葉爾羌河流域胡楊春尺蠖發(fā)生期遙感預(yù)測(cè)

陳孟禹, 賈翔, 陳蜀江, 侯博展, 劉逸豪, 黃鐵成, 閆志明

葉爾羌河流域胡楊春尺蠖發(fā)生期遙感預(yù)測(cè)

陳孟禹1,2, 賈翔2,3,*, 陳蜀江2,3, 侯博展2,3, 劉逸豪2,3, 黃鐵成2,4, 閆志明5

1. 蘇州科技大學(xué)外國語學(xué)院, 蘇州 215009 2. 烏魯木齊空間遙感應(yīng)用研究所, 烏魯木齊 830054 3. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054 4. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 5. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院, 烏魯木齊 830052

為了深入了解胡楊春尺蠖()蟲害的發(fā)生期規(guī)律, 以新疆葉爾羌河流域胡楊林分布區(qū)為研究區(qū), 結(jié)合2001—2015年的胡楊春尺蠖活動(dòng)期遙感數(shù)據(jù)溫度和實(shí)地調(diào)查蟲情信息, 基于有效積溫法則, 預(yù)測(cè)春尺蠖發(fā)生期, 從而確定最佳防治時(shí)間。結(jié)果表明: (1)春尺蠖羽化之后各蟲態(tài)發(fā)生時(shí), 環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)育起點(diǎn)溫度, 因此各蟲態(tài)的發(fā)生時(shí)間大大縮短, 符合新疆春尺蠖發(fā)生時(shí)間周期短的現(xiàn)象; (2)借助有效積溫模型, 可知二齡蟲發(fā)生時(shí)春尺蠖蟲卵孵化進(jìn)入始末期, 且春尺蠖四齡食葉蟲基本沒有發(fā)生, 因此春尺蠖最佳防治時(shí)間是幼蟲的二齡蟲。

葉爾羌河流域; 胡楊春尺蠖; 發(fā)生期; 有效積溫

0 前言

葉爾羌河流域位于新疆南部, 廣泛分布著胡楊林[1], 不僅是平原荒漠生態(tài)系統(tǒng)的主要植被類型, 也是天然綠洲生態(tài)系統(tǒng)的骨架和人工綠洲的外圍屏障[2], 起著重要的防風(fēng)固沙生態(tài)平衡作用。受到多種原因作用, 胡楊林衰敗嚴(yán)重[3], 林區(qū)內(nèi)蟲害肆虐, 其中春尺蠖蟲害尤甚。目前胡楊春尺蠖蟲害防治率低[4], 探尋胡楊春尺蠖發(fā)生規(guī)律, 進(jìn)而高效預(yù)警并精準(zhǔn)防治則顯得尤為迫切[5]。

胡楊春尺蠖蟲害的發(fā)生有爆發(fā)概率小、發(fā)生強(qiáng)度大、不規(guī)則發(fā)生和累積性等規(guī)律[6], 傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)、藥劑誘捕等方法獲取信息較為精確, 然而整個(gè)調(diào)查過程需要耗費(fèi)過多人力、物力和財(cái)力資源[7]。遙感技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究已在國內(nèi)外學(xué)者中廣泛地開展[8-10], 可以實(shí)踐應(yīng)用于森林病蟲害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 但目前還沒有在蟲害監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用, 仍處于試驗(yàn)階段[11], 劉逸豪等運(yùn)用MODIS溫度產(chǎn)品和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)近15年來葉爾羌河流域胡楊春尺蠖蟲害發(fā)生程度日趨嚴(yán)重, 各蟲態(tài)與溫度之間的關(guān)系符合生物學(xué)發(fā)生規(guī)律[12]。

本研究以葉爾羌河流域研究區(qū)胡楊林春尺蠖蟲害為探究對(duì)象, 以劉逸豪等研究成果為基礎(chǔ)[12], 基于有效積溫法則, 以MODIS遙感溫度數(shù)據(jù)為主, 結(jié)合胡楊春尺蠖蟲情變化特征, 預(yù)測(cè)春尺蠖發(fā)生期,從而確定最佳防治時(shí)間, 為進(jìn)一步探尋葉爾羌河流域胡楊林春尺蠖危害發(fā)生時(shí)間、發(fā)生規(guī)律、危害程度及時(shí)間分布規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

葉爾羌河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)的西南部, 塔里木盆地的西南面, 其發(fā)源于喀喇昆侖山脈, 水系含葉爾羌河、提孜那甫河、柯克亞河與烏魯克河等四條河流, 流經(jīng)喀什地區(qū)的葉城縣、塔什庫爾干塔吉克自治縣、澤普縣、莎車縣、麥蓋提縣、巴楚縣及克孜勒蘇柯爾克孜自治州境內(nèi)的阿克陶縣, 流入阿克蘇地區(qū)的阿瓦提縣與和田河匯合后注入塔里木河, 是喀什地區(qū)的第一大河流[12]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以劉逸豪等的研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[12], 所用數(shù)據(jù)與上述研究所用數(shù)據(jù)中的一致, 包括蟲情調(diào)查數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、氣溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、胡楊林分布數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。

