基于Maxent模型的宁夏枸杞木虱地理分布风险分析
发布时间：2021-07-07
摘要:基于2013—2018年宁夏全区枸杞木虱田间自动采集器、病虫害移动采集系统监测资料、气候等环境数据，应用Maxent模型法及ArcGIS技术，构建了枸杞木虱风险地理分布预测模型，分析了宁夏枸杞木虱的风险地理分布特征及生态环境因子对枸杞木虱分布的影响。预测模型结果表明，应用Maxent模型构建的枸杞木虱潜在地理分布模型的AUC值达到0.936以上，属“非常好”的标准，可用于研究枸杞木虱潜在地理分布风险分析;在当前气候背景下，预测的枸杞木虱风险区范围主要分布在宁夏中部地区;对枸杞木虱分布影响较大的变量主要有降水、气温、地表温度。其中，6月降水量、10月气温、10月地表温度是枸杞木虱风险环境的重要因子。研究有利于及时掌握枸杞木虱在宁夏的发生范围，对于制定科学的防控措施、控制木虱危害具有重要的指导意义。
关键词:枸杞木虱;Maxent模型;风险分布
枸杞是宁夏农业传统优势特色产业，宁夏素以“枸杞之乡”而闻名。目前，全区的枸杞种植面积已超过6万hm2，占全国枸杞种植面积的1/2以上，目前已形成了以中宁县为核心，以清水河流域和银川市以北为重点的枸杞产业经济带。近年来，随着气候变暖以及枸杞种植面积的逐年扩大，枸杞的病虫害也日趋严重。枸杞木虱(BactericeragobicaLoginova.)是宁夏枸杞产区的主要害虫之一，以成虫、若虫刺吸叶片组织或吸食汁液导致枸杞叶片枯黄、树势衰弱、果实发育不良[1]，显著抑制宁夏枸杞根系生长和叶片光合作用[2]，影响枸杞的产量和质量。枸杞木虱1a中发生3～4代，发生的时间跨度长，由于其产卵量大且世代重叠，其防治难度较大[3]，防治成本也越来越高，环保压力也越来越大。生态位理论是生态学最重要的理论之一[4]，在有害生物生境分析和预测工作中广泛应用。其中，最大熵(Maxent)模型是目前应用较广模型[5]，在物种分布预测研究和应用上表现出了很好的预测能力[6]，具有模拟精度高、操作方法简单、输出结果稳定、所需的数据样本量小等优点[7]。实践中，柳晓燕基于MaxEnt模型预测了红火蚁在中国的适生区，结果表明模型预测结果较准确[8]。GaoTai等利用最大熵模型预测了气候变化背景下，树蜂(Sirexnitobei)在中国当前和未来分布[9]。刘洋等利用Maxent模型对埃及吹绵蚧在中国当前和未来(2050年和2070年)的适生区进行了预测，模型预测结果显示可信度高[10]。王蕾基于Maxent模型分析了新疆特色林果区春尺蠖发生风险，ROC评价显示新疆特色林果春尺蠖潜在风险区的模拟效果较好[11]。LiWang等利用Maxent模型预测气候变化下中国线纹夜蛾(Batoceralineolata)的分布[12]，马菁等利用Maxent模型开展了宁夏枸杞蚜虫适生分布预测研究[13]。本研究拟应用Maxent模型分析宁夏区域枸杞木虱的危害特征，探讨枸杞木虱致灾的气象因子等指标参数，构建枸杞木虱适生分布预测模型，分析枸杞木虱在宁夏的适生分布区域，研究枸杞木虱在宁夏的适生地理分布特征及其扩散的潜在区域，旨在为制定科学防控措施、控制枸杞木虱危害，提供有利技术支撑。
1数据与方法
1.1枸杞木虱的分布数据采集
