基于GIS空间统计诱捕法的松褐天牛种群动态和空间密度分布测定——以湖北省远安县为例

肖正利，敬顺华，刘海玲，周 勇，陈玉萍

(远安县林业局，湖北 远安 444200)

松褐天牛是松材线虫最重要的传播媒介，监测松褐天牛种群动态和预测空间密度分布是防控松材线虫病疫情的重要举措，防治松褐天牛已成为控制松材线虫的一个方向。

松褐天牛(MonochamusalternatusHope)又名松墨天牛、松天牛，属鞘翅目(Coleoptera)天牛科(Cerambycidae)沟胫天牛亚科(Laminae)墨天牛属(Monochamus)[1]，国内几乎各地均有分布[2]，由于是传播松材线虫(Bursaphelenchusxylophilus)的媒介昆虫，对松林造成危害，被列为森林植物检疫对象和林业有害生物[3]；松褐天牛寄主广泛，国内主要寄主并造成危害为马尾松(Pinusmassoniana)，其次黑松(Pinusthunbergii)[4]，其危害达40多种松属[5]；在无松材线虫病疫情和疫区的松林，松褐天牛不对松林造成严重危害和导致死亡。松褐天牛幼虫主要钻蛀松枯死木，成虫主要取食树枝嫩稍，在健康的松树刻槽产卵，成活量较低。松褐天牛主要危害松林中长势衰弱木、枯死或垂死的树木、频死木和新伐倒木[6]。

松褐天牛是典型的钻蛀性害虫，生活史具有隐蔽性，成虫体色与松皮接近，具有伪装性，成虫几乎无天敌，卵和幼虫阶段的天敌主要为花绒寄甲(Dastarcushelophoroides)、赤眼蜂(Trichogrammaspp.)等寄生蜂类以及啄木鸟[7-8]；成虫羽化周期长，发育不整齐，不受外界环境和天敌干扰，化学药剂难以接触到虫体，成虫具有飞翔距离远的特点，其防治难度大，任何防治均不彻底。在林间对松褐天牛种群密度直接调查和掌握分布情况极为困难[9]。通过装有诱芯的诱捕器诱捕，这种方式不仅具有监测作用，同时还具有防治作用[10]。采用引诱剂试验研究，为松褐天牛的林间虫情调查提供一种方便方法。

携带松材线虫的天牛类昆虫较多，其媒介昆虫主要为松褐天牛[11]，有效地控制松褐天牛是遏制松材线虫病传播蔓延的主要措施。开展松褐天牛的种群动态和密度研究，掌握其生长发育变化规律、生物学特性，进行科学防治，防止松材线虫病疫情蔓延，以期为区域松材线虫防治工作提供参考。本文以湖北省远安县为例，收集了该地不同区域2019—2020年2个年度诱捕数据，运用GIS空间分析，构建密度空间模型，估算密度分布，为松材线虫病疫情除治提供科学参考。

1 研究区概况

研究区域湖北省远安县(30°53′08.1″～31°22′34″N，111°14′34.5″～111°52′41″E)，位于鄂西北长江中上游，系鄂西北山地向江汉平原过渡地带，全境海拔76～1 325 m，属亚热带型大陆季风气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，年均降水量1 000～1 100 mm，年均蒸发量1 300 mm，7—8月降水较为集中，年均温12～16 ℃，年太阳辐射80～107 kCal/cm2，≥10 ℃活动积温3 700～4 900 ℃，无霜期210～250 d；年日照时间1 878.5 h，年均相对湿度78.5%。

该区域森林面积13.87 × 104hm2，属国家天然林保护工程区范围，森林覆盖率达76%，阔叶混交林占67.1%，马尾松林占26.5%，其它林分占6.4%。马尾松是亚热带典型森林类型，松林群落在该区域是顶级群落之一，也是天然分布最广的森林类型，马尾松林分布呈纯林和混交分布，在森林植被类型上占有一定的生态空间与分布范围。

该地2019年被公布为松材线虫病疫区[12]，松材线虫病疫情危害造成死亡松树12 × 104株，2020年度松材线虫病疫情发生范围涉及7个乡镇83个村，造成重大经济损失，疫情传播主要是通过媒介昆虫松褐天牛成虫携带松材线虫传播到健康松树。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

