松材线虫病监测技术研究进展

汤西灵，罗艳玲，朱云倩，温秀军

（华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)是常见的松材寄生线虫，能引发松材线虫病。松材线虫病(Pine wilt disease)又被称为松树萎焉病，是松树的一种毁灭性流行病害[1,2]，主要通过松褐天牛等媒介传播，传播迅速，死亡率极高，难以控制[3]。自从在北美出现后，它已经扩展到欧洲和亚洲的许多国家和地区，对全球生态安全构成严重威胁[2]。目前，这种病害已经广泛分布于8 个国家，包括北美的美国、墨西哥和加拿大；东亚的中国、日本、韩国和朝鲜；以及欧洲的葡萄牙[4-9]。在受影响的国家中，中国、日本和韩国是受影响最严重的。1979 年，在日本造成了243 万株松树的大规模死亡[10]。在韩国，2005 年大约有78.11 km2的松树林被摧毁[11]。1982 年，在中国南京东郊首次发现该病的存在，随着病情不断蔓延，许多松林被毁，损失惨重[2]。据国家林业与草原局2023 年第七号通告，与2022 年相比，全国新增了7 个松材线虫病县级疫区，松材线虫病在19 个省广泛分布。大多数感染了松材线虫病的松树从初始感染发展到严重感染阶段一般是在5 周内[12]。因此，有必要持续监测松材线虫的适宜栖息地，并在早期感染阶段识别受感染的松树，以避免病害的进一步传播，有效控制松材线虫病[13]。松材线虫病的传播主要依赖于松褐天牛(Monochamus alternatus)成虫这一媒介昆虫，然而至今仍未发现有效的防治方法。因此，对于防止松褐天牛传播松材线虫病，及时发现和精准定位病死的松树是至关重要的，这不仅可以有效地遏制其扩散，还可以提高防治效果[14]。我国在松材线虫病疫情防控方面面临着被动的局面，监测技术相对滞后，传统的人工地面监测已经无法满足需求。然而，随着近年来地球空间信息科学和传感器技术的迅猛发展[15,16]，为松材线虫病的疫情监控提供了有力的支持。

1 松材线虫病的发生危害特点

1.1 病害传播速度快

松材线虫病只需要通过短期的积累就能实现大面积和大范围的传播。松树林的密度和比例等也与松材线虫病的发生和传播速度呈正相关[13]。该病害可以通过病媒传播，如松褐天牛，而这些病媒可以携带大量的病原体。根据相关统计显示，一只天牛可以携带多达20 万条松材线虫[17]。

1.2 病害致死率较高

由于林业从业人员在监测过程中所掌握的专业知识和技能不足，其综合素质亦不尽如人意，因而难以从事科学的监测工作。同时我国森林资源分布不均衡，部分地区还存在着大面积的国有林场或者是集体林地，这些都给松材线虫提供了良好的生长环境。由于监测技术的滞后，我们无法及时发现松材线虫病发生的早期迹象。一旦发现有虫害迹象，就需要及时采取措施，将其消灭。当症状显现时，此时已进入病虫害爆发的中期或晚期，此时病虫害难以被技术手段所遏制或完全消除，从而给森林带来了严重的经济损失[18,19]。

1.3 病害分布时空特征

松材线虫病是一种由松材线虫引起的病害，其发生时间和地理位置分布呈现出一定的规律性。通过对松材线虫病的地理信息进行深入分析，可以发现其疫情与环境因素、人类活动密切关联，同时表现出周期性和季节性规律。基于这些规律，可以建立起相应的时空模型，以便更好地预测和控制疫情的发展趋势。因此，深入探究松材线虫病的地理空间分布和发生时间规律，对于为疫情防控提供科学依据和决策支持具有不可或缺的重要性[20]。在我国，松材线虫病呈现出聚集分布的趋势，并在不同的空间尺度上向外扩散[21]，其空间变化呈现为从沿海经济发达地区向经济欠发达的地区(如东北、西北)扩散的趋势[22]。松材线虫病疫情随着时间发展推移，疫情的传播范围向外围发生扩散，疫区危害程度由高聚集型向低密度型转变，新发疫点呈现跳跃式发生，且分布较为零散，很难将所有疫区都控制住，也很难在短时间内消灭这些疫区[20]。

2 媒介昆虫松褐天牛诱捕监测

松材线虫主要以松褐天牛为传播媒介，在松褐天牛取食松树树皮补充养分时侵入松树的伤口，接着快速且大量地繁殖，继而导致松材线虫病的发生[23]。因此需要有效的方法来监测松褐天牛的种群活动，以监测松材线虫病在国内的传播[24]。

