杜桂林 趙海龍 涂雄兵

摘要 研究蝗蟲發(fā)生的影響因子及其成災(zāi)機(jī)理，是有效預(yù)測其發(fā)生的前提和基礎(chǔ)。本文利用“3S”等技術(shù)，根據(jù)我國內(nèi)蒙古草原地區(qū)特點(diǎn)，建立了內(nèi)蒙古草原亞洲小車蝗宜生區(qū)（HA）劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法，綜合地理特征和草原類型等影響因子，采用ArcGIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)手段，構(gòu)建了草原蝗蟲宜生指數(shù)模型，利用該模型進(jìn)行了亞洲小車蝗宜生區(qū)區(qū)域劃分。結(jié)果表明以栗鈣土為主要土壤類型，以大針茅為主的草地類型，地上植物量達(dá)150～250 kg/hm2，海拔高度在1 000～1 100 m之間和坡度為0～10°的條件下，宜生區(qū)指數(shù)（IH）為5，劃分為一級宜生區(qū)。各影響因子所占權(quán)重為草原類型>土壤類型>地上植物量>海拔高度>坡度。此劃分方法的研究有助于明確草原蝗蟲分布區(qū)域和發(fā)生動態(tài)，明確內(nèi)蒙古草原亞洲小車蝗宜生區(qū)空間分布情況，為草原蝗蟲防治提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞 草原蝗蟲； 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)； 宜生區(qū)； 宜生區(qū)指數(shù)

中圖分類號： S 433.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2018079

Abstract Research on the factors influencing the occurrence and outbreak mechanism of locust is the premise and basis for the prediction of its occurrence. According to the characteristics of the grassland area of Inner Mongolia in China， the main division methods of the locust inhabitable area （HA） in Inner Mongolia grasslands were constructed by using “3S” technique. A model of grasshopper inhabitability index was built by combining the comprehensive geographical features and grassland types on the software ArcGIS. The model was then applied to the regional division of locust in Inner Mongolia. The results showed that the most suitable conditions for the growth and development of locusts were： the main soil type was chestnut soil； the grassland was dominated byStipa grandis； the aboveground biomass reached 150-250 kg/hm2； the altitude was between 1 000-1 100 m with a slope of 0-10°， which could be divided into the first class suitable area， with an inhabitability index of 5. The weight ratios of these factors were as followed： grassland type > soil type > aboveground biomass > altitude > slope. This method is helpful for clarifying the distribution regions and occurrence dynamics of locusts in grasslands， and the spatial distribution of locusts in Inner Mongolia can be clearly defined by using this method， which can provide the data support and the decision basis for locust control.

Key words grassland locust； monitoring and warning technology； inhabitable area； inhabitability index

內(nèi)蒙古草原為我國北方生態(tài)屏障，擁有草原面積0.88億hm2[1]。近年來，草原蝗蟲暴發(fā)日益嚴(yán)重，加速了草原退化、沙化、荒漠化。2000年以來，蝗災(zāi)連續(xù)7年大暴發(fā)，危害面積0.622億hm2[2]，蟲口密度超過1 000頭/m2[2-3]，蝗蟲所到之處，草原生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，對畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)和牧民生活造成了巨大損失。據(jù)調(diào)查，分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)的草原蝗蟲117種[4]，其中亞洲小車蝗Oedaleus decorus asiaticus為主要優(yōu)勢種[4]。由于亞洲小車蝗具備遠(yuǎn)距離遷飛習(xí)性，并且近期氣候變暖導(dǎo)致其分布區(qū)域擴(kuò)大，給防治工作帶來了極大困難。

趙成章等研究發(fā)現(xiàn)蝗蟲的發(fā)生與生態(tài)因子之間存在緊密而復(fù)雜的關(guān)系，一方面，環(huán)境因子諸如氣象因子、土壤類型、生態(tài)地理特征等能夠影響蝗蟲的生長發(fā)育和群落結(jié)構(gòu)；另一方面，環(huán)境因子通過影響蝗蟲棲境內(nèi)植物群落的生長和分布，從而形成特定的植被群落結(jié)構(gòu)，間接影響蝗蟲群落和發(fā)生動態(tài)。另外，關(guān)于影響草原蝗蟲暴發(fā)的坡度走向、草地土壤類型、草地植被覆蓋量、大氣氣候、降雨量、溫度和坡度[5-10]等生態(tài)因子已有很多的研究，并且基于“3S”等技術(shù)[5]（地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS和遙感RS）的草原蝗蟲監(jiān)測預(yù)警研究也在不斷進(jìn)行。劉長仲等[11]利用草原監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對鼓翅皺膝蝗和紅翅皺膝蝗的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了研究和預(yù)測預(yù)報(bào)，趙鳳杰等[12]通過對草地高光譜研究，分析預(yù)測了草地蝗蟲短星翅蝗的為害狀況和發(fā)生情況。