数据来源于远安县2019—2020年2个年度不同区域松褐天牛防治诱捕监测数据，每个诱捕器空间位置与诱捕量数据作为一个空间点GIS数据，采用空间点模式分析。采用ArcGIS10.8、Microsoft Excel 2010、SPSS 23软件进行空间信息图制作与统计分析。

2.2 监测材料

选用十字交叉BF-Ⅱ型诱捕器，采用APF-Ⅰ型高效松褐天牛成虫化学引诱剂，该引诱剂是目前我国应用较多的天牛引诱剂[13]，具有较广泛的地理适应性，是用于松褐天牛种群动态监测的主要药剂。

2.3 松褐天牛种群监测方法

监测地的选取是根据松林分布以及松褐天牛传播松材线虫病疫情发生严重区域布设诱捕器，选取鸣凤镇—北门村、嫘祖镇—苟家垭村、荷花店村(两个区域为A、B区)天然马尾松混交林，马尾松达8成以上，人为干扰少。由于疫区范围大，按照约6.67 hm2自然随机布设，同时兼顾监测和防治作用。A区布设35个点，B区域布设20个点，共计55个点(图1)。

图1 诱捕器分布

诱捕器挂设在周围环境条件一致的林缘及林内地势开阔区域，底部距地面高度≥2.5 m，记录诱捕器坐标点和环境因子(海拔、坡向、坡位、林型、树高、胸径、林分密度和郁闭度)。布置时间为4—10月，每隔 15 d对诱捕器虫口数量进行检查记录，每月更换一次诱心，共采集18次，收集诱捕器虫筒内的各种昆虫，统计松褐天牛的种群数量及变化情况(表1)。

表1 诱捕点设置信息

2.4 松褐天牛发生期的划分

将松褐天牛成虫活动发生期划分为羽化期、高峰期和盛末期，其中：羽化期为开始累计捕获成虫数量占总诱捕量10%的时段；高峰期为一年中捕获松褐天牛成虫数量最多(占总诱捕量的80%)的时段；盛末期为累计捕获成虫数量占总捕获量90%的时段，将诱捕量与时间进行函数拟合，构建时间动态模型。

2.5 密度分析

2.5.1核密度分析

由于松褐天牛采用诱捕器引诱捕杀起到防治作用，一定范围内自然随机布设，同时兼顾监测作用，每个诱捕器空间位置点和诱捕数量作为空间点值，诱捕器布置具不规则性，诱捕量具不确定性；采用引入点数据分析，点密度是一定范围内点数量的统计值，是地理空间分析的重要任务[14]；核密度分析用于计算要素在其周围邻域中的密度分布，是空间分析中运用广泛的非参数估计方法，广泛用于地理空间分布研究，核密度是基于研究对象本身分布特征的空间分析方法[15-16]，其根据核密度估计函数将平面的二维离散点生成连续的三维表面，计算事件点在设定周围邻近空间的分布密度的过程，直观地反映点群的聚集或离散分布特征[14]。

该方法基于诱捕器位置坐标与诱捕量，计算任意区域半径范围内的密度数据值，计算公式[17]为：

disti

(1)

式中，i=1，…，n是输入诱捕器点位于位置(x, y)的半径距离内，包括总和中的诱捕器点；popi是i点的population字段值参数(诱捕量值)，disti是诱捕器点i和位置(x, y)之间的距离。

2.5.2克里金插值分析

克里金法被广泛用于各类观测的空间插值[18]，引入克里金插值法来刻画区域诱捕量密度分布的空间特征，是通过已知的分散点数据来推算未知点的值，插值结果是一个连续的表面，在连续的面上可以找到每一个点的值；通过对地理位置监测点与诱捕量在GIS空间上计算出的分布密度，生成栅格图, 然后对栅格图进行分析，克里金方法的插值公式为：

(2)

(3)

式中，Z(x0)为x0处的估计值，Z(xi)为xi处的属性值；λi为克里金权重系数，n点(诱捕器)个数。

2.5.3核密度值与克里金插值等级面积计算

具体方法为先对栅格图层进行高斯投影，设置单位为m, 运用工具箱(Arc Tool box)模块—重分类(Reclassify)工具计算，将连续栅格数据转换为离散栅格数据，然后使用以表格显示分区几何统计(Zonal Geome try As Table)工具，以像素单位计算得出不同等级的栅格面积。

3 结果与分析

3.1 数据分布分析

对诱捕器监测数据样本利用SPSS软件进行Kolmogorov-Smirnov(K-S)、X2、T检验，K-S检验结果：p>0.05，样本值服从正态分布，样本数据符合自然随机规律；X2检验结果：p<0.05。两组监测总体样本存在显著性差异；T检验结果：p<0.05，监测值样本均值存在显著性差异；数据样本分析表明，两组数据样本无明显关联性特征。

3.2 松褐天牛种群监测结果

监测2019—2020年2个年度松褐天牛发生情况，于当年4月1日布设诱捕器，自4月10日—10月8日进行连续观察监测，直至诱捕和观察不到为止。共计捕获松褐天牛成虫3 911只(表2)，其中：A区域20个诱捕器捕获1 973只，B区域35个诱捕器捕获1 938只，雌雄性别综合比为162.66%，受气候和海拔因素影响，两个监测区诱捕量存在差异，高峰期在6—8月，诱捕量为3 150只，两个区域分别占比88.1%和73.1%；综合占比80.6%(表2)。

表2 野外诱捕结果

3.3 松褐天牛发生数量及动态分析

松褐天牛成虫诱捕量随时间变化规律见图2。

由图2分析可知，松褐天牛成虫整个活动期较长，羽化初期始见于5月上旬，并开始频繁活动，高峰期于6—8月，成虫补充营养并开始交配、产卵集中期，主要活动集中在高峰期，之后种群数量迅速减少，盛末期终于10月中旬，后期便再诱捕不到松褐天牛成虫，成虫整个活动期为5个月。松褐天牛成虫活动数量数据模型拟合曲线多元回归方程决定系数R2分别为0.912和0.730，观测值的拟合优度较好，能对实际观测的数值进行相关模拟预测，诱捕量值呈一个时间段高峰曲线谷，可确定松褐天牛在该区域一年发生1代。2020年(A区域)高峰值比2019年(B区域)在时间上提前近15 d，盛末期推迟15 d，这与区域海拔高度存在关联，海拔高的区域高峰期延迟，盛末期提前；2020年度，该地降雨比2015年增加0.5倍，雨季时间长，拟合曲线有所波动，应与气候降雨存在关联，平均诱捕量曲线图数据接近，波动不大；两个不同区域除诱捕数量上存在差异，其种群活动动态变化趋势大体一致。

图2 松褐天牛成虫诱捕量变化规律

3.4 松褐天牛种群密度分布分析

3.4.1核密度分析

运用核密度工具(Kernal Density)完成点数据的核密度估算，采用自然断点法将诱捕量核密度估算值划分为 9个等级，设定距离阈值搜索，搜索范围为外切点矩形；由于核密度估算值结果受搜索半径距离影响，半径值越小，核密度图所显示的信息越详细，但整体特征不明显，反之，半径值越大，核密度图概括程度越高，通过多次设定不同距离阈值发现，距离半径R=1 km时，涵盖所有点，效果最为理想；增大半径不会使计算密度值发生很大变化，更能包含更多的点，但计算密度时点数将除以更大的面积，大半径的主要影响是计算密度时需要包括所有点(图3，表3)。

图3 监测数据核密度分布

表3 核密度值克里金插值密度面积等级

由图3、表3分析可知，核密度图显示中间密度值高，呈向周围逐渐降低的趋势，诱捕器布设密集度较高区域的密度值较大；两个区域核密度估算等级值分布区间在75～672和65～584，密度均值区间在(2～50)只/hm2和(3～128)只/hm2，受区域海拔影响存在差异，诱捕量总体呈现核心不均衡分布，等级密度差异较大，高密度区分布在低海拔。核密度反映诱捕量聚集状况，核密度数值越大，说明虫口在该区域越分布聚集。试验发现，诱捕器布置密度较高的区域诱捕量大，诱捕器布设密度与诱捕量存在关联，在核密度图中得到了验证。

3.4.2克里金插值分析

运用克里金插值工具(kriging)对诱捕量数据进行制图，采用自然间断分级法将数据栅格图分成9个等级比较插值结果(图4)，所生成外切点矩形密度分布空间特征，从整体上看，克里金插值趋势结果区间波动较大，反映出不同等级连续区域变化空间密度特征，A、B区域密度等级值区间分别为40～85和35～129，密度均值区间分别为(1～85)只/hm2和(2～207)只/hm2(表3)。克里金插值能大致反映不同区域诱捕量间密度分布特征，A区域海拔低，密度分布较高，海拔低区域分布密度较高。