2.1 灯光诱捕

松褐天牛是一种弱趋光性昆虫，其被灯光诱杀的效果也一般[25]。灯泡可采用450 W 高压汞灯，灯架由白铁皮和玻璃片制成，漏斗下装有收集昆虫的纱布袋，灯盏间距80 m 以上，每天天黑后开灯，次日天亮时关灯。其灯光诱捕需要一次性投资较大，并且受到电源及山地等客观条件的限制。在野外应用方面，其安全性相对较差[26]，需要使用高功率的高压汞灯，并且对电力设备的要求较高，同时操作起来也相对较危险。在农村地区，由于触电、漏电等安全问题的存在，会带来很大的潜在风险。在恶劣的天气条件下，尤其是刮风下雨时，其问题更加突出，不建议进行大规模推广[25]。

2.2 饵木诱捕

设置诱木监测松褐天牛。为了设置诱木，宜选取密集、拔地而起、通风良好之松林，且以虚弱、惹病虫害之松木为宜[27]。夏季初期(大约是五月中旬)，在离地面30 cm 左右的诱木基部，沿着诱木侧面的3 个方向，使用刀子每个方向砍3～4 刀，切口深达木质层的1～2 cm，在刀口与树干形成30°角位，接着使用注射器将化学诱剂A-3 型注入切口(广东省林业科学研究院研制)[28]。诱木中的诱剂药效耗尽后，可根据需要再次添加诱剂，若诱木内天牛量较多，可伐除销毁后重新设置诱木[27]，这种方法可有效控制松褐天牛的种群密度，减少其对树木造成的危害。诱木诱捕是一种常见的杀死松褐天牛的方法，但其存在一些问题。首先，由于没有昆虫收集装置，成虫时常逃逸，导致效果不佳。其次，在诱捕结束之后，还需要将诱木全部运出林区进行集中销毁，工作量大，同时还有可能把天敌杀死。此外，地理环境也会对销毁工作造成影响。因此，虽然杀死松褐天牛是一种有效的方法，但需要考虑到其实施的可行性和效率[29]，在实际操作中很难掌握。

2.3 引诱剂诱捕

在昆虫种群监测和预警中，诱捕器发挥了重要作用。我们常常使用它来监测农林害虫的种群变化并分析相关影响因素，预测害虫发展趋势，提出适当的控制措施和预测害虫种群变化，并提出适当的防治意见[30]。

诱捕器在松褐天牛的羽化期时(5—8 月)被放置在每一固定监测点。可放置在山顶，沿着森林道路，在一个通风良好的地方。诱捕器的底部距离地面约为1.5 m。为了防止天牛成虫从诱捕器中钻出，采用了锌铁皮或塑料制成的诱捕器。将干净的棉球放在诱芯中，然后在诱芯中加入200 mL 的引诱剂，之后每20 天向诱芯中加入140 mL 的引诱剂。每隔1～2 天(羽化后期为5～7 天)对诱捕器进行检查、分离并在显微镜下检查是否存在松材线虫。如果发现有松材线虫，可通过 “打孔流胶法” 在诱捕点附近1 km 区域内开展早期检测工作，同时抽取疑似病树样本进行分离和鉴定，确认病害点位，分析疫情扩散情况[31]。选择合适的诱剂挂放诱捕器是监测控制松褐天牛的有效举措，具备良好诱捕作用，既方便又安全，不受客观条件的限制，有利于天敌的防护，可大规模推广应用[26]。

近年来，随着天牛的引诱技术不断发展，基于昆虫信息素研制出的新型松褐天牛引诱剂已成为松材线虫病防控中至关重要的手段。这种引诱剂不仅具有高效率、专一性强、操作简便、绿色安全、适用范围广、成本低等诱捕特点[32-35]，而且可以根据引诱物质的来源划分为植物源引诱剂和信息素引诱剂两类。植物源诱剂就包括多种单萜和溶剂，而昆虫信息素引诱剂则包括多种聚集信息素[36,37]。目前，国内应用最广泛的是福建农林大学所研发的APF-I 型引诱剂和诱捕器[38]。该引诱剂是结合松褐天牛寄主植物挥发物以及昆虫信息素制备的新型品种。由于其良好的引诱活性和捕捉效果，现已得到广泛推广和应用[34,39]。这些研究成果为松材线虫病的防控提供了新的思路和方法，也为其他害虫的防治提供了借鉴和启示。

3 松材线虫病死树监测

森林病虫害管理在很大程度上取决于有效的监测。对相关危害的实时监测可以保证对森林病虫害的早期预警和有效控制，为制定防治政策提供有效的依据[40]。传统的监测方法主要以人工地面调查为主，但该方法耗时长，劳动强度大，成本高。此外，使用传统的监测方法很难全面准确地调查害虫的发展情况[41,42]。而利用遥感技术监测林业有害生物，具有实时动态监测、覆盖面积大、不易受环境干扰、周期短等优点，利用遥感技术监测松材线虫病也取得了一些进展。

