湯西靈，羅艷玲，朱云倩，溫秀軍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

松材線蟲(Bursaphelenchus xylophilus)是常見的松材寄生線蟲，能引發(fā)松材線蟲病。松材線蟲病(Pine wilt disease)又被稱為松樹萎焉病，是松樹的一種毀滅性流行病害[1,2]，主要通過松褐天牛等媒介傳播，傳播迅速，死亡率極高，難以控制[3]。自從在北美出現(xiàn)后，它已經(jīng)擴展到歐洲和亞洲的許多國家和地區(qū)，對全球生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。目前，這種病害已經(jīng)廣泛分布于8 個國家，包括北美的美國、墨西哥和加拿大；東亞的中國、日本、韓國和朝鮮；以及歐洲的葡萄牙[4-9]。在受影響的國家中，中國、日本和韓國是受影響最嚴(yán)重的。1979 年，在日本造成了243 萬株松樹的大規(guī)模死亡[10]。在韓國，2005 年大約有78.11 km2的松樹林被摧毀[11]。1982 年，在中國南京東郊首次發(fā)現(xiàn)該病的存在，隨著病情不斷蔓延，許多松林被毀，損失慘重[2]。據(jù)國家林業(yè)與草原局2023 年第七號通告，與2022 年相比，全國新增了7 個松材線蟲病縣級疫區(qū)，松材線蟲病在19 個省廣泛分布。大多數(shù)感染了松材線蟲病的松樹從初始感染發(fā)展到嚴(yán)重感染階段一般是在5 周內(nèi)[12]。因此，有必要持續(xù)監(jiān)測松材線蟲的適宜棲息地，并在早期感染階段識別受感染的松樹，以避免病害的進一步傳播，有效控制松材線蟲病[13]。松材線蟲病的傳播主要依賴于松褐天牛(Monochamus alternatus)成蟲這一媒介昆蟲，然而至今仍未發(fā)現(xiàn)有效的防治方法。因此，對于防止松褐天牛傳播松材線蟲病，及時發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)定位病死的松樹是至關(guān)重要的，這不僅可以有效地遏制其擴散，還可以提高防治效果[14]。我國在松材線蟲病疫情防控方面面臨著被動的局面，監(jiān)測技術(shù)相對滯后，傳統(tǒng)的人工地面監(jiān)測已經(jīng)無法滿足需求。然而，隨著近年來地球空間信息科學(xué)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展[15,16]，為松材線蟲病的疫情監(jiān)控提供了有力的支持。

1 松材線蟲病的發(fā)生危害特點

1.1 病害傳播速度快

松材線蟲病只需要通過短期的積累就能實現(xiàn)大面積和大范圍的傳播。松樹林的密度和比例等也與松材線蟲病的發(fā)生和傳播速度呈正相關(guān)[13]。該病害可以通過病媒傳播，如松褐天牛，而這些病媒可以攜帶大量的病原體。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計顯示，一只天?？梢詳y帶多達20 萬條松材線蟲[17]。

1.2 病害致死率較高

由于林業(yè)從業(yè)人員在監(jiān)測過程中所掌握的專業(yè)知識和技能不足，其綜合素質(zhì)亦不盡如人意，因而難以從事科學(xué)的監(jiān)測工作。同時我國森林資源分布不均衡，部分地區(qū)還存在著大面積的國有林場或者是集體林地，這些都給松材線蟲提供了良好的生長環(huán)境。由于監(jiān)測技術(shù)的滯后，我們無法及時發(fā)現(xiàn)松材線蟲病發(fā)生的早期跡象。一旦發(fā)現(xiàn)有蟲害跡象，就需要及時采取措施，將其消滅。當(dāng)癥狀顯現(xiàn)時，此時已進入病蟲害爆發(fā)的中期或晚期，此時病蟲害難以被技術(shù)手段所遏制或完全消除，從而給森林帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[18,19]。