2.2 基于遙感溫度數(shù)據(jù)的有效積溫信息提取

以劉逸豪等的研究結(jié)果為基礎(chǔ)[12], 采用ENVI軟件針對(duì)MODIS溫度產(chǎn)品進(jìn)行裁剪、最大值合成、壞值修復(fù)、波段合成、DN值換算等多個(gè)流程后, 得到四天一期的地表遙感溫度的平均值。劉逸豪等通過地表溫度(LST)與溫度(TEMP)的擬合分析及相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 遙感溫度的準(zhǔn)確性是可靠的, 可作為研究胡楊春尺蠖發(fā)生的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)[12]。

圖1 葉爾羌河流域胡楊分布圖

Figure 1 TheInformation of Yarkant River Basin

本研究基于有效積溫法則對(duì)春尺蠖的發(fā)生期進(jìn)行預(yù)測(cè), 春尺蠖的各蟲態(tài)正常的生長發(fā)育需要一定的起點(diǎn)溫度, 在完成各發(fā)育階段時(shí)需要一定的有效積溫。根據(jù)生物學(xué)規(guī)律知發(fā)育起點(diǎn)溫度和有效總積溫是個(gè)準(zhǔn)常數(shù), 依據(jù)積溫?cái)?shù)值及抽樣某蟲態(tài)的發(fā)育歷期統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)常數(shù)數(shù)值及其標(biāo)準(zhǔn)差。本文選用2001-2015年典型樣地所在像元的MODIS溫度數(shù)據(jù), 結(jié)合有效積溫模型對(duì)胡楊春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育歷期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。依據(jù)現(xiàn)有的胡楊春尺蠖蟲情變化數(shù)據(jù), 結(jié)合歷年溫度變化趨勢(shì), 對(duì)胡楊春尺蠖發(fā)生量進(jìn)行整體預(yù)測(cè)。

有效積溫法則的模型為:

其中:為各蟲態(tài)有效發(fā)育歷期;為有效總積溫;為各階段日平均溫度;為各蟲態(tài)發(fā)育起點(diǎn)溫度;S為有效積溫標(biāo)準(zhǔn)方差;S為各蟲態(tài)發(fā)育起點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)方差。

2.2.1 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)始見期及平均溫度

胡楊春尺蠖是變態(tài)發(fā)育昆蟲, 在變態(tài)發(fā)育的過程中, 各蟲態(tài)的發(fā)育起點(diǎn)溫度不同, 即只有達(dá)到發(fā)育起點(diǎn)溫度條件下, 某蟲態(tài)的發(fā)育過程才會(huì)開始發(fā)生。對(duì)于發(fā)育起點(diǎn)溫度和有效積溫的測(cè)定, 通常情況下是通過觀察不同實(shí)驗(yàn)溫度條件下的各蟲態(tài)的發(fā)育歷期資料, 繼而利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到, 實(shí)驗(yàn)方法包括人工多級(jí)變溫飼養(yǎng)測(cè)定和自然溫度下飼養(yǎng)測(cè)定。

根據(jù)整理收集和調(diào)查資料中各蟲態(tài)發(fā)育完成標(biāo)志出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息, 結(jié)合MODIS溫度產(chǎn)品提取的遙感溫度數(shù)據(jù), 進(jìn)而整理出胡楊春尺蠖活動(dòng)期的各蟲態(tài)歷期間的每日平均遙感溫度信息(表1)。

2.2.2 各蟲態(tài)發(fā)育起點(diǎn)溫度和有效積溫的提取

昆蟲的發(fā)育速率是指單位時(shí)間內(nèi)完成所有發(fā)育過程的百分比率, 也就是完成某一蟲態(tài)完整發(fā)育過程所需時(shí)間(發(fā)育歷期)的倒數(shù)。以日為單位, 即:

=1/(2)

其中:為胡楊春尺蠖某階段發(fā)育速率,為完成該蟲態(tài)發(fā)育所需的天數(shù)。

有效遙感積溫法則通常指生物在生長發(fā)育的過程中, 需要從外部環(huán)境中吸收一些熱量, 且完成其生長發(fā)育過程所需的總熱量是一個(gè)穩(wěn)定常數(shù)。表達(dá)式為:

=(3)

其中:為發(fā)育歷期(),為發(fā)育期間平均溫度(℃), K為總積溫(日度)。

胡楊春尺蠖的生長發(fā)育的開始溫度是動(dòng)態(tài)的, 一般高于0℃時(shí)開始發(fā)育, 稱為發(fā)育起點(diǎn)溫度, 用表示。表達(dá)式可修改為:

(-)=(4)

其中:為發(fā)育起點(diǎn)溫度, (-)為平均發(fā)育溫度,為有效遙感總積溫。

直線回歸方程(式5)表示發(fā)育速率與溫度呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系。

(5)

其中:發(fā)育起點(diǎn)溫度相當(dāng)于直線方程中的, 即直線在坐標(biāo)軸上的截距, 而有效遙感總積溫則相當(dāng)于直線方程中的斜率。這兩個(gè)參數(shù)可按照直線方程, 用最小二乘法求得, 其計(jì)算式為:

表 1 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)的始見期及對(duì)應(yīng)歷期平均溫度

其中:為發(fā)育速率(=1/);為溫度,為溫度的組數(shù)。

將表1中各蟲態(tài)的發(fā)育歷期和日平均溫度整理并計(jì)算出公式(6)中的所需數(shù)據(jù), 整理之后為表2中的數(shù)據(jù)形式。

