湖南湘西州马尾松毛虫和松材线虫病发生非线性建模与预测
时间：2023-03-09 22:35:01 来源：千叶帆 本文已影响人
田开慧陈怡帆 周宏威
(1.湘西自治州林业局森防站,湖南 湘西土家苗族自治州 416300;2.国家林业和草原局生物灾害防控中心/林草有害生物监测预警国家林业和草原局重点实验室,沈阳 110034;3.东北林业大学 机电工程学院,哈尔滨 150040)
马尾松毛虫(Dendrolimuspunctatus)属鳞翅目,枯叶蛾科[1]。分布于我国秦岭至淮河以南各省,主要危害马尾松(Pinusmassoniana)、湿地松(PinusselliottiiEngelm)、火炬松(Pinustaeda)和黑松(Pinusthunbergii)等松属植物,松树受害轻则松针枯黄卷曲,重则大片枯死。2021年马尾松毛虫在我国发生面积35.63×104hm2,在华北北部、长江中下游局部地区偏重发生[2]。马尾松毛虫造成危害后,林木易受到其他病虫害的入侵,在湖南湘西州松材线虫病发生面积仅次于马尾松毛虫,最易引起暴发危害。松材线虫病主要是由松材线虫(Bursaphelenchusxylophilus)所引起的病害,在我国松墨天牛(Monochamusalternatus)是其主要传媒昆虫,主要危害马尾松、赤松(Pinusdensiflora)、黑松和火炬松等松属植物,致病力强,传播快,寄主死亡速度快[3]。而湘西州松林面积28.38×104hm2,占全州林分总面积的31.55%;蓄积量占全州森林总蓄积量的41.30%[4]。马尾松毛虫和松材线虫病一旦在湘西州大规模暴发,将会给森林资源带来巨大的损失。本研究旨在分析湘西州2种主要病虫害发生现状和未来发生情况,为其防治提供指导。
1.1 数据来源
本文采用的湘西州2007—2021年林业有害生物发生面积统计数据来源于国家林业和草原局生物灾害防控中心林业有害生物防治信息管理系统,见表1。
表1 2007—2021年湘西州部分病虫害发生面积Tab.1 The occurrence area of some diseases and insect pests in Xiangxi from 2007 to 2021 hm2
1.2 发生面积预测分析方法
根据《林业有害生物监测预报管理规范》(LY/T 2517—2015)[5]和《林业有害生物监测预报技术规范》(LY/T 2516—2015)[6]要求,对2007—2021年间湘西州马尾松毛虫和松材线虫病发生数据进行收集、整理和筛选,由于湘西州马尾松毛虫和松材线虫病发生面积数据是一系列随时间推移而形成的数据序列,且该序列具有非线性、不平均性、多样性和规律性等特点,因此用非线性自回归移动平均模型(ARIMA)与支持向量机(SVM)组合模型近似描述这个序列[7]。在使用组合模型时,需将病虫害发生数据Yt视为由线性部分数据Lt和非线性部分数据Nt组成,即:
在本文中选用的ARIMA非线性模型表达公式为
式中:L是滞后算子;p为原始数据本身的滞后数;q为差分的次数;d为预测误差的滞后数;φi和θi是待估计的参数值;εt为随机误差,均值0。
在使用ARIMA非线性模型进行预测后,得到的预测结果与原数据序列得到的残差进行样本重构,组成新的非线性样本集作为SVM样本集用于SVM进行预测,最后将2次预测结果相加,得到最终的预测结果。原理如图1所示。
图1 ARIMA-SVM组合模型原理Fig.1 ARIMA-SVM model principles
2.1 湘西州林业有害生物发生面积及主要种类历史变化
据统计,2007—2021年间湘西州累计发生病虫害32.60×104hm2,约占全州森林总面积的三分之一。利用“双周期移动平均值法”[8]对2007—2021年间湘西州有害生物发生面积进行的统计分析,如图2所示;选取连续发生年份大于10 a的马尾松毛虫、云南松毛虫、松茸毒蛾、松墨天牛和油茶炭疽病等病虫害,加上重点关注的松材线虫病,这6种病虫害的发生面积统计分析如图3所示。
