三峽庫區松材線蟲病擴張速度對人為活動的響應

洪承昊,陳京元,趙 勇,宋德文,陳桂芳,張星耀

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,北京 100091 2 湖北省林業科學研究院,武漢 430075 3 宜昌市夷陵區森檢站,宜昌 443100 4 宜昌市夷陵區黃花鎮林業站,宜昌 443106 5 重慶市林業科學研究院,重慶 400036 6 中國林業科學研究院林業新技術研究所,北京 100091

三峽庫區松材線蟲病擴張速度對人為活動的響應

洪承昊1,2,陳京元2,趙 勇3,宋德文4,陳桂芳5,張星耀6,*

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,北京 100091 2 湖北省林業科學研究院,武漢 430075 3 宜昌市夷陵區森檢站,宜昌 443100 4 宜昌市夷陵區黃花鎮林業站,宜昌 443106 5 重慶市林業科學研究院,重慶 400036 6 中國林業科學研究院林業新技術研究所,北京 100091

松材線蟲病是我國森林重要的檢疫性病害,除自然媒介天牛傳播,人為因素介導的傳播在松材線蟲病擴散和蔓延中起著至關重要的作用。選擇在我國松材線蟲病的重點發生區域三峽庫區,研究馬尾松林景觀格局和以人為活動強度為主要因子的松材線蟲病擴散規律,嘗試揭示松材線蟲病擴散機制。結果顯示三峽庫區的疫點數在近年有上升趨勢,各地區發病率得到一定控制；在疫區和非疫區,馬尾松林斑塊聚合度最大的是非疫區的大渡口,為98.6406；斑塊分離度最大的是非疫區的秭歸,為0.9318；方差分析結果顯示馬尾松林景觀格局和松材線蟲病之間沒有相關性。進一步研究了松材線蟲病和人為活動強度的聯系,結果顯示松材線蟲病發病率和地區路網密度、人口總量具有較強的相關性,和地區GDP、貨運周轉量相關性小。宜昌的松材線蟲病發病率和路網密度的相關系數為0.985, 和人口總數的相關系數為0.866；重慶的松材線蟲病發病率和路網密度相關系數為0.924,和人口總數相關系數為0.999；其次基于路網密度和人口總數,對三峽庫區松材線蟲病疫情在未來十年進行了預測,結果顯示隨著路網密度和人口總數的擴增,宜昌松材線蟲病也將呈現逐步增大的趨勢,R2值為0.919和0.637；重慶發生趨勢一致,R2值為0.976和0.992。

松材線蟲?。获R尾松林景觀；人為因子；路網密度；人口總數；發生趨勢

松材線蟲病的逐步擴散和侵入已經成為不爭的事實,被國家列為重大森林生物災害[1- 2],松材線蟲病通過媒介昆蟲—松褐天牛(MonochamusalternatusHope)在進行補充營養過程中,將松材線蟲傳入寄主體內,從而引起寄主植株衰弱萎蔫直至枯死,整個過程僅需數月。截止2015年,松材線蟲病疫點已達16省份的187個區域,范圍和程度越發嚴重。針對松材線蟲病及其媒介昆蟲個體的研究較多,然而控制效果卻不理想,反而危害范圍逐年擴大。人為干預的間接傳播被認為是導致其遠距離擴散的重要機制,疫木制品在人類活動通路(鐵路、河流等)上的運輸,人口密度、經濟發展程度等都顯著的影響松材線蟲病的擴散[3- 5]。因此研究人為活動等因素是控制松材線蟲病的重要手段。從景觀尺度研究有害生物,尋求新的解決辦法已經受到研究學者的重視[6-8],從景觀水平對森林病蟲災害的侵入和擴散,以及和景觀格局之間的已有研究,對揭示森林病蟲災害的成因和防控具有重要意義[9-10]。

