古劍， 肖正利， 李金鞠， 趙金文， 湯丹， 周丹

(1.宜昌市森林病蟲防治檢疫站，湖北 宜昌 443001；2.遠安縣林業(yè)局, 湖北 宜昌 444200； 3.夷陵區(qū)自然資源和規(guī)劃局，湖北 宜昌 443100)

松材線蟲病(Bursaphelenchusxylophilus)，又稱松樹萎蔫病，其病原是國際檢疫性林業(yè)有害生物[1-2]。該病疫情2006年傳入宜昌地區(qū)[3]，2021年3月國家林業(yè)和草原局公告宜昌市區(qū)域松材線蟲病縣級疫區(qū)12個[4]，湖北省林業(yè)局公告宜昌市松材線蟲病鄉(xiāng)鎮(zhèn)級疫點55個[5]。松材線蟲本身并無擴散能力[6]，主要借助媒介昆蟲傳播，能攜帶松材線蟲的昆蟲有45種，可作為媒介昆蟲的有13種，為墨天牛屬(Monochamus)種類[7]，國內最常見能傳播松材線蟲的昆蟲有6種[8]，宜昌三峽區(qū)域以松褐天牛(Monochamusalternatus)成蟲為攜帶傳播主要途徑。主要危害對象為馬尾松(Pinusmassoniana)，馬尾松是該區(qū)域森林頂級群落之一，也是天然分布最廣的森林類型，是該地域森林資源的主要樹種。

近十年來，關于松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、傳播途徑、防治措施出現(xiàn)了大量研究，涉及從分類到疫情防控,包括病原、媒介、遺傳、行為以及共生菌等方面[1]。但松材線蟲病地理空間與疫情擴散空間規(guī)律方面的研究較為少見。

研究松材線蟲病疫情發(fā)生空間地理，有助于揭示松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，為松材線蟲病疫情防控提供輔助技術支撐；本研究采用收集受害松林空間位置基礎數(shù)據(jù)基礎上，基于ArcGIS軟件平臺，對其傳播擴散空間分布數(shù)據(jù)定量化、數(shù)據(jù)建模、模擬分析空間地理分布特征，測度地域疫情發(fā)展的影響極其差異性，挖掘相關影響因子，以期為松材線蟲的生態(tài)控制、綜合治理、監(jiān)測與防控等決策提供理論依據(jù)，遏制松材線蟲病的擴散蔓延。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖北省宜昌市三峽庫區(qū)位于湖北省西南部，宜昌市共轄5個市轄區(qū)、3個縣級市、3個縣、2個自治縣(詳見圖1)，地處長江上游與中游的結合部，鄂西山區(qū)向江漢平原的過渡地帶，地跨110°15′—112°04′E、29°56′—31°34′N，東西最大橫距174.08 km，南北最大縱距180.6 km。宜昌三峽庫區(qū)地形復雜，海拔懸殊，最高海拔2 426.9 m(興山縣的仙女山)，全市最低海拔35 m(枝江市的楊林湖)，相對高差2 392 m，境內山地、丘陵、平原兼有。土壤主要為紅壤、黃棕壤、黃壤、棕壤、草甸土、石灰(巖)土，紫色土、潮土、水稻土等。宜昌屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均水量為992～1 404 mm，無霜期200～307 d。氣候特征適合松材線蟲的入侵、生長與繁殖。據(jù)2020年森林普查結果顯示，宜昌市森林面積139.45×104hm2，約占國土總面積的66%。其中松林面積33.877×104hm2，占全部森林面積的45.67%。馬尾松以純林和混交林形式分布，在該區(qū)域森林植被類型上占有很大的生態(tài)空間與分布范圍，其生態(tài)保護極為重要。

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)來源于宜昌市森林病蟲防治檢疫站收集管轄區(qū)域2020—2021年度松材線蟲病疫情馬尾松疫木(枯死樹、瀕死樹、感染死亡木)采伐地理位置數(shù)據(jù)庫(*.shp格式)，運用ArcGIS軟件空間連接(Spatial Join)工具將疫木位置與數(shù)量所匯集成面圖層數(shù)據(jù)庫；由于疫木點所涉及范圍廣、數(shù)據(jù)大，本研究數(shù)據(jù)分析層級僅到行政村一級；為便于數(shù)據(jù)分析，基于村級面圖層受害松林數(shù)量為屬性值，以村級面圖層幾何中心坐標為村級疫情(疫源、侵染源)數(shù)據(jù)，面圖層與點圖層相互轉換；以此為基礎底圖建立六個層級數(shù)據(jù)庫，分別為縣行政界線、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、林班、小班和村級疫源。