將表2的數(shù)據(jù)分別帶入公式(6)和公式(7), 得到羽化期起點(diǎn)溫度1和有效積溫1; 繁殖期起點(diǎn)溫度2和有效積溫2; 孵化期起點(diǎn)溫度3和有效積溫3; 幼蟲發(fā)育起點(diǎn)溫度4和有效積溫4。進(jìn)而計(jì)算不同組數(shù)的數(shù)據(jù)得到各階段的起點(diǎn)溫度和有效積溫?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差(表3)。

3 結(jié)果與分析

3.1 胡楊春尺蠖蟲蛹羽化期預(yù)測(cè)

羽化: 胡楊春尺蠖越冬蛹經(jīng)過完全變態(tài)蛻去外皮變?yōu)槌上x的過程。蟲蛹在地下30 cm左右進(jìn)行歷夏越冬, 溫度是羽化過程中最重要的環(huán)境影響因素, 只有在環(huán)境溫度達(dá)到蟲蛹的代謝發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)溫度(即發(fā)育起點(diǎn)溫度), 蟲蛹才開始羽化, 該階段對(duì)溫度變化極為敏感, 只有平穩(wěn)通過發(fā)育起點(diǎn)溫度時(shí), 才會(huì)正常發(fā)育。

3.1.1 地面溫度與空氣溫度的關(guān)系

土壤溫度和空氣溫度存在密切關(guān)系, 因此, 土壤溫度也具有空氣溫度的一切特點(diǎn), 且更為突出和明顯。

土壤溫度與冬季土中蟄伏的昆蟲復(fù)蘇生長關(guān)系非常密切, 昆蟲復(fù)蘇期的土壤溫度變化信息, 對(duì)蟲害的防治和研究有著十分重要的意義。資料顯示, 30 cm地溫開始穩(wěn)定到達(dá)0 ℃以上的時(shí)期, 是地下昆蟲蘇醒并開始生長發(fā)育的適期。據(jù)現(xiàn)有記錄顯示, 地溫穩(wěn)定通過0 ℃開始時(shí)間多在2月上旬, 與空氣溫度接近多在2月下旬。

據(jù)遙感溫度數(shù)據(jù)變化時(shí)間范圍分析, 土層的30 cm以上土層溫度與地表溫度變化極為接近, 春尺蠖蟲蛹的羽化進(jìn)程是在2月中下旬地表溫度達(dá)0 ℃開始, 此時(shí)的地下溫度也已平穩(wěn)通過0 ℃。

表2 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)有效積溫(K)和發(fā)育起點(diǎn)溫度(C)

注:為各蟲態(tài)發(fā)育歷期,為歷期內(nèi)日平均溫度,為該蟲態(tài)發(fā)育速率。

表3 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育起點(diǎn)溫度與有效積溫?cái)?shù)據(jù)

3.1.2 羽化期預(yù)測(cè)

胡楊春尺蠖越冬蛹在羽化過程中無需進(jìn)食, 因此影響發(fā)育的主導(dǎo)因子為溫度。基于積溫法則進(jìn)行的胡楊春尺蠖發(fā)育研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知, 越冬蛹的羽化起點(diǎn)溫度為0 ℃, 用1表示。羽化發(fā)育完全完成需要總積溫為55.62日度, 稱為有效總積溫, 用1表示。

推導(dǎo)知羽化期有效遙感積溫法則數(shù)學(xué)模型為:

其中:為胡楊春尺蠖蟲蛹羽化的有效發(fā)育歷期,為羽化階段日平均遙感溫度。

利用有效遙感積溫模型對(duì)提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與發(fā)育實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算, 得到2001—2015年胡楊春尺蠖羽化歷期信息。每年各樣地胡楊春尺蠖越冬蛹羽化歷期長短不一, 原因是不同樣地地表溫度不同即獲取遙感溫度信息也不同, 溫度的差異對(duì)越冬蛹的發(fā)育代謝影響明顯, 羽化為成蟲的日期也就各自不同。其中, 2009年、2011年、2013年羽化歷期整體偏長, 均超過20天, 羽化階段整體平均溫度分別為2.72 ℃、2.51 ℃、2.76 ℃, 平均溫度明顯低于其他年份(圖2), 受低溫影響, 羽化發(fā)生滯育現(xiàn)象。

結(jié)合遙感提取的溫度信息和胡楊春尺蠖蟲蛹羽化階段的發(fā)育起點(diǎn)溫度, 推算歷年胡楊春尺蠖蟲蛹羽化的始見期, 即春尺蠖蟲蛹羽化現(xiàn)象開始出現(xiàn)。結(jié)合胡楊春尺蠖羽化進(jìn)度, 分析可知: 羽化率從0%開始算起, 始盛期是指羽化進(jìn)度達(dá)到40%左右, 高峰期指的是羽化進(jìn)度完成80%左右。依據(jù)遙感溫度信息知羽化開始的具體時(shí)間, 由有效遙感積溫模型計(jì)算出羽化完整階段歷期數(shù)據(jù), 可知15年胡楊春尺蠖蟲蛹羽化發(fā)生的始末期時(shí)間信息(表4)。

圖2 羽化歷期與年均溫的關(guān)系

Figure 2 The relationship between eclosion period and annual average temperature from 2001 to 2015