3.1 全面普查

在我国，监测松材线虫病的疫情一直是林业最重要的任务之一。由于传统的秋季普查方法已经面临着时效性欠缺的问题,而且为更好地了解疫情发展的动向，国家林草局于2022 年出台了新的《松材线虫病防治技术方案》，明确了常规监测和专项调查的综合关系。在新版的方案中，常规监测将以发现新的疫情为重点，强调全面调查、准确鉴定和及时报告。为了确保监测效果，方案要求每2 个月进行一次常态化巡查。这一监测方式，不仅提高了监测的时效性，也更加全面地掌握了疫情发生动态，为松材线虫病的防治提供了更加有效的技术支持。监测的重点是没有松材线虫病爆发的松树林，包括小群落和分散的松树林。主要任务是监测松材线虫病的爆发，收集样本并进行鉴定，确认新发疫情松林小班并进行详细调查[43]；而专项普查则是从松材线虫病发生区按森林资源小班分布图，沿着设计路线进行全区松林的普查。调查的目的是确定病死树的范围、数量和面积(基于小集群的统计)，建立一个分布图，并计算病死树和损失的树木数量。这将有助于记录爆发情况并形成年度控制计划表[31]。新版的《松材线虫病防治技术方案》出台，为我国松材线虫病防治工作提供了更加科学的技术支持和指导，也有利于提升我国森林防疫工作的水平。

3.2 人工监测

主要是人工的定期巡查。传统的地面监测工作，主要是用望远镜等工具，以人工巡查的方式，按小班划分成网格进行。在进行巡查之前，需要对相关的档案资料进行详细的查阅，对松树林的分布以及松材线虫病的爆发有一个清晰的认识，并在此基础上，结合地形地貌以及交通状况，对巡查路线进行合理的设计[43]。定期巡查那些人类活动频繁的区域(如道路两旁、旅游景点、大型企业、大型建筑工地、仓库、码头、驻军营房、城镇周边、车站、木材加工厂、电视发射站)周围的松林，如发现疑似感染的松树，应立即实施采样、检测，以确认是否存在松材线虫[31]。

3.3 遥感监测

随着遥感技术、GIS 技术的迅速发展，使用各类航空、航天遥感影像对病害进行监测已经成为一种重要的发展方向[44]。

3.3.1 卫星遥感监测

卫星遥感技术已经被广泛地应用于森林病虫害的监测，例如高分五号卫星资料可以进行森林病虫害的定量分析[45]。刘志明[46]等人利用气象卫星AVHRR 获取了大兴安岭山区的遥感数据，并对经过处理的绿色指数(RVI)进行了分析，以及结合现场抽样调查，对马尾松毛虫为害区域进行了面积评估。在研究中，Huang 等[47]人使用高分影像技术构建了大量松材线虫病样本数据集,并利用深度学习技术精确地辨识了松材线虫病感染区域。该研究成果采用了双时相变化检测,并强化了图像的时空特征，消除了区域内变色落叶树的影响，从而明显降低了疫木的误检率，相较于单一时相的机器学习分类方法有了显著提升[48]。

但目前使用的高光谱仪等成像仪器所获得的光谱特性信息，受卫星运行周期、经费、传感器分辨率、光照、温度等因素的影响，尚不能对其进行准确的分类。对松材线虫病疫木的监测，要求精确定位，而现有的卫星遥感技术难以满足这一要求。所以，在利用卫星遥感进行松材线虫病疫木监测时，还需要有更准确的方法[49]。

3.3.2 地面遥感监测

地面遥感是各种移动终端传感器支撑平台的统称，既能探测和采集地物目标信息，也能测量各种地物波谱。随着我国自主研发的以 “北斗” 为代表的全球导航卫星系统(Global navigation satellite system,GNSS)服务的应用，基于此信号的移动终端设备更新快速。这种实时定位的地面遥感广泛应用于林业数据源的获取与分析中，并为松材线虫病的监测提供技术支持[50]。地面遥感发现松材线虫病的存在与高光谱特征明显相关。Zhang 等[51]研究表明，松树在得病不同阶段的光谱反射率似乎有很大不同。Kim 等人[52]构建了一个红—绿光谱面积指数(GRSAI)，并发现它比其他指数更快地检测到松材线虫病的感染。然而，有些研究使用野外便携式光谱仪来收集光谱数据，忽略了空间信息，因此不能在大规模地区应用[53]。该方法具有范围小、活动性高的特点，在松材线虫病的诊断中常作为人工辅助手段进行精细化实地定位核查[54]。