劉庚山等[13]利用遙感監(jiān)測技術(shù)對內(nèi)蒙古草原蝗蟲進(jìn)行了齡期預(yù)測，馬建文等[14]進(jìn)行了東亞飛蝗的發(fā)生監(jiān)測預(yù)警試驗(yàn)。但是關(guān)于內(nèi)蒙古草原亞洲小車蝗宜生區(qū)劃分[15]方面的研究報(bào)道很少，為此，本研究以內(nèi)蒙古草原優(yōu)勢種蝗蟲亞洲小車蝗為研究對象，結(jié)合1994年以來內(nèi)蒙古自治區(qū)草原蝗蟲發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和2013年以來年地面調(diào)查數(shù)據(jù)[16-28]（地面調(diào)查按照《草原蝗蟲調(diào)查規(guī)范》[29]的要求采集蝗蟲種類、齡期和數(shù)量等信息），按照《草原資源與生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（NY/T1233-2006）[30]的要求采集其他信息，將生境的概念延伸，根據(jù)草原蝗蟲宜生區(qū)（inhabitable area，HA）和宜生區(qū)指數(shù)（inhabitability index，IH）的概念，開展了影響內(nèi)蒙古草原亞洲小車蝗發(fā)生情況和空間分布的研究，為進(jìn)一步預(yù)測草原蝗蟲的分布區(qū)域提供精準(zhǔn)預(yù)測依據(jù)。

1 監(jiān)測技術(shù)與方法

1.1 草原蝗蟲遙感監(jiān)測

利用衛(wèi)星遙感來監(jiān)測草原蝗蟲發(fā)生發(fā)展動態(tài)，根據(jù)董永平等[31]對草原資源與生態(tài)監(jiān)測工作尺度的劃分，草原蝗蟲監(jiān)測屬于小時(shí)間尺度監(jiān)測[32]，因此應(yīng)在1年內(nèi)進(jìn)行多次監(jiān)測，即按照固定時(shí)間間隔周期性地監(jiān)測草原蝗蟲變化情況。通過MODIS圖像提取草原地上植物量，利用TM數(shù)據(jù)獲得土壤類型和草原類型不同的組合，加上數(shù)字高程圖及其生成的坡度、坡向數(shù)據(jù)，結(jié)合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，對草原蝗蟲可能分布的區(qū)域及程度進(jìn)行估測。

1.2 草原蝗蟲地面監(jiān)測

1.2.1 樣地監(jiān)測

在草原蝗蟲監(jiān)測工作中選擇有代表性的典型地區(qū)設(shè)立長期定位監(jiān)測樣地，周期性地進(jìn)行樣方測定。

1.2.2 路線調(diào)查

根據(jù)《草原蝗蟲調(diào)查規(guī)范》（NY/T1578-2007）[29]，確定路線及樣地選擇的方法，在地形圖或圖像上初步確定調(diào)查路線，之后經(jīng)對選定的監(jiān)測路線及樣地實(shí)地踏查及對比，確定監(jiān)測路線、樣地以及監(jiān)測時(shí)的交通線路。

1.2.3 野外測定

根據(jù)確定的路線或樣地，針對監(jiān)測內(nèi)容，按期進(jìn)行野外的觀察、測定和描述，此方法需要與遙感圖像進(jìn)行準(zhǔn)確的空間位置復(fù)合，因而地面取樣的過程需要用手持設(shè)備（Pocket PC，PPC）終端進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 本底數(shù)據(jù)獲取

草原蝗蟲監(jiān)測涉及的本底數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃、地貌、地形、草原、植被、土壤等基礎(chǔ)圖件，除用資料收集的手段獲得外，還利用專門的監(jiān)測過程獲取，經(jīng)整理、錄入、數(shù)字化或標(biāo)準(zhǔn)化后納入空間數(shù)據(jù)庫管理。

1.3.2 動態(tài)信息獲取

草原蝗蟲監(jiān)測的動態(tài)信息是分析草原蝗蟲時(shí)空變化的核心，主要來自地面監(jiān)測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)兩個(gè)渠道。