1.3 研究方法

1.3.1 空間自相關分析

采用全局自相關莫蘭指數(shù)(Moran′s I)研究松材線蟲病疫源地理區(qū)域的空間相關性，其取值范圍[-1，1]，Moran’s I計算公式為：

當I>0時，表示正相關，表示具有相似的屬性聚集在一起，且越接近于1聚集性越大；當I<0，負相關，表示具有相異的屬性聚集在一起，I=0，或不存在空間自相關性，是隨機現(xiàn)象[9-10]。

1.3.2 空間聚集分析

應用空間聚集模型(Getis-Ord Gi*)統(tǒng)計每一個疫點要素，通過得到的Z值得分和p值來判斷高值或低值疫源在空間上發(fā)生聚類的位置[11-12]。公式為：

式中：xj是疫源j的屬性值，Wij是疫源i和j之間的空間權重，n為疫源總數(shù)。

1.3.3 核密度分析

核密度分析可直觀的反映出離散測量值在連續(xù)區(qū)域內的分布情況。核密度值的高低代表研究對象在空間分布上的集聚程度[13]，即疫源區(qū)域半徑范圍內受害松林值的密度，判斷受害松林空間整體空間分布特點。計算公式[10,14]：

disti

(9)

式中：疫點(x，y)位置范圍內的受害松林株數(shù)值密度，i=1，2，…，n是輸入疫源，位于(x,y)位置的半徑距離內，popi是i點的領域數(shù)量字段值參數(shù)，為全部受害死亡松值，disti是疫源i和(x,y)位置之間的距離。

1.3.4 區(qū)域重心

借鑒重心研究地理空間分布分析，在疫源空間分布中，重心即加權平均中心，是通過賦予空間對象要素坐標的不同權重，將空間對象的屬性(受害松林株數(shù)程度)加以分析，得出受災區(qū)域中心，直觀地表現(xiàn)區(qū)域差異。區(qū)域重心坐標為公式為[14-15]：

(10)

(11)

式中：xi和yi為各村行政區(qū)域疫源坐標，n為疫源總和，wi為疫源i處的權重，z疫源危害株數(shù)屬性值。

1.3.5 多環(huán)緩沖區(qū)

緩沖區(qū)是地理空間目標的一種影響范圍。按設定的距離條件圍繞其疫源中心而形成一定緩沖區(qū)多邊形實體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在二維空間得以擴展的范圍信息，探索疫區(qū)地理自然擴散范圍空間模型圖。公式為[10,12]：

P={x|d(x,A)≤r}

(12)

式中：A為疫源中心，r為鄰域半徑緩沖區(qū)，d為歐氏距離。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

應用Excel 2010處理基礎數(shù)據(jù)。采用ArcGIS10.8軟件進行空間信息圖制作與統(tǒng)計分析。

2 結果分析

2.1 疫情分布及危害

截止2021年5月底統(tǒng)計分析，宜昌市三峽區(qū)域2020年度各疫區(qū)松材線蟲病疫情發(fā)生危害程度概況(詳見表1)，該病疫情經(jīng)過15年發(fā)展已經(jīng)擴展到12個縣(市、區(qū))疫區(qū)74個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街辦、林場)522個村(居委會)，松林受到不同程度受到危害。2020—2021年度，該病危害松林面積2.317 3×104hm2，清理病枯死松樹79.873 5萬株。疫情發(fā)生較重的區(qū)域分布在當陽市(村級疫源63個)、夷陵區(qū)(村級疫源113個)、宜都市(村級疫源60個)。三個市、區(qū)發(fā)生面積分別為3 686.7 hm2、10 233.3 hm2和1 566.7 hm2，松林疫木分別為274 501株、236 217株、84 340株。危害最輕的分布在猇亭區(qū)(46.7 hm2)和枝江市(80 hm2)，對應的村級松林疫木分別為3 673株和1 906株。各縣市(區(qū))松材線蟲病疫木與發(fā)生面積進行相關性分析(圖2)，決定系數(shù)R2=0.663(P<0.01)，結果表明：擬合程度為適度模型，死亡數(shù)量均與疫情發(fā)生面積大小存在顯著正相關關系，松林死亡數(shù)量越大，疫情發(fā)生面積越大。

