費(fèi)海澤 王鴻斌 孔祥波 張 真 張?zhí)K芳 宋雄剛

(國家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所)，北京，100091)

馬尾松毛蟲(Dendrolimus punctatus Walker)是我國重大森林害蟲，對生態(tài)安全以及林業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。每年全國馬尾松毛蟲危害面積平均上百萬公頃，危害過后造成材積損失，更有嚴(yán)重者松針全被吃光，如火燒狀，連年危害也造成部分松樹的樹勢衰弱，進(jìn)而會(huì)引起一些蛀干類害蟲如天牛、象鼻蟲、以及小蠹蟲等的發(fā)生，造成大面積枯死;同時(shí)馬尾松毛蟲幼蟲具毒毛，接觸人體后，會(huì)使人的皮膚發(fā)炎，關(guān)節(jié)腫痛，嚴(yán)重的還會(huì)致殘［1］1。有報(bào)道松毛蟲大發(fā)生時(shí)，甚至?xí)廴舅?，造成人畜飲水困難。該蟲在我國南方地區(qū)分布廣泛，廣西、福建、廣東等地區(qū)一年可發(fā)生2 代至3 代，部分地區(qū)可發(fā)生4 代，3年至5年大發(fā)生一次［1］379，［2］。有效控制馬尾松毛蟲的發(fā)生與危害，是森林病蟲害防治長期以來努力的目標(biāo)。而如何在全球氣候變化形勢下對該蟲未來發(fā)生狀況進(jìn)行全面監(jiān)控及準(zhǔn)確預(yù)測是該蟲防控的關(guān)鍵。馬尾松毛蟲的發(fā)生發(fā)展與成災(zāi)是自然地理、環(huán)境條件、馬尾松林分狀況、松毛蟲蟲源累積等多因素綜合作用的結(jié)果。而氣候變化將引起不同區(qū)域氣象條件的改變，因此摸清馬尾松毛蟲不同發(fā)生程度與氣象因子的關(guān)系并確認(rèn)關(guān)鍵因子，是根據(jù)未來氣候進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)與前提。針對松毛蟲發(fā)生預(yù)測問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、回歸模型［3－4］等線性預(yù)測方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［5］和logistic 回歸等［6］非線性預(yù)測方法以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法［7］。在對于氣象因子的選擇上，溫度、濕度、降水等因子對于松毛蟲的影響最為顯著［1］19－22，［8－9］。黃政龍［10］結(jié)合松毛蟲的生物學(xué)特性，選取代表冬凍(先年11月份至當(dāng)年2月份的平均最低氣溫)、春寒(當(dāng)年2、3月份平均最低氣溫)和春季陰雨(當(dāng)年2、3、4月份平均降雨量)等因子進(jìn)行了預(yù)測。有的采用年降水量或者年平均氣溫等作為預(yù)報(bào)因子［11］，有的采用極端氣溫［12］(8月中旬到9月下旬高溫天數(shù))等。以上這些研究揭示了局部地區(qū)發(fā)生及預(yù)測的氣象因子，但對能否以及如何進(jìn)行不同區(qū)域及大尺度預(yù)測還未有分析與應(yīng)用。本研究從馬尾松毛蟲的生物學(xué)特性研究入手，以廣西省23 個(gè)發(fā)生點(diǎn)2002—2011年的發(fā)生情況作為研究區(qū)域和目標(biāo)，對相關(guān)溫度、濕度、光照、降水、大風(fēng)日數(shù)和高溫天數(shù)等氣象因子進(jìn)行廣泛篩選，部分因子設(shè)定了不同的梯度，最終衍生獲得與建立了71 個(gè)馬尾松毛蟲發(fā)生潛在的氣象因子數(shù)據(jù)庫，再利用發(fā)生面積與氣象因子的相關(guān)性，進(jìn)一步篩選出相關(guān)性最高的3 ～5 個(gè)因子，然后通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對發(fā)生數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練［5，13］，對廣西預(yù)留區(qū)松毛蟲發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測。并根據(jù)其生物學(xué)特性進(jìn)行因子調(diào)整，對福建發(fā)生區(qū)進(jìn)行預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)位于我國西南部亞熱帶，總面積236 700 km2，境內(nèi)擁有人口4 788 萬左右。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱豐富，雨量充沛，年降水量1 200～1 800 mm，各地年平均氣溫20 ℃，植物一年四季均可生長。全區(qū)森林面積1 300 萬hm2，森林覆蓋率54.2%，位列全國第4 位。馬尾松在廣西各地海拔1 300 m 以下酸性紅、黃壤丘陵山地都有大面積的分布，許多是天然更新發(fā)展起來的，不少由人工營造而成，它是一種先鋒樹種，同時(shí)既是用材林，又是經(jīng)濟(jì)林，在廣西的林業(yè)生產(chǎn)上占有重要的地位。馬尾松毛蟲則是其主要的害蟲。廣西106 個(gè)縣(市、區(qū))都有其分布，一般1 a 發(fā)生3～4 代，每隔3 ～5 a 就要暴發(fā)成災(zāi)一次，是制約林業(yè)發(fā)展的一種重要的自然災(zāi)害，也是影響林農(nóng)收入的重要因素。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