斑塊、廊道和基質是景觀的重要組成部分,廊道作為景觀中唯一起到連接和傳播作用的要素,生態作用顯著[11]。隨著城市化的快速發展,生態資源和環境問題之間的矛盾日益突出,土地的利用格局轉換也異常頻繁,廊道作用逐漸受到越來越多學者的重視,廊道本身有著雙重作用,一來可以起著生態屏障作用,阻斷廊道兩側的生物流和能量流,另一方面,廊道也起著連接斑塊,形成通路,促進斑塊間的能量流和生物流的作用[12-13]；也因此,造成松材線蟲病等重大森林病蟲災害擴散傳播逐漸加劇,廊道的生態功能與廊道的規模、數量、結構和格局密切相關。廊道從屬性上可以分為自然廊道和人工廊道,如江河等屬于自然廊道,道路和樹籬等屬于人工廊道。松材線蟲病的傳播和擴散受人為活動影響較大,因此研究廊道對揭示松材線蟲病的傳播擴散規律和防控具有重要意義。本研究以三峽庫區為研究對象,重點研究廊道的空間格局和松材線蟲病之間的關系,為從景觀尺度研究和控制松材線蟲病提供理論支持[14-15]。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

三峽庫區東起湖北宜昌,西至四川省江津,地理范圍106°—110°50′E,29°16′—31°25′N,涵蓋湖北巴東縣、夷陵、秭歸和重慶渝北、長壽巫溪等19個縣市,面積總和約5.4萬km2[16]。庫區地處我國地勢第二級階梯的東緣,地貌區劃為板內隆升蝕余中低山地,總體地勢西高東低,庫區內有我國主要干流長江。庫區內河谷平壩約占總面積的4.3%,丘陵占21.7%,山地占74%。庫區地處亞熱帶的北緣,年平均氣溫為17—19℃,年降水量1000—1250 mm。庫區現在廣泛分布的是針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林、灌叢和草叢等退化生態系統類型[17]。三峽地區的針葉林主要為馬尾松(Pinusmassoniana)林等,針闊混交林常見的有馬尾松、栓皮櫟混交林。

1.2 數據來源和方法

1.2.1 數據來源

松材線蟲病危害數據來源于湖北省森林病蟲害防治檢疫總站和重慶市林業科學研究院,由于宜昌市2006年開始確定有疫點,因此起止年份為2006年到2015年,由于松材線蟲病以侵入馬尾松林形成危害,因此統計和分析都以馬尾松林被害情況反應松材線蟲病情況,包括被害面積和被害株數。矢量數據來源于湖北省林業調查規劃院和中國科學院資源環境科學數據中心(含全國馬尾松林分布數據)。國民經濟數據和公路通路里程數據來源于宜昌市和重慶市統計年鑒,統計年份起止為2006年到2015年。

1.2.2 分析方法

根據三峽庫區歷年松材線蟲病疫點發生情況,主要將庫區分為東西兩段即宜昌段和重慶段,巴東縣松材線蟲病發生量小,本研究暫時未計入考慮。以兩區域縣市區為單位進行統計,基于矢量數據,在ArcGIS[18]平臺下,以大尺度繪制2006、2010和2015年的疫點分布圖；以鄉鎮為單位,統計2006到2015年的疫點個數,以在更小的尺度描述松材線蟲病危害的情況。以鄉鎮為單位統計疫點發病率,即實際發生面積和單位內松林面積之比代表松材線蟲病發生程度。

將研究區域劃分為疫點區域和非疫點區域,根據截止到2015年國家林業局發布的疫點公告,研究區疫點區域有9個,分別是猇亭、點軍、宜都、夷陵、云陽、長壽、巴南區、萬州和涪陵；非疫點區域有18個,分別是伍家崗、宜昌市轄區、西陵區、興山、當陽、秭歸、大渡口、江北、巫山、九龍坡、巫溪、南岸、江津、渝北、奉節、開縣、豐都和石柱。在ArcGIS平臺支持下,將各研究區馬尾松林轉換為矢量數據,結果導入Fragstates平臺,分析類型尺度下景觀格局差異,選取馬尾松林面積(CA)、分離度指標選取斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)和分離度(Division),聚合度指標選取斑塊形狀指數(Landscape Shape Index LSI)和斑塊聚合度指數(Aggregation Index AI),采用單側方差分析疫點區域和非疫點區域。