本研究共设立了21个枸杞木虱虫害监测点，分别位于中宁核心产区、清水河流域、银川及以北3大枸杞种植带的21个规模化枸杞种植基地，地点为中宁百瑞源、鑫阳、红宝、大地生态、中杞、杞泰、早康、舟塔、杞源祥、不老子、银川百瑞源、南梁农场、园林场、暖泉、吴忠杞爱、惠农西夏堂、红寺堡百瑞源、金沙湾、同心润德、易捷、固原正杞红。观测方式采用田间自动采集器和病虫害移动采集系统结合人工调查的方式采集虫口数量和密度。具体做法:利用田间自动采集器对枸杞木虱进行区域化远程监测，将信息素黄板上监控到的枸杞木虱等虫害的虫口数量和密度图像信息，通过3G或4G等无线通信模式传输至后台数据服务器，并进行图像识别处理入库，远程获取各枸杞种植基地病虫监测点的枸杞木虱监测信息;利用枸杞病虫害移动采集系统，采取随机监测点监测和人工客户端填报等方式，将监测信息传输至后台服务器。2013—2018年5a间，共计点位数据34000余条。
1.2变量参数的获取
研究中，用于枸杞木虱风险分布预测分析的环境数据源自Worldclim气候数据库[14]，分辨率为30s(约为1km2)，变量包含1971—2000年30a气温、降水、辐射、风速的月平均数据以及19个能反映监测区域水热变化的气候变量。
1.3建模方法与评价标准
使用Maxent模型对宁夏枸杞木虱风险分布区域进行预测分析，并利用ArcGIS进行空间特征分析。具体做法:将实际调查的枸杞木虱地理信息数据统一整理为Maxent模型指定的CSV格式数据，作为样本输入数据;利用ArcGIS提取与枸杞木虱地理信息数据所对应的各变量数据值，作为模型输入的变量数据。使用刀切法检验来评判各变量的贡献率，剔除贡献率小的变量;将枸杞木虱分布数据和4—10月降水量、气温以及19个生物气候变量等，再次输入模型，其中监测数据的75%作为训练样本，用于建模，剩余的25%监测数据用于模型检验。利用AUC值评价模型的模拟精度，AUC值是ROC曲线下的面积，取值范围在0～1，越接近1，表示模型预测精度越高[15];AUC值的评价按5级划分，0.5≤AUC<0.6、0.6≤AUC<0.7、0.7≤AUC<0.8、0.8≤AUC<0.9、0.9≤AUC<1.0;对应的评价等级:失败、较差、一般、好、非常好;通常，当AUC>0.75时，认为模型模拟的结果是准确的。Maxent模型的预测输出结果是枸杞木虱的存在概率，利用ArcGIS软件插值，可得到枸杞木虱的存在概率分布值;将存在概率划分为高风险区(存在概率>0.8)、次高风险区(0.6≤存在概率<0.8)、中风险区(0.4≤存在概率<0.6)、次低风险区(0.2≤存在概率<0.4)和低风险区(存在概率<0.2)5个等级，并绘制枸杞木虱风险分布预测图。
相关期刊推荐：《农业与技术》杂志创刊于1980年。本刊报道的范围是：国内外农村科技研究与生产技术动态，如新成果、新理论、新经验、新技术、新工艺、新产品;有关热带可持续农业理论和实践研究论文，动植物品种选育、农业资源高效利用、现代集约化种养技术、农业生物灾害防治、农产品储运保鲜加工等科学试验报告;农业经济管理，农业高新技术产业研究，新技术开发、应用和推广，图书信息情报学，科研体制改革和管理等原始论文，以及考察报告、综述、人物介绍等。
2结果与分析
2.1模型检验
ROC曲线法(即AUC法)是Maxent模型精度评价上应用最广的方法，用于模拟结果的验证。基于相关变量，构建枸杞木虱风险地理分布模拟模型，输出的ROC曲线图及对应的AUC值，见图1。从图1可以看出，基于所有变量构建的枸杞木虱卵、若虫、成虫潜在地理分布模型的AUC值分别为0.940、0.936、0.948，这说明所构建模型的预测准确性达到“非常好”的标准，可用于研究枸杞木虱卵、若虫、成虫的潜在地理分布区划。
2.2各变量对模型预测的贡献率