圖2 發(fā)生面積與疫木數(shù)量線性回歸關系Figure 2 The linear regression relationship between the occurrence area and the number of endemic trees

表1 松材線蟲疫病情發(fā)生概況Table 1 Occurrence of pine wood nematode blight

2.2 地理分布特點

村級疫源松林受害株數(shù)值自然間斷分級色彩程度圖(圖3)顯示，10個等級值[280，700，1 226，1 925，3 036，4 648，6 886，10 901，18 156，32 593]顯示了疫情危害程度地理空間格局。疫情的傳播地理區(qū)域特點為集中連片，受害松林相對集中，呈現(xiàn)面狀擴散；邊境區(qū)域面狀相連，具有連續(xù)性。該病疫情造成危害區(qū)域集中在當陽市、夷陵區(qū)、遠安縣、猇亭區(qū)、宜都市和點軍區(qū)。

研究區(qū)地理村級疫源點高程疊加圖顯示(圖4)，點密度大小顯示了疫情危害程度空間分布格局，點大小密度屬性值分布不均，顯示了松林受害量級，疫源相對集中，稠密程度不一，疫源散布分布和局部爆發(fā)特點。危害較重區(qū)域分布在當陽市。疫源的地理分布集中在海拔1 200 m以下，這與馬尾松主要分布在高程低于1 200 m相關[16]，同時也與高海拔馬尾松林密度分布較低相關。當陽市、宜都市較低海拔區(qū)域受害程度重，高海拔成為疫源傳播的自然屏障。

疫源數(shù)據(jù)空間探索三維圖(圖5)顯示了疫區(qū)的空間分布趨勢，區(qū)域內每一個疫源松林受害株數(shù)值為該單元格幾何中心值,用三維數(shù)據(jù)點(X，Y，Z)來表示。其中X，Y為各區(qū)域幾何中心處的經(jīng)度和緯度方向(東、北)，Z維度顯示疫區(qū)受害松林株數(shù)值i，用桿的高低顯示。三維趨勢顯示疫源趨勢為東、中部高，西部低。整體高桿值較少，表明疫源呈現(xiàn)局部爆發(fā)。投影趨勢線值顯示，東北邊平緩坡度，有上升趨勢，中間東部局部凸起，趨勢線總體平緩，未造成大的受災或大的嚴重區(qū)域，危害程度為局部災害。

圖5 疫情三維趨勢Figure 5 Three-dimensional trend of the epidemic

2.3 松材線蟲擴散流行空間分布特征

2.3.1 空間自相關分析

采用莫蘭指數(shù)(Global Moran’s Ⅰ)值分析疫源松林受害聚集程度、分布狀況的全局自相關。疫源距離閥值分別設定半徑5 km，10 km和20 km。表2結果顯示，Moran′s I=[0.271 5，0.270 8，0.197 4]，為正相關，表明具有相似的屬性聚集在一起。Z=[8.02，14.87，18.67]，顯著性檢驗P=0,零假設表示與要素相關的值聚集模式分布可能性小于1%，即疫源的地理分布模式為隨機分布。

表2 疫源全局空間自相關指數(shù)表Table 2 Global spatial autocorrelation index of foci

2.3.2 空間聚集分析

為進一步分析檢驗疫源聚集危害程度細化特征，采用高/低聚類(Getis-Ord General G)來檢驗疫情危害程度。當疫源距離>10 km時，具有統(tǒng)計學檢驗意義。表3結果顯示，General G觀測值=0.000 009，Z=9.8，顯著性檢驗P=0，高聚類模式分布可能性小于1%，即疫源的分布模式為隨機分布，與空間自相關結果一致。

表3 疫源高/低聚類指數(shù)表Table 3 High/low cluster indexTable of foci

2.3.3 核密度與區(qū)域重心分析

根據(jù)疫源受害松林株數(shù)密度值，設定距離閾值R=10 km，計算周圍鄰域疫源的密度，并制作核密度分布圖。圖6顯示，色彩階層自然間斷10個等級值[69,139，208，278，348，417，487，556，626，696]反映了松材線蟲疫情入侵危害程度分區(qū)。疫情的擴散和受災區(qū)域集中在東部的當陽市，是疫情爆發(fā)區(qū)。東南區(qū)域的宜都市、中部區(qū)域的夷陵區(qū)，東部的當陽市分布為高密集區(qū)，受害集中在局部區(qū)域。