其中2007年、2013年、2014年達(dá)到發(fā)育起點(diǎn)溫度時(shí)間較早, 發(fā)育開始時(shí)間也早于其他年份。開始最晚的時(shí)間是2008年和2010年, 2月22日左右才開始羽化發(fā)育進(jìn)程。而羽化發(fā)育進(jìn)程結(jié)束時(shí)間最晚的卻是2011年, 主要由于該年2月份平均溫度整體偏低, 羽化發(fā)育開始時(shí)間較晚且伴隨滯育, 出現(xiàn)了羽化發(fā)育較遲緩的現(xiàn)象。因此在低溫年份, 胡楊春尺蠖羽化發(fā)育時(shí)間會(huì)普遍較晚發(fā)生。

表4 羽化發(fā)育完成進(jìn)度時(shí)間表

總體而言, 春尺蠖預(yù)測(cè)始見期地表溫度范圍為1.8—6.2℃, 對(duì)應(yīng)始見期日期為2月10日至3月7日, 終見日期為2月19日至3月21日, 具體始終日期均可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)LST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(8)進(jìn)行測(cè)算。與樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 預(yù)測(cè)時(shí)間略早于實(shí)測(cè)時(shí)間, 模型預(yù)測(cè)精度達(dá)86%, 能夠滿足研究需要。

3.2 胡楊春尺蛾繁殖期預(yù)測(cè)

胡楊春尺蠖的成蟲是春尺蛾, 經(jīng)歷越冬蛹羽化而成。羽化為成蟲之后并不能立即出土, 需在土室中靜伏相當(dāng)時(shí)間, 一般于午后逐漸破土而出。成蟲白天隱匿于殘枝、落葉、雜草、大樹的根際, 經(jīng)爬上樹的就隱藏在開裂的樹皮下, 樹干的斷裂處。成蟲活動(dòng)時(shí)間為黃昏, 晚上6、7時(shí)左右, 雌蟲爬上樹干, 雄蟲繞樹干飛行尋找雌蟲交配, 場(chǎng)所樹干下部居多。日夜均能產(chǎn)卵, 位置多為樹皮裂隙和斷枝裂隙處。

胡楊春尺蠖成蟲春尺蛾經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證是不會(huì)進(jìn)食的, 活動(dòng)時(shí)間與空間范圍有限, 其生命周期中主要影響因素為溫度, 其發(fā)育的過程是不可逆的, 在各種溫度下都繼續(xù)進(jìn)行, 但是速率的快慢與最適溫度有關(guān)。在高于一定溫度時(shí), 發(fā)育速率的快慢與溫度的增加呈現(xiàn)出正相關(guān), 因此該溫度值為成蟲發(fā)育起點(diǎn)溫度。

根據(jù)基于積溫法則進(jìn)行的胡楊春尺蠖發(fā)育研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知, 胡楊春尺蠖成蟲春尺蛾發(fā)育起點(diǎn)溫度為1.32 ℃, 用2來表示。春尺蛾的發(fā)育至產(chǎn)卵結(jié)束這一階段需要總積溫為56.06日度, 稱為有效總積溫用2表示。

推導(dǎo)得成蟲繁殖期有效遙感積溫法則數(shù)學(xué)模型為:

式中,為胡楊春尺蠖成蟲春尺蛾的有效發(fā)育歷期;為春尺蛾繁殖階段日平均遙感溫度。

利用有效遙感積溫模型對(duì)提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與發(fā)育實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算, 得到2001—2015年春尺蛾繁殖階段歷期信息。春尺蛾繁殖階段歷期長短與環(huán)境溫度變化有關(guān), 溫度的差異對(duì)春尺蛾繁殖器官完善發(fā)育有一定影響, 成蟲產(chǎn)卵日期也各不相同。2001—2015年胡楊春尺蠖成蟲繁殖歷期的平均歷期與均溫變化趨勢(shì)見圖3。

其中, 2009年、2012年、2014年和2015年平均溫度相對(duì)于其他年份較低, 因此春尺蛾繁殖歷期也比其他年份長, 分別為14.2、15.4、13.8、15.0天。觀察歷年春尺蛾的生存歷期知, 變化規(guī)律是在2007年開始有波動(dòng)變化, 呈現(xiàn)出先降后升, 升降有序的起伏波動(dòng)變化。這與近年來3月上中旬氣溫的變化有著密切的聯(lián)系, 2007年以來每年3月上中旬溫度的變化有著明顯的波動(dòng)變化。

根據(jù)春尺蛾繁殖階段的發(fā)育起點(diǎn)溫度, 結(jié)合遙感溫度的提取信息, 推算歷年胡楊春尺蠖蟲蛾的始末期。春尺蛾的始見期即春尺蠖蟲蛹羽化完成春尺蛾開始出現(xiàn), 從羽化率100%的時(shí)間開始算起。始盛期是指春尺蛾產(chǎn)卵完成的過程達(dá)到40%左右, 產(chǎn)卵即將進(jìn)入高峰期。高峰期指的是產(chǎn)卵的過程已完成80%左右。依據(jù)羽化歷期完成的具體時(shí)間, 由有效遙感積溫模型計(jì)算出春尺蛾產(chǎn)卵階段歷期數(shù)據(jù)(表5), 可知15年春尺蛾產(chǎn)卵始末的時(shí)間信息, 其始末期是春尺蛾產(chǎn)卵過程已經(jīng)全部完成。