選擇代表區域國民經濟和社會發展程度的指標描述當地人類活動強度,以通車公路里程、GDP總量、人口密度和貨運總量4個指標,選取2006年到2015年10a統計數據。直觀反應出三峽庫區近10年人類活動強度的變化。通過因子分析、主成分分析確定人為活動強度因子中對松材線蟲病影響最大的因素。確定影響松材線蟲病的主要人為因素,并通過預測模型對未來10年松材線蟲病發生趨勢做出評估[19]。

2 結果和分析

2.1 庫區松材線蟲病擴張趨勢

3個時期松材線蟲病的疫點空間分布格局見圖1,從圖中可以看出2006年到2010年期間,在宜昌市將秭歸縣的疫點拔除,重慶市沒有明顯的縣市受到侵入成為疫點；然而2010年到2015年期間,重慶市卻增加了一個地區,巴南區,且發生較為嚴重,宜昌市又將點軍區和猇亭區兩個疫點疫情控制較好,沒有出現危害。從圖中看出,疫點的分布主要沿著長江流域,對長江流域兩岸的生態安全造成極大的威脅,由于該流域處于我國中西部地區,地市起伏大,多為丘陵山區,一旦山林遭遇破壞,極易造成大面積的山體滑坡等地質災害。

圖1 2006到2015年3個時期庫區松材線蟲病分布情況Fig.1 The distribution of pinewood nematode from 2006 to 2015

在以地區鄉鎮為單位進行統計后,宜昌市松材線蟲病鄉鎮疫點數從2006年到2015年呈現穩步減少的趨勢,2009年個數最多有9個,2015年個數最少僅有6個；重慶市則在該時期變化波動大,呈現疫點增多的趨勢,從2005年最少的24個疫點鄉鎮到2015年疫點鄉鎮55個。從危害率看,宜昌市松材線蟲病危害率呈現減小的趨勢,2010年危害率最高為0.4114%,除去剛發現松材線蟲病確定為疫點年份的2006年外,2015年最小危害率僅為0.2435%；重慶市松材線蟲病危害率呈現先降低后增大的趨勢,且增大趨勢明顯,最低年份是2010年為0.2911%,最高的是2015年為0.5450%(圖2)。

2.2 疫點和非疫點區域景觀格局

在相同行政尺度下比較疫區和非疫區的馬尾松林景觀格局(圖3),選取研究區域馬尾松林面積、斑塊數、斑塊密度、斑塊分離度、斑塊形狀指數和斑塊聚合度指數在類型水平下比較差異。

圖2 研究區2006—2015年疫點和危害情況 Fig.2 The epidemic town and harm of study area from 2006 to 2015

圖3 疫區和非疫區馬尾松林景觀格局情況 Fig.3 The Pinus massoniana landscape pattern in epidemic and non-epidemic towns

結果見表1,可知,松林面積最大的地區是當陽,達到68261hm2,最小的是伍家崗地區為615hm2；馬尾松林斑塊個數最多的是石柱,有35個,最小的是西陵只有1個。斑塊密度最大的是宜昌市市轄區為0.8547,是非疫區,最小的是長壽,僅為0.0268,是疫點區域；斑塊分離度最大的是秭歸,為0.9318,是非疫區,最小的是大渡口和西陵,因為僅有一個馬尾松林斑塊,為0,是非疫區；斑塊形狀指數最大的是石柱,為8.8032,最小的是大渡口,為1.5065,都是非疫區；斑塊聚合度最大的是大渡口,為98.6406,最小的是伍家崗。為92.3729,都是非疫區；通過單側方差分析,顯著性水平在0.05,馬尾松林面積結果顯示,F值為2.38901,P值為0.13476,疫區和非疫區差異不顯著；分析斑塊個數結果表明,F值為1.23841,P值為0.27636,疫區和非疫區差異不顯著；分析斑塊密度結果表明,F值為0.94982,P值為0.3391,疫區和非疫區差異不顯著；分析斑塊形狀指數結果表明,F值為2.98908,P值為0.09616,疫區和非疫區差異不顯著；分析斑塊分離度指數結果表明,F值為2.16487,P值為0.15367,疫區和非疫區差異不顯著；分析斑塊聚合度指數結果表明,F值為0.00865,P值為0.92666,疫區和非疫區差異不顯著；