1.3 病害分布時空特征

松材線蟲病是一種由松材線蟲引起的病害，其發(fā)生時間和地理位置分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對松材線蟲病的地理信息進行深入分析，可以發(fā)現(xiàn)其疫情與環(huán)境因素、人類活動密切關(guān)聯(lián)，同時表現(xiàn)出周期性和季節(jié)性規(guī)律。基于這些規(guī)律，可以建立起相應(yīng)的時空模型，以便更好地預(yù)測和控制疫情的發(fā)展趨勢。因此，深入探究松材線蟲病的地理空間分布和發(fā)生時間規(guī)律，對于為疫情防控提供科學(xué)依據(jù)和決策支持具有不可或缺的重要性[20]。在我國，松材線蟲病呈現(xiàn)出聚集分布的趨勢，并在不同的空間尺度上向外擴散[21]，其空間變化呈現(xiàn)為從沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)向經(jīng)濟欠發(fā)達的地區(qū)(如東北、西北)擴散的趨勢[22]。松材線蟲病疫情隨著時間發(fā)展推移，疫情的傳播范圍向外圍發(fā)生擴散，疫區(qū)危害程度由高聚集型向低密度型轉(zhuǎn)變，新發(fā)疫點呈現(xiàn)跳躍式發(fā)生，且分布較為零散，很難將所有疫區(qū)都控制住，也很難在短時間內(nèi)消滅這些疫區(qū)[20]。

2 媒介昆蟲松褐天牛誘捕監(jiān)測

松材線蟲主要以松褐天牛為傳播媒介，在松褐天牛取食松樹樹皮補充養(yǎng)分時侵入松樹的傷口，接著快速且大量地繁殖，繼而導(dǎo)致松材線蟲病的發(fā)生[23]。因此需要有效的方法來監(jiān)測松褐天牛的種群活動，以監(jiān)測松材線蟲病在國內(nèi)的傳播[24]。

2.1 燈光誘捕

松褐天牛是一種弱趨光性昆蟲，其被燈光誘殺的效果也一般[25]。燈泡可采用450 W 高壓汞燈，燈架由白鐵皮和玻璃片制成，漏斗下裝有收集昆蟲的紗布袋，燈盞間距80 m 以上，每天天黑后開燈，次日天亮?xí)r關(guān)燈。其燈光誘捕需要一次性投資較大，并且受到電源及山地等客觀條件的限制。在野外應(yīng)用方面，其安全性相對較差[26]，需要使用高功率的高壓汞燈，并且對電力設(shè)備的要求較高，同時操作起來也相對較危險。在農(nóng)村地區(qū)，由于觸電、漏電等安全問題的存在，會帶來很大的潛在風(fēng)險。在惡劣的天氣條件下，尤其是刮風(fēng)下雨時，其問題更加突出，不建議進行大規(guī)模推廣[25]。

2.2 餌木誘捕

設(shè)置誘木監(jiān)測松褐天牛。為了設(shè)置誘木，宜選取密集、拔地而起、通風(fēng)良好之松林，且以虛弱、惹病蟲害之松木為宜[27]。夏季初期(大約是五月中旬)，在離地面30 cm 左右的誘木基部，沿著誘木側(cè)面的3 個方向，使用刀子每個方向砍3～4 刀，切口深達木質(zhì)層的1～2 cm，在刀口與樹干形成30°角位，接著使用注射器將化學(xué)誘劑A-3 型注入切口(廣東省林業(yè)科學(xué)研究院研制)[28]。誘木中的誘劑藥效耗盡后，可根據(jù)需要再次添加誘劑，若誘木內(nèi)天牛量較多，可伐除銷毀后重新設(shè)置誘木[27]，這種方法可有效控制松褐天牛的種群密度，減少其對樹木造成的危害。誘木誘捕是一種常見的殺死松褐天牛的方法，但其存在一些問題。首先，由于沒有昆蟲收集裝置，成蟲時常逃逸，導(dǎo)致效果不佳。其次，在誘捕結(jié)束之后，還需要將誘木全部運出林區(qū)進行集中銷毀，工作量大，同時還有可能把天敵殺死。此外，地理環(huán)境也會對銷毀工作造成影響。因此，雖然殺死松褐天牛是一種有效的方法，但需要考慮到其實施的可行性和效率[29]，在實際操作中很難掌握。