1.3.3 建立空間數(shù)據(jù)庫（屬性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與圖件數(shù)字化）

各類文字資料、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測的描述與測定數(shù)據(jù)需要經(jīng)過整理、統(tǒng)一編碼與計(jì)量單位、數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的規(guī)范化等過程，錄入數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中的屬性數(shù)據(jù)與數(shù)字圖件建立聯(lián)結(jié)后，即形成空間數(shù)據(jù)庫。

1.4 信息管理

這一環(huán)節(jié)以地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）[33]應(yīng)用為主，還涉及數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等方面的技術(shù)?？臻g數(shù)據(jù)管理需要地理信息、圖形圖像、數(shù)據(jù)庫等方面的支持，一般建立在公用的地理信息系統(tǒng)軟件平臺上，目前常用的有ArcGIS、MAPINFO、GEOMEDIA等，本試驗(yàn)采用使用尤為廣泛的ArcGIS。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 圖像處理

遙感圖像經(jīng)預(yù)處理后，需要進(jìn)行增強(qiáng)、變換、運(yùn)算、分類等提取和判讀專題信息[34]。

1.5.2 數(shù)據(jù)復(fù)合

本底資料中的專題圖件和遙感圖像、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)在配準(zhǔn)空間位置后，可以很好地疊置在一起。

1.5.3 模型構(gòu)建與運(yùn)算

通過抽樣獲取某一點(diǎn)草原蝗蟲分布的草原類型、土壤類型、海拔高度、坡度等信息，建立草原蝗蟲與這些因子之間的關(guān)系模型，然后在未抽樣區(qū)域用模型去運(yùn)算，判斷是否屬于該種草原蝗蟲分布區(qū)[35]。

2 結(jié)果與分析

地面調(diào)查數(shù)據(jù)，包括抽樣樣點(diǎn)的地理位置、蝗蟲種類、齡期和數(shù)量、海拔高度、坡度、坡向、植被蓋度、地上植物量、草原類型、土壤類型等信息。蝗蟲宜生區(qū)影響因子眾多[10，15]，本文通過宜生區(qū)內(nèi)與非宜生區(qū)內(nèi)亞洲小車蝗的歷年統(tǒng)計(jì)資料和野外監(jiān)測資料統(tǒng)計(jì)分析，確定了其宜生區(qū)的主要影響因子為土壤類型、草原類型、地上植物量、海拔高度和坡度（表1）。

根據(jù)《草原蝗蟲宜生區(qū)劃分與監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》[36]中關(guān)于草原蝗蟲種群數(shù)量和為害次數(shù)對草原蝗蟲發(fā)生程度進(jìn)行量化（表2）。量化范圍為0～5，數(shù)值越大表示草原蝗蟲發(fā)生程度越嚴(yán)重。

2.1 土壤類型

內(nèi)蒙古自治區(qū)亞洲小車蝗分布地區(qū)的幾種土壤類型中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)[37]和定點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)，按照草原蝗蟲發(fā)生程度量化標(biāo)準(zhǔn)，對歷史數(shù)據(jù)采用拉斐爾打分法，對地面調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子分析，確定了各土壤類型宜生指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示栗鈣土和淡栗鈣土最適宜亞洲小車蝗的生長發(fā)育，其次為黑鈣土、暗栗鈣土和棕鈣土，而風(fēng)沙土、鹽化草甸土和草甸土很少有亞洲小車蝗活動（表3）。根據(jù)宜生指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，利用ESRI公司的ArcGIS軟件，在ArcMap中使用GIS的數(shù)據(jù)空間分析和處理功能，繪制出宜生指數(shù)分級圖（圖1）。

2.2 草原類型

亞洲小車蝗在不同天然草地類型中發(fā)生狀況存在顯著差異，如溫性草原類中芨芨草草地，草株一般長得較高，在60～90 cm以上，下面為大針茅等其他草本植物，較適宜于亞洲小車蝗的生存和發(fā)育；溫性草原類中的克氏針茅草地，克氏針茅株高20～30 cm，下層為雜類草，其分布區(qū)在氣候上比芨芨草草地濕潤，但在生態(tài)環(huán)境的總體特征上與芨芨草草原基本相同，也很適宜亞洲小車蝗的生存和發(fā)育；而溫性草甸類中的沼澤化草甸主要分布于本區(qū)地勢相對較低、排水不暢的洼地，寸苔草草地蓋度很高，可達(dá)95%以上，幾乎未見有亞洲小車蝗發(fā)生。其中，部分樣點(diǎn)數(shù)據(jù)見表4，相應(yīng)的宜生指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表5和圖2。

