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新疆伊犁果子沟云杉雪枯病预测研究



全 文 :森林保护 Forest Protection
FOREST SCIENCE AND TECHNOLOGY  29 








 






新疆伊犁果子沟云杉雪枯病预测研究*
陈 巧1,陈永富1,张东升2
(1.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091;2.新疆林业科学院,乌鲁木齐 830063)
摘要:以新疆天山西部国有林管理局霍城林场果子沟林区的云杉为对象,利用2008-2013年的气象记录数据、雪枯病发
生调查数据、森林资源规划设计调查(二类调查)数据和双重筛选逐步回归法、FISHER判别分析法,建立了云杉雪枯病
发生期及发生区预测模型,发生期判别模型的相关系数分别为0.999 9,检验样本正判率均达到100%。发生区判别模
型的相关系数为:0.817 4,检验样本中发病小班正判率75.00%。
关键词:云杉;雪枯病;FISHER;判别分析;预测模型
中图分类号:S791.8;S763.2  文献标识号:A  文章编号:1671-4938(2015)02-0029-04
DOI:10.13456/j.cnki.lykt.2015.02.010
*中央财政农业推广项目(项目编号:2012tgxj11)
作者简介:陈巧(1977-),助理研究员,博士,主要从事森林资源
监测与管理信息系统研究。
通讯作者简介:陈永富(1963-),研究员,博士,博士研究生导师,
从事森林资源监测与信息管理研究。
森林病害是由病原生物或不良的气象、土壤等非
生物因素引起林木在生理、组织和形态上发生的病理
变化,导致生长不良,产量、质量下降,甚至引起林木
枯死和生态条件的恶化。它是最主要的森林灾害之
一,每年给国家造成巨大的经济损失和生态破坏[1]。
云杉(Picea asperata Mast.)属松科云杉属植物,有
36个种,广泛分部于北美、欧洲、中亚地区及我国的四
川、云南、新疆、甘肃、陕西等区域,既是重要的森林建
群树种,也是重要的用材、生态环境保护和园林绿化
树种。云杉雪枯病(Lophophacidium hyperboreum
Lagerb.),病原菌为子囊菌亚门,星裂盘菌科的北方
盘菌[2],是危害云杉的主要病害之一,国外分布在北
美、北欧及中亚地区,为害欧洲云杉(Picea abies)、白
云杉(Picea glauca)、黑云杉(Picea mariana)等[3-6]。
在我国分布于天山、阿尔泰山、准噶尔西部山地和昆
仑山,为害西伯利亚云杉(Picea obovata)、青海云杉
(Picea crassifolia)和四川云杉(Picea schrenkiana)
等[7]。早期在天然林中零星发生,随着云杉人工林的
不断增加,此病在人工林中,特别是人工中幼林中普
遍发生,人工更新幼林平均发病率10%~43%,严重
时高达88%,在新疆尼勒克、巩留、新源等林区苗圃的
云杉幼苗发病率最高可达100%[8]。有关云杉雪枯病
发生、发展规律及防治措施方面的研究已有报道,主
要集中在对云杉雪枯病调查资料的简单分析和推断,
没有建立定量的预测模型[9-12]。本文以新疆天山西部
国有林管理局霍城林场果子沟林区的云杉为对象,构
建云杉雪枯病预测模型,为云杉雪枯病防治提供科技
支撑。
1 研究区概况
1.1 自然地理环境
新疆天山西部国有林管理局霍城林场果子沟林
区位于东经:80°57′35″—81°15′38″,北纬:44°18′37″—
44°30′57″。果子沟也叫“塔勒奇达板”,是一条北上赛
里木湖,南下伊犁河谷的著名峡谷孔道,全长28km,
由北天山的两条支脉别珍套山和科古尔琴山构成。
海拔高度在1 160~4 284m之间,在海拔2 000m以
上的区域有20%为裸露岩石和永久性积雪,其余为高
山草甸土覆盖。土壤有高山草甸土、亚高山草甸土、
灰褐色森林土、山地栗钙土、山地黑钙土。日照充足,
全年平均日照在2 550~3 000h,年日照率在60%~
66%,日平均实际日照8~12h,太阳辐射能光热资源
丰富,全年总辐射能为137~140kcal/cm2,大多集中
在4—9月,其中最大的在7月,接近19kcal/cm2。历
年平均气温9.2℃,年平均最高气温23.4℃,年平均
最低气温零下9.6℃,极端最高气温40.2℃,极端最
低气温零下36℃,最热为7月,最冷为1月,年平均气
温大于或等于10℃的积温为3 400~3 500℃。林区
年平均降水量在140~460mm 之间,年变化率为
25%~26%,3—7月占全年降水量的50.5%,7月下
旬到9月降水较少,历年降雪较稳定,稳定积雪日数
平均为85d,最长126d,全年降雪量11~86mm,积
雪厚度25~50cm。
1.2 动植物资源
由于受果子沟自然地理条件的影响,形成了丰富
的动植物资源,植物包括云杉、野山楂、山杏、野苹果、
森林保护 ForestProtection
30  FOREST SCIENCE AND TECHNOLOGY








