洪 波，張 鋒,*，李英梅，張淑蓮，陳志杰，高 峰，梁銀麗

(1. 陜西省動物研究所, 西安 710032; 2. 陜西省經(jīng)濟作物氣象服務臺, 西安 710014;3. 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100)

基于GIS的南方根結線蟲在陜西省越冬區(qū)劃分析

洪 波1，張 鋒1,*，李英梅1，張淑蓮1，陳志杰1，高 峰2，梁銀麗3

(1. 陜西省動物研究所, 西安 710032; 2. 陜西省經(jīng)濟作物氣象服務臺, 西安 710014;3. 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100)

土壤溫度是影響南方根結線蟲(Meloidogyneincognita)越冬的重要因子。通過自動溫度記錄儀，從2009—2012年的每年冬季(11月至次年3月)，對陜西省延安、商洛、楊凌和大荔4個生態(tài)區(qū)的氣溫和不同種植模式下的土壤溫度進行數(shù)據(jù)采集和模擬統(tǒng)計，建立土溫與氣溫關系的數(shù)學模型，根據(jù)模型將陜西省96個氣象站點的氣溫數(shù)據(jù)轉換為土溫數(shù)據(jù)。利用GIS的克里金(Kriging)空間插值功能，結合實驗室測得的南方根結線蟲存活的最低溫度，生成南方根結線蟲在拱棚、地膜覆蓋和露地3種種植條件下的越冬區(qū)劃圖并進行分析。研究表明，(1)0 ℃以下低溫對南方根結線蟲有明顯抑制作用，南方根結線蟲在低于-1 ℃低溫持續(xù)32 d以上時無法越冬。(2)土壤溫度和氣溫呈線性相關關系，4種種植條件下土壤溫度(Y)與氣溫(X)的關系方程分別為露地：Y=0.8125X+1.9325，R=0.934；地膜覆蓋：Y=0.7943X+1.8563，R=0.918；拱棚：Y=0.7046X+6.2685，R=0.907；溫室：Y=0.302X+14.519，R=0.597。(3)最冷月土壤均溫低于-1 ℃的概率在70%—80%的區(qū)域可以認為是南方根結線蟲的越冬界線，越冬界線在露地、地膜覆蓋和拱棚條件下依次北移，在溫室條件下可在全省范圍內(nèi)越冬。

GIS；南方根結線蟲；越冬；土壤溫度；克里金插值

南方根結線蟲(Meloidogyneincognita)是蔬菜上一種重要的病原線蟲，最早發(fā)生于我國南方各省，隨著設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，目前在北京、遼寧、山東、河北、黑龍江、山西等北方省區(qū)的設施蔬菜產(chǎn)區(qū)均有分布[1- 3]。陜西省于2000年首次發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已廣泛分布于陜北、陜南及關中不同蔬菜生態(tài)區(qū)，嚴重時可造成產(chǎn)量損失高達50%以上，已成為設施蔬菜生產(chǎn)上的一種毀滅性土傳病害[4]。南方根結線蟲主要存活于5—15 cm的土層深處，以卵或2齡幼蟲在土壤中越冬[5]。因此，對于其越冬區(qū)劃的研究，有助于我們進一步研究南方根結線蟲越冬區(qū)的氣候因子與病害流行的關系。對于南方根結線蟲的耐寒性及越冬區(qū)劃問題，國外已有相關的研究和報道[6- 12]，而國內(nèi)在這方面報道相對較少[13- 14]，南方根結線蟲在陜西不同蔬菜種植區(qū)的越冬界線目前尚不明確。

設施農(nóng)業(yè)的興起使蔬菜根結線蟲病害的發(fā)生日益嚴重，但溫室大棚的可控條件使得溫濕度研究更具有意義。土壤溫度是影響南方根結線蟲在土壤中越冬的重要因素[15]。土壤溫度主要決定于氣候狀況和種植模式，由于氣象站點發(fā)布的數(shù)據(jù)僅包括氣溫和露地條件下的土壤溫度，無法包括溫室、拱棚等設施環(huán)境下根結線蟲生存所需的土壤溫度數(shù)據(jù)，因此，需要通過數(shù)學建模方法模擬出各種植條件下的土壤溫度數(shù)據(jù)。本研究利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和地統(tǒng)計學技術，對南方根結線蟲在陜西省溫室、拱棚、地膜覆蓋和露地4種種植條件下的越冬北界和越冬區(qū)劃進行分析，目的在于研究南方根結線蟲對低溫脅迫的響應，對南方根結線蟲在全省的為害情況進行快速有效的監(jiān)控，為陜西省蔬菜根結線蟲的防治體系提供技術支撐和理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 南方根結線蟲越冬的區(qū)劃指標選擇