其中2001—2007年該階段平均遙感溫度較高, 成蟲發(fā)育較快, 因此產(chǎn)卵發(fā)生時(shí)間較早; 2007—2015年成蟲發(fā)育階段平均遙感溫度較低, 春尺蛾發(fā)育較遲緩, 產(chǎn)卵發(fā)生時(shí)間較晚。15年來春尺蛾產(chǎn)卵現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)間由2月下旬逐漸推移到3月中旬, 與之相伴產(chǎn)卵現(xiàn)象的全部完成也逐漸向后延遲, 與胡楊萌發(fā)的時(shí)間逐漸接近, 蟲害的發(fā)生與傳播愈發(fā)容易。

圖3 成蟲繁殖歷期與年均溫的關(guān)系

Figure 3 The relationship between adult reproduction duration and annual average temperature from 2001 to 2015

表5 春尺蛾繁殖階段始末時(shí)間表

總體而言, 春尺蠖預(yù)測(cè)繁殖發(fā)生始見期對(duì)應(yīng)遙感平均溫度范圍是3.7—8.7 ℃, 孵化歷期范圍為7—15 ℃, 對(duì)應(yīng)始見期日期范圍為2月15日至3月17日, 始末期預(yù)測(cè)范圍為2月28日至4月2日, 具體始終日期均可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)LST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(9)進(jìn)行測(cè)算。與樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 預(yù)測(cè)時(shí)間略早于實(shí)測(cè)時(shí)間, 模型預(yù)測(cè)精度達(dá)85%, 能夠滿足研究需要。

3.3 胡楊春尺蠖蟲卵孵化期預(yù)測(cè)

胡楊春尺蠖蟲卵期不需進(jìn)食, 溫度是影響蟲卵孵化期長短的主導(dǎo)因子。根據(jù)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知, 胡楊春尺蠖蟲卵孵化發(fā)育起點(diǎn)溫度為1.74 ℃, 用3來表示。春尺蠖蟲卵產(chǎn)出的時(shí)候, 日平均溫度數(shù)據(jù)高于起點(diǎn)溫度, 因此直接進(jìn)入孵化階段, 大大縮短了孵化時(shí)間長度, 因此給蟲卵調(diào)查增加了難度。春尺蛾的發(fā)育至產(chǎn)卵結(jié)束這一階段需要有效積溫為197.28日度, 稱為遙感有效總積溫用3表示。

計(jì)算推導(dǎo)知孵化期有效遙感積溫法則數(shù)學(xué)模型為:

式中,為胡楊春尺蠖蟲卵的孵化歷期;為胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段地表遙感溫度的平均溫度。

利用基于遙感溫度的有效積溫模型對(duì)提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與胡楊春尺蠖各階段發(fā)育所需溫度信息進(jìn)行計(jì)算, 得到2001—2015年胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段的歷期數(shù)據(jù)。胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段歷期長短與環(huán)境溫度變化有關(guān), 溫度的差異對(duì)胡楊春尺蠖蟲卵孵化發(fā)育有一定影響, 也使得幼蟲出現(xiàn)的日期各不相同。2001—2015年胡楊春尺蠖蟲卵孵化歷期的平均值與均溫變化趨勢(shì)見圖4。

2003—2006年地表遙感溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 到2006年達(dá)最低谷; 2006—2009年溫度逐漸升高, 2009年至峰頂; 隨后逐年下降, 至2011年降至最低值, 隨后幾年波動(dòng)起伏變化不大。因此胡楊春尺蠖蟲卵的孵化隨溫度的波動(dòng)而變化, 溫度越高, 孵化越快, 歷期越短; 反之, 孵化越慢, 歷期越長。其中2006年平均溫度最低, 而孵化歷期也最, 平均溫度與歷期值分別為11.03 ℃與21.4天。

圖4 孵化歷期與年均溫的關(guān)系

Figure 4 The relationship between incubation period and annual average temperature from 2001 to 2015

根據(jù)胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段的發(fā)育起點(diǎn)溫度, 結(jié)合遙感溫度信息數(shù)據(jù), 推算歷年蟲卵孵化的始末期。依據(jù)羽化歷期完成的具體時(shí)間, 由有效遙感積溫模型計(jì)算出胡楊春尺蠖蟲卵孵化歷期數(shù)據(jù)(表6)。其中2001年至2007年該階段平均遙感溫度較高, 蟲卵孵化發(fā)育較快, 因此幼蟲出現(xiàn)時(shí)間較早, 2007年至2015年孵化發(fā)育階段平均遙感溫度稍低, 孵化速率較遲緩, 幼蟲發(fā)生時(shí)間較晚。發(fā)生時(shí)間較早, 高峰期出現(xiàn)時(shí)間也相對(duì)較早, 同時(shí)完成全部孵化發(fā)育階段的時(shí)間早于其他年份。15年來春尺蛾蟲卵孵化現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間由3月中旬逐漸推移到3月下旬及3月末, 與之相伴孵化現(xiàn)象的全部完成也逐漸向后延遲。