2.3 人為活動強度變化及主成分分析

選擇研究區宜昌市和重慶市全市的GDP、人口總數、貨運總量和通車公路里程為研究因子。通過2006至2015年10年間的變化,見圖4,得知宜昌市和重慶市GDP總量都呈增加的趨勢,宜昌市從2006年694.91億元增加到2015年3384.8億元,重慶市GDP增速更明顯,從3907.23億元增加15719.72億元；路網密度兩市在10年間密度越來越大,宜昌市從每平方公里1.1845 km增加到1.3632 km,重慶市路網密度高于宜昌市,從每平方公里1.2172 km增加到1.5515 km；人口總數上,10年間變化不大,重慶市有所增加；貨運周轉量方面,兩市都明顯的顯現增加的趨勢,宜昌市從2006年51.04億t/km增長到2015年522.22億t/km,重慶市的增幅更大,從821.38億t/km增長到2783.04億t/km,僅僅在2013年有所降低。

表1 疫點和非疫點區域馬尾松林景觀格局比較

CA：斑塊面積 Class area；NP：斑塊個數Number of patches；PD：斑塊密度 Patch density；Division：分割指數 Landscape division index；LSI：斑塊形狀指數 Landscape Shape Index；AI：斑塊聚合度指數Aggregation Index

圖4 2006—2015年人為活動因子變化Fig.4 The intensity of human activity change from 2006 to 2015

通過因子分析法,宜昌的取樣足夠度的KMO值大于0.7,拒絕原假設相關系數為0,適合做因子分析,得到相關矩陣圖(表2),發病率和路網密度的相關系數為0.985,和人口總數的相關系數為0.866；公因子方差顯示松材線蟲病發病率、路網密度和人口數初始值和提取值均為1,表明兩個因子可以代表發病率,因子分析結果有效。解釋的總方差(主成分分析法)結果顯示,表3,發病率和路網密度兩項因子特征值大于1,且累計貢獻達到96.748%,而GDP、貨運周轉量和人口總數初始特征值分別為0.131、0.023和0.011。

表2 多因子相關矩陣

表3 多因子分析主成分分析(解釋的總方差-宜昌)

提取方法：主成份分析

重慶市結果顯示,表4,取樣足夠度的KMO值0.756,拒絕原假設相關系數為0,適合做因子分析,相關矩陣結果顯示發病率和路網密度相關系數為0.924,和人口總數相關系數為0.999；公因子方差的提取值均為1,表明可以代表發病率,可以用路網密度和人口總數趨勢代表松材線蟲病發病率的高低,相關性高,解釋的總方差(主成分分析法)顯示發病率大于1,路網密度接近1,累計貢獻率達到98%以上。GDP、貨運周轉量和人口總數初始特征值分別為0.059、0.016和0.001。

表4 多因子分析主成分分析(解釋的總方差-重慶)

提取方法：主成份分析

通過主成分分析顯示,除去松材線蟲病發病率作為主因子外,宜昌的路網密度初始特征值大于1,重慶的路網密度初始特征值接近于1,且累計占比為96.748%和98.474%,因此進一步說明路網密度可以主要反映松材線蟲病發病率的情況。