2.3 引誘劑誘捕

在昆蟲種群監(jiān)測和預(yù)警中，誘捕器發(fā)揮了重要作用。我們常常使用它來監(jiān)測農(nóng)林害蟲的種群變化并分析相關(guān)影響因素，預(yù)測害蟲發(fā)展趨勢，提出適當(dāng)?shù)目刂拼胧┖皖A(yù)測害蟲種群變化，并提出適當(dāng)?shù)姆乐我庖奫30]。

誘捕器在松褐天牛的羽化期時(5—8 月)被放置在每一固定監(jiān)測點?？煞胖迷谏巾?，沿著森林道路，在一個通風(fēng)良好的地方。誘捕器的底部距離地面約為1.5 m。為了防止天牛成蟲從誘捕器中鉆出，采用了鋅鐵皮或塑料制成的誘捕器。將干凈的棉球放在誘芯中，然后在誘芯中加入200 mL 的引誘劑，之后每20 天向誘芯中加入140 mL 的引誘劑。每隔1～2 天(羽化后期為5～7 天)對誘捕器進行檢查、分離并在顯微鏡下檢查是否存在松材線蟲。如果發(fā)現(xiàn)有松材線蟲，可通過 “打孔流膠法” 在誘捕點附近1 km 區(qū)域內(nèi)開展早期檢測工作，同時抽取疑似病樹樣本進行分離和鑒定，確認(rèn)病害點位，分析疫情擴散情況[31]。選擇合適的誘劑掛放誘捕器是監(jiān)測控制松褐天牛的有效舉措，具備良好誘捕作用，既方便又安全，不受客觀條件的限制，有利于天敵的防護，可大規(guī)模推廣應(yīng)用[26]。

近年來，隨著天牛的引誘技術(shù)不斷發(fā)展，基于昆蟲信息素研制出的新型松褐天牛引誘劑已成為松材線蟲病防控中至關(guān)重要的手段。這種引誘劑不僅具有高效率、專一性強、操作簡便、綠色安全、適用范圍廣、成本低等誘捕特點[32-35]，而且可以根據(jù)引誘物質(zhì)的來源劃分為植物源引誘劑和信息素引誘劑兩類。植物源誘劑就包括多種單萜和溶劑，而昆蟲信息素引誘劑則包括多種聚集信息素[36,37]。目前，國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是福建農(nóng)林大學(xué)所研發(fā)的APF-I 型引誘劑和誘捕器[38]。該引誘劑是結(jié)合松褐天牛寄主植物揮發(fā)物以及昆蟲信息素制備的新型品種。由于其良好的引誘活性和捕捉效果，現(xiàn)已得到廣泛推廣和應(yīng)用[34,39]。這些研究成果為松材線蟲病的防控提供了新的思路和方法，也為其他害蟲的防治提供了借鑒和啟示。

3 松材線蟲病死樹監(jiān)測

森林病蟲害管理在很大程度上取決于有效的監(jiān)測。對相關(guān)危害的實時監(jiān)測可以保證對森林病蟲害的早期預(yù)警和有效控制，為制定防治政策提供有效的依據(jù)[40]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要以人工地面調(diào)查為主，但該方法耗時長，勞動強度大，成本高。此外，使用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法很難全面準(zhǔn)確地調(diào)查害蟲的發(fā)展情況[41,42]。而利用遙感技術(shù)監(jiān)測林業(yè)有害生物，具有實時動態(tài)監(jiān)測、覆蓋面積大、不易受環(huán)境干擾、周期短等優(yōu)點，利用遙感技術(shù)監(jiān)測松材線蟲病也取得了一些進展。