2.3 地上植物量

內(nèi)蒙古草原生態(tài)條件差異非常大，區(qū)域分異規(guī)律明顯，不同區(qū)域的產(chǎn)量不同。根據(jù)樸世龍等[38]對地上植物量估測模型Y=179.71×NDVImax1.622 8，可以計(jì)算出亞洲小車蝗調(diào)查同期的地上植物量。秦興虎[10]通過對實(shí)地調(diào)查點(diǎn)的亞洲小車蝗發(fā)生密度和其草原生產(chǎn)力進(jìn)行曲線分析和模型評估，溫性草原類、溫性草甸草原類、溫性荒漠草原類、低地鹽化草甸類草原的生產(chǎn)力與亞洲小車蝗發(fā)生關(guān)系的相關(guān)性分別達(dá)到0.732、0.843、0.796、0.811。根據(jù)定點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，地上植物量100～300 kg/hm2時(shí)，最適亞洲小車蝗生存，尤其在生物量總和為150～250 kg/hm2時(shí)；地上植物量過低或者高于500 kg/hm2時(shí)，幾乎沒有亞洲小車蝗活動跡象（表6）；分析獲得了與地上植物量相關(guān)的宜生指數(shù)分級圖（圖3）。

2.4 海拔高度

海拔高度不同所造成的溫度、降水等的差異，對亞洲小車蝗的發(fā)生帶來顯著的影響。調(diào)查過程中針對不同海拔高度進(jìn)行亞洲小車蝗發(fā)生密度情況調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示：亞洲小車蝗在海拔700～1 300 m之間均有分布，但是發(fā)生密度的峰值在1 000～1 100 m之間，隨著海拔的升高，發(fā)生密度隨之減少，并且，隨著海拔的降低，發(fā)生密度也隨之減少，在海拔1 300 m以上或700 m以下，發(fā)生數(shù)量幾乎為零（表7）。相應(yīng)的宜生指數(shù)分級圖見圖4所示。

2.5 坡度

坡向?qū)喼扌≤嚮劝l(fā)生的影響主要是通過其改變光照、溫度和熱量得以表現(xiàn)的。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和地點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，單純從不同坡向接受的太陽輻射量看，亞洲小車蝗密度的極大與極小值點(diǎn)應(yīng)分別出現(xiàn)在南坡和北坡，并且隨著坡度的升高，亞洲小車蝗密度逐漸降低，坡度在0～10°的地區(qū)最適宜亞洲小車蝗生存，當(dāng)坡度高于30°時(shí)，亞洲小車蝗發(fā)生密度為零（表8）；在此基礎(chǔ)上繪制出相應(yīng)的宜生指數(shù)分級圖（圖5）。

利用宜生指數(shù)模型，根據(jù)宜生區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)，使用1∶100萬地形圖、地上植物量圖、草原類型圖和土壤類型圖利用ArcGIS軟件的柵格運(yùn)算方法，在結(jié)合綜合宜生指數(shù)模型基礎(chǔ)上，計(jì)算出空間上任意一點(diǎn)的綜合宜生指數(shù)值，繪制亞洲小車蝗分級宜生區(qū)空間分布示意圖（圖6）。

3 討論

就草原蝗蟲而言，國外從20世紀(jì)70年代開始，應(yīng)用遙感技術(shù)（RS）監(jiān)測蝗蟲適生地的規(guī)模和適合度[40-43]。在國內(nèi)的研究中，張紅艷等[5]在對內(nèi)蒙古草原蝗蟲潛在發(fā)生的可能性評價(jià)研究中，將土壤的含沙量列入了影響草原蝗蟲發(fā)生因子中，其結(jié)果顯示土壤含沙量在60%～80%的情況下更適宜蝗蟲的發(fā)生。結(jié)合本文分析，在亞洲小車蝗的整個(gè)生命史中，從其產(chǎn)卵到卵孵化、蝗蝻出土可認(rèn)為是處于“地下階段”，而蝗蝻出土后直至成蟲消亡為“地上階段”。在“地下階段”，土壤的溫度、水分、鹽分等都是比較重要的影響因素[42]，而在“地上階段”卻很次要，因此在栗鈣土、淡栗鈣土、棕鈣土、黑鈣土等含沙量稍高的土壤類型中，亞洲小車蝗更宜發(fā)生，而在一些沙化鹽化比較嚴(yán)重的土壤類型如風(fēng)沙土、草甸土和鹽化草甸土中，含水量少、鹽分過高，均不適于亞洲小車蝗的生長發(fā)育。