廣西23 個(gè)站點(diǎn)以及福建4 個(gè)站點(diǎn)2002—2011年氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集以及中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集;廣西和福建松毛蟲歷年(2002—2011年)輕度發(fā)生、中度發(fā)生以及重度發(fā)生數(shù)據(jù)來自國家林業(yè)局森林病蟲害防治總站。

2.2 預(yù)測因子的篩選

根據(jù)對馬尾松毛蟲生物學(xué)的研究［2，14－17］，確定其在廣西和福建的發(fā)生日期(表1)。根據(jù)廣西馬尾松毛蟲的生物學(xué)特性，初步篩選與發(fā)生時(shí)期對應(yīng)的氣象因子。篩選條件:①基本發(fā)育影響因子，包括發(fā)生期不同階段的平均氣溫、平均濕度、降水量、光照等。②關(guān)鍵發(fā)育影響因子，包括發(fā)生期不同階段的極值溫度、濕度、降水天數(shù)、風(fēng)速等。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 對從網(wǎng)站獲取的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和計(jì)算，得到27 個(gè)站點(diǎn)各年份各參數(shù)的值，同時(shí)，對27 個(gè)站點(diǎn)的馬尾松毛蟲發(fā)生情況分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以該點(diǎn)發(fā)生面積比總面積得到該點(diǎn)的發(fā)生率，分別計(jì)算各點(diǎn)的輕度發(fā)生率(P0)、中度發(fā)生率(P1)以及重度發(fā)生率(P2)。利用雙重篩選逐步回歸法，從71個(gè)候選因子中分別篩選出與輕度發(fā)生率、中度發(fā)生率以及重度發(fā)生率最相關(guān)的因子。最后利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對廣西各點(diǎn)各年份發(fā)生情況進(jìn)行判別。結(jié)合廣西和福建馬尾松毛蟲發(fā)生期的差異，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后對福建發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測及驗(yàn)證。

表1 廣西和福建馬尾松毛蟲的發(fā)生時(shí)間

2.4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

首先對不同程度發(fā)生率及篩選出的氣象因子進(jìn)行歸一化處理:

