基于Maxent模型的宁夏枸杞瘿螨适生性分析

武万里 刘垚 马菁 张学俭

摘要：为评估分析宁夏区域枸杞瘿螨危害的风险特征，探讨枸杞瘿螨致灾的气象因子指标，基于2013-2018年宁夏全区枸杞瘿螨田间自动采集器、病虫害移动采集系统监测资料，应用Maxent模型及ArcGIS技术，构建了枸杞瘿螨适生分布模型，分析了生态环境因子对枸杞瘿螨分布的影响。结果表明：对枸杞瘿螨分布影响较大的环境变量主要为6月、7月、8月、9月降水量、10月的平均气温和最高地温;构建的枸杞瘿螨潜在地理分布模型的AUC值达到0.950，属“非常好”的标准，可用于研究枸杞瘿螨适生性地理分布研究;枸杞瘿螨的适生区范围主要在中宁核心枸杞产区和银川市贺兰山沿山枸杞产区;枸杞瘿螨高、次高、中等气候风险区的面积分别为1323.01 km2、2779.96 km2、4346.14 km2，分别占宁夏国土总面积的1.99%、4.19%、6.55%。研究结果对于制定合理防控措施、控制枸杞瘿螨灾害具有重要的指导意义。

关键词：枸杞;枸杞瘿螨;Maxent模型;适生性分析

中图分类号：S431.9

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2022）02-0066-005

国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2022.02.010

枸杞是宁夏的农业优势特色产业之一，目前全区枸杞种植面积已超过600 km2，占全国种植面积一半以上，形成了以中宁为核心，清水河流域和银川以北为重点布局的枸杞产业经济带。但近些年来，随着气候变化以及枸杞产区面积的逐年扩大，枸杞病虫害的发生也越来越严重，对枸杞的产量和品质造成严重影响。枸杞瘿螨（拉丁学名Aceria macrodonis  Keifer），又称大瘤瘿螨[1]，主要分布于宁夏、内蒙古、甘肃、新疆、山西、陕西、青海等地的枸杞产区，是枸杞的主要害虫之一，主要危害枸杞的叶片、花蕾、幼果、嫩茎、花瓣及花柄[2]，优先侵染枸杞幼嫩部位[3]。嫩茎受害时，在顶端叶芽处会形成长3～5 mm的丘状虫瘿，受害严重时叶片会扭曲变形，严重的顶端嫩叶卷曲膨大成拳头状，变成褐色，提前脱落，造成秃顶枝条，停止生长，危害严重时，可能造成50%以上减产。在宁夏地区，枸杞瘿螨为常发害虫，1年可繁殖十余代。每年4月，越冬的成螨开始出蛰活动，5-6月份和8-9月份出现2次危害高峰，11月成螨开始越冬，并通过枸杞木虱成虫携带越冬[4]。由于枸杞瘿螨发生的时间跨度长，大多数时间生活于虫瘿内，防治难度大，防治成本高，因此，科学有效地进行枸杞瘿螨监测预报工作至关重要。生态位理论是生态学最重要的理论之一[5]，广泛应用于生物生境分析和预测工作中。其中，最大熵（Maxent）模型是目前应用较广的用于模拟给定环境条件下物种出现概率的物种分布模型[6]。多年的研究证明，Maxent模型在物种分布预测研究和应用上表现出了很好的预测能力，它具有模拟精度高、操作简便、结果稳定、所需样本量小等优点[7]，广泛应用在物种生境适宜区的预测和评价工作中。实践中，Li等[8]利用最大熵模型（Maxent）和地理信息系统（GIS）软件，根据三种气候情景模拟了椰棕扁叶甲的未来分布。孙佩珊等[9]利用Maxent模型预测了地中海实蝇在中国的适生区域，评估了其入侵中国的风险。王蕾等[10]基于Maxent模型分析了新疆特色林果区春尺蠖发生的风险，ROC评价显示，对新疆特色林果区春尺蠖潜在风险区模拟效果较好。刘博等[11]利用Maxent模型预测了小巢粉虱在中国的潜在地理分布。Li等[12]利用Maxent生态位模拟软件，模拟了云斑天牛的分布，预测了气候变化情景下的潜在变化范围。马菁等[13]利用Maxent模型预测了宁夏枸杞蚜虫适生分布。本研究拟应用Maxent模型，分析宁夏区域枸杞瘿螨的危害特征，探讨枸杞瘿螨致灾的气象因子等指标参数，构建枸杞癭螨适生地理分布预测模型，分析宁夏全区枸杞瘿螨适生分布区域，研究宁夏枸杞瘿螨的适生地理分布特征，旨在为及时掌握宁夏枸杞瘿螨地理分布特征及发生范围、为制定合理防控措施、控制瘿螨灾害提供参考和理论依据。