疫源空間位置地理坐標重心如圖6。圓圈為疫情危害縣市區(qū)中心地理位置。中心區(qū)域疊加核密度圖，反映了各縣市區(qū)疫情傳播地理空間受災中心區(qū)域。疫情以一個區(qū)域為中心逐漸向四周擴散和外圍蔓延特點，區(qū)域重心與核密度圖中心一致，即重心為疫源的源頭，表明疫情地理傳播以一個中心點向四周爆發(fā)傳播。

圖6 受損松林核密度的分布Figure 6 Distribution of kernel density in damaged pine forest

2.3.4 多環(huán)緩沖區(qū)分析

空間物體對鄰近對象的影響度隨距離變化而呈不同強度的擴散或衰減[17]，緩沖區(qū)可得到疫情傳播的范圍和預測傳播區(qū)域，進行合理的監(jiān)測、普查、設防，以及擴散范圍風險評估[18]。由圖7可知，以1 km等間距對疫源為圓心分成5個等級緩沖區(qū)，緩沖區(qū)模型圖體現(xiàn)了空間連續(xù)影響和由環(huán)內向外的空間疊加效應。長江以南區(qū)域疫源點狀分布，長江以北地理區(qū)域被疫情環(huán)繞，疫情在三峽宜昌區(qū)域范圍具有傳播擴散風險。

圖7 疫區(qū)多環(huán)緩沖區(qū)Figure 7 Epidemic area multi-ring buffer

3 結論與討論

松材線蟲病疫情已經(jīng)擴展分布到三峽宜昌區(qū)域的12個縣(市、區(qū))疫區(qū)74個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街辦、林場)522個村(居委會)，危害面積2.317 3×104hm2。地理分布集中在當陽市、夷陵區(qū)、遠安縣，猇亭區(qū)，宜都市、點軍區(qū)?？h市(區(qū))邊境成片狀相連，存在交叉?zhèn)鞑ペ厔?。疫源爆發(fā)區(qū)分布在當陽市，疫源危害高密集區(qū)分布在宜都市、夷陵區(qū)。且受害區(qū)域有面積增多、擴大的特點，疫源呈跳躍式和遷徙式蔓延。但松林受害地理分布集中在海拔1 200 m以下，高海拔成為疫源傳播的自然屏障。

三峽宜昌區(qū)域松材線蟲病疫情的發(fā)生、傳播、流行與地理環(huán)境之間有著密切的關系。地理分析說明了疫情的傳播與松林的密度、分布、人為活動相關，各因素在地理面上的疊加研究是必要的[19-20]。將空間地理分布作為新的輔助依據(jù)，根據(jù)松材線蟲病疫情空間傳播規(guī)律和特點，制定科學防控措施。

三峽宜昌區(qū)域松材線蟲病疫情疫源地理空間傳播蔓延擴散是隨機的。疫源在自然傳播是連續(xù)性緩慢過程[20]，隨機傳播增大了防治難度。人為活動也可造成疫源跳躍式和遷移式發(fā)展，使得疫源中心點隨擴散時間變化，危害程度也時刻發(fā)生改變，極小的疫源都有可成的新的爆發(fā)點出現(xiàn)。因此疫情擴散極難預測和防治，疫源的傳播發(fā)生具有不確定性。針對疫情傳播特點，應該以疫木清理為防控核心，輔助化學和生物防治手段,控制傳播媒介松褐天牛蟲口密度，禁止疫木流通，減少侵染及傳播來源[21-22]。

松材線蟲不會主動感染松樹。因此，預防傳播可從傳播媒介方向上轉移，減少傳播媒介。此外，可從森林經(jīng)營措施上調節(jié)松樹密度[20,23]，培育闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，調整和建立合理的樹種結構，設置自然屏障，達到抵御災害能力[24]。通過控制疫源人為活動傳播，加大疫木的清理力度，在地理空間上阻擋疫源。同時，加強聯(lián)防聯(lián)治、區(qū)域合作、防止區(qū)域交叉?zhèn)鞑?，以求在地理區(qū)域上整體去除疫情。