采用2 層BP 網(wǎng)絡(luò)，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4、6、5、10，收斂目標(biāo)為0.01;將所有數(shù)據(jù)歸一化后輸入向量，讓BP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，再經(jīng)過多次迭代運(yùn)算。如果結(jié)果的收斂誤差達(dá)到了目標(biāo)，則表示本次學(xué)習(xí)結(jié)束，保存該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù);如果收斂的誤差達(dá)不到目標(biāo)，則再次進(jìn)行訓(xùn)練;然后，將預(yù)留的測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行識(shí)別，通過識(shí)別率高低來判斷該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別能力［18－19］。采用Matlab 2013 a 軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別工具進(jìn)行分類預(yù)測。分別預(yù)留廣西10 個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生點(diǎn)和10 個(gè)未發(fā)生點(diǎn)，來對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證，代入剩余的210 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以其中70%的數(shù)據(jù)(146 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))作為訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，15%的數(shù)據(jù)(32 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))作為驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)，15%的數(shù)據(jù)(32 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))作為測試網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與分析

3.1 因子的初步確定

參考相關(guān)文獻(xiàn)［2，14－16］及馬尾松毛蟲在廣西的生活史［17］，初步確定71 個(gè)氣象因子(表2)。

3.2 相關(guān)性分析結(jié)果

經(jīng)過對所有候選因子分別與輕度發(fā)生率，中度發(fā)生率，重度發(fā)生率進(jìn)行雙重篩選逐步回歸，得出:與輕度發(fā)生面積最相關(guān)的因子分別是:X17、X20、X35、X6(表3)。在影響松毛蟲發(fā)生的因子中，降水、溫度、最大風(fēng)速的影響最大，與輕度發(fā)生最相關(guān)的是X17(4月份總?cè)照諘r(shí)間)、X20(3月份降水量)、X35(2、3月份日平均氣溫低于5 ℃天數(shù))、X6(7月份平均氣溫)。其中4月份總?cè)照諘r(shí)間和3月份降水量為負(fù)相關(guān)，3月份是幼蟲羽化期，4月份是越冬代羽化的時(shí)期，說明4月份的光照時(shí)間長，3月份降水量大對輕度發(fā)生具有抑制作用，而2—3月份的低溫以及7月份的高月平均氣溫會(huì)增加輕度危害程度。

表2 71 個(gè)候選氣象因子

表3 馬尾松毛蟲輕度發(fā)生與氣象因子間的雙重篩選逐步回歸結(jié)果

與中度發(fā)生面積最相關(guān)的因子是:X1、X13、X2、X63、X67、X68(表4)。中度發(fā)生的影響因子包括X1(1月份平均氣溫)、X13(8、9、10月份平均濕度)、X2(2月份平均氣溫)、X63(2月份日最大風(fēng)速大于10 m/s天數(shù))、X67(6月份日最大風(fēng)速大于10 m/s 天數(shù))以及X68(7月份日最大風(fēng)速大于10 m/s 天數(shù))，其中，1月份平均氣溫，2月份、6月份大風(fēng)天數(shù)與中度發(fā)生呈正相關(guān)，而2月平均氣溫，8—10月份平均濕度以及7月份大風(fēng)天數(shù)與中度發(fā)生呈負(fù)相關(guān)。

表4 馬尾松毛蟲中度發(fā)生與氣象因子間的雙重篩選逐步回歸結(jié)果

與發(fā)生重度面積最相關(guān)的因子是:X1、X19、X21、X28、X3(表5)。對重度發(fā)生影響大的因子分別為X1(1月份平均氣溫)、X19(2月份降水量)、X21(4月份降水量)、X28(4—6月份總降水天數(shù))和X3(3月份平均氣溫)，對重度發(fā)生影響最大的是降水和溫度，其中3月份屬于化蛹期，3月份溫度過低會(huì)對化蛹產(chǎn)生一定影響，4—6月份總降水過多，對于第1 代的影響較大，從而影響了全年的發(fā)生程度。