2.4 松材線蟲病的疫情預測

通過以上結論,路網密度可以代表地區松材線蟲病的疫情發生情況,人口總數雖然主成分分析顯示不能完全代表發病率的情況,但是相關矩陣結果表示關聯性高,因此根據路網密度和人口總數變化趨勢,通過建模模擬未來10a松材線蟲病的發生趨勢圖。通過“專家建模器”、“ARIMA”和“指數平滑法”不同建模類型的比較,得到指數平滑法的Holt線性趨勢描述較為合理,結果見圖5和圖6。宜昌市松材線蟲病疫情發生的趨勢較大,特別是隨著路網密度和人口總數的上升,模擬值顯示出直線上升的趨勢,R2值為0.919和0.637,置信度95%,說明指數平滑法的Holt線性擬合具有較好的擬合效果,能夠反映出松材線蟲病的發生趨勢。通過重慶市的路網密度和人口總數代表松材線蟲病疫情的發生去情況,總體趨勢依然呈現上升的趨勢,且程度上更大,基于重慶市路網密度的預測模型中,R2值為0.976；基于重慶市人口總數的預測模型中,R2值為0.992,置信度95%；

圖5 基于路網密度和人口的預測模型(宜昌)Fig.5 The forecast model base on density of road network and total population (Yichang)

圖6 基于路網密度和人口的預測模型(重慶)Fig.6 The forecast model base on density of road network and total population (Chongqing)

3 討論

3.1 馬尾松林景觀格局和松材線蟲病疫情

松材線蟲是我國林業極其重要的入侵性有害生物,對我國松林資源造成了不可逆的毀壞。利用景觀生態學的有關理論對防控治理松材線蟲病有著重要的實際意義[20-21]。馬尾松是松材線蟲病的寄主,直接導致馬尾松萎蔫死亡,然而通過本研究,從景觀尺度研究表明,馬尾松林的空間格局并不能直接導致松材線蟲病的疫情發生,即馬尾松林景觀格局和松材線蟲病的發生沒有相關性。在此基礎上,進而推斷松材線蟲病疫情的發生和人為活動因素或地區景觀格局等因素有關。然而松林是松材線蟲的天然寄主,松材線蟲病的發生必然依靠寄主的分布、樹勢和其他屬性,因此從景觀層次研究組分結構和松材線蟲病之間的關系值得做更多工作。

3.2 經濟發展程度和松材線蟲病疫情

松材線蟲病疫情雖受到人為活動影響,已有學者對其和景觀格局進行了研究分析,然而經濟發展程度(人為活動強度)的界定卻鮮有報道[15,22-23]。本文通過歷史資料找出松材線蟲病和人為活動強度因子的聯系,包括路網密度、人口總數、GDP和貨運總量,結果顯示路網密度和人口總數與松材線蟲病的疫情有著顯著的正相關性。近年來人民社會的需求增加造成了路網建設的加多,規劃越來越密,城市之間,地區之間和村與村之間的交往聯系也越來越頻繁,造成松材線蟲病的被動傳播幾率加大。然而隨著三峽庫區兩市和巴東縣的路網規劃升級,宜湘高速公路、一、二級公路等一批重大路網工程項目的實施,對環境和生態安全必將造成更大的風險。其次路網密度的增加反應了生境斑塊隔離強度的增加,滲透理論[24]的生境隔離效應(effect of habitat loss)指出,生境斑塊間隔程度對生物個體遷移和種群動態的影響表現臨界閾現象,達到某一程度,生態學影響突然加劇,即表明松林隨著路網密度的增加而隔離,松材線蟲病卻并不是下降的趨勢,它還受到媒介昆蟲-松褐天牛的遷移能力的影響,生境隔離程度隨著物種遷移能力的變化一樣具有臨界閾現象[25]。

3.3 人口壓力和松材線蟲病疫情

人口總數上,宜昌市和重慶市都表現出穩定略有增加的趨勢。人口總數的增加,表明區域內生產生活強度在加強,因此而帶來的對資源和環境的巨大壓力,人口總數的增加必然導致人類景觀趨向多樣性和復雜性,人類景觀也是研究景觀生態學和人類相互作用的基本單元,人口總數最大的體現出人類對自然資源和環境資源的依賴程度,基數越大對資源和環境的需求越大,不可避免的造成人類景觀越多,對人類景觀的研究有助于研究自然和社會耦合系統[26],更清楚的表明自然資源的變化和人類社會之間的關系,特別是自然資源的空間異質性對社會經濟發展的影響。