通过刀切法对枸杞木虱各变量进行相关分析，得到各变量对枸杞木虱分布影响的贡献率，木虱卵AUC值排名前6的变量分别为9月平均地温、9月最低地温、8月最高地温、10月最高地温、10月气温、6月降水量。其中，6月降水量的AUC>0.9，属于“非常好”;10月最高地温和10月气温的AUC均介于0.8～0.9，属于“好”;9月平均地温、9月最低地温、8月最高地温的AUC介于0.7～0.8，属于“一般”，见图2a。木虱若虫AUC值排名前6的变量分别为10月最高地温、10月气温、6月降水量、7月降水量、8月降水量、9月降水量。其中，9月降水量的AUC介于0.7～0.8，属于“一般”;其它5个变量的AUC均介于0.8～0.9，属于“好”，见图2b。木虱成虫AUC值排名前6的变量分别为10月最高地温、10月气温、5月降水量、6月降水量、7月降水量、8月降水量。其中，5月降水量的AUC介于0.7～0.8，属于“一般”;其它5个变量的AUC均介于0.8～0.9，属于“好”，见图2c。
2.3各变量与木虱潜在分布的关系
枸杞木虱卵、若虫、成虫潜在地理分布模型预测结果显示，降水、气温、地表温度对枸杞木虱虫害分布的影响较大。降水对枸杞木虱虫害发生的影响较为一致，6—8月适宜月降水量范围在20～40mm，其中，6月降水量30mm左右对枸杞木虱的发展最为有利，见图3a。生长期枸杞木虱的适宜气温范围在7℃以上，其中，10月气温显著影响枸杞木虱的分布，见图3b。地表温度也是枸杞木虱风险环境的重要因子，其中，10月最高地温对枸杞木虱分布的影响明显，最适宜的地面最高地温42±3℃，见图3c。
2.4枸杞木虱风险分析
对基于Maxent模型的宁夏枸杞木虱风险分布预测结果，利用ArcGIS软件得到枸杞木虱的存在概率分布。将存在概率划分为高风险区、次高风险区、中风险区、次低风险区和低风险区5个等级，见图4。由图4可知，枸杞木虱的高风险区和次高风险区主要位于中宁县及周边，中风险区集中在银川市西夏区、贺兰县、同心县等地区，其高、次高、中等、次低风险区面积分别为1217.89km2、1943.053km2、4357.13km2、10131.53km2，分别占宁夏土地面积的1.83%、2.93%、6.56%、15.26%(宁夏土地总面积6.64×104km2)。
3结论与讨论
利用Maxent模型对宁夏的枸杞木虱虫害开展风险分布预测分析，结论如下。应用Maxent模型进行宁夏枸杞木虱风险分布区预测，构建的枸杞木虱卵、若虫、成虫潜在地理分布模型的AUC值分别为0.940、0.936、0.948，模型的预测准确性达到“非常好”的标准，可用于研究枸杞木虱卵、若虫、成虫的潜在地理分布风险分析;根据变量与枸杞木虱的分布数据构建的Maxent模型模拟结果显示，枸杞木虱风险区范围主要位于宁夏中部地区，其中，高风险区和次高风险区主要位于中宁县及周边，中风险区集中在银川市西夏区、贺兰县、同心县等区域。对枸杞木虱虫害分布影响较大的环境变量主要有降水、气温、和地表温度。6—8月适宜月降水量范围在20～40mm，其中，6月降水量30mm左右，对枸杞木虱的发展最为有利。生长期枸杞木虱的适宜气温范围在7℃以上，其中，10月气温显著影响枸杞木虱的分布。地表温度也是影响枸杞木虱风险环境的重要因子，其中，10月份最高地温对枸杞木虱分布的影响明显，最适宜的地面最高地温42±3℃。
Maxent模型用于宁夏枸杞木虱风险分布的预测研究，具有较高的准确性，但也存在一定的局限性。模型所选用的变量都是气候因子，未涉及自然、植被等其它环境因子，其结果偏重于气候因子对枸杞木虱的风险分布影响。Maxent模型是基于基础生态位理论构建的模型，影响因素只考虑了非生物因素而没有考虑生物因素对物种分布产生的影响，如物种代际变化、天敌等，而实际情况要复杂得多，所以得到的预测结果可能比现实的生态位要宽。——论文作者：武万里1，2马菁3刘垚1，2张学俭3