表5 馬尾松毛蟲重度發(fā)生與氣象因子間的雙重篩選逐步回歸結(jié)果

3.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果

式中:n1為隱含層單元數(shù);n 為輸入單元數(shù);m 為輸出單元數(shù);a 為1～10 之間的任意數(shù)。

式中:n1為隱含層單元數(shù);n 為輸入單元數(shù)。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終選定輕度、中度、重度、中度以上隱藏神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為12、12、10、10 的時(shí)候擬合效果較好。經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判別，對廣西預(yù)留的20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)報(bào)結(jié)果為輕度發(fā)生準(zhǔn)確率75%，中度發(fā)生準(zhǔn)確率80%，重度發(fā)生準(zhǔn)確率70%，中度以上準(zhǔn)確率75%(表6)，總體預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率75%，其中對中度發(fā)生情況的預(yù)測結(jié)果較好，達(dá)到80%。

表6 廣西/福建馬尾松毛蟲不同發(fā)生等級(jí)實(shí)際與預(yù)測結(jié)果

3.4 預(yù)測的推廣

比較馬尾松毛蟲在廣西和福建的發(fā)生期，可以得出，福建松毛蟲的發(fā)生期比廣西晚一個(gè)月左右。因此，將廣西所得參數(shù)推后一個(gè)月，得出適合福建的新參數(shù)，然后利用廣西發(fā)生情況訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對福建的馬尾松毛蟲60 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測(表6)。結(jié)果對中度及中度以上發(fā)生情況的預(yù)測結(jié)果較好，輕度發(fā)生情況預(yù)測結(jié)果不理想。其中，輕度發(fā)生準(zhǔn)確率38%，中度發(fā)生準(zhǔn)確率68%，重度發(fā)生準(zhǔn)確率60%，中度以上發(fā)生預(yù)測準(zhǔn)確率64%。

4 結(jié)論與討論

4.1 與馬尾松毛蟲危害相關(guān)的氣象因子

輕度、中度和重度發(fā)生相關(guān)的因素基本不同，各因子對于不同發(fā)生情況的貢獻(xiàn)也不同。越冬期的溫度對于馬尾松毛蟲的發(fā)生具有重要的作用。對中度和重度都有影響的是1月份平均氣溫，對各個(gè)級(jí)別發(fā)生均有影響的是越冬期的溫度，與油松毛蟲越冬代死亡率最相關(guān)的因子是1月份平均氣溫和2月份最高溫，3月份平均氣溫以及1月份平均最低氣溫［20］。冬季持續(xù)的低溫使幼蟲長期處于凍結(jié)狀態(tài)，死亡率提高，而先溫暖后寒冷的氣溫變化會(huì)使蘇醒的幼蟲凍死量加大。安徽潛山縣的研究也表明，馬尾松毛蟲發(fā)生面積與當(dāng)年1—2月份均溫及1—2月份最低溫呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)［21］。本研究得出越冬期的氣溫對于不同水平的發(fā)生程度都具有重要的作用，1月份平均氣溫高能使中度及重度發(fā)生程度加劇。而7月份平均氣溫對輕度危害具有較大的貢獻(xiàn)，可以影響馬尾松毛蟲2、3 代分化，7月份的氣溫越高，卵孵化的高峰期越早［22］。

降水可以通過改變空氣濕度和對馬尾松毛蟲幼蟲的沖刷作用來影響蟲害的發(fā)生。濕度對于馬尾松毛蟲的影響包括對松毛蟲本身的影響和對松毛蟲天敵白僵菌的影響［23－25］。8—10月份平均濕度與中度發(fā)生呈負(fù)相關(guān)，該階段正是第2 代幼蟲期，高的濕度利于天敵的寄生，從而降低松毛蟲的危害，4—5月間陰雨連綿，也有利于白僵菌等微生物的繁殖，增加松毛蟲的死亡［26］，4—6月份總降水天數(shù)與重度發(fā)生之間的負(fù)相關(guān)性也支持這一結(jié)論。在適溫范圍內(nèi)，降水量增多，濕度增大，有利于卵的孵化和幼齡幼蟲的存活，2月份降水量和4月份降水量能促進(jìn)重度發(fā)生，可能是因?yàn)?月份是越冬代幼蟲取食，而4月份則是第1 代產(chǎn)卵，適宜的降水能夠促進(jìn)其種群的增加。