图4 监测数据克里金插值结果

3.4.3核密度值与克里金插值结果比较

核密度值与克里金插值用于估算密度分布时，理论上两种方法估算密度值栅格图范围和对应等级基本一致或接近。

从图3、图4，表3分析可知，核密度结果反映两个区域聚集性均值虫口密度分布区间为(2～50)只/hm2和(3～128)只/hm2，克里金插值结果反映虫口密度连续区域变化空间分布特征，虫口密度均值区间为(1～85)只/hm2和(2～207)只/hm2，两者之间虽范围接近，但密度等级数据之间存在差异，无关联性，表达的两种趋向值，其结果表明，松褐天牛成虫在松林的活动分布在不同地理位置存在明显差异，松林范围内普遍存在松褐天牛分布，其防治难度更加困难；产生分布密度差异的相关因素应与海拔、气候、降雨量、坡向、树种组成息息相关。诱捕器诱捕过程中也存在遗漏，加之诱捕器布设密度过大、诱剂扩散等因素，两个年度不同区域诱捕量受环境因子影响不同，该估算值应为基础密度值，应在估算值上限以上。

4 结论与讨论

以远安县为例，运用诱捕监测方法，研究松褐天牛种群动态和空间密度分布，对松材线虫病疫情监测、根除、遏制和管理至关重要；通过在林间挂设诱捕器诱捕，不仅能降低成虫的虫口密度和松材线虫携带传播，还减少了对松林的潜在危害；由于对松褐天牛采用诱捕防治方法并兼顾监测，诱捕器布设带有随机性，诱捕器布设面积过大、诱剂扩散等因素，加之松褐天牛活动与海拔、气候、降雨量、树种组成等具有相关性，对监测结果影响较大，该研究方法是一项重要数据的处理和科学分析技术手段，研究结果表明：

1)该区域松褐天牛羽化期在林间活动始于5月上旬，终于10月中下旬，成虫活动期约为5个月，时间区域为5月1日—10月15日；诱捕量值呈现一个时间段高峰曲线谷，松褐天牛在该区域一年只发生1代；成虫羽化初始期始见于5月，高峰期为6—8月，之后种群数量迅速减少，盛末期终于10月中旬，后期便诱捕不到松褐天牛成虫，高峰期受海拔影响而推迟15 d，盛末期提前15 d。

2)该区域松林范围内普遍存在松褐天牛的分布，核密度值与克里金插值验证松褐天牛在松林中的分布与不同地理位置存在差异，其防治难度更加困难；与气候、海拔、高程、坡向、树种组成等的相关性有待继续研究。核密度分析估算了两个区域聚集性均值虫口密度分布特征，克里金插值结果反映虫口密度连续区域变化空间分布特征，密度等级数据之间存在差异，无关联性，表达两种趋向值；两个区域高海拔虫口密度低，低海拔虫口密度高；2020年该区域高峰期雨季时间长，降雨量大，虫口活动受降雨量增加影响而减小，虫口诱捕量少，影响虫口密度测定结果。

3)松褐天牛因携带了松材线虫造成疫情传播，危害了松林，其防治从天敌、物理、化学、以及人工技术方面做了大量研究，防治技术上呈现多样化；松褐天牛具飞翔能力，具有分布面广、生活史具隐蔽性且羽化周期长等特点，造成了防治上的难度，防治成本高，目前任何一种防治方法防治效果均不彻底。

4)松褐天牛在松材线虫病疫情中是一个至关重要的中间环节，其以松树为寄主，脱离寄主植物，在自然条件下很难存活；松褐天牛携带松材线虫传播能将松林尽毁，从稳定的森林生态系统角度来考虑，建立阔叶林系统，加以人工干扰等措施，将马尾松纯林演替为针阔混交林、阔叶林，自然条件下使松褐天牛不再造成对松林的危害。松材线虫以天牛为媒介，天牛虫口密度的增加，促进了松材线虫的携带扩散，通过减少松褐天牛虫口密度，除治带病松木，有助于防止松材线虫病疫情的扩散传播。