林业有害生物发生时空格局研究——以湘西为例

田开慧

(湘西土家族苗族自治州森林病虫害防治检疫站，湖南湘西 416300)

我国是世界上林业生物灾害发生最严重的国家之一，2021年我国林业生物灾害年发生面积已突破1 200万hm2[1]，是森林火灾面积的数十倍，年均成灾面积占林木受自然灾害总面积的一半，年致死树木4 000多万株，年均造成经济损失超过1 100亿元[2]。林业有害生物发生具有显著的区域特异性，分析时空动态格局对于科学指导林业有害生物防控具有重要的现实意义。近年来，有学者从生态因子、人为因素等角度出发，分析了特定区域、特定林业有害生物发生情况，探索有害生物发生规律，并提出了针对性的防治对策与建议[3-7]。但这些研究大多只重视林业有害生物与其影响因素之间的规律探究，忽略长时间序列时空多尺度综合分析。笔者收集了2007—2021年湘西土家族苗族自治州(以下简称“湘西州”)林业有害生物发生面积数据，运用多种生态、数学和统计学方法对该地区的主要林业有害生物的变化趋势做综合分析，为该地区林业有害生物精细化防控提供理论基础与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

湘西 州 (27°44.5′～ 29°38′N，109°10′～110°22.5′E)地处云贵高原东北侧与鄂西山地西南端之结合部，武陵山脉由东北向西南斜贯全境，生态区位独特而重要。全州属典型中亚热带湿润季风区，年均气温16.9℃，年均降雨量1 400 mm左右，气候温和、雨量充沛[8]。森林资源十分丰富，截至2021年底，林地面积达89.99万hm2、活立木总蓄积5 017.25万m3，森林覆盖率达到70.24%。

研究区因森林生态环境的持续恶化及营林技术措施等因素导致林业有害生物高发频发。截至2021年，湘西州共发现林业有害生物51种，其中本地常发性和突发性有害生物种类36种，本地危险性有害生物14种，外来有害生物1种，全州林业有害生物发生面积约2.32万 hm2，其中，虫害发生约1.72万hm2，病害发生约0.59万hm2。

1.2 数据来源

研究区内主要林业有害生物发生面积数据均来源于国家林业和草原局生物灾害防控中心林业有害生物防治信息管理系统。为突出重点提升研究成果的准确性，主要考察2007—2021年在湘西州出现频次大于50%的林业有害生物。病害有板栗疫病(Cryphonectria parasitica)、油茶煤污病(Capnodium theae)、油茶炭疽病(Camellia oleifera)，见表1；虫害有松褐天牛Monochamus alternatus、油茶象Curculio chinensis、萧氏松茎象Hylobitelus xiaoi、松梢螟Dioryctria splendidella、云南松毛虫Dendrolimus houi、马尾松毛虫Dendrolimus punctatus、银杏大蚕蛾Caligula japonica、松茸毒蛾Dasychira axutha、茶黄毒蛾Euproctis pseudoconspersa、红黄半皮丝叶蜂Hemichroa crocea，见表2。其中一些病虫害发生面积较小，在当年并未统计。

表1 2007—2021年湘西州出现频次大于50%的病害发生面积Tab.1 Occurrence area of forest diseases with a frequency of more than 50% in Xiangxi Prefecture from 2007 to 2021 hm2

表2 2007—2021年湘西州出现频次大于50%的虫害发生面积Tab.2 Occurrence area of insect pests with a frequency of more than 50% in Xiangxi Prefecture from 2007 to 2021 hm2

续表2Tab.2(Continued)

1.3 数据分析方法

1.3.1 灰色关联分析法

其中ρ为分辨系数，取值区间[0，1]，本文中取ρ=0.5，min min｜Yi(k)-Xj(k)｜为2 级最小差，max max｜Yi(k)-Xj(k)｜为2 级最大差。

1.3.2 有序样本最优分割法

最优分割法可用于有序样本的聚类分析[10-12]。按一定顺序排列的每个样本只调查一种属性，即一维有序样本，其原始数据矩阵可表示为:X1×n=(x1，x2，…，xn)

如果每个样本有p项属性指标，则原始数据矩阵表示为:

式中xij表示第j个样本的第i个属性指标的观察值。对n个样本进行分割而不破坏其样本固有的顺序，显然可将n个样本分为2段、3段、……直至n段，分别称为2分割、3分割、……直至k分割(1＜k≤n)。每一种分割又有多种方式，例如2分割的分割方式有，3分割的方式有，这样所有可能的分割方式有

最优分割法要求在所有分割方法中找出一种分割方式，使得所分割的各段内部样本间差异最小，而各段之间的差异最大[10-12]。本文中以湘西州2007—2021年主要5种林业有害生物发生面积为有序样本，使用最优分割法分析其时序阶段性特征，研究有害生物发生的时间格局变化。