總體而言, 春尺蠖預(yù)測(cè)孵化發(fā)生始見期對(duì)應(yīng)遙感平均溫度范圍是14.6—18.4℃, 孵化歷期范圍為15—21℃, 對(duì)應(yīng)始見期日期范圍為3月2日至3月31日, 始末期預(yù)測(cè)范圍為3月25日至4月29日, 具體始終日期均可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)LST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(10)進(jìn)行測(cè)算。與樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 預(yù)測(cè)時(shí)間略早于實(shí)測(cè)時(shí)間, 模型預(yù)測(cè)精度達(dá)85%, 能夠滿足研究需要。

3.4 胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育期預(yù)測(cè)

幼蟲: 胡楊春尺蠖蟲卵孵化之后, 出現(xiàn)幼蟲即食葉蟲的出現(xiàn), 即胡楊林的危害開始了。幼蟲的發(fā)育跟溫度和食物相關(guān), 在幼蟲出現(xiàn)的時(shí)候胡楊正處于萌發(fā)新葉的物候期, 胡楊的萌芽和嫩葉給胡楊春尺蠖幼蟲提供了充足的食物, 溫度也是幼蟲發(fā)育過程中重要影響因素, 適宜的溫度會(huì)加快胡楊春尺蠖的進(jìn)食量, 促進(jìn)生長發(fā)育。

根據(jù)基于積溫法則進(jìn)行的胡楊春尺蠖幼蟲生長發(fā)育研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知, 胡楊春尺蠖越冬蛹的羽化起點(diǎn)溫度為7.9 ℃, 羽化發(fā)育完全完成需要總積溫為368.46日度。

推導(dǎo)得幼蟲發(fā)育期有效遙感積溫法則的數(shù)學(xué)模型為:

式中,4為胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育歷期;4為該階段日平均遙感溫度。

利用有效遙感積溫模型對(duì)提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合, 計(jì)算得到2001—2015年胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育歷期數(shù)據(jù)(圖5)。其中, 2009年、2013年、2014年胡楊春尺蠖發(fā)育歷期整體偏長, 均超過40天, 表明胡楊春尺蠖對(duì)胡楊的危害時(shí)間越長, 危害越大。

表6 胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段始末時(shí)間表

圖5 幼蟲歷期與年均溫的關(guān)系

Figure 5 The relationship between larval duration and annual average temperature from 2001 to 2015

根據(jù)胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育階段的發(fā)育起點(diǎn)溫度, 結(jié)合胡楊春尺蠖羽化開始時(shí)間及各階段發(fā)育歷期數(shù)據(jù), 推算歷年胡楊春尺蠖幼蟲化蛹的始見期。依據(jù)遙感溫度信息知羽化開始的具體時(shí)間, 由有效遙感積溫模型計(jì)算15年胡楊春尺蠖蟲幼蟲化蛹的始末期時(shí)間信息(表7)。

其中2007年達(dá)到發(fā)育起點(diǎn)溫度時(shí)間較早, 因此入土化蛹開始時(shí)間也早于其他年份。開始最晚的時(shí)間是2013年與2014年, 2月22日左右才開始發(fā)育過程。入土化蛹完成時(shí)間最晚的也是2013年和2014年, 這兩年幼蟲生長發(fā)育期日平均溫度低于其他年份, 而且羽化開始時(shí)間也晚于其他年份, 幼蟲的發(fā)育時(shí)間周期較長, 對(duì)胡楊林的危害也就越大。

總體而言, 春尺蠖預(yù)測(cè)幼蟲發(fā)生始見期對(duì)應(yīng)遙感平均溫度范圍是12.2—20.9℃, 孵化歷期范圍為24—48天, 對(duì)應(yīng)始見期范圍為3月29日至5月9日, 始末期預(yù)測(cè)范圍為2月21日至6月31日, 具體始終日期均可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)LST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(11)進(jìn)行測(cè)算。與樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 預(yù)測(cè)時(shí)間略早于實(shí)測(cè)時(shí)間, 模型預(yù)測(cè)精度達(dá)86%, 能夠滿足研究需要。

3.5 春尺蠖活動(dòng)期預(yù)測(cè)

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)與搜集資料統(tǒng)計(jì)顯示, 春尺蠖幼蟲的活動(dòng)期是在每年的2—5月份, 其中春尺蠖活動(dòng)期開始的標(biāo)志是越冬蛹的羽化開始, 春尺蠖5齡蟲成熟之后入土做室化蛹進(jìn)入蟄伏期代表著春尺蠖活動(dòng)期的結(jié)束。由春尺蠖各蟲態(tài)的歷期預(yù)測(cè)結(jié)果可得到春尺蠖活動(dòng)期的預(yù)測(cè)結(jié)果(表8)。

表7 胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)生進(jìn)度

表8 胡楊春尺蠖幼蟲活動(dòng)期預(yù)測(cè)結(jié)果

由活動(dòng)期信息統(tǒng)計(jì)知, 春尺蠖活動(dòng)期預(yù)測(cè)開始最早是在2007年份1月29日就達(dá)到羽化標(biāo)準(zhǔn), 地表溫度穩(wěn)定通過零度, 通過熱傳遞, 對(duì)土層總的越冬蛹進(jìn)行積溫, 使越冬蛹的羽化開始發(fā)生。同時(shí)可知最晚開始羽化的是2月22日, 其中分別為2010年、2013年和2014年三個(gè)年份的春季溫度回升較晚, 溫度上升的晚, 越冬蛹達(dá)不到羽化發(fā)生的有效積溫, 則不會(huì)開始羽化。整體趨勢(shì)而言, 從2001年至2015年的羽化開始時(shí)間逐漸在往后推移。