3.1 全面普查

在我國，監(jiān)測松材線蟲病的疫情一直是林業(yè)最重要的任務(wù)之一。由于傳統(tǒng)的秋季普查方法已經(jīng)面臨著時效性欠缺的問題,而且為更好地了解疫情發(fā)展的動向，國家林草局于2022 年出臺了新的《松材線蟲病防治技術(shù)方案》，明確了常規(guī)監(jiān)測和專項調(diào)查的綜合關(guān)系。在新版的方案中，常規(guī)監(jiān)測將以發(fā)現(xiàn)新的疫情為重點，強調(diào)全面調(diào)查、準(zhǔn)確鑒定和及時報告。為了確保監(jiān)測效果，方案要求每2 個月進行一次常態(tài)化巡查。這一監(jiān)測方式，不僅提高了監(jiān)測的時效性，也更加全面地掌握了疫情發(fā)生動態(tài)，為松材線蟲病的防治提供了更加有效的技術(shù)支持。監(jiān)測的重點是沒有松材線蟲病爆發(fā)的松樹林，包括小群落和分散的松樹林。主要任務(wù)是監(jiān)測松材線蟲病的爆發(fā)，收集樣本并進行鑒定，確認(rèn)新發(fā)疫情松林小班并進行詳細調(diào)查[43]；而專項普查則是從松材線蟲病發(fā)生區(qū)按森林資源小班分布圖，沿著設(shè)計路線進行全區(qū)松林的普查。調(diào)查的目的是確定病死樹的范圍、數(shù)量和面積(基于小集群的統(tǒng)計)，建立一個分布圖，并計算病死樹和損失的樹木數(shù)量。這將有助于記錄爆發(fā)情況并形成年度控制計劃表[31]。新版的《松材線蟲病防治技術(shù)方案》出臺，為我國松材線蟲病防治工作提供了更加科學(xué)的技術(shù)支持和指導(dǎo)，也有利于提升我國森林防疫工作的水平。

3.2 人工監(jiān)測

主要是人工的定期巡查。傳統(tǒng)的地面監(jiān)測工作，主要是用望遠鏡等工具，以人工巡查的方式，按小班劃分成網(wǎng)格進行。在進行巡查之前，需要對相關(guān)的檔案資料進行詳細的查閱，對松樹林的分布以及松材線蟲病的爆發(fā)有一個清晰的認(rèn)識，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地形地貌以及交通狀況，對巡查路線進行合理的設(shè)計[43]。定期巡查那些人類活動頻繁的區(qū)域(如道路兩旁、旅游景點、大型企業(yè)、大型建筑工地、倉庫、碼頭、駐軍營房、城鎮(zhèn)周邊、車站、木材加工廠、電視發(fā)射站)周圍的松林，如發(fā)現(xiàn)疑似感染的松樹，應(yīng)立即實施采樣、檢測，以確認(rèn)是否存在松材線蟲[31]。

3.3 遙感監(jiān)測

隨著遙感技術(shù)、GIS 技術(shù)的迅速發(fā)展，使用各類航空、航天遙感影像對病害進行監(jiān)測已經(jīng)成為一種重要的發(fā)展方向[44]。

3.3.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測

衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于森林病蟲害的監(jiān)測，例如高分五號衛(wèi)星資料可以進行森林病蟲害的定量分析[45]。劉志明[46]等人利用氣象衛(wèi)星AVHRR 獲取了大興安嶺山區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，并對經(jīng)過處理的綠色指數(shù)(RVI)進行了分析，以及結(jié)合現(xiàn)場抽樣調(diào)查，對馬尾松毛蟲為害區(qū)域進行了面積評估。在研究中，Huang 等[47]人使用高分影像技術(shù)構(gòu)建了大量松材線蟲病樣本數(shù)據(jù)集,并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)精確地辨識了松材線蟲病感染區(qū)域。該研究成果采用了雙時相變化檢測,并強化了圖像的時空特征，消除了區(qū)域內(nèi)變色落葉樹的影響，從而明顯降低了疫木的誤檢率，相較于單一時相的機器學(xué)習(xí)分類方法有了顯著提升[48]。