1.3.3 系统聚类法

系统聚类法也称层次聚类法，由于类与类之间的距离计算方法灵活多样，使其适应不同的要求，是目前实践中使用最多的聚类方法。先将n个样本各自看成一类，并规定样本与样本之间的距离和类与类之间的距离。开始时，因每个样本自成一类，类与类之间的距离与样本之间的距离是相同的。然后，在所有的类中，选择距离最小的两个类合并成一个新类，并计算出所得新类和其他各类的距离；再将距离最近的两类合并，这样每次合并两类，直至将所有的样本都合并成一类为止[10]。以2007—2021年湘西州5种主要林业有害生物发生总面积数据为样本，应用有序样本最优分割法将湘西州主要林业有害生物总体发生情况从时间序列上分割为3段，即2007—2013年、2014—2016年和 2017—2021年。再以湘西州各市、县主要林业有害生物发生总面积数据为样本，对其3个不同阶段分别采取最短距离法进行系统聚类，研究其空间格局变化。

1.3.4 自回归模型

自回归模型(AR模型)是统计上一种处理时间序列的方法，用同一变数例如X的之前各期，亦即x1至xt-1来预测本期Xt的表现，并假设它们为线性关系。因为这是从回归分析中的线性回归发展而来，只是不用x预测y，而是用x预测x(自身)，所以叫做自回归[13]。该模型可以在时间序列数据中捕获一组不同标准时间结构，在拟合季节性波动的非平稳数据时表现良好，因此选用其预测湘西州主要林业有害生物2022年发生面积。

2 结果与分析

2.1 2007—2021年湘西州林业有害生物优势种

各病害时间序列与其最大值序列关联系数最大的是油茶炭疽病(0.995 5)；各虫害时间序列与其最大值序列按照关联系数大小排序为前4位的是马尾松毛虫(0.952 0)，松茸毒蛾(0.839 6)，云南松毛虫(0.816 5)和松褐天牛(0.802 8)。结果显示，从发生面积角度考察，2007—2021年危害湘西州的主要病害是油茶炭疽病，主要虫害是马尾松毛虫、松茸毒蛾，云南松毛虫和松褐天牛(表2)。

表3 2007—2021年湘西州出现频次大于50%的林业有害生物关联系数及序号Tab.3 Correlationship and serial number of forest pests with a frequency of more than 50% in Xiangxi Prefecture from 2007 to 2021

2.2 2007—2021年湘西州主要林业有害生物空间格局

2007—2013年的系统聚类结果为:吉首市、泸溪县、凤凰县、花垣县、古丈县、永顺县为第1类，其组内均数为3 407 hm2；龙山县为第2类，组内均数为7 467 hm2；保靖县为第3类，组内均数为12 857 hm2。2014—2016年的系统聚类结果为:吉首市、泸溪县、凤凰县、花垣县、龙山县为第1类，其组内均数为6 502 hm2；保靖县为第 2类，组内均数为10 922 hm2；古丈县、永顺县为第3类，组内均数为14 324 hm2。2017—2021年的系统聚类结果为:吉首市、泸溪县、凤凰县、花垣县、保靖县、龙山县为第1类，其组内均数为10 122 hm2；古丈县为第2类，组内均数为22 955 hm2；永顺县为第3类，组内均数为32 878 hm2(表4)。

表4 湘西州各县5种主要林业有害生物不同阶段系统聚类组别和组内均值Tab.4 Cluster groups and intra－group mean of five major forest pests in counties in Xiangxi Prefecture at different stages

依据表4中的组内均值数据绘制2007—2021年湘西州主要林业有害生物发生面积显示，在2007—2013年，主要有害生物发生整体较轻，只有在保靖县达到中度危害程度(1.1万 ～1.3万hm2)；在2014—2016年，除保靖县外主要林业有害生物发生程度较前一阶段均有所加重，尤以古丈县和永顺县为甚(1.3万 ～1.5万 hm2)；在2017—2021年，除保靖县外其余各县主要林业有害生物发生程度均有所增加，且全州各县主要林业有害生物均呈中、重以上程度发生。表明2007—2021年湘西州主要林业有害生物在各县市发生程度不断加重，主要林业有害生物发生区域呈现出由西向东、由南向北逐渐转移的空间变化格局，当前重点危害区域为东北部的永顺、古丈两县(图1)。

图1 不同阶段湘西州林业有害生物发生面积Fig.1 Occurrence area of forest pests in Xiangxi Prefecture at different stages

2.3 2007—2021年湘西州主要林业有害生物发生时间格局

马尾松毛虫在湘西州发生的危害具有明显周期性波动特征。其发生波谷年分别为2008年、2012年、2016年和2019年，发生波峰年分别为2010年、2015年和2018年，周期一般3～4 a。目前该虫在湘西州正处于上升期，预计2022年发生面积将达到1.063万hm2，未来5 a发生面积仍将周期性波动，不排除大暴发可能。(图2)