春尺蠖的活動(dòng)期是隨春尺蠖幼蟲發(fā)育成熟期蟄伏結(jié)束的, 15年間春尺蠖活動(dòng)期預(yù)測(cè)結(jié)果中結(jié)束最早的是2007年, 在5月初就進(jìn)入始末期。最晚的是2014年6月中旬。2001年至2015年間春尺蠖活動(dòng)期結(jié)束的日期也在不斷的向后推移, 預(yù)測(cè)結(jié)果顯示出春尺蠖的危害時(shí)間在逐漸邊長, 越往后推移耽誤胡楊枝葉發(fā)育越久, 對(duì)胡楊的危害也就越大。

總體而言, 胡楊春尺蠖的活動(dòng)歷期逐漸增加, 且隨著平穩(wěn)通過0 ℃的時(shí)間越來越晚, 春尺蠖活動(dòng)期對(duì)春季胡楊生長發(fā)育帶來的影響也在逐漸增強(qiáng), 受春尺蠖危害的胡楊林的發(fā)育時(shí)間常年較長, 則胡楊的死亡率就會(huì)逐漸增加。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示, 15年來活動(dòng)期開始的時(shí)間范圍在1月29日至2月22日, 活動(dòng)期的歷期范圍為67到100天, 羽化完成的始見期范圍在2月6日至3月7日, 而活動(dòng)期結(jié)束的預(yù)測(cè)時(shí)間范圍為5月1日至6月21日。

3.6 最佳防治時(shí)間的確定

胡楊春尺蠖蟲害發(fā)生的標(biāo)志是食葉幼蟲的出現(xiàn), 即胡楊春尺蠖孵化之后進(jìn)入幼蟲階段, 危害胡楊林春季萌發(fā)的嫩芽、嫩葉。經(jīng)過調(diào)查數(shù)據(jù)顯示, 胡楊春尺蠖幼蟲分為5個(gè)等級(jí): 1齡蟲、2齡蟲、3齡蟲、4齡蟲、5齡蟲, 每個(gè)齡期分為生長前期、中期、后期, 春尺蠖幼蟲從齡蟲開始蠶食胡楊嫩葉, 體重急速增長。每個(gè)齡期的幼蟲各生長階段平均體重變化趨勢(shì)較初期增長幅度均高于200%(表9)。每個(gè)齡期春尺蠖的體重均成倍增長, 這與春尺蠖變態(tài)發(fā)育有關(guān), 每個(gè)齡級(jí)的幼蟲都會(huì)蛻去舊皮, 打破身體長度的限制, 成長為下一齡級(jí)的幼蟲。春尺蠖幼蟲在齡級(jí)增長的同時(shí), 平均體重也在呈現(xiàn)幾何式增長。胡楊春尺蠖的食物來源就是胡楊新萌發(fā)的嫩葉、嫩芽, 而胡楊春尺蠖體重的變化直觀的體現(xiàn)出對(duì)胡楊的危害程度。

其中變化最明顯的在3齡蟲到4齡蟲階段, 3齡蟲的后期平均體重已經(jīng)達(dá)到了1齡蟲后期平均體重的64倍, 食葉量已經(jīng)開始急劇增高, 3齡蟲階段是個(gè)分水嶺, 因此需要在對(duì)胡楊的危害加劇之前防治幼蟲, 1齡蟲和2齡蟲階段可防治。

幼蟲發(fā)育歷期為40天左右, 其中1齡蟲發(fā)育歷期約為10天, 2齡蟲的發(fā)育歷期約為8天, 則2齡蟲的發(fā)生和結(jié)束期約為10-18天, 而春尺蠖孵化進(jìn)入始末期的時(shí)間與2齡蟲的發(fā)生時(shí)間十分接近(表10)。

表9 胡楊春尺蠖幼蟲體重變化

表10 孵化始末期與2齡蟲發(fā)生時(shí)間

對(duì)比春尺蠖2齡蟲發(fā)生時(shí)間與2齡幼蟲的發(fā)生時(shí)間可知, 2005、2006年份春尺蠖孵化始末期稍晚, 其余年份春尺蠖1齡蟲發(fā)育完成時(shí), 蟲卵多數(shù)已經(jīng)孵化完成, 變成幼蟲。選取2齡蟲階段對(duì)春尺蠖進(jìn)行防治, 可以有效殺死已孵化完成的幼蟲, 防治效果較好。少量未孵化的在防治藥物的殘余期也會(huì)陸續(xù)孵化進(jìn)而被殺死, 對(duì)胡楊林的危害也扼殺在輕度發(fā)生期, 從而實(shí)現(xiàn)高效防治。

綜上所述, 最佳防治時(shí)間段選擇的依據(jù)是各齡春尺蠖幼蟲對(duì)胡楊的危害程度以及防治效率最高的時(shí)期, 2齡蟲發(fā)生的時(shí)間為最佳防治時(shí)間, 該階段春尺蠖幼蟲食葉量尚未大幅度增長, 且春尺蠖蟲卵的孵化率也進(jìn)入始末期, 2齡蟲進(jìn)行防治可以大大的提高防治效率。

