湖南湘西州馬尾松毛蟲和松材線蟲病發生非線性建模與預測

田開慧陳怡帆 周宏威

(1.湘西自治州林業局森防站,湖南 湘西土家苗族自治州 416300;2.國家林業和草原局生物災害防控中心/林草有害生物監測預警國家林業和草原局重點實驗室,沈陽 110034;3.東北林業大學 機電工程學院,哈爾濱 150040)

0 引言

馬尾松毛蟲(Dendrolimuspunctatus)屬鱗翅目,枯葉蛾科[1]。分布于我國秦嶺至淮河以南各省,主要危害馬尾松(Pinusmassoniana)、濕地松(PinusselliottiiEngelm)、火炬松(Pinustaeda)和黑松(Pinusthunbergii)等松屬植物,松樹受害輕則松針枯黃卷曲,重則大片枯死。2021年馬尾松毛蟲在我國發生面積35.63×104hm2,在華北北部、長江中下游局部地區偏重發生[2]。馬尾松毛蟲造成危害后,林木易受到其他病蟲害的入侵,在湖南湘西州松材線蟲病發生面積僅次于馬尾松毛蟲,最易引起暴發危害。松材線蟲病主要是由松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)所引起的病害,在我國松墨天牛(Monochamusalternatus)是其主要傳媒昆蟲,主要危害馬尾松、赤松(Pinusdensiflora)、黑松和火炬松等松屬植物,致病力強,傳播快,寄主死亡速度快[3]。而湘西州松林面積28.38×104hm2,占全州林分總面積的31.55%;蓄積量占全州森林總蓄積量的41.30%[4]。馬尾松毛蟲和松材線蟲病一旦在湘西州大規模暴發,將會給森林資源帶來巨大的損失。本研究旨在分析湘西州2種主要病蟲害發生現狀和未來發生情況,為其防治提供指導。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文采用的湘西州2007—2021年林業有害生物發生面積統計數據來源于國家林業和草原局生物災害防控中心林業有害生物防治信息管理系統,見表1。

表1 2007—2021年湘西州部分病蟲害發生面積Tab.1 The occurrence area of some diseases and insect pests in Xiangxi from 2007 to 2021 hm2

1.2 發生面積預測分析方法

根據《林業有害生物監測預報管理規范》(LY/T 2517—2015)[5]和《林業有害生物監測預報技術規范》(LY/T 2516—2015)[6]要求,對2007—2021年間湘西州馬尾松毛蟲和松材線蟲病發生數據進行收集、整理和篩選,由于湘西州馬尾松毛蟲和松材線蟲病發生面積數據是一系列隨時間推移而形成的數據序列,且該序列具有非線性、不平均性、多樣性和規律性等特點,因此用非線性自回歸移動平均模型(ARIMA)與支持向量機(SVM)組合模型近似描述這個序列[7]。在使用組合模型時,需將病蟲害發生數據Yt視為由線性部分數據Lt和非線性部分數據Nt組成,即:

在本文中選用的ARIMA非線性模型表達公式為

式中:L是滯后算子;p為原始數據本身的滯后數;q為差分的次數;d為預測誤差的滯后數;φi和θi是待估計的參數值;εt為隨機誤差,均值0。

在使用ARIMA非線性模型進行預測后,得到的預測結果與原數據序列得到的殘差進行樣本重構,組成新的非線性樣本集作為SVM樣本集用于SVM進行預測,最后將2次預測結果相加,得到最終的預測結果。原理如圖1所示。

圖1 ARIMA-SVM組合模型原理Fig.1 ARIMA-SVM model principles

2 結果與分析

2.1 湘西州林業有害生物發生面積及主要種類歷史變化

據統計,2007—2021年間湘西州累計發生病蟲害32.60×104hm2,約占全州森林總面積的三分之一。利用“雙周期移動平均值法”[8]對2007—2021年間湘西州有害生物發生面積進行的統計分析,如圖2所示;選取連續發生年份大于10 a的馬尾松毛蟲、云南松毛蟲、松茸毒蛾、松墨天牛和油茶炭疽病等病蟲害,加上重點關注的松材線蟲病,這6種病蟲害的發生面積統計分析如圖3所示。

圖2 近15 a湘西州林業有害生物發生總面積及趨勢線圖Fig.2 The occurrence area and trend line diagram of forest pests in Xiangxi Prefecture in the past 15 years