 






山柳、忍冬、欧洲山杨、疣皮桦、桧柏、蒲公英、金莲花、
党参、贝母等。动物有雪豹、马鹿、盘羊、棕熊、野猪、
旱獭、黄羊、狐狸、狼、野兔及20多种珍贵兽类。
研究区总面积53 644.09hm2,其中林业用地面
积14 240.05hm2,有林地 7 063.65hm2,疏 林 地
2 627.25hm2,灌 木 林 地 1 415.32 hm2,苗 圃 地
2.36hm2,宜林荒山荒地3 131.47hm2,活立木蓄积
109万m3,优势树种有云杉、山杏、山楂、野苹果、杨
树、柏树等,云杉林分布最为广泛,面积为6 232.93
hm2,占有林地面积的89.5%,蓄积101.565万m3,占
活立木蓄积的93.1%。其次是山楂、山杏、野苹果混
交林,第三是杨树林,还有柏树林(以灌木林为主)等。
云杉集中分布在海拔1 400~2 700m的该区域范围。
2 材料和方法
2.1 材料
研究材料包括新疆天山西部国有林管局霍城林
场果子沟管护所、沙尔布拉克管护所2008年的森林
资源规划设计调查(二类调查)小班568个,数据记录
包括林班号、小班号、年龄、胸径、树高、单位蓄积、郁
表1 各月气象因子及发病状况
时间
(年/月)
月平均
气温/℃
月最高
气温/℃
月最低
气温/℃
月平均
相对
湿度/%
月降水
量/mm
月平均
风速
(m/s)
病状
2008/01 -13.2  1.8 -26.8  75  6.1  0.9  0
2008/02 -5.5  10.5 -22.1  70  17.5  1.1  0
2008/03  9.4  24.6 -1.5  55  14  1.5  0
2008/04  13.9  30.5 -3.5  42  17.1  1.6  0
2008/05  21.7  36.5  3.3  43  8.1  1.4  0
2008/06  25.2  36.2  11.5  38  4.1  1.4  0
2008/07  25.1  39.6  14.7  46  13.2  1.3  0
2008/08  23.9  39.4  8.4  42  3.1  1.1  0
2008/09  18.3  38.1  1.5  46  50  1  0
2008/10  11  27.2 -1.8  65  16.5  0.9  0
2008/11  3.1  15.9 -7.6  74  11  1  0
2008/12 -2.8  9.3 -15.8  76  9.5  1  0
2009/01 -5.7  1 -10.5  76  8.8  0.9  0
2009/02 -0.2  4.5 -3.8  74  16.9  1.1  0
2009/03-
2013/11
… … … … … … …
2013/12 -3.3  14.5 -19.4  65  13.4  1  0
  注:病状代码:未发病—0、发病—1。
闭度、起源、海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型、土壤厚
度、土壤质地、湿度、地位级等,林相图数据,2008—
2013年各月的平均温度、最高温度、最低温度、降雨
量、平均相对湿度、平均风速等6项气象因子数据和
2011年云杉雪枯病调查数据。表1为部分年月气象
因子数据,表2为部分小班数据。
表2 云杉小班因子
序号 小班数 1  2  3  4  5-567  568
1 管护所
沙尔布
拉克
果子沟 果子沟 果子沟 … 果子沟
2 林班 113  10  20  20 … 95
3 小班 5  13-1  11  12 … 12
4 起源 2  2  1  1 … 2
5 年龄 150  110  3  3 … 170
6 树高/m  22  19  0.5  0.5 … 18
7 胸径/cm  32  26  0  0 … 34
8 郁闭度 0.3  0.4  0.3  0.3 … 0.1

单位蓄积
(m3/hm2)
90  150  0  0 … 30
10 地位级 5  5  4  4 … 6
11 土壤类型 3  3  5  5 … 2
12 土壤厚度 1  2  2  2 … 1
13 土壤质地 1  2  2  2 … 1
14 土壤湿度 2  2  1  1 … 2
15 坡位 2  3  2  2 … 1
16 坡向 1  4  4  4 … 1
17 坡度/° 36  34  36  36 … 38
18 海拔/m  1 930  1 900  2 005  2 025 … 2 370
19 病状 1  1  1  1 … 0
  注:定性因子分类代码为:起源(人工—1、天然—2),土壤类型(山
地野果林土—1、山地生草灰土—2、山地普通灰褐土—3、山地栗钙土—
4、山地黑钙土—5),土壤厚度(薄土—1、中土—2、厚—3),土壤质地(轻
壤—1、沙壤—2、中壤—3),土壤湿度(潮—1、干—2),坡位(上部—1、中
部—2、下部—3),坡向(北—1、东北—2、南与东南—3、西与西北—4、西
南—5),病状(发病—1、未发病—0)。
2.2 方法
2.2.1 主导因子筛选 在建模数据收集时,由于不
能确定哪些因子重要,哪些因子不重要,常常采用收
集尽可能多的因子,通过主因子筛选方法,选出参与
模型建立的主导因子。双重筛选逐步回归法是常用
森林保护 Forest Protection
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的因子筛选方法,其基本原理是根据指定的入选F值
(一般可取F0.05(1,n-(q/2))或F0.1(1,n-(q/2)),q
为自变量个数,通过对自变量的偏回归平方和是否超
过入选F值,如果超过,表示该自变量对因变量的影
响显著,入选回归方程,反之被剔除,最后计算各入选
自变量与因变量的偏相关系数。
2.2.2 病害发生预测模型构建 云杉雪枯病在什么
时间发生或不发生,在何处发生或不发生的问题正是
一个判别分析问题,本文选自FISHER判别方法构建
预测模型,其基本原理是依据方差分析的思想,对判
别变量进行线性变换,然后用距离判别,第k样本的
判别坐标=sum(第k样本判别系数×(该点变量-变
量平均值)),具体判别模型如下:
  yk=∑
m1
i=1
ai*Δxi+∑
m2
j=1

m3
r=1
σ(j,r)*Δxjr (1)
k为样本数;
yk 为第k个样本的判别结果;
m1 为定量观测因子数;
m2 为定性观测因子数;
m3 为定性观测因子的类别数;
аi为第i个定量因子判别系数;
б(j,r)为第j个定性因子第r类别的判别系数;
△xi为第i个定量观测值与该观测变量平均值之差;
△xjr为第j个定性观测因子第r类别观测值与该类别平均
值之差。
3 结果分析
3.1 云杉雪枯病发生期预测模型构建
3.1.1 云杉雪枯病发生期预测模型构建因子分析  
根据2008—2013年各月6个气象因子数据和发病情
况调查数据,利用中国林业科学研究院资源信息研
究所开发的林业统计软件(FORSTAR)中的双重筛
选逐步回归计算程序进行计算,结算结果表明:没有
一个因子的F值能超过F0.1;从偏相关系数看,各因
子均有一定影响。因此,将全部因子用于判别模型
建立。
3.1.2 云杉雪枯病发生期预测模型拟合 利用
2008—2013年各月的温度、湿度等气象数据与2011
年云杉雪枯病调查数据和中国林业科学研究院资源
信息研究所开发的林业统计软件(FORSTAR)中的
FISHER判别分析程序,拟合云杉雪枯病发生期预测
模型参数如表3。
从表3可知,云杉雪枯病发生期的预测模型拟合
精度较高,相关系数为0.999 9,发生正判率和不发生
正判率都达到100%。
表3 云杉雪枯病发生期预测模型参数
判别
因子
判别
系数
发生期
平均值
不发生期
平均值
发生正
判率/%
不发生正
判率/%
相关
系数
平均温度 -0.183 266 125.50  121.56  100  100  0.999 9
最高温度 0.055 882  307.30  264.50
最低温度 0.072 541 -25.50 -6.74
相对湿度 -0.719 063 62.75  57.93
降雨量 0.011 260  416.10  225.90
风速 8.238 119  1.09  1.10
3.2 云杉雪枯病发生区预测模型构建
3.2.1 云杉雪枯病发生区预测模型构建因子分析 
从568个小班中,随机抽取468个小班用于建模因子
影响分析,利用FORSTAR中双重逐步回归程序计算
各因子的F值,其中林分郁闭度、坡度、土壤类型、土
壤质地4个因子的F>F0.1(1,466),最终确定这4个
因子参与建模。
3.2.2 云杉雪枯病发生区预测模型拟合 利用上述
468个小班的郁闭度、坡度、土壤类型、土壤质地4个
因子的调查数据和FORSTAR中的FISHER判别分
析程序计算云杉雪枯病发生区预测模型的拟合参数,
结果见表4。
表4 云杉雪枯病发生区预测模型参数
判别
因子
因子
等级
判别
系数
发生地正
平均值
不发生地
平均值
总平
均值
发生
正判
率/%
不发生
正判
率/%
相关
系数
郁闭度 -0.006 579 0.35  0.345 8  0.345 9  75.00 86.76 0.817 4
坡度 0.002 5  38.25  33.106 3  33.170 8
海拔 -0.000 052 1865  2 043.501 5 2 041.263 3
土壤
类型
1  0  0  0  0
2 -0.020 2  0.0  0.193 6  0.191 2
3 -0.011 192 0.75  0.715 8  0.716 3
4  0  0  0  0
5  0.065 37  0.25  0.050 7  0.053 2
坡向
1  0.027 2  0.125  0.433 3  0.429 4
2  0.027 5  0.0  0.146 0  0.144 2
3  0.0  0.0  0.0  0.0
4  0.096 26  0.875  0.223 8  0.2319
5  0.011 45  0.0  0.1476  0.1457
6  0.0  0.0  0.0  0.0
从表4可知,模型拟合的精度较高,相关系数在
0.8以上。发病小班的正判率超过70%,不发病小班
的正判率超过80%。
3.2.3 云杉雪枯病发生区预测模型精度检验 为了
森林保护 ForestProtection
32  FOREST SCIENCE AND TECHNOLOGY








 






进一步检验模型的精度及可行性,将468个云杉小班
中用于建模之外的100个小班用于模型精度检验。
将模型参数和100个小班的郁闭度、坡度、土壤类型、
土壤质地数据代入公式(1),计算结果见表5。
表5 云杉雪枯病发生区判别模型检验结果
序号 林班号 小班号
坡度
/°
起源
土壤
类型
土壤
质地
2011年
病状
模型
判别结果
1  111  6  42  2  2  1  1 √
2  10  13  40  2  2  2  1 ×
3  20  12  36  1  4  2  1 √
4  20  9  32  2  1  2  0 ×
5  10  6  24  2  1  2  0 √
6  10  7  24  2  1  2  0 √
7  10  14  27  2  1  2  0 √
8  94  4  32  2  1  1  0 ×
9  70  31  35  2  1  3  0 √
… … … … … … … … …
100  91  31  35  2  1  3  0 √
  注:计算结果为:发病小班4个,判别正确3个,正确率75.00%;不
发病小班96个,正确判别86个,判别正确率89.58%。
4 结论与讨论
4.1 结论
从以上分析可得出以下结论:
(1)月平均温度、最高温度、最低温度、相对湿度、
降雨量和风速6个气象因子对云杉雪枯病的发生均
具有一定影响,但没有影响显著因子,说明云杉雪枯
病的发生是多因素共同作用的结果。在众多小班因
子中,郁闭度、坡度、土壤类型、土壤质地对云杉雪枯
病发生区域有显著影响,在这4个因子中,既有林分
因子,也有环境因子,说明云杉雪枯病发生受林分和
环境双重约束。
(2)云杉雪枯病发生期和发生区预测模型具有较
高的预测精度,模型稳定性也较高,其中云杉雪枯病
发生期预测模型的相关系数达到0.999 9,发生期正
确判别率和不发生期正判率均达100%;云杉雪枯病
发生区预测模型拟合相关系数超过0.8,模型检验正
判率也达到或超过75%。
4.2 讨论
新疆伊犁果子沟是云杉重要的分布区,由于其独
特的生长环境,本区域云杉的生长良好,虽然有病害,
但发生的频率不高,危害的程度较低,分布范围不大,
本次收集的气象数据时间跨度较短,在此期间,云杉
雪枯病仅发生过1次,为了保证云杉雪枯病预测模型
的可靠性,今后还需要调查更长时间的气象数据和云
杉雪枯病发生数据对模型进行验证和修改完善。
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