1数据与方法

1.1枸杞瘿螨分布数据采集

本研究共设立了21个枸杞瘿螨虫害监测点，分别位于中宁核心产区、清水河流域、银川及以北三大枸杞种植带的21个规模化枸杞种植基地，其中，中宁核心产区有：中宁百瑞源、鑫阳、红宝、大地生态、中杞、杞泰、早康、舟塔、杞源祥、不老子、吴忠杞爱、金沙湾枸杞种植基地;银川及以北植产区有：银川百瑞源、南梁农场、园林场、暖泉、惠农西夏堂枸杞种植基地;清水河流域种植产区有：红寺堡百瑞源、同心润德、易捷、固原正杞红枸杞种植基地。采用田间自动采集器和病虫害移动采集系统，结合人工调查的方式采集虫口数量和密度。具体做法是：（1）利用田间自动采集器对枸杞瘿螨进行区域化远程监测，将信息素黄板上监控到的枸杞瘿螨等虫害的虫口数量和密度图像信息，通过3G或4G等无线通信模式传输至后台数据服务器，并进行图像识别处理入库，远程获取各枸杞种植基地病虫监测点的枸杞瘿螨监测信息;（2）利用枸杞病虫害移动采集系统，采取随机监测点监测和人工客户端填报等方式，将监测信息传输至后台服务器。采集时间为2013—2018年。5年间共计获取点位数据34 300余条。

1.2气象数据获取

用于枸杞瘿螨风险分布预测分析的气象数据，源自宁夏气象档案馆，包含近30年的气温、降水、辐射、风速月平均数据，以及19个能反映监测区域水热变化的气候变量，来源于Worldclim气候数据库（https：//worldclim.org/data/worldclim21.html）。

1.3建模方法与评价标准

使用Maxent模型对宁夏枸杞瘿螨风险分布区域进行预测分析，并利用ArcGIS进行空间特征分析，具体作法为：（1）将实际调查的枸杞瘿螨地理信息数据统一整理为Maxent模型指定的CSV格式数据，作为样本输入数据;利用ArcGIS提取与枸杞瘿螨地理信息数据所对应的各变量数据值，作为模型输入的变量数据;（2）使用刀切法评判各变量的贡献率，剔除贡献率小的变量。将枸杞瘿螨分布数据和4-10月降水量、气温以及19个生物气候变量等，再次输入模型，其中，随机选取75%的监测数据作为训练样本用于建模，剩余的25%监测数据用于模型检验;（3）利用AUC值评价模型的模拟精度。AUC值是ROC曲线下的面积，取值范围在0～1之间，越接近1，表示模型预测精度越高[14]。AUC值的评价按五级划分，即0.5≤AUC<0.6、0.6≤AUC<0.7、0.7≤AUC<0.8、0.8≤AUC<0.9、0.9≤AUC<1.0共5个区间。对应的评价等级为失败、较差、一般、好、非常好5个评价等级。通常，当AUC值>0.75时，可判定模型模拟结果准确度高;（4）Maxent模型的预测输出结果为枸杞瘿螨的存在概率，利用ArcGIS软件插值，可得到枸杞瘿螨的存在概率分布值。将存在概率划分为高风险区（存在概率>0.8）、次高风险区（0.6≤存在概率<0.8）、中风险区（0.4≤存在概率<0.6）、次低风险区（0.2≤存在概率<0.4）和低风险区（存在概率<0.2）5个等级，并绘制枸杞瘿螨风险分布预测图。

2結果与分析

2.1模型检验

ROC曲线法（即AUC法）是Maxent模型精度评价上应用最广的方法，用于模拟结果的验证。从ROC曲线图（图1）可以看出，基于所有变量构建的枸杞瘿螨潜在地理分布模型的AUC值为0.950，表明所构建模型的预测准确性达到“非常好”的标准，可用于枸杞瘿螨潜在地理分布研究。

2.2各变量对模型预测的贡献率

通过刀切法对气象数据变量进行相关性分析，得到各变量对枸杞瘿螨分布影响的贡献率（图2），AUC值排名前六的变量分别为：6月降水量、10月气温、10月最高地温、7月降水量、9月降水量、8月降水量。其中，6月降水量和10月气温AUC值>0.9，达到“非常好”的标准，10月最高地温、7月降水量、9月降水量、8月降水量AUC值介于0.8～0.9之间，属于“好”的标准。

2.3各气象变量与瘿螨潜在分布的关系

枸杞瘿螨潜在地理分布模型预测结果显示（图3），6月降水量、10月平均气温、10月最高地温、7月降水量、9月降水量、8月降水量对枸杞瘿螨发生发展影响较大。6月、7月和8月降水量在20～40 mm适宜枸杞瘿螨发生发展，基本在30 mm左右虫口密度达到最大，之后虫口密度随着降水量的增加逐渐下降。9月降水量在15 mm以下和30～45 mm范围较适宜枸杞瘿螨发生发展。10月平均气温和10月最高地温对枸杞瘿螨发生影响较为明显，适宜的10月平均气温范围在6.0 ℃以上，适宜的10月最高地温范围在38 ℃以上。