松茸毒蛾在湘西州总体发生较轻，在时间格局上表现出明显的周期性，且与马尾松毛虫有着明显的同步性，这符合其在林间常与马尾松毛虫混合发生现象。但在2017—2018年，松茸毒蛾并未随马尾松毛虫暴发成灾，其原因有待考察。预计2022年，该虫将伴随马尾松毛虫呈增长趋势。(图2)

松褐天牛在湘西州呈现前期低位波动后期逐渐加重趋势。2007—2014年该虫害发生面积维持在较低水平，2015年之后该虫发生面积快速上升，并于2019年达到高峰(2 671 hm2)；2017—2018年有短暂剧减，但2019年后又处于高位波动。主要原因是2017年该州首次发现传入松材线虫病疫情，随后加强了媒介昆虫松褐天牛的防治。(图2)

云南松毛虫在湘西州危害较轻，近15年来一直处于缓慢增长态势，平均发生面积542 hm2。但该虫在2021年暴发，面积达到峰值2 470 hm2。预计该虫2022年发生面积将有所回落。(图2)

油茶炭疽病发生面积在时间序列上可分割为3个阶段，即 2007—2010年、2011—2014年、2014—2021年。15年来该病在湘西州呈现明显的时间格局。前4年该病发生整体较轻；但随着油茶种植面积的扩大以及防治措施未能及时跟上，导致了该病在2011—2014年持续高发，且在2014年到达峰值(3 327 hm2)；2014—2021年加强茶园管理，该病发生面积有所下降但仍处在高位。预计未来5年该病将保持稳中略增态势，2022年发生面积830 hm2左右。(图2)

图2 2007—2021年湘西州主要林业有害生物发生面积的时间变化及2022年预测Fig.2 Trend of the area index of major forestry pests from 2007 to 2021 and prediction in 2022 in Xiangxi Prefecture

3 结论与讨论

不同种类有害生物由于其自身特性的差异导致其寄主植物、危害形式、危害范围和防治方法等不尽相同。2007—2021年湘西州共调查发现有51种林业有害生物。部分年份因一些病害发生不明显，故未统计。通过灰色关联分析得知，危害湘西州的主要病害是油茶炭疽病，主要虫害是马尾松毛虫、松茸毒蛾、云南松毛虫和松褐天牛。防治工作的重心应在加强监测，防治突发灾害和外来入侵的同时，重点抓好5种主要有害生物防控。

林业有害生物的生态学过程和格局在空间分布上具有不均匀性及其复杂性，并随着寄主植物和环境的变化而改变。湘西州主要林业有害生物分布格局经历了从西向东、从南向北的变迁。当前主要林业有害生物在湘西州的发生总体上呈加重趋势，其东北部是灾害发生的重点部位，应加强防控。

湘西州5种主要林业有害生物的发生在时间格局上具有较强阶段性和复杂性。马尾松毛虫是湘西州主要林业有害生物，其发生在时间格局上一般呈3～4 a一个周期。当前，马尾松毛虫正处于上升周期，预计2022年将局部暴发，加强预防和治理工作。同时要防范松茸毒蛾与马尾松毛虫混合暴发，做好统防统治。近年来松褐天牛在湘西州危害呈上升趋势，作为松材线虫病的传播媒介，极易导致松材线虫病在该州自然扩散，应采取有效手段压低林间虫口密度。

发展油茶产业，既能保障我国粮油安全，又能促进山区农民增收致富。湘西州油茶资源丰富，栽培历史悠久，是湖南省油茶重点产区之一。2020年全州挂果面积约4.90万hm2，茶籽总产量21 569 t，可产茶油5 352 t。油茶病虫害是影响油茶生产的重要因素。当前，湘西州油茶病虫害发生严重，应进行系统治理。注重营造健康茶园，选择抗虫性较强的早熟品种和迟熟类型的紫红球、紫红桃等为籽种，并培育新的抗虫品种。要积极开展无公害防治，打造可持续经营的绿色茶园。

本研究中，重点以林业有害生物发生面积数据为样本，忽略了有害生物的危险等级，导致松材线虫病未能被有效判别出来。湘西州于2017年首次在永顺、保靖发现松材线虫病疫情，2018年扩散至6个县。2021年已在吉首、凤凰、华、花恒、保靖、古丈、永顺、龙山等7个县区22个乡镇11 419个松林小班中发生，面积达4 998 hm2，病死松树24 534株。松材线虫病已成为影响湘西州松林资源安全和国计民生的重大威胁，应引起高度重视，持续开展攻坚。同时可结合大力发展油茶，开展染疫林分改造。