影響南方根結線蟲越冬的主要因素有寄主和環(huán)境因子2個方面，而在環(huán)境因子中溫度又是最為關鍵的因子。從每年的12月到次年1月為陜西省全年的溫度最低時期，也是根結線蟲能否越冬的關鍵時期，因此將這2個月中最冷月的平均土壤溫度作為越冬區(qū)劃的溫度指標，找出南方根結線蟲存活30 d左右時的致死溫度，作為該蟲的越冬界線溫度T0[16]。

1.2 試驗數(shù)據(jù)及來源

1.2.1 矢量圖數(shù)據(jù)

本研究采用的矢量圖數(shù)據(jù)包括陜西省1∶25萬陜西省縣(市)級行政區(qū)矢量地圖，以及陜西省96個縣(市)的氣象站點經(jīng)緯度坐標(來源于國家基礎地理信息中心，http://nfgis.nsdi.gov.cn)，利用地理信息軟件ArcGIS9.2轉化為矢量點導入地圖，與行政區(qū)矢量圖疊加(圖1)。

圖1 陜西省行政區(qū)和96個氣象站點分布示意圖Fig.1 Distribution map of Shaanxi administrative area and 96 meteorological stations

1.2.2 氣溫及土溫數(shù)據(jù)

從陜西省經(jīng)濟作物氣象服務臺收集陜西省96個縣(市)的氣象站點2000—2011年的日平均氣溫數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理建立相應的數(shù)據(jù)庫。

利用便攜式自動溫度記錄儀(TR- 51S/TR- 52S)，在陜西延安、商洛、楊凌和渭南大荔(分別代表陜北、陜南、關中中西部和關中東部不同地形區(qū))4個設施蔬菜生態(tài)區(qū)進行溫室(普通日光溫室，尺寸約50 m×10 m×3 m)、拱棚(塑料大棚，尺寸約30 m×6 m×2.5 m)、地膜(地膜覆蓋)和露地種植條件下距地面0—20 cm深度土壤溫度及氣溫的監(jiān)測采集，采集時間為2009—2012年，從每年11月初到次年3月底，溫度數(shù)據(jù)每隔1 h更新1次，每天記錄24個數(shù)據(jù)，自動存儲于溫度記錄儀芯片中，數(shù)據(jù)處理時以excel數(shù)據(jù)表形式導出。

1.3 區(qū)劃方法

由于氣溫和土壤溫度有較強的線性關系[17- 19]，通過數(shù)學建模方法，由2000—2011年陜西省96個站點各旬平均氣溫計算出各站點各年度最冷月平均土壤溫度TN，統(tǒng)計各站點11a間TN低于南方根結線蟲的越冬界線溫度T0的概率，利用地統(tǒng)計法的變異函數(shù)分析空間相關性[20]，若具有中等或高等空間相關性，則選擇合適的Kriging插值法生成南方根結線蟲在陜西省的越冬區(qū)劃圖。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 南方根結線蟲致死低溫及所需時間

供試作物為易感根結線蟲病的黃瓜品種，供試土壤取自陜西省科學院大荔基地，為種植溫室黃瓜的壚土土壤，確保土壤無根結線蟲病危害。使用發(fā)病較重的黃瓜病根，在其根結上挑取根結線蟲卵塊。將卵懸浮液置于培養(yǎng)皿中，25 ℃下純化培養(yǎng)使卵孵化。收集2齡幼蟲，將幼蟲懸浮液調至500條幼蟲/mL備用。用電子天平稱取消毒土壤50 g，置于培養(yǎng)皿中，同時加入線蟲懸浮液4 mL，加無菌水并確定含水量，稱總重量后用封口膜密封。