圖3 近15 a湘西州6種主要林業有害生物發生面積統計圖Fig.3 Statistical graph of the occurrence area of 6 major forestry pests in Xiangxi in the past 15 years

分析結果顯示,湘西州林業有害生物發生面積呈周期性變化,一般3～5 a為1個周期;其中2010年、2015年、2018年為波峰年,且2018年達到歷史峰值56 591.83 hm2。2019年處于波谷,當前正處于顯性上升周期,且湘西州當前馬尾松毛蟲發生數據逐漸攀升,松材線蟲病發生逐漸加重。因此,本文對湘西州的主要林業有害生物馬尾松毛蟲、松材線蟲病進行發生數據分析及趨勢預測。

2.2 湘西州馬尾松毛蟲歷史發生數據分析

湘西州馬尾松毛蟲在2007—2021年連續發生,2016年起波及至全州7縣1市,如圖4所示。調查數據顯示,古丈縣發生面積占比最高,平均占比26.51%;花垣縣在2016年首次發現馬尾松毛蟲成災,占當年疫情發生總面積31.2%。馬尾松毛蟲周期性暴發明顯,第1個暴發周期為2008—2012年,第2個暴發周期為2013—2016年,第3個暴發周期為2017—2019年,周期縮短;峰值的增幅分別為157.4%與90.6%。該地松毛蟲暴發呈周期縮短、暴發趨勢明顯、世代重疊現象顯著和疫情態勢嚴峻特點。

圖4 湘西州各縣松毛蟲發生面積統計圖Fig.4 Statistical map of the occurrence area of Dendrolimus punctatus in counties of Xiangxi Prefecture

2.3 湘西州松材線蟲病歷史發生數據分析

2017年,湘西州首次在永順、保靖2縣發現松材線蟲病災情,發生面積186.68 hm2,2018年疫情擴散至6個縣,發生面積合計4 473.56 hm2,發生面積增長近24倍,疫情從湘西州東北方向入侵,向西南方向擴散蔓延,如圖5所示。2017年松毛蟲在湘西州暴發,削弱樹勢,弱勢的松樹易致松墨天牛侵入并增殖,加快松樹死亡;次年大量天牛從“松毛蟲危害松木”上羽化,侵染健康松林,導致松材線蟲病進一步擴散和流行[9]。湘西州松材線蟲病疫情在區域上高度集中,永順縣2021年疫情發生面積占全州82.8%,瀘溪縣為唯一未發現疫情縣。

2.4 發生面積預測結果

本文使用的非線性自回歸移動平均模型(ARIMA)與支持向量機(SVM)組合模型在MATLAB2018a環境下運行,通過試驗,實現對湘西州馬尾松毛蟲和松材線蟲病未來發生面積的預測,見表2,如圖6和圖7所示。該組合模型可以在時間序列數據中捕獲一組不同標準時間結構,在擬合周期性波動的非平穩數據時表現良好,適用于湘西州馬尾松毛蟲和松材線蟲病發生面積預測。

預測結果顯示,馬尾松毛蟲在湘西州發生面積仍將延續周期性暴發趨勢,預計將在2023—2025年間迎來新的暴發期,且峰值持續升高,預計最高發病面積可達50 002.50 hm2,2026年開始回落;松材線蟲病自2017年在湘西州發現以來,始終呈現較緩慢的上升趨勢,但從預測結果可以看出,未來松材線蟲病增長速率將大幅增高,發生面積將呈指數型上升,至2026年發生面積可達16 360.82 hm2,年同比增長32.21%。

2.5 發生面積預測結果分析

預測結果顯示,馬尾松毛蟲的發生將繼續延續周期性暴發趨勢,與其歷史發生規律相符,暴發周期逐漸縮短,是由湘西州自然及地理因素造成的發生態勢逐漸加劇,主要原因包括:

(1)高溫高濕,利于松毛蟲繁衍;馬尾松占比高,食物基礎好。湘西州冬春交替時多為陰雨寡照天氣,5月的高溫高濕天氣增多,利于松毛蟲繁衍[10]。馬尾松林面積占湘西州松林總面積的70.68%,豐富的資源給馬尾松毛蟲暴發成災提供了食物基礎。

圖5 湘西州各縣松材線蟲病發生面積統計圖Fig.5 Statistical map of the occurrence area of pine wilt disease in counties of Xiangxi Prefecture

表2 湘西州馬尾松毛蟲、松材線蟲病發生趨勢預測結果Tab.2 Prediction results of occurrence trend of Dendrolimus punctatus and pine wilt disease in Xiangxi Prefecture

