陳孟禹, 賈翔, 陳蜀江, 侯博展, 劉逸豪, 黃鐵成, 閆志明

葉爾羌河流域胡楊春尺蠖發(fā)生期遙感預測

陳孟禹1,2, 賈翔2,3,*, 陳蜀江2,3, 侯博展2,3, 劉逸豪2,3, 黃鐵成2,4, 閆志明5

1. 蘇州科技大學外國語學院, 蘇州 215009 2. 烏魯木齊空間遙感應用研究所, 烏魯木齊 830054 3. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054 4. 北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室，北京 100083 5. 新疆農業(yè)大學管理學院, 烏魯木齊 830052

為了深入了解胡楊春尺蠖()蟲害的發(fā)生期規(guī)律, 以新疆葉爾羌河流域胡楊林分布區(qū)為研究區(qū), 結合2001—2015年的胡楊春尺蠖活動期遙感數(shù)據(jù)溫度和實地調查蟲情信息, 基于有效積溫法則, 預測春尺蠖發(fā)生期, 從而確定最佳防治時間。結果表明: (1)春尺蠖羽化之后各蟲態(tài)發(fā)生時, 環(huán)境溫度遠遠超過發(fā)育起點溫度, 因此各蟲態(tài)的發(fā)生時間大大縮短, 符合新疆春尺蠖發(fā)生時間周期短的現(xiàn)象; (2)借助有效積溫模型, 可知二齡蟲發(fā)生時春尺蠖蟲卵孵化進入始末期, 且春尺蠖四齡食葉蟲基本沒有發(fā)生, 因此春尺蠖最佳防治時間是幼蟲的二齡蟲。

葉爾羌河流域; 胡楊春尺蠖; 發(fā)生期; 有效積溫

0 前言

葉爾羌河流域位于新疆南部, 廣泛分布著胡楊林[1], 不僅是平原荒漠生態(tài)系統(tǒng)的主要植被類型, 也是天然綠洲生態(tài)系統(tǒng)的骨架和人工綠洲的外圍屏障[2], 起著重要的防風固沙生態(tài)平衡作用。受到多種原因作用, 胡楊林衰敗嚴重[3], 林區(qū)內蟲害肆虐, 其中春尺蠖蟲害尤甚。目前胡楊春尺蠖蟲害防治率低[4], 探尋胡楊春尺蠖發(fā)生規(guī)律, 進而高效預警并精準防治則顯得尤為迫切[5]。

胡楊春尺蠖蟲害的發(fā)生有爆發(fā)概率小、發(fā)生強度大、不規(guī)則發(fā)生和累積性等規(guī)律[6], 傳統(tǒng)的實地調查統(tǒng)計、藥劑誘捕等方法獲取信息較為精確, 然而整個調查過程需要耗費過多人力、物力和財力資源[7]。遙感技術在森林病蟲害監(jiān)測領域的應用研究已在國內外學者中廣泛地開展[8-10], 可以實踐應用于森林病蟲害的實時監(jiān)測, 但目前還沒有在蟲害監(jiān)測中廣泛應用, 仍處于試驗階段[11], 劉逸豪等運用MODIS溫度產品和實地調查數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)近15年來葉爾羌河流域胡楊春尺蠖蟲害發(fā)生程度日趨嚴重, 各蟲態(tài)與溫度之間的關系符合生物學發(fā)生規(guī)律[12]。

本研究以葉爾羌河流域研究區(qū)胡楊林春尺蠖蟲害為探究對象, 以劉逸豪等研究成果為基礎[12], 基于有效積溫法則, 以MODIS遙感溫度數(shù)據(jù)為主, 結合胡楊春尺蠖蟲情變化特征, 預測春尺蠖發(fā)生期,從而確定最佳防治時間, 為進一步探尋葉爾羌河流域胡楊林春尺蠖危害發(fā)生時間、發(fā)生規(guī)律、危害程度及時間分布規(guī)律提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

葉爾羌河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)的西南部, 塔里木盆地的西南面, 其發(fā)源于喀喇昆侖山脈, 水系含葉爾羌河、提孜那甫河、柯克亞河與烏魯克河等四條河流, 流經喀什地區(qū)的葉城縣、塔什庫爾干塔吉克自治縣、澤普縣、莎車縣、麥蓋提縣、巴楚縣及克孜勒蘇柯爾克孜自治州境內的阿克陶縣, 流入阿克蘇地區(qū)的阿瓦提縣與和田河匯合后注入塔里木河, 是喀什地區(qū)的第一大河流[12]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以劉逸豪等的研究數(shù)據(jù)為基礎[12], 所用數(shù)據(jù)與上述研究所用數(shù)據(jù)中的一致, 包括蟲情調查數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、氣溫統(tǒng)計數(shù)據(jù)、胡楊林分布數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)等。

2.2 基于遙感溫度數(shù)據(jù)的有效積溫信息提取

以劉逸豪等的研究結果為基礎[12], 采用ENVI軟件針對MODIS溫度產品進行裁剪、最大值合成、壞值修復、波段合成、DN值換算等多個流程后, 得到四天一期的地表遙感溫度的平均值。劉逸豪等通過地表溫度(LST)與溫度(TEMP)的擬合分析及相關性分析發(fā)現(xiàn), 遙感溫度的準確性是可靠的, 可作為研究胡楊春尺蠖發(fā)生的基礎信息數(shù)據(jù)[12]。

圖1 葉爾羌河流域胡楊分布圖

Figure 1 TheInformation of Yarkant River Basin

本研究基于有效積溫法則對春尺蠖的發(fā)生期進行預測, 春尺蠖的各蟲態(tài)正常的生長發(fā)育需要一定的起點溫度, 在完成各發(fā)育階段時需要一定的有效積溫。根據(jù)生物學規(guī)律知發(fā)育起點溫度和有效總積溫是個準常數(shù), 依據(jù)積溫數(shù)值及抽樣某蟲態(tài)的發(fā)育歷期統(tǒng)計準常數(shù)數(shù)值及其標準差。本文選用2001-2015年典型樣地所在像元的MODIS溫度數(shù)據(jù), