全 文 ：林业科学研究!"#$%!"&"$#$-$ --
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!!文章编号!$##$($)*&""#$%##$(##-$(#-
基于气象因子的松墨天牛发生率空间格局研究!
王!庆$! 毕!猛$! 马思佳"! 石!雷$!!
"$+中国林业科学研究院资源昆虫研究所!云南 昆明!-%#"")% "+西南林业大学!云南 昆明!-%#"")#
收稿日期$ "#$)(#&("$
基金项目$ 国家林业局林业公益性行业科研专项""#$"#)%#$%"#$##)#-"#
作者简介$ 王!庆"$*&*(#!男!硕士研究生!主要从事森林病虫害预测预警研究+
!
感谢国家林业局森林病虫害防治总站的于治军处长,张旭东工程师,谭宏利处长提供本试验的病虫害数据+
!!
通讯作者+
摘要!根据全国范围内 "##"("#$" 年松墨天牛逐年发生数据!选取发生松墨天牛虫害地级行政区的平均发生率作
预测指标!在P3201F
测未来我国松墨天牛虫害的潜在变化趋势) 结果显示$结合筛选的 $" 个气象因子建立的松墨天牛平均发生率空间
格局模型!预测精度为 &,+$)d!据此预测松墨天牛平均发生率在 "#"#K,"#%#K,"#&#K的空间格局与 "##"("#$" 年
相比主要呈现出四川东部,贵州中部地区中度和重度虫害发生面积明显增加%湖南东部,江西西部和浙江西部地区
虫害重度发生面积明显增加%陕西东南部虫害重度发生面积减少%山东东部,安徽中部虫害轻度发生面积明显缩减
的趋势)
关键词!气象因子%松墨天牛%发生率%偏最小二乘回归%空间格局
中图分类号!D-, 文献标识码!.
M#(#.1&")*C,.-./I.#1*)%D-2-40):6/)1"7(2)"6/.(
X&&O11#*&#M.#K.(#8)*0##)1)/)H-&./E.&)1(
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目"P:3<:WF
*$+
!在我国多分布于陕西,山东,河
北,河南,江苏,浙江,福建,安徽,江西,湖北,湖南,
四川,贵州,云南,广西,广东等地!主要寄主是针叶
树种!是松材线虫病的主要媒介昆虫*"+ !危害马尾松
"H26?%@(%"62(6(1(@7#,云南松"H26?%^ ?66(6$6%2%
?I179;+#,落叶松"/(#2YA@$1262"N6WI+# G6S<7+#,
云杉 "H2)$( (%G$#(&( Z1KF+#, 冷 杉 ",72$%T(7#2)
"Z1KF+# PI12@#等 )# 多个松属"H26?%#树种*,+ ) 松
墨天牛通常 ) 月中旬开始化蛹!% 月上旬羽化!- 月
中下旬成虫出孔高峰期) 蛹发育的起始温度为 $$
f左右!有效积温为 $- 日度左右!幼虫发育起始温
度为 $"+% f左右!有效积温 -"% 日度左右!羽化出
孔则需要温度达到 "# f左右!气温偏高出孔数量越
多!降雨量大出孔则少*) [%+ ) 气象因子对松墨天牛
的发生与分布有显著的影响!温度和降水 " 个气候
因素对于大尺度景观!是决定病虫害空间格局的主
要因素!它们的变化范围和病虫害潜在的空间格局
有十分密切的关系*-+ ) 湿度影响松墨天牛的羽化
率!湿度越高!羽化率越大* [&+ ) 目前!对松墨天牛
的研究多集中在生物学特性,防治技术以及小尺度
的空间格局分析** [$)+ !对于全国范围的预测预警少
有研究)
本文通过分析松墨天牛平均发生率与气候因子
的相关性!建立松墨天牛平均发生率的预估模型!并
在P3201F
气候变化对森林病虫害影响的研究可为我国应对气
候变化!有效防控森林病虫害提供重要依据!为重大
病虫灾害成灾机制与防控基础的研究提供决策和
支持)
$!研究数据与方法
9+9:研究数据
$+$+$!松墨天牛发生数据的收集和提取!"##"(
"#$" 年全国范围内松墨天牛逐年发生数据!涵盖松
墨天牛发生的 $- 个省级行政区的共 $)& 条记录,
$--个地级行政区共 *)条记录,$ $-$ 个县级行政区
共 % )")条记录!经数字化处理后转存到 /A9<3数据
表) 剔除监测信息缺失的统计数据后!本研究利用监
测信息完整的 &,个地级行政区的松墨天牛逐年发生
数据用作模型分析!计算出 &, 个地级行政区的平均
发生率"表 $#!并作为松墨天牛的预测指标!其计算
公式为$
,4Z
$
6
2Z$
J,
2
$
6
2Z$
B,
2
d$##d"$
&
6
&
$$ 且 6
(
:#
!!式中$,4为松墨天牛平均发生率!J,
2
为第 2
年松墨天牛发生面积!B,
2
为第2年松墨天牛监测面
积!6为松墨天牛发生总年数!:为整数集*$%+ )
表 9:发生松墨天牛的地级行政区统计数据
地区名称
总发生面积b
万 ;0"
总监测面积b
万 ;0"
平均发生率
bd
安庆市 $+$#" * $,$+)$ , #+&, "
毕节市 $+#&% * $)+--, , $$+%# *
潮州市 #+##- +&, , #+#&- $
郴州市 #+-%* * "*+#*) $ #+",- )
福州市 #+*#* $)$+# ) #+-)$ *
抚州市 #+-*$ & %,-+""& * #+$"* #
广安市 $+-- & "$+"$% $ +*#, &
广州市 #+##* , +,- #+$"- $
贵港市 #+#$) " $+%# * #+#$* &
贵阳市 %+#% , $+"% - ,+"$& -
22 22 22 22
遵义市 -+$&% * ))"+*$$ # $+,*- -
$+$+"!气象数据的计算!用于模型分析的地级行
政区 "##"("#$" 年的平均气象数据以及 "#"#K,
"#%#K和 "#&#K的平均气象数据均由气象数据模拟
软件P3201F
以改进!使 P3201F
"#,*#,"#%#K""#)#("#-*#,"#&#K""##("#**#的
年平均气温,年平均降水量,月平均气温,月平均降
水量,年温湿系数,无霜期等 &, 个气象因子的数
据*"#+ !输出的气象台站历史数据已通过中国气象科
"-
第 $ 期 王!庆等$基于气象因子的松墨天牛发生率空间格局研究
学数据共享服务网0中国地面国际交换站气候资料
年值数据集1和0中国地面国际交换站气候资料月
值数据集1验证)
9+;:研究方法
$+"+$!偏最小二乘!H/I"回归!本文利用偏最小
二乘" 1`IF213H<1KFDX61I
解决一些传统多元线性回归无法解决的问题) 利用
偏最小二乘回归建模的关键就是确定所选取的主成
分个数!舍一交叉验证法"H<1T
由此!可依据 HEII 的最小值确定用建模的主成
分数)
$+"+"!变量投影重要性!L4H"!计算变量投影重
要性"\1I21@3
L4H值大于 $ 时!说明自变量在解释因变量时有重
要作用%L4H值在 #+% $+# 时!说明自变量的解释
作用还不明确!需要增加样本或根据其它条件进行
判断%L4H值小于 #+% 时!说明自变量对因变量的解
释基本没有意义*"" [",+ !通常选取L4H值大于 $ 的自
变量参与建模)
$+"+,!模型精度评价!用松墨天牛 ,4预测值的
决定系数 "" #,平均误差 ",E#,均方根误差
"BIE#,总预测相对误差"HE#作为模型精度的
评价指标!其计算公式分别如下$
"
Z
$
6
2Z$
"^
2
#
^
2
#"
e
^
2
)
^
2
#
$
6
2Z$
"^
2
#
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2
#
$
6
2Z$
"
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^
2
)
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2
#
"
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$
6
$
6
2Z$
"
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2
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2
#
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$
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$
6
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^
2
\^
2
#槡
"
HEZ
$
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2Z$
"
e
^
2
\^
2
#
$
6
2Z$
^
2
d$##f
!!式中$^
2
为松墨天牛,4实测值%e^
2
为松墨天牛
,4预测值%#^
2
为实测值的平均值%)^
2
为预测值的平
均值%6为样本个数)
"!结果与分析
;+9:空间格局模型
"+$+$!气象因子的筛选!作为因变量的 "##"(
"#$" 年松墨天牛,4数据为非正态分布!需经对数
变换后生成符合正态分布的松墨天牛平均发生率对
数变换"37,4#数据) 利用 D.D*+" 对 37,4数据和
选取由 P3201F
37,4数据与每个气象因子的相关关系!对分析结果
做双侧显著性检验) 提取与 37,4数据呈显著相关
的气象因子!得到 * 月平均气温"K,L#*#,) 月平均
最高气温"KB=#)#,% 月平均最高气温"KB=#%#,$#
月平均最高气温 "KB=$# #,$" 月平均最高气温
"KB=$"#, 月平均最低气温"KB:##,夏季平均最
高气温 "KB,=w%@#,夏季平均最低气温 "KB4:w
%@#,秋季平均气温"K,Lw(&#,大于 % f的有效积温
度日"..n%#,去年 & 月份至当年 月份的降雪量
"H,I#,大于 % f的有效积温度日达到 $## 的儒略
日"..%
$##
#$" 个气象因子作为建立回归模型的入
选因子"表 "#)
表 ;:/*!9E数据与气象因子的相关性系数
气象因子
平均发生率
对数变换数据
H值
* 月平均气温"K,L#*# [#+)-% " m#+### $
) 月平均最高气温"KB=#)# [#+),, m#+### $
% 月平均最高气温"KB=#%# [#+%%) # m#+### $
$# 月平均最高气温"KB=$## [#+%-& & m#+### $
$" 月平均最高气温"KB=$"# [#+)) # m#+### $
月平均最低气温"KB:## [#+"&" #+##* -
夏季平均最高气温"KB,=w%@# [#+,)) $ #+##$ )
夏季平均最低气温"KB4:w%@# [#+,,- $ #+##$ *
秋季平均气温"K,Lw(&# [#+)*" * m#+### $
大于 % f的有效积温度日"..n%# [#+%#- $ m#+### $
去年 & 月份至当年 月份的降雪量"H,I# #+"%- - #+#$* "
大于 % f的有效积温度日达到 $## 的儒略
日"..%
$##
#
#+,," , #+##" $
"+$+"!气象因子的L4H值!在进行H/I回归时!计
算出参与建立模型的 $" 个气象因子的 L4H值"图
$#!其中!L4H值大于 $ 的气象因子排序依次为$% 月
平均最高气温 n$# 月平均最高气温 n秋季平均气
温n$" 月平均最高气温n) 月平均最高气温n大于
% f的有效积温度日达到 $## 的儒略日 n去年 & 月
份至当年 月份的降雪量 n夏季平均最高气温 n*
月平均气温!说明其对于 37,4具有很强的解释作
用) 大于 % f的有效积温度日,夏季平均最低气温,
,-
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
月平均最低气温的L4H值虽然在 #+% $+# 之间!
但由于有效积温对松墨天牛卵,幼虫的发育都有影
响!且夏季"尤其是 -( 月#又为松墨天牛普遍的盛
发期!所以将这 , 个气象因子和之前 * 个气象因子!
共 $" 个气象因子全部作为建立空间格局模型的入
选变量)
图 $!筛选后的气象因子L4H值
"+$+,!空间格局模型的建立!用松墨天牛 37,4
作为因变量!筛选出的 $" 个气象因子作为自变量!
利用 &, 个地级行政区的数据进行 H`D回归运算!随
主成分数的增加!HEII值不断减小!当主成分数为
* 时!HEII达到最小值为 #+-& $!因此!选取 * 个
主成分参与建模!并得到松墨天牛 ,4空间格局模
型!计算公式如下$
,4Z
KB=$# ]"["") " dKB=$" \$[-- - dKB:# ]
$[#%& - dKB,=w%@]"[,%$ " dKB4:w%@\%[## ,
dK,Lw(&]#[## " d..i% ]#[-&- $ dH,I #[#," & d..%
$##
#
利用 "#$$("#$" 年松墨天牛平均发生率数据
对模型进行精度检验!结果显示$"#$$("#$" 年松
墨天牛平均发生率实测值和预测值具有线性关系
"图 "#$决定系数""#为 #+&% *!平均误差",E#为
#+",$ *!均方根误差"BIE#为 $+$$& ,!总预测相
对误差 "HE# 为 $-+&-d!整体预测精度达到
&,e$)d!说明模型能够用于松墨天牛,4的空间格
局分析!具有实际预测意义)
;+;:空间格局分析
将我国全境 /^Z数据中提取的地理坐标点数
据导入 P3201F
立的 $" 个气象因子的数据) 在 .I9BOD$# 中!依据
图 "!松墨天牛均发生率精度检验
空间格局模型!计算出地理坐标点的松墨天牛 ,4
值!结合 "##"("#$" 年我国松墨天牛的空间分布!
分别得到我国松墨天牛 ,4从 "##"("#$" 年到
"#&#K的变化趋势!并生成我国松墨天牛,4空间格
局专题图"图 , -#)
图 ,!松墨天牛平均发生率 "##"("#$" 年空间格局示意图
图 )!松墨天牛平均发生率 "#"#K空间格局示意图
)-
第 $ 期 王!庆等$基于气象因子的松墨天牛发生率空间格局研究
图 %!松墨天牛平均发生率 "#%#K空间格局示意图 图 -!松墨天牛平均发生率 "#&#K空间格局示意图
将各地区的松墨天牛的发生,发展程度按照0林
业有害生物发生及成灾标准1分为无,轻度",4m
$#f#,中度 ",4为 $#d "#d#和重度 ",4n
"#d# ) 个等级!并分别统计出 "##"("#$" 年,
"#"#K,"#%#K和 "#&#K我国松墨天牛各等级的发生
面积"表 ,#)
表 <:松墨天牛各等级发生面积
时间
轻度发生面积
b万 40"
占总发生面积
比值bd
中度发生面积
b万 40"
占总发生面积
比值bd
重度发生面积
b万 40"
占总发生面积
比值bd
总发生面积
b万 40"
"##"("#$" %&+," -+&& +$$- &+"& "#+%#, ",+&) &%+**$
"#"#K )%+*#) -%+, -+"-, &+* $+--- "%+,# -*+&,,
"#%#K )$+&% -&+$# )+-"* +%) $)+*)) ")+,- -$+,%&
"#&#K ,$+# -$+&- )+&"$ *+-# $)+,)$ "&+%) %#+",*
,!结论与讨论
研究结果表明!"##"("#$" 年我国松墨天牛虫
害主要分布在陕西,四川,湖北,湖南,江西,福建,云
南,安徽,浙江等省份) 陕西南部,湖北西部,贵州北
部为比较集中的重度成灾区域!湖南,浙江,福建,云
南也有部分重灾地区) 全国重度发生面积为 "#e%#,
万 40"!占总发生面积的 ",+&)d) 中度及轻度虫害
广泛分布于四川省东部及贵州,湖南,江西,浙江全
境!轻度发生面积为 %&+," 万 40"!占总发生面积
的 -+&&d!中度发生面积 +$$- 万 40"!占总发生
面积的 &+"&d)
同 "##"("#$"年相比!"#"#K松墨天牛轻度发生面
积为 )%+*#)万 40"!占总发生面积比值降至 -%+,d%
中度发生面积降至 -+"-, 万 40"!占总发生面积比
值上升至 &+*d%重度发生面积为 $+--- 万 40"!
占总发生面积比值上升至 "%+,#d) "#%#K!松墨天
牛轻度发生面积继续减少!为 )$+&% 万 40"!但占
总发生面积比值回升至 -&+$#d%中度发生面积减少
到)+-"*万 40"!但占总发生面积比值降至e%)d%重
度发生面积为 $)+*)) 万 40"!占总发生面积比值降
至 ")e,-d) "#&#K!松墨天牛轻度发生面积减少到
,$e# 万 40"!占总发生面积比值降至 -$+&-d%中
度发生面积也减少为 )+&"$ 万 40"!占总发生面积比
值回升至 *+-#d%重度发生面积上升到 $)+,)$ 万
40
"
!占总发生面积比值升至 "&e%)d) "##"("#$"
年到 "#&#K!松墨天牛轻度发生面积占总发生面积比
值逐渐减少!中度发生面积占总发生面积比值略有
增加!重度发生面积占总发生面积比值则呈增加趋
势!总发生面积为递减状态)
预测结果显示!松墨天牛发生区总发生面积呈
缩减趋势!其中!四川东部,贵州中部地区中度和重
度虫害发生面积明显增加%湖南东部,江西西部和浙
江西部地区虫害重度发生面积明显增加%陕西东南
部虫害重度发生面积减少%湖北西部,重庆东北部和
浙江中部地区重度发生面积总体比较稳定%山东东
部,安徽中部虫害轻度发生面积明显缩减) 松墨天
牛全国发生区内轻度发生面积总体亦呈缩减趋势)
%-
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
根据 O`PP对我国未来气候变化评估!"$ 世纪
中叶!长江及其以南地区的地面年平均气温升高
$e" $+- f!华南和江淮地区秋季的平均降雨量有
所增加!冬季平均降雨量则减少!西南地区的年平均
降雨量呈减少趋势%"$ 世纪末期!长江及其以南地
区的地面年平均气温可升高 ,+# [)+# f左右!年
平均降雨量普遍增加幅度低于 %d*") ["%+ %"$ 世纪中
叶和末期!由于影响松墨天牛发生发展的降雨量在
长江及其以南地区变化幅度的不确定性!与松墨天
牛在未来 "#"#K,"#%#K和 "#&#K没有呈明显的扩散
趋势有密切关系)
由于本研究是基于病虫害与气候的稳定变化趋
势进行研究!而实际情况往往是病虫害的流行扩散
速度滞后于气候变化的速度!所以模拟的松墨天牛
发生率空间格局只是潜在分布!并非将来某一时期
的实际分布!并且松褐天牛的发生发展除与气象因
子关系密切之外!同时还受林木抗性,寄主,地形,土
壤以及人为干扰等因素的影响!所以模型仍有待于
进一步完善%但可以预测!如果未来时期实际气候变
化朝着本研究预测的方向发展!则松墨天牛发生率
的空间格局也会朝着相应的预测方向发展)
参考文献!
*$+ 萧刚柔+中国森林昆虫*Z++北京$中国林业出版社!$**"+
*"+ 石!雷+基于 ,D技术的云南省松材线虫病风险评估*Z++北京$
中国林业出版社!"#$#+
*,+ 张新平!焦淑萍!张静文!等+松墨天牛入侵新疆的风险分析*k++
西北林学院学报!"#$,!"&"$#$$$# [$$,+
*)+ 张星耀+森林病理学研究的生态数学方法*Z++北京$中国林业
出版社!$***$- [*&+
*%+ 张星耀!骆有庆+中国森林重大生物灾害*Z++北京$中国林业出
版社!"##,+
*-+ 常晓娜!高慧瞡!陈法君!等+环境温湿度和降雨对昆虫的影响
*k++生态学杂志!"##&!"")#$-$* [-"%+
*+ 孔维娜!王!慧!李!捷!等+温湿度对松墨天牛越冬幼虫寿命的
影响*k++山西农业大学学报!"##-!"-",#$"*) ["*%+
*&+ 泽桑梓!闫争亮!赵!涛!等+我国松墨天牛防治及引诱技术研究
的现状及前景分析*k++西部林业科学!"#$#!,*",#$*, [*-+
**+ 杨忠武! 黄吉平! 杨春生!等+桂林市松墨天牛生物学特性研究
*k++广西林业科学!"#$#!,*"$#$% [+
*$#+ 王文琦!张!伟!陶!热!等松墨天牛成虫野外空间格局*k++中
国农学通报!"#$#!"-"$#$"%- ["%*+
*$$+ 王玲萍!陈顺立!武福华!等+松墨天牛幼虫空间格局的研究
*k++福建林学院学报!"##"!"""$#$$ [,+
*$"+ 周书永!陈绘画!徐卫民+松墨天牛成虫发生期预测*k++东北林
业大学学报!"#$,!)$"#$$## [$#,+
*$,+ 周樟庭!徐真旺!戴黎瑶!等+冰雪冻灾后松墨天牛成虫种群数
量动态研究*k++中国森林病虫!"#$$!,#",#$$& [")+
*$)+ 徐正会!段!艳!史胜利!等+云南省松墨天牛地理分布及危害
程度调查*k++西南林学院学报!"#$#!,#""#$, [)"+
*$%+ 毕!猛!杜!婷!石!雷!等+基于气象因子的杨树溃疡病发生
率空间格局研究*k++林业科学研究!"#$)!""$#$") [,#+
*$-+ U17MJ!Q10177 .!DW2F3<;:6K<^ H!$&(1+^
>I<<93201F
*$+ Q10177 .!U17MJH+Z:E<3K:>93201F<7:I013K>:IM<7<9:3:M5
17E 93201F<9;17M
*$*+ Z2F9;<3J !^k:7
F1@1K<:>0:7F;3593201F<:@K
-*, [$"+
*"#+ 张!雷!刘世荣!孙鹏森!等+气候变化对马尾松潜在分布影响
预估的多模型比较*k++植物生态学报!"#$$!,% "$$#$$#*$
[$$#%+
*"$+ 高惠璇+两个多重相关变量组的统计分析",# "偏最小二乘回
归与 H`D过程#*k++数理统计与管理!"##"!"$""#$%& [-) +
*""+ 王惠文!吴载斌!孟!浩+偏最小二乘回归的线性与非线性方法
*Z++北京$国防工业出版社!"##-+
*",+ P;:7MOB!k67 PQ+` :I0179<:>K:0
*")+ 汤剑平!陈!星!赵!鸣!等+O`PP." 情景下中国区域气候变
化的数值模拟*k++气象学报!"##&!--"$#$$, ["%+
*"%+ 江志红!张!霞!王!冀+O`PP(.N) 模式对中国 "$ 世纪气候变
化的情景预估*k++地理研究!"##&!"")#$& [**+
--