图2 近15 a湘西州林业有害生物发生总面积及趋势线图Fig.2 The occurrence area and trend line diagram of forest pests in Xiangxi Prefecture in the past 15 years
图3 近15 a湘西州6种主要林业有害生物发生面积统计图Fig.3 Statistical graph of the occurrence area of 6 major forestry pests in Xiangxi in the past 15 years
分析结果显示,湘西州林业有害生物发生面积呈周期性变化,一般3～5 a为1个周期;其中2010年、2015年、2018年为波峰年,且2018年达到历史峰值56 591.83 hm2。2019年处于波谷,当前正处于显性上升周期,且湘西州当前马尾松毛虫发生数据逐渐攀升,松材线虫病发生逐渐加重。因此,本文对湘西州的主要林业有害生物马尾松毛虫、松材线虫病进行发生数据分析及趋势预测。
2.2 湘西州马尾松毛虫历史发生数据分析
湘西州马尾松毛虫在2007—2021年连续发生,2016年起波及至全州7县1市,如图4所示。调查数据显示,古丈县发生面积占比最高,平均占比26.51%;花垣县在2016年首次发现马尾松毛虫成灾,占当年疫情发生总面积31.2%。马尾松毛虫周期性暴发明显,第1个暴发周期为2008—2012年,第2个暴发周期为2013—2016年,第3个暴发周期为2017—2019年,周期缩短;峰值的增幅分别为157.4%与90.6%。该地松毛虫暴发呈周期缩短、暴发趋势明显、世代重叠现象显著和疫情态势严峻特点。
图4 湘西州各县松毛虫发生面积统计图Fig.4 Statistical map of the occurrence area of Dendrolimus punctatus in counties of Xiangxi Prefecture
2.3 湘西州松材线虫病历史发生数据分析
2017年,湘西州首次在永顺、保靖2县发现松材线虫病灾情,发生面积186.68 hm2,2018年疫情扩散至6个县,发生面积合计4 473.56 hm2,发生面积增长近24倍,疫情从湘西州东北方向入侵,向西南方向扩散蔓延,如图5所示。2017年松毛虫在湘西州暴发,削弱树势,弱势的松树易致松墨天牛侵入并增殖,加快松树死亡;次年大量天牛从“松毛虫危害松木”上羽化,侵染健康松林,导致松材线虫病进一步扩散和流行[9]。湘西州松材线虫病疫情在区域上高度集中,永顺县2021年疫情发生面积占全州82.8%,泸溪县为唯一未发现疫情县。
2.4 发生面积预测结果
本文使用的非线性自回归移动平均模型(ARIMA)与支持向量机(SVM)组合模型在MATLAB2018a环境下运行,通过试验,实现对湘西州马尾松毛虫和松材线虫病未来发生面积的预测,见表2,如图6和图7所示。该组合模型可以在时间序列数据中捕获一组不同标准时间结构,在拟合周期性波动的非平稳数据时表现良好,适用于湘西州马尾松毛虫和松材线虫病发生面积预测。
预测结果显示,马尾松毛虫在湘西州发生面积仍将延续周期性暴发趋势,预计将在2023—2025年间迎来新的暴发期,且峰值持续升高,预计最高发病面积可达50 002.50 hm2,2026年开始回落;松材线虫病自2017年在湘西州发现以来,始终呈现较缓慢的上升趋势,但从预测结果可以看出,未来松材线虫病增长速率将大幅增高,发生面积将呈指数型上升,至2026年发生面积可达16 360.82 hm2,年同比增长32.21%。
2.5 发生面积预测结果分析
预测结果显示,马尾松毛虫的发生将继续延续周期性暴发趋势,与其历史发生规律相符,暴发周期逐渐缩短,是由湘西州自然及地理因素造成的发生态势逐渐加剧,主要原因包括:
(1)高温高湿,利于松毛虫繁衍;马尾松占比高,食物基础好。湘西州冬春交替时多为阴雨寡照天气,5月的高温高湿天气增多,利于松毛虫繁衍[10]。马尾松林面积占湘西州松林总面积的70.68%,丰富的资源给马尾松毛虫暴发成灾提供了食物基础。
图5 湘西州各县松材线虫病发生面积统计图Fig.5 Statistical map of the occurrence area of pine wilt disease in counties of Xiangxi Prefecture