圖6 湘西州馬尾松毛蟲病發生面積預測結果Fig.6 Prediction results of D. punctatus in Xiangxi Prefecture

圖7 湘西州松材線蟲病發生面積預測結果Fig.7 Prediction results of pine wilt disease in Xiangxi Prefecture

(2)林分簡單,森林抵抗力差。湘西州人工營造的純林面積大,其中以馬尾松為主,分布范圍廣,林分結構相對簡單,抵抗林業生物災害的能力不強,一旦發生危害,易出現快速蔓延,使湘西州全域成災[11]。

(3)世代重疊,疫情惡化。經過近年來持續重點防治,該地馬尾松毛蟲蟲口密度、發生面積在持續人為干擾下呈下降態勢,但發生周期的峰谷差值變小,仍處于多發態勢,世代重疊現象增多[12]。

同樣地,預測結果顯示松材線蟲病將持續暴發,且疫情逐年加重。松材線蟲病最初在永順縣發生,而后逐年由東北向西南方向擴散,一直未得到有效的阻隔防治,仍有大片松林存在潛在風險,根據預測結果若維持現有防治力量,將呈現暴發增長相符。而松材線蟲病在湘西州成災還存在人為和生境因素:

(1)疫木運輸,導致疫情傳入及擴散。近年隨著交通、電力和電信等基建項目在湘西州落地,物流頻繁、運輸業興起,疫情隨疫木及其制品和包裝材料入侵及擴散蔓延[14]。

(2)松毛蟲災害嚴重,松木樹勢弱。湘西州松毛蟲災害嚴重,削弱樹勢;弱勢的松樹更易感染松材線蟲病[6]。

(3)除治能力不足,未能及時遏制疫情蔓延,社會對林業病蟲害危害認知度不高、防控意識不強;當地林業部門防控資金緊張、防控技術落后。

3 結論與討論

湘西州森林占比高,尤以松林為重,警惕其主要蟲害馬尾松毛蟲、松材線蟲病的發生在生態保護及經濟發展上都具有重大意義。湘西州歷年發生數據顯示:馬尾松毛蟲具有明顯周期性暴發趨勢,峰值顯著激增,世代重疊態勢明顯;松材線蟲病從東北向西南擴散蔓延,疫情逐年加重。究其原因,湘西州松毛蟲、松材線蟲病災害疫情是由于氣候、林分結構、生態條件以及人為活動等因子共同導致。

ARIMA-SVM組合模型能綜合反映森林病蟲害發生面積時間序列的趨勢變化、周期性變化以及隨機性變化,經過反復測試修正各項參數以確定最優模型,對時間序列分析,以實現短期預測[15]。利用ARIMA-SVM組合模型的預測結果顯示,若保持現有防治能力不變,馬尾松毛蟲將在2023—2025年迎來又一暴發期;松材線蟲病發生面積將呈指數型上升。湘西州應該加強監測、檢疫、防治等工作力度,警惕馬尾松毛蟲、松材線蟲病在湘西州暴發。但是ARIMA-SVM組合模型也有一些不足之處,只能用于短期預測[16],在實際運用中還應考慮受到的其他未知因素影響,需在下一步工作中進一步探索影響因素變量,修正模型,以期更準確預測森林病蟲害發生趨勢。

通過分析 2007—2021 年湘西州林業有害生物發生面積數據,對湘西州馬尾松毛蟲和松材線蟲病發病面積的短期預測,能為林業有害生物防治提供科學依據。因此,對湘西縣的林業有害生物防治提出幾點建議。

(1)應提升監測預報預警水平,以湘西州的3個國家級中心測報點為核心,帶動全州林業有害生物監測工作規范化、信息化、科學化,實時監測災情動態變化[17-19],特別是加強對湘西州唯一未發生松材線蟲病的瀘溪縣的疫情監測,警惕花垣縣新發馬尾松毛蟲成災事故重演。

(2)要強化檢疫工作,加大檢疫執法力度,嚴防疫木運輸造成的疫情擴散。

(3)要及時做好防治工作,對已發生馬尾松毛蟲、松材線蟲病的疫區做好制定防治預案,做好防治藥劑藥械準備及防治資金籌措[20]。對僅發生馬尾松毛蟲的疫區,抓住防控關鍵時間節點,做好松材線蟲寄主松墨天牛的防治工作。