在實驗室低溫培養(yǎng)箱(KRC- 250CA)設置7個溫度梯度(0—-11 ℃)，相對濕度保持在30%左右，每個處理組合3次重復，將南方根結線蟲二齡幼蟲接入土壤后進行低溫處理并在人工氣候箱內(nèi)模擬越冬試驗，氣候箱內(nèi)溫濕度和光照為最適于南方根結線蟲發(fā)育條件[13](溫度15—25 ℃，土壤含水量15%—25%，光照14h∶10h)。待黃瓜幼苗發(fā)育30 d后，將苗從土中取出清洗根部，統(tǒng)計根結數(shù)量，并計算受害株率和根結指數(shù)。當植株的根結指數(shù)為0時線蟲無侵染，認為線蟲已經(jīng)死亡[21- 22]。找出不同溫度處理條件下根結指數(shù)為0時的處理天數(shù)即為南方根結線蟲的低溫致死時間，試驗結果由表1所示。

由表1可知，隨著溫度的降低，線蟲達到致死積溫的時間依次縮短，表明溫度與致死時間呈非線性關系[23- 25]。根據(jù)各處理溫度根結線蟲根結指數(shù)為0時的處理時間，擬合出溫度(x)和低溫致死時間(y)的關系模型曲線(圖2)：y=1457.8×e0.4647x，R2=0.989，說明所建立的模型擬合度較好。因此，當溫度在-1 ℃持續(xù)32 d時，南方根結線蟲無法存活；而溫度在-3 ℃持續(xù)16 d時，根結指數(shù)為0，根結線蟲死亡不再造成危害。根據(jù)溫度和低溫致死時間的關系模型推算可知，在0 ℃時需要處理時間在61 d(1458 h)時才能達到死亡[26- 27]。由此可知，南方根結線蟲在-1 ℃土壤溫度條件下持續(xù)30 d左右將無法越冬，其越冬界線溫度T0為-1 ℃。

表1 不同處理時間和溫度下南方根結線蟲的根結指數(shù)

圖2 南方根結線蟲處理溫度與低溫致死時間的關系Fig.2 The relationship of treatment temperature and lethal time of M. incognita

2.2 土溫與氣溫關系模型的建立

將1.1.2中所述4個生態(tài)區(qū)記錄的溫度數(shù)據(jù)進行整理，計算出冬季(11月15日—3月15日)日均氣溫，通過氣象站點的溫度數(shù)據(jù)校正后，和相應的露地、地膜、拱棚和溫室4種種植條件下的日均土壤溫度建立序列，分析其回歸關系，模擬出數(shù)學模型，回歸關系曲線和方程分別由圖3和表2所示。

利用土溫與氣溫關系的數(shù)學模型和2012年1—3月的日均氣溫數(shù)據(jù)，預測出各種植條件下的日均土壤溫度值，并與實測值進行比較(表2)，除溫室條件下相對誤差為16.5%外，其它3種種植方式的相對誤差都在10%以下，表明模型預測效果較好，能夠用于模擬陜西地區(qū)多年日均土壤溫度。

由表2可知，露地、地膜和拱棚3種種植條件下，土溫和氣溫關系呈線性極顯著相關，R值都達到了0.9以上；由于溫室內(nèi)溫度受人為因素影響較大，因此土壤溫度與氣溫的線性關系相對于其它3種種植條件較弱，R值較低，僅為0.597，但也呈線性顯著相關。

表2 土溫與氣溫的關系方程及與實測值對比分析

**表示相關性在0.01水平上顯著，*表示相關性在0.05水平上顯著

圖3 陜西省不同種植條件下土溫與氣溫的回歸關系曲線Fig.3 Regression curves between soil temperature and temperature under different planting conditions in Shaanxi

2.3 陜西省各年度最冷月平均土壤溫度的計算

將96個氣象站點2000—2011年的冬季日均氣溫數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)土溫與氣溫關系模型，計算出相應的日均土壤溫度數(shù)據(jù)，再轉化為各年度最冷月的平均土壤溫度TN。通過計算可知，溫室種植條件下，環(huán)境密閉保溫條件良好，全省最北部的府谷縣和神木縣各年最冷月平均土壤溫度都在12 ℃以上，遠遠高于-1 ℃，并且能夠滿足黃瓜、番茄等喜溫作物的生長要求，因此南方根結線蟲在陜西省各地的日光溫室都可順利越冬。其它3種種植條件下，統(tǒng)計各站點11a間TN