4 結(jié)論與討論

本研究以胡楊林分布較為集中的葉爾羌河流域胡楊林分布區(qū)為研究區(qū)域, 以胡楊林春尺蠖蟲害為主要研究對(duì)象, 利用遙感技術(shù)從MODIS溫度產(chǎn)品中提取遙感監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù), 結(jié)合搜集調(diào)查資料數(shù)據(jù), 采用有效積溫模型推算遙感溫度下春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育起點(diǎn)溫度和有效積溫, 進(jìn)而統(tǒng)計(jì)計(jì)算2001年至2015年間各蟲態(tài)的發(fā)育歷期及發(fā)生時(shí)間, 探討基于有效積溫法則的春尺蠖蟲害發(fā)生期預(yù)測(cè)方法。主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)根據(jù)春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)生時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息, 統(tǒng)計(jì)計(jì)算出遙感溫度下的春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育起點(diǎn)溫度和有效積溫?cái)?shù)據(jù), 春尺蠖羽化之后各蟲態(tài)發(fā)生時(shí), 環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)育起點(diǎn)溫度, 因此各蟲態(tài)的發(fā)生時(shí)間大大縮短, 符合新疆春尺蠖發(fā)生時(shí)間周期短的現(xiàn)象[13]。

(2)利用有效積溫模型, 計(jì)算2001—2015年間春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)生歷期與發(fā)生時(shí)間范圍, 分析知2齡蟲發(fā)生時(shí)春尺蠖蟲卵孵化進(jìn)入始末期, 且春尺蠖四齡食葉蟲基本沒有發(fā)生, 得出結(jié)論最佳防治時(shí)間是春尺蠖幼蟲的2齡蟲。邱琳等[14]基于HJ衛(wèi)星數(shù)據(jù)構(gòu)建監(jiān)測(cè)模型, 發(fā)現(xiàn)塔里木河中游胡楊林春尺蠖幼蟲以 3 齡、4 齡、5 齡為主時(shí), 春尺蠖嚴(yán)重危害胡楊林, 表明需要在2齡蟲時(shí)防治春尺蠖蟲害, 與本文研究結(jié)果基本一致。

(3)傳統(tǒng)的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間分布上監(jiān)測(cè)不夠全面, 因此使得對(duì)胡楊春尺蠖蟲害的防范治理存在極大的缺陷[15]。本文基于遙感監(jiān)測(cè)和實(shí)地調(diào)查, 結(jié)合空間分析與模擬的綜合預(yù)警與測(cè)報(bào), 可以為胡楊林春尺蠖的科學(xué)防治提供第一手的科學(xué)數(shù)據(jù), 為更有效的開展森林病蟲害的防控治理工作提供理論支撐, 對(duì)于高效監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)新疆地區(qū)大面積胡楊林蟲害具有重要意義, 且經(jīng)濟(jì)適用。研究數(shù)據(jù)主要為MODIS溫度產(chǎn)品影像數(shù)據(jù), 時(shí)間分辨率為1天每期, 空間分辨為1000 m, 對(duì)胡楊春尺蠖蟲害發(fā)生的地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)精度相對(duì)較低, 盡管在研究過程中采用多種方式減小誤差, 但是對(duì)數(shù)據(jù)的影響無法完全消除, 仍存在一定的誤差, 后續(xù)計(jì)劃利用多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)精度。

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The prediction of the occurrence period ofin the Yarkant River Basin based on remote sensing

Chen Mengyu1,2, Jia Xiang2,3,*, Chen Shujiang2,3, Hou Bozhan2,3, Liu Yihao2,3, Huang Tiecheng2,4, YAN Zhiming5

1. School of Foreign Languages, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009,China 2.Urumqi Institute of Spatial Remote Sensing Applications, Urumqi 830054, China 3.College of Geography Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China 4. Key Laboratory of Precision Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 5.Management College, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China

Thedistribution in Yarkant River Basin was taken as the research area.was used as the research object. Remote sensing data ofwere extracted by remote sensing technology and remote sensing products such as MODIS from 2001 to 2015. Based on the effective accumulated temperature law and the prediction of the occurrence period of spring ridges, the optimal control time was determined, which provided a scientific basis for further research on the occurrence time, occurrence rules, hazard degree and time distribution ofin the Yarkant River Basin. The results showed as follows: (1) When the parasitic states occurred after the emergence of the spring scales, the ambient temperature far exceeded the developmental start temperature, so the occurrence time of each state of the parasites was greatly shortened, which was consistent with the short time-period phenomenon of the spring scales of Xinjiang. (2) Accumulation temperature model shows that when the second instar larvae hatch into the beginning and the end of the hatching period, and the four-instar leaf-foot instar larvae did not occur, so the best control time larvae are the second instar larvae.

Yarkant river basin;; period of occurrence; effective accumulated temperature

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.018

S763

A

1008-8873(2020)02-145-12

2019-07-01;

2019-08-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460167); 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0501503)

陳孟禹(1992—), 男, 新疆烏魯木齊人, 本科, 主要從事遙感和地理信息系統(tǒng)方面研究, E-mail: 535480893@qq.com

賈翔, 男, 碩士, 經(jīng)濟(jì)師, 主要從事遙感和地理信息系統(tǒng)方面研究, E-mail: jiaxiang19891204@126.com

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