3.3.3 无人机遥感监测

无人机遥感是一种快速、可靠、易于使用的大面积覆盖的监测工具，可以弥补传统地面观测和卫星遥感的不足，可以根据监测作业的技术要求，灵活地调整分辨率与采集的数据类型，从而实现有针对性的获取不同的植被特征，也需要发展无人机稳定技术和定位技术[14]。在重庆市沙坪坝区松材线虫病的发生区武红敢等人[55]对其进行了无人机遥感技术的分析研究。而李卫正等[56]也利用低成本小型无人机对疫区进行高分辨率的图像采集，然后通过LPS(Leica Photogrammetry Suite)进行正射，随后将其导入美国GeoLink 软件，收集病树和死树的位置信息。事实证明，这种方法比传统的病害监测应用更有效。Abdel-Rahman 等人[57]利用机载高光谱数据探索了SVM 和RF 分类器来区分健康期、染病和病死的松树。

基于无人驾驶飞行器(UAV)的遥感在中小规模上是高效和灵活的。该设备可以配备遥感器，产生高分辨率的图像，在监测森林病虫害方面有很大的潜力[58]。许多研究人员考察了基于无人机的遥感技术在松材线虫病监测方面的表现。Iordache 等人[59]获得了机载多光谱和高光谱数据，并采用随机森林(RF)算法来比较这两个数据集在检测松材线虫病方面的分类准确性。

然而，传统的遥感图像识别方法的效率和准确性不一定能满足病害监测的需要。深度卷积神经网络(DCNN)是近年来兴起的一项技术，具有学习海量、高维图像特征的优秀能力，在涉及遥感图像的分类、识别和监测任务中得到了广泛的研究和应用[60]。Huang 等[60]通过对5 个常用DCNN 模型的迁移学习和结构参数调整，得到了一个基于Slim 模块结构的改进模型，测试样本的分类精度达到94.90%。深度学习在遥感数据分析中的应用表明，D-CNN 能够高效、准确地处理大规模遥感数据，也被广泛应用于计算机视觉和其他领域[61,62]。Ha 等人使用深度学习来处理无人驾驶飞行器(UAV)在低空拍摄的图像，并识别受感染的萝卜植物，CNN 获得了93.3%的准确率[63]。RanCon 等人获得并标记了患病和健康藤蔓植物的图片，使用从ImageNet 数据库上训练的MobileNet 网络中提取的深度特征，获得了91%的总体准确率[64]。上述研究表明，与传统的机器学习方法相比，利用深度学习可以得到更高的识别准确性。在基于航空图像的森林病虫害监测中，Sylvain 等人使用D-CNN 来识别树木的健康状态，准确率达到94%[65]。作为实地勘察的替代方法，可以采用无人机图像、无人机数据构建正射影像和数字表面模型(DSM)、基于深度学习的物体监测的组合，以更大的覆盖面和准确度来定位受松材线虫病破坏地区的新松树[66]。

4 展望

松材线虫病防治作为世界性难题，需积极探索有效的防治方法，要把松材线虫病的监测和防控视为一场长期的战役，减轻松林疫情，减少成片枯死松树现象，必须积极寻求一条行之有效的防控途径。可以加强普查监测，根据测报的数据，及时制定综合治理技术方案；并加强检疫，阻止疫情的传播蔓延[67]。如今，对松褐天牛的监测和防治已经运用了引诱剂和诱捕器，并已得到了广泛的使用。不过，针对于不同的林分类型和地区，诱捕器的使用效果也有着一定的区别。如果滥用，很可能会加重松材线虫病疫情的扩散。考虑到目前诱捕器更适合于疫情的监测，因此在疫情发生区和非发生区的交界处，禁止其使用[68]。利用遥感技术，可实现对受害林木的大范围监测与定位，进而制定相应的防治策略，防止森林病虫害的进一步扩大，导致森林资源的重大损失[69,70]。为了保障我国的松树林生态安全，徐培林等[71]提出 “天空地一体化立体监测技术”，将航天遥感、航空遥感和地面遥感技术相结合，用于松林的病虫害监测，以提高监测效率。充分利用天空地融合监测技术系统,充分发挥各自的优势,鉴别出多样化的情况,以促进卫星遥感技术、无人机遥感识别、地面物联网监控技术等的融合发展和应用。并进一步增加疫情监控调查手段和信息核实核查的方式,以提高监测识别与监管能力[43]。未来该领域的研究也将结合高光谱高分辨率遥感卫星数据、无人机数据、北斗高精度定位以及物联网实时监测数据，达到 “天空地网” 一体化监测，从而准确识别早期罹病木，实现松材线虫病的精准监测与全过程动态监测[72]。