變異函數(shù)模型各參數(shù)如表3所示。

表3 不同種植條件下變異函數(shù)模型參數(shù)表

從表3可以看出，3種種植條件下模型的決定系數(shù)都在0.9以上，表明模型擬合程度較好，且塊金值/基臺值都小于25%，表明溫度概率值有很強的空間相關性，可以進行Kriging空間插值[28- 30]。

3 結果與分析

根據(jù)2.3確定的參數(shù)指標選擇高斯(Gaussian)模型，利用ArcGIS的普通Kriging法進行插值[31]，結合越冬界線溫度T0(-1 ℃)的多年平均等溫線，生成露地、地膜和拱棚3種種植條件下的南方根結線蟲越冬區(qū)劃圖(圖4)。

(1)露地條件下，南方根結線蟲最冷月土壤均溫低于-1 ℃的概率圖見圖4，其中概率值為70%—80%的區(qū)域與-1 ℃的年均等溫線最接近，這一區(qū)域的南線大致經(jīng)過麟游縣—永壽縣—淳化縣—耀縣—銅川市—白水縣—澄城縣—韓城縣，可以認為是南方根結線蟲在露地條件下的越冬界線，該線以西和以北的地區(qū)溫度偏低，不適宜南方根結線蟲越冬。

圖4 不同種植條件下南方根結線蟲越冬區(qū)劃圖Fig.4 Overwintering regional classification map of M. incognita in different plant conditions

(2)地膜條件下最冷月土壤均溫低于-1 ℃的概率圖見圖4，其中概率值為70%—80%的區(qū)域與-1 ℃的年均等溫線最接近，這一區(qū)域的南線大致經(jīng)過彬縣—旬邑縣—宜君縣—洛川縣—黃龍縣—宜川縣，可以認為是南方根結線蟲在地膜條件下的越冬界線，該線以西和以北的地區(qū)不適宜南方根結線蟲越冬。

(3)拱棚條件下最冷月土壤均溫低于-1 ℃的概率圖見圖4，其中概率值為70%—80%的區(qū)域與-1 ℃的年均等溫線最接近，這一區(qū)域的南線大致經(jīng)過志丹縣—甘泉縣—安塞縣—延安市—延川縣—清澗縣，可以認為是南方根結線蟲在拱棚條件下的越冬界線，在這條界線以北的地區(qū)不適宜南方根結線蟲越冬。

綜上可知，南方根結線蟲的越冬界線在露地、地膜和拱棚種植條件下依次北移，而在溫室條件下可在全省范圍內(nèi)越冬。露地條件下南方根結線蟲的越冬界線處于關中平原北部，此界線以東以南地勢較低(海拔800 m以下)的關中平原，以及陜南的漢中、安康和商洛地區(qū)，冬季月均土壤溫度都在0 ℃以上，適宜南方根結線蟲越冬；地膜條件下的越冬界線相對于露地略有北移，處于渭北高原南緣，此區(qū)域海拔800—1200 m，冬季月均土壤溫度低于關中平原1—2 ℃；拱棚條件下的越冬界線橫穿延安地區(qū)5縣市(除宜君縣)，位于陜北黃土高原區(qū)，冬季月均土壤溫度低于關中平原4—5 ℃，此界線以北地區(qū)南方根結線蟲能夠越冬的概率較低。