但目前使用的高光譜儀等成像儀器所獲得的光譜特性信息，受衛(wèi)星運行周期、經(jīng)費、傳感器分辨率、光照、溫度等因素的影響，尚不能對其進行準(zhǔn)確的分類。對松材線蟲病疫木的監(jiān)測，要求精確定位，而現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)難以滿足這一要求。所以，在利用衛(wèi)星遙感進行松材線蟲病疫木監(jiān)測時，還需要有更準(zhǔn)確的方法[49]。

3.3.2 地面遙感監(jiān)測

地面遙感是各種移動終端傳感器支撐平臺的統(tǒng)稱，既能探測和采集地物目標(biāo)信息，也能測量各種地物波譜。隨著我國自主研發(fā)的以 “北斗” 為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global navigation satellite system,GNSS)服務(wù)的應(yīng)用，基于此信號的移動終端設(shè)備更新快速。這種實時定位的地面遙感廣泛應(yīng)用于林業(yè)數(shù)據(jù)源的獲取與分析中，并為松材線蟲病的監(jiān)測提供技術(shù)支持[50]。地面遙感發(fā)現(xiàn)松材線蟲病的存在與高光譜特征明顯相關(guān)。Zhang 等[51]研究表明，松樹在得病不同階段的光譜反射率似乎有很大不同。Kim 等人[52]構(gòu)建了一個紅—綠光譜面積指數(shù)(GRSAI)，并發(fā)現(xiàn)它比其他指數(shù)更快地檢測到松材線蟲病的感染。然而，有些研究使用野外便攜式光譜儀來收集光譜數(shù)據(jù)，忽略了空間信息，因此不能在大規(guī)模地區(qū)應(yīng)用[53]。該方法具有范圍小、活動性高的特點，在松材線蟲病的診斷中常作為人工輔助手段進行精細化實地定位核查[54]。

3.3.3 無人機遙感監(jiān)測

無人機遙感是一種快速、可靠、易于使用的大面積覆蓋的監(jiān)測工具，可以彌補傳統(tǒng)地面觀測和衛(wèi)星遙感的不足，可以根據(jù)監(jiān)測作業(yè)的技術(shù)要求，靈活地調(diào)整分辨率與采集的數(shù)據(jù)類型，從而實現(xiàn)有針對性的獲取不同的植被特征，也需要發(fā)展無人機穩(wěn)定技術(shù)和定位技術(shù)[14]。在重慶市沙坪壩區(qū)松材線蟲病的發(fā)生區(qū)武紅敢等人[55]對其進行了無人機遙感技術(shù)的分析研究。而李衛(wèi)正等[56]也利用低成本小型無人機對疫區(qū)進行高分辨率的圖像采集，然后通過LPS(Leica Photogrammetry Suite)進行正射，隨后將其導(dǎo)入美國GeoLink 軟件，收集病樹和死樹的位置信息。事實證明，這種方法比傳統(tǒng)的病害監(jiān)測應(yīng)用更有效。Abdel-Rahman 等人[57]利用機載高光譜數(shù)據(jù)探索了SVM 和RF 分類器來區(qū)分健康期、染病和病死的松樹。

基于無人駕駛飛行器(UAV)的遙感在中小規(guī)模上是高效和靈活的。該設(shè)備可以配備遙感器，產(chǎn)生高分辨率的圖像，在監(jiān)測森林病蟲害方面有很大的潛力[58]。許多研究人員考察了基于無人機的遙感技術(shù)在松材線蟲病監(jiān)測方面的表現(xiàn)。Iordache 等人[59]獲得了機載多光譜和高光譜數(shù)據(jù)，并采用隨機森林(RF)算法來比較這兩個數(shù)據(jù)集在檢測松材線蟲病方面的分類準(zhǔn)確性。

