区一致。

3.2 温度和降水对橡胶树白根病分布的影响

本研究指出影响橡胶树白根病发生的主导环境因子中，与温度和降水量相关的因子贡献率和排列重要性较高，说明温度和降水量是影响橡胶树白根病发生的决定因素。根据主导环境因子的风险值可知适宜橡胶树白根病发生的环境具有温差小、温度高、降水量大等特点，满足这样环境条件的地区主要集中在湿润的热带或亚热带沿海地区。橡胶树白根病的发生与温度、降水量等生物气候变量密切相关，且前人研究得出温度风险值范围与本研究相似。如张开明(2006)和肖倩莼(1987)研究表明，橡胶树白根病病菌子实体在雨季产量最多，产生的分生孢子通过气流、雨水传播到橡胶树伤口、树桩切面或根部，在适当气象环境下，孢子萌发产生侵入丝侵入橡胶树，扩展致使其发病。贺春萍等(2010)研究表明，橡胶树白根病菌丝在10～35 ℃均能生长，最适温度28 ℃，温度<5 ℃或>40 ℃病原菌菌丝停止生长。

3.3 未来气候变化下橡胶树白根病风险分析

本研究考虑到未来气候变化下橡胶树北移扩种时冬季可能会遇到寒害或者冻害而导致病菌的减少或者消亡，采用前人研究结论的橡胶树种植北界和寒害分布对中国植胶区白根病的风险区域和程度进行合理订正。如模型模拟的2050s RCP8.5云南省中南部的橡胶树白根病高度风险，但是该地区的橡胶树遭受特重寒害概率较高，发生白根病的概率也相对降低，故将该地区的风险程度改为中度风险。这样的订正方法对中国植胶区发生橡胶树白根病的预测更精确。

目前，多项研究表明橡胶树种植北界移动，如中国农林气候区划协作组(1987)、农牧渔业部热带作物区划办公室(1989)、王菱(1987)、王利溥(1989)、刘少军等(2016)等。另外，李宁等(2018)从橡胶树灾害角度指出在全球气候变暖的趋势下，橡胶树发生寒害的概率降低导致的中国植胶区在未来有向高纬度移动的可能性，故可能存在橡胶树白根病风险区随着橡胶树种植区向北移动。本研究表明，从基准时段至2050s和2070s不同气候情景下，中国橡胶树白根病风险区质心位置有向东北方向移动的趋势。此外，本研究发现随着全球气候变化，橡胶树白根病在中国的高风险区有继续扩大的可能，防治关键区为海南岛、云南省南部部分地区、广东省西南部部分地区。刘少军等(2015)研究认为，橡胶树种植中、高适宜区面积均有增加趋势，海南岛及广东雷州半岛的橡胶树种植高适宜区面积明显增加，这进一步说明橡胶树白根病风险区可能随着橡胶树种植区变化而变化。因此，橡胶树白根病在基准时段和未来都有可能发生的防治关键区域，应采取合理的措施灭除病菌，阻止其向其他地区扩散；对于基准时段尚未发生的、未来可能发生的敏感分布区，要做好病原菌的检验检疫工作，做到早发现、早消除。

3.4 不足之处

本研究虽然对未来生物气候变量数据进行处理时采用多模式等权重集合平均的方法，降低或消除单一模式的不确定性，提高气候变化信息的可信度 (Weigeletal.,2009;Chenetal.,2014)，解决了以往选用单一气候模式的气候情景数据研究气候变化对病虫害风险分析中难以反映整个研究区域变化的难题，预测模拟效果更佳(Casanovaetal.,2009;Chaturvedietal.,2014)。但是从影响橡胶树白根病发生的多种生物气候变量的需求出发建立基于MaxEnt的风险区分布模型，主要考虑温湿度相关的环境因子，未考虑寄主、天敌以及管理措施等其他环境因子对该病分布的影响。因此，后续研究方向是综合考虑多因素的影响评价研究工作和更全面的模拟。

4 结论

本研究首次使用MaxEnt模型预测了橡胶树白根病在中国植胶区潜在风险区分布，模型训练和测试数据的ROC曲线平均AUC值分别为0.965、0.942，预测结果与历史灾情基本吻合，模拟精度高。影响橡胶树白根病分布主导环境因子是年均温变化范围、最湿月降水量、昼夜温差月均值、最冷季度平均温度、温度季节性变化标准差、最冷月最低温度、最湿季度降水量、年降水量、降水量季节性变化变异系数、年平均温度、最暖季度降水量、等温性、最暖季度平均温度。基准时段中国橡胶树白根病的高风险区主要集中在海南岛、广东省西南部和东南部部分地区、云南省的南部和东南部部分地区。从基准时段到2050s和2070s，风险区质心位置有向东北方向移动的趋势。高风险区面积占比均呈增加趋势。中国橡胶树白根病防治关键区为海南岛、云南省南部部分地区、广东省西南部部分地区，敏感区为广西壮族自治区东南部部分地区、广东省东部部分地区、福建省南部部分地区。因此，必须加强对橡胶树白根病防治关键区和敏感区的调查监测。