4 討論

本研究利用GIS技術對南方根結線蟲在陜西省的越冬進行了氣候區(qū)劃，是基于多年氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)土溫與氣溫關系模型并利用地統(tǒng)計學的空間插值法，推算出全省大尺度范圍下的土壤溫度。陜西省地勢南北高，中間低，由北向南橫跨黃土高原、關中平原和秦巴山地3大地貌，按照不同生態(tài)功能分為長城沿線風沙草原生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)牧生態(tài)區(qū)、渭河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、秦巴山地落葉闊葉和常綠闊葉混交林生態(tài)區(qū)4個生態(tài)區(qū)[32]，因此本研究選取延安、楊凌、大荔和商洛4個采樣點分別能夠代表各個生態(tài)區(qū)(長城沿線風沙草原生態(tài)區(qū)不適于種植蔬菜，楊凌和大荔分別代表渭河谷地的中西部和東部)的自然環(huán)境、氣候及農(nóng)業(yè)特征，用于全省范圍的分析預測。這種方法更精確完成了由已知點到未知點的估計，在地圖上表現(xiàn)為由點到面的轉化，相對于以前的研究方法更加科學、方便與合理[16]。

研究證明了南方根結線蟲在-1 ℃土壤溫度條件下持續(xù)32 d將無法越冬，并推導出該蟲在0 ℃持續(xù)低溫條件下61 d時才能達到死亡，這與Sayre的研究結果較為接近，研究表明南方根結線蟲加拿大安大略省西南部地區(qū)0 ℃土壤中持續(xù)45—90 d時將無法越冬[8]。但結合實地調查情況來看，全省冬季土壤溫度在0 ℃的地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線蟲順利越冬，且由于0 ℃持續(xù)時間長，預測精確度低，誤差較大，而選用最冷月平均溫度更為直接和準確，因此確定-1 ℃為越冬界線溫度。Ploegde等的研究結果表明，南方根結線蟲在土壤中的發(fā)育起點溫度是10.1 ℃[7]，遠高于越冬界線溫度-1 ℃。在土壤溫度低于10.1 ℃時，南方根結線蟲雖不進行生長繁殖，但仍可存活于土壤或植物病殘體內(nèi)順利越冬，在第2年土壤溫度升高至10.1 ℃時重新開始發(fā)育。根據(jù)南方根結線蟲的全省采樣調查數(shù)據(jù)可知，該蟲已在渭南大荔縣和西安等地的露地條件下順利越冬，在榆林神木縣、綏德縣的溫室條件下也能夠越冬，而在綏德縣以北地區(qū)的拱棚中沒有發(fā)現(xiàn)能夠越冬的南方根結線蟲[33]，且4個采樣點中1月土壤均溫低于-1 ℃的地區(qū)均未發(fā)現(xiàn)南方根結線蟲越冬，說明本研究結果與已知調查點的實際分布情況比較一致，也說明在大田條件下卵和二齡幼蟲的耐寒性沒有顯著差異(室內(nèi)條件下南方根結線蟲卵的耐寒性略強于2齡幼蟲[13])。

本研究從溫度條件明確了陜西省不同種植模式下南方根結線蟲的越冬區(qū)劃，可以為制定不同越冬區(qū)治理方案提供依據(jù)，也能夠根據(jù)實際條件因地制宜在不同種植方式下開展不同防治措施。陜南秦巴山地及關中平原地區(qū)南方根結線蟲可在各種植條件下越冬，這些地區(qū)溫室條件下光熱條件較好，可在夏季進行溫室土壤高溫處理，能夠對南方線蟲發(fā)生起到一定的抑制作用[4]；而陜北洛川、黃龍、宜川各縣及其以北只能在拱棚或溫室條件下越冬的地區(qū)，可在作物休閑期時撤掉棚膜，使南方根結線蟲由于土壤溫度低和缺乏寄主無法越冬，從而降低土壤中的線蟲基數(shù)，這些非化學防治方法對于蔬菜生態(tài)區(qū)的作物生產(chǎn)都具有指導意義。本研究僅考慮了溫度因素對南方根結線蟲越冬的影響，實際條件下，土壤濕度、土壤類型、耕作制度、有無寄主等各方面因素對南方根結線蟲的越冬均有不同程度的影響，有關這一方面有待進一步研究。

致謝：陜西省經(jīng)濟作物氣象服務臺高峰工程師提供有關氣象資料，特此致謝。

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GIS-based regional classification for overwintering of southern root-knot nematode in Shaanxi Province

HONG Bo1，ZHANG Feng1,*，LI Yingmei1，ZHANG Shulian1，CHEN Zhijie1，GAO Feng2，LIANG Yinli3