風(fēng)速對于松毛蟲的影響有兩個(gè)方面:一是在卵孵化期及1～2 齡幼蟲期，若遇上狂風(fēng)暴雨，可將大多數(shù)初齡幼蟲打落地面饑餓而死;二是幼蟲和成蟲常借風(fēng)力擴(kuò)散，形成定向遷移，擴(kuò)大危害面積［26］。2月份大風(fēng)日數(shù)和6月份大風(fēng)日數(shù)與中度發(fā)生呈正相關(guān)。這是因?yàn)?月份是越冬代幼蟲取食期，6月份是第1 代幼蟲期，適度的風(fēng)力能使不能遷飛的幼蟲借助風(fēng)力進(jìn)行擴(kuò)散，而7月份是第2 代卵以及初孵幼蟲時(shí)期，對于強(qiáng)風(fēng)的抵抗能力較弱，因此7月份大風(fēng)天數(shù)能影響到中度發(fā)生。

4.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測及其推廣應(yīng)用

氣候因子對于昆蟲種群的影響十分復(fù)雜，不同因子之間也不是孤立的，某一個(gè)因子變化，常常會(huì)引起其他因子相應(yīng)地變化［27］。松毛蟲發(fā)生情況與相應(yīng)的因子之間也不是簡單的線性關(guān)系，傳統(tǒng)的方法很難建立起精確和完善的預(yù)測模型［28］，有時(shí)僅僅反映的是因子自身之間的相互關(guān)系，不能真正反映出影響昆蟲種群動(dòng)態(tài)的因素，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)及容錯(cuò)性等特點(diǎn)，善于聯(lián)想、綜合和推廣，且特別適用于非線性問題的處理［19］。

本研究對廣西的發(fā)生情況預(yù)測總體準(zhǔn)確率達(dá)75%，說明隱藏神經(jīng)元的個(gè)數(shù)選擇合理，影響松毛蟲的氣象因子的選擇也比較合理，能夠真實(shí)地反映影響松毛蟲發(fā)生的因子。以往的研究往往只是針對某一縣或者市進(jìn)行小范圍的預(yù)測預(yù)報(bào)，所選因子也具有很強(qiáng)的局限性，其結(jié)果往往十分準(zhǔn)確［5］，有的甚至達(dá)到100%［21］，但是所選因子僅適用于該地區(qū)，不能很好地進(jìn)行大范圍的預(yù)測預(yù)報(bào)。而本研究是針對于省級(jí)區(qū)域進(jìn)行的因子篩選與預(yù)測預(yù)報(bào)，研究區(qū)具有大范圍的不穩(wěn)定性，因此未能像以往研究的準(zhǔn)確率達(dá)到100%，但是本研究適用范圍較廣，對于研究區(qū)內(nèi)一些沒有氣象數(shù)據(jù)的發(fā)生點(diǎn)，甚至可以通過插值模擬進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

在廣西研究區(qū)外，模型的推廣方面，只有輕度發(fā)生預(yù)測結(jié)果不理想，在實(shí)際應(yīng)用中也具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)也說明在因子的推廣方面存在一定的不合理因素，導(dǎo)致模型不能廣泛適用，這是由于影響松毛蟲發(fā)生情況的氣象因子多變且復(fù)雜，不同的發(fā)生點(diǎn)地域跨度較大，松毛蟲的發(fā)生期也存在一定的差異。在大尺度內(nèi)對松毛蟲的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測需要設(shè)計(jì)的參數(shù)變化不能僅僅依靠發(fā)生期參數(shù)的調(diào)整，需要進(jìn)一步的實(shí)測數(shù)據(jù)［29］，在模型的推廣方面需要進(jìn)一步的探討研究。

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