表2 湘西州马尾松毛虫、松材线虫病发生趋势预测结果Tab.2 Prediction results of occurrence trend of Dendrolimus punctatus and pine wilt disease in Xiangxi Prefecture
图6 湘西州马尾松毛虫病发生面积预测结果Fig.6 Prediction results of D. punctatus in Xiangxi Prefecture
图7 湘西州松材线虫病发生面积预测结果Fig.7 Prediction results of pine wilt disease in Xiangxi Prefecture
(2)林分简单,森林抵抗力差。湘西州人工营造的纯林面积大,其中以马尾松为主,分布范围广,林分结构相对简单,抵抗林业生物灾害的能力不强,一旦发生危害,易出现快速蔓延,使湘西州全域成灾[11]。
(3)世代重叠,疫情恶化。经过近年来持续重点防治,该地马尾松毛虫虫口密度、发生面积在持续人为干扰下呈下降态势,但发生周期的峰谷差值变小,仍处于多发态势,世代重叠现象增多[12]。
同样地,预测结果显示松材线虫病将持续暴发,且疫情逐年加重。松材线虫病最初在永顺县发生,而后逐年由东北向西南方向扩散,一直未得到有效的阻隔防治,仍有大片松林存在潜在风险,根据预测结果若维持现有防治力量,将呈现暴发增长相符。而松材线虫病在湘西州成灾还存在人为和生境因素:
(1)疫木运输,导致疫情传入及扩散。近年随着交通、电力和电信等基建项目在湘西州落地,物流频繁、运输业兴起,疫情随疫木及其制品和包装材料入侵及扩散蔓延[14]。
(2)松毛虫灾害严重,松木树势弱。湘西州松毛虫灾害严重,削弱树势;弱势的松树更易感染松材线虫病[6]。
(3)除治能力不足,未能及时遏制疫情蔓延,社会对林业病虫害危害认知度不高、防控意识不强;当地林业部门防控资金紧张、防控技术落后。
湘西州森林占比高,尤以松林为重,警惕其主要虫害马尾松毛虫、松材线虫病的发生在生态保护及经济发展上都具有重大意义。湘西州历年发生数据显示:马尾松毛虫具有明显周期性暴发趋势,峰值显著激增,世代重叠态势明显;松材线虫病从东北向西南扩散蔓延,疫情逐年加重。究其原因,湘西州松毛虫、松材线虫病灾害疫情是由于气候、林分结构、生态条件以及人为活动等因子共同导致。
ARIMA-SVM组合模型能综合反映森林病虫害发生面积时间序列的趋势变化、周期性变化以及随机性变化,经过反复测试修正各项参数以确定最优模型,对时间序列分析,以实现短期预测[15]。利用ARIMA-SVM组合模型的预测结果显示,若保持现有防治能力不变,马尾松毛虫将在2023—2025年迎来又一暴发期;松材线虫病发生面积将呈指数型上升。湘西州应该加强监测、检疫、防治等工作力度,警惕马尾松毛虫、松材线虫病在湘西州暴发。但是ARIMA-SVM组合模型也有一些不足之处,只能用于短期预测[16],在实际运用中还应考虑受到的其他未知因素影响,需在下一步工作中进一步探索影响因素变量,修正模型,以期更准确预测森林病虫害发生趋势。
通过分析 2007—2021 年湘西州林业有害生物发生面积数据,对湘西州马尾松毛虫和松材线虫病发病面积的短期预测,能为林业有害生物防治提供科学依据。因此,对湘西县的林业有害生物防治提出几点建议。
(1)应提升监测预报预警水平,以湘西州的3个国家级中心测报点为核心,带动全州林业有害生物监测工作规范化、信息化、科学化,实时监测灾情动态变化[17-19],特别是加强对湘西州唯一未发生松材线虫病的泸溪县的疫情监测,警惕花垣县新发马尾松毛虫成灾事故重演。
(2)要强化检疫工作,加大检疫执法力度,严防疫木运输造成的疫情扩散。
(3)要及时做好防治工作,对已发生马尾松毛虫、松材线虫病的疫区做好制定防治预案,做好防治药剂药械准备及防治资金筹措[20]。对仅发生马尾松毛虫的疫区,抓住防控关键时间节点,做好松材线虫寄主松墨天牛的防治工作。
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