1ShaanxiInstituteofZoology,Xi′an710032,China2ShaanxiMeteorologicalServiceStationforEconomicCrops,Xi′an710014,China3InstituteofSoilWaterandConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling, 712100,China

Southern root-knot nematode,Meloidogyneincognita, is an important pathogen of vegetables, and was first observed in South China. With the development of indoor agricultural facilities, it was found for the first time in Shaanxi in 2000, and now is widely distributed through different ecological vegetable growing zones in Northern and Southern Shaanxi, and the Guanzhong area.M.incognitahas become a devastating soil-borne disease, causing great economic losses in vegetable production. It survives at soil depths of 5 to 15 cm, and overwinters in the soil as eggs or second instar larvae. Soil temperature is an important factor affecting its overwintering, and this is dependent on climate and plant conditions. Air and soil temperature data for open fields can be obtained from meteorological stations, but soil temperature data for indoor agricultural facilities is not available, and thus mathematical models need to be established to simulate soil temperatures under different cultivation conditions. Each winter (November to the following March) from 2009 to 2012, air and soil temperatures in four agricultural systems in four ecological regions (Yanan, Shangluo, Yangling, and Dali) in Shaanxi Province were automatically recorded. Mathematical models relating air temperature to soil temperature were then developed, and air temperatures from 96 meteorological stations were converted to soil temperatures. Based on the lowest survival temperature ofM.incognitameasured in the laboratory, a regional map of nematode overwintering was developed, and analyzed for different planting conditions using the Kriging Interpolation of GIS. We found the following: (1) Overwintering ofM.incognitawas significantly restricted below 0℃. If the temperature was less than -1℃ over 32 days, the nematode was not able to overwinter. (2) The relationship between soil temperature and air temperature is linear. We used the following relationship equations between soil temperature (Y) and air temperature (X) in four planting conditions:Y=0.8125X+1.9325,R=0.934 (open field);Y=0.7943X+1.8563,R=0.918 (mulched field);Y=0.7046X+6.2685,R=0.907 (plastic tunnel house);Y=0.302X+14.519,R=0.597 (greenhouse). (3) The areas where P values are between 70% and 80% (probability of the average soil temperature of the coldest month being less than -1℃) could be considered the overwintering boundary line forM.incognita. The order of different planting conditions from south to north is: open field, mulched field, and plastic tunnel house. In open fields, the north boundary is through Linyou-Yongshou-Chunhua-Yaozhou-Tongchuan-Baishui-Chengcheng-Hancheng; in mulched fields, the boundary is through Binxian-Xunyi-Yijun-Luochuan-Huanglong-Yichuan; and in plastic tunnel houses is Zhidan-Ganquan-Ansai-Yanan-Yanchuan-Qingjian. However, in greenhouse conditions the nematode can overwinter throughout the whole province. Using GIS and geostatistics methods, we have analyzed the northern boundaries ofM.incognitaoverwintering sites and provided regional classification for open fields, mulched fields, plastic tunnel houses, and greenhouses. Our work makes clear the response of the nematode to low temperature stress, so that rapid and effective monitoring as well as theoretical and technical support for prevention and control can be developed in Shaanxi Province.

GIS;Meloidogyneincognita; overwintering; soil temperature；Kriging Interpolation

國家“十二五”農(nóng)村領域科技計劃課題(2011BAD31B00);國家科技支撐計劃課題(2014BAD14B006);陜西省科學院青年人才基金項目(2011K- 16); 陜西省農(nóng)業(yè)攻關項目(2014K01- 30- 01)

2012- 12- 19; 網(wǎng)絡出版日期:2014- 03- 04

10.5846/stxb201212191822

*通訊作者Corresponding author.E-mail: 545141529@qq.com

洪波，張鋒，李英梅，張淑蓮，陳志杰，高峰，梁銀麗.基于GIS的南方根結線蟲在陜西省越冬區(qū)劃分析.生態(tài)學報,2014,34(16):4603- 4611.

Hong B，Zhang F，Li Y M，Zhang S L，Chen Z J，Gao F，Liang Y L.GIS-based regional classification for overwintering of southern root-knot nematode in Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(16):4603- 4611.