然而，傳統(tǒng)的遙感圖像識別方法的效率和準(zhǔn)確性不一定能滿足病害監(jiān)測的需要。深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)是近年來興起的一項技術(shù)，具有學(xué)習(xí)海量、高維圖像特征的優(yōu)秀能力，在涉及遙感圖像的分類、識別和監(jiān)測任務(wù)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[60]。Huang 等[60]通過對5 個常用DCNN 模型的遷移學(xué)習(xí)和結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，得到了一個基于Slim 模塊結(jié)構(gòu)的改進模型，測試樣本的分類精度達到94.90%。深度學(xué)習(xí)在遙感數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用表明，D-CNN 能夠高效、準(zhǔn)確地處理大規(guī)模遙感數(shù)據(jù)，也被廣泛應(yīng)用于計算機視覺和其他領(lǐng)域[61,62]。Ha 等人使用深度學(xué)習(xí)來處理無人駕駛飛行器(UAV)在低空拍攝的圖像，并識別受感染的蘿卜植物，CNN 獲得了93.3%的準(zhǔn)確率[63]。RanCon 等人獲得并標(biāo)記了患病和健康藤蔓植物的圖片，使用從ImageNet 數(shù)據(jù)庫上訓(xùn)練的MobileNet 網(wǎng)絡(luò)中提取的深度特征，獲得了91%的總體準(zhǔn)確率[64]。上述研究表明，與傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)方法相比，利用深度學(xué)習(xí)可以得到更高的識別準(zhǔn)確性。在基于航空圖像的森林病蟲害監(jiān)測中，Sylvain 等人使用D-CNN 來識別樹木的健康狀態(tài)，準(zhǔn)確率達到94%[65]。作為實地勘察的替代方法，可以采用無人機圖像、無人機數(shù)據(jù)構(gòu)建正射影像和數(shù)字表面模型(DSM)、基于深度學(xué)習(xí)的物體監(jiān)測的組合，以更大的覆蓋面和準(zhǔn)確度來定位受松材線蟲病破壞地區(qū)的新松樹[66]。

4 展望

松材線蟲病防治作為世界性難題，需積極探索有效的防治方法，要把松材線蟲病的監(jiān)測和防控視為一場長期的戰(zhàn)役，減輕松林疫情，減少成片枯死松樹現(xiàn)象，必須積極尋求一條行之有效的防控途徑?？梢约訌娖詹楸O(jiān)測，根據(jù)測報的數(shù)據(jù)，及時制定綜合治理技術(shù)方案；并加強檢疫，阻止疫情的傳播蔓延[67]。如今，對松褐天牛的監(jiān)測和防治已經(jīng)運用了引誘劑和誘捕器，并已得到了廣泛的使用。不過，針對于不同的林分類型和地區(qū)，誘捕器的使用效果也有著一定的區(qū)別。如果濫用，很可能會加重松材線蟲病疫情的擴散?？紤]到目前誘捕器更適合于疫情的監(jiān)測，因此在疫情發(fā)生區(qū)和非發(fā)生區(qū)的交界處，禁止其使用[68]。利用遙感技術(shù)，可實現(xiàn)對受害林木的大范圍監(jiān)測與定位，進而制定相應(yīng)的防治策略，防止森林病蟲害的進一步擴大，導(dǎo)致森林資源的重大損失[69,70]。為了保障我國的松樹林生態(tài)安全，徐培林等[71]提出 “天空地一體化立體監(jiān)測技術(shù)”，將航天遙感、航空遙感和地面遙感技術(shù)相結(jié)合，用于松林的病蟲害監(jiān)測，以提高監(jiān)測效率。充分利用天空地融合監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng),充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,鑒別出多樣化的情況,以促進衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機遙感識別、地面物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)等的融合發(fā)展和應(yīng)用。并進一步增加疫情監(jiān)控調(diào)查手段和信息核實核查的方式,以提高監(jiān)測識別與監(jiān)管能力[43]。未來該領(lǐng)域的研究也將結(jié)合高光譜高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、無人機數(shù)據(jù)、北斗高精度定位以及物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，達到 “天空地網(wǎng)” 一體化監(jiān)測，從而準(zhǔn)確識別早期罹病木，實現(xiàn)松材線蟲病的精準(zhǔn)監(jiān)測與全過程動態(tài)監(jiān)測[72]。