2.4枸杞瘿螨风险分析

基于Maxent模型的宁夏枸杞瘿螨风险分布预测结果，利用ArcGIS软件得到枸杞瘿螨的存在概率分布。宁夏枸杞瘿螨虫害风险区主要集中在银川市贺兰山沿山枸杞产区和中宁枸杞产区（图4）。其中，高和次高气候风险区位于中宁枸杞核心产区;中等气候风险区位于银川市贺兰山沿山枸杞产区及清水河流域北部的枸杞产区。枸杞瘿螨的高、次高、中等气候风险区的面积分别为1323.01 km2、2779.96 km2、4346.14 km2，分别占宁夏国土面积的1.99%、4.19%、6.55%。

3结论与讨论

本研究基于枸杞瘿螨地理分布信息、环境及气象变量，应用Maxent模型对宁夏枸杞瘿螨进行了适生性分析。结果表明，宁夏枸杞瘿螨虫害风险区主要集中在银川市贺兰山沿山枸杞产区和中宁枸杞产区，其中，高和次高气候风险区位于中宁枸杞核心产区;中等气候风险区位于银川市贺兰山沿山枸杞产区及清水河流域北部的枸杞产区;对枸杞瘿螨虫害分布影响较大的环境变量主要为6月降水量、10月气温、10月最高地温、7月降水量、9月降水量、8月降水量，枸杞瘿螨发生的适宜降水量范围为6月降水量在20 mm以上，7月、8月和9月降水量适宜范围在25  mm以上，10月平均气温范围在6.0 ℃以上，最高地温范围在38 ℃以上。

枸杞瘿螨体型较小，活动非常隐蔽，迁徙距离短，在枸杞的生长季终生在虫瘿内繁殖，1年中可繁殖多达10代，世代重叠严重，因此，防治难度较大。另一方面，由于枸杞瘿螨可通过枸杞木虱携带在本地越冬，因此，枸杞瘿螨发生的区域特征比较明显。

Maxent模型用于宁夏枸杞瘿螨风险分布的研究，具有较高的准确性，但也存在一定的局限性，一是模型所选用的变量都是气候因子，未涉及自然、植被等其他环境因子，其结果偏重于气候因子对枸杞瘿螨的风险分布影响。二是Maxent模型是基于基础生态位理论构建的模型，影响因素只考虑了非生物因素而没有考虑生物因素对物种分布产生的影响，如物种代际变化、天敌等，特别是枸杞瘿螨与枸杞木虱的越冬携带关系，实际情况要复杂的多，所以得到的预测结果比现实的生态位要宽。

参考文献：

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[3]李建领，刘赛，徐常青，等.宁夏枸杞主要害虫发生规律与防治策略[J].中国现代中药，2017，19（11）：1599-1604.

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Adaptability Analysis of Aceria macrodonis Keifer in Ningxia Based on Maxent Model

Wu Wanli1，2，Liu Yao1，2*，Ma Jing3，Zhang Xuejian3

（1.Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions，CMA，Yinchuan，Ningxia 750002，China;2.Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction，Yinchuan，Ningxia 750002，China;3.Agricultural Economy and Information Technology Research Institute of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry，Yinchuan，Ningxia 750002，China）

Abstract：In order to evaluate the damage risk of Aceria macrodonis Keifer in Ningxia，and to explore impact of meteorological factors on distribution of A.macrodonis，a suitable distribution model of A.macrodonis was constructed by Maxent model and ArcGIS，based on the monitoring data of A.macrodonis in Ningxia from 2013 to 2018.The effects of ecological factors on the distribution of A.macrodonis were analyzed.The results showed that precipitation in June，July，August and September，mean temperature and maximum ground temperature in October were the main environment variables that affected the distribution of A.macrodonis.The AUC value of potential distribution model of A.macrodonis reached 0.950，which means the model can be used to study ecological suitability of A.macrodonis.The suitable areas of A.macrodonis were mainly in the core producing areas of lycium barbarum in Zhongning and areas along Helanshan，Yinchuan.The area of the high，second high and medium climate risk areas of A.macrodonis were 1323.01 km2，2779.96 km2 and 4346.14 km2，respectively，accounting for 1.99%，4.19% and 6.55% of the total land area of Ningxia.The results have important guiding significance for formulating reasonable prevention and control measures and controlling the A.macrodonis.

Keywords：Chinese wolfberry;Aceria macrodonis Keifer;Maxent model;adaptability analysis

收稿日期：2021-06-25;

修回日期：2021-08-04

基金項目：第五批“宁夏青年科技人才托举工程”项目;宁夏农林科学院全产业链创新示范项目（QCYL-2018-1102）

通讯作者：刘垚（1987—），女，博士，高级工程师，主要从事农业病虫害气象相关研究，Email：liuyao314@163.com.

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