4 結論

本文以三峽庫區為研究對象,選取路網密度、GDP總量、人口密度和貨運總量4個變量指標,分析2006年到2015年10a變化數據,研究與松材線蟲病擴散速度的關系,研究表明路網密度和人口總數與松材線蟲病的疫情有著顯著的正相關性,重慶的相關系數值結果為0.924和0.999,宜昌的結果為0.985和0.866。其次采取Holt線性趨勢法,基于路網密度和人口總數描述未來十年庫區松材線蟲病疫情,結果表明庫區兩市松材線蟲病仍將處于逐步增大的趨勢,宜昌分析結果表明隨著路網密度和人口總數的上升,模擬值顯示出直線上升的趨勢,R2值為0.919和0.637,重慶分析結果表明發生程度上較宜昌更為嚴重,上升趨勢更為顯著,基于路網密度和人口總量的預測模型中,R2值為0.976和0.992,置信度均為95%；

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Acorrelationofpinewoodnematodedispersalratewithhumanactivities—acasestudyintheThreeGorgesReservoirArea

HONG Chenghao1,2, CHEN Jingyuan2, ZHAO Yong3, SONG Dewen4, CHEN Guifang5, ZHANG Xingyao6,*

1Instituteofforestecologicalenvironmentandprotection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2HubeiAcademyofForestry,Wuhan430075,China3StationofPestandDiseaseControlandQuarantineofYilingDistrict,Yichang443100,China4StationofforestryofHuangHua,Yichang443106,China5ChongqingAcademyofForestry,Chongqing400036,China6Researchinstituteofforestnewtechnology,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

The pine wood nematode is a major quarantine pest in China, in addition to the vector insectMonochamusalternatusHope, and humans play an important role in the proliferation and dispersal of these pests. This study was carried out in a concentrated pinewood nematode area of the Three Gorges reservoir. The landscape of region dominated byPinusmassonianawas analyzed based on the intensity of the effect of humans for diffusion processes, which are the key factors to the dispersal of the pinewood nematode, in an attempt to reveal dispersal mechanisms. The results showed the number of epidemic towns increased, but the incidence rate of the pinewood nematode was controlled. ForP.massonianain epidemic or non-epidemic towns, the largest aggregation index was 98.6406 in Dadukou, which is a non-epidemic town; the largest division index was 0.9318 in Zigui, which is a non-epidemic town; and the results of the variance analysis showed that there was no correlation between theP.massonianadistribution pattern and the pinewood nematode. We further studied the correlation between humans and the pinewood nematode, and the results showed the incidence rate was correlated with the density of road networks and the total population, and had little correlation with the GDP or rotation volume of goods transport. In Yichang, a factorial analysis showed that the correlation coefficient of the incidence rate and density of the road network was 0.985, and the correlation coefficient of the rate and total population was 0.866. In Chongqing, a factorial analysis showed that the correlation coefficient of the rate and density of the road network was 0.924, the correlation coefficient of the rate and total population was 0.999. Then, in view of the density of the road network and total population, it was predicted that the incident rate of the pinewood nematode in Yichang will increase during the next decade as the density of the road network and total population increases, withR2values of 0.919 and 0.637, respectively. Results from Chongqing were consistent withR2values of 0.976 and 0.992, respectively.

pine wood nematode;Pinusmassonianalandscape pattern; human beings; density road network; total population; occurrence trend

林業公益性行業科研專項經費資助(201204501)；國家重點研發計劃(人工林重大災害的成災機理和調控機制)

2016- 07- 25; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xyzhang@caf.ac.cn

10.5846/stxb201607251510

洪承昊,陳京元,趙勇,宋德文,陳桂芳,張星耀.三峽庫區松材線蟲病擴張速度對人為活動的響應.生態學報,2017,37(20):6800- 6808.

Hong C H, Chen J Y, Zhao Y, Song D W, Chen G F, Zhang X Y.A correlation of pine wood nematode dispersal rate with human activities—a case study in the Three Gorges Reservoir Area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6800- 6808.