根據(jù)多年實(shí)地調(diào)查和歷年蟲情記錄資料[44]分析，亞洲小車蝗主要分布在溫性草原類、溫性草甸草原類、溫性荒漠草原類和低地鹽化草甸類，在高山草甸類草地上也有少量分布，在實(shí)地調(diào)查中，雖有部分人工草場有亞洲小車蝗發(fā)生，但與天然草地相比，密度很小。本研究結(jié)果同吳惠惠等[6]的研究相吻合，即亞洲小車蝗更喜歡在針茅為優(yōu)勢種的草地取食，而不喜歡在寸苔草、雜類草或小葉錦雞兒草為優(yōu)勢種的草地取食活動。

隨著地上植物量的增加和減少，草原蝗蟲開始表現(xiàn)出逐漸減少的現(xiàn)象，不利于蝗蟲生存[45]。周桔等[7]的研究結(jié)果表明，通過長期的圍欄、禁牧等措施，長期禁止利用草原，可能對生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展并非有益。因此，雖然從已有研究和宜生指數(shù)研究中都表明在一定范圍內(nèi)，地上植物量增加，植被覆蓋度提高可以在一定程度上限制蝗蟲暴發(fā)，但是因目前我們不能掌握牧區(qū)內(nèi)的牧草種類變化，單一地從地上植物量和植被蓋度來推斷蝗蟲發(fā)生趨勢顯然也缺乏有力證據(jù)。

另外海拔高度與坡度不同所造成的溫度、降水、氣候的差異，對蝗蟲的生長、發(fā)育有很大的影響[7]，這方面目前已有很多研究[8，13]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)亞洲小車蝗主要發(fā)生在坡度小于5°的平原地區(qū)，當(dāng)坡度增加到20°左右時(shí)，則很難見到其發(fā)生。通過對坡度與亞洲小車蝗密度進(jìn)行回歸分析，得到坡度與發(fā)生密度的相關(guān)性為0.845，這一點(diǎn)與我們近年來的調(diào)查結(jié)果相吻合。除此之外，東南坡較西北坡更適宜亞洲小車蝗的生存[46]，這是由于亞洲小車蝗屬變溫動物，一般7～8℃才開始蘇醒，10℃以上開始取食，坡度對其發(fā)生的影響主要是通過其改變光照、溫度和熱量得以表現(xiàn)的。

除了土壤類型、草原類型等相對穩(wěn)定的因子的影響，實(shí)際上對于中、短期預(yù)測來看，草原蝗蟲分布區(qū)域的溫度、降水[47-48]和牧草返青情況對于草原蝗蟲發(fā)生期和發(fā)生量的預(yù)測更為重要。但目前全國僅有26個(gè)草原蟲害固定監(jiān)測站[49]，且大多沒有配備氣象信息采集和記錄設(shè)備，很難利用現(xiàn)有體系來研究草原蝗蟲發(fā)生與氣候因子的關(guān)系[50]；另外本文研究中的2005年以前的草原蝗蟲發(fā)生情況本底數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，在這之后的數(shù)據(jù)也有一部分源于統(tǒng)計(jì)，或是沒有記錄生態(tài)因子的調(diào)查數(shù)據(jù)，造成在構(gòu)建模型和數(shù)據(jù)分析過程中工作量很大。為此，在后續(xù)的研究過程中要進(jìn)一步推廣草原蝗蟲野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高覆蓋度，提高有效數(shù)據(jù)比例，才能更為準(zhǔn)確地為草原蝗蟲監(jiān)測預(yù)警工作提供數(shù)據(jù)支撐。

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[19]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.2009年全國草原監(jiān)測報(bào)告[R].2009.

[20]農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)司，全國畜牧總站.2009年全國草原生物災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警報(bào)告[R].2009.

[21]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.2010年全國草原監(jiān)測報(bào)告[R].2010.

[22]農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)司，全國畜牧總站.2010年全國草原生物災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警報(bào)告[R].2010.

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[24]農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)司，全國畜牧總站.2011年全國草原生物災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警報(bào)告[R].2011.

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（責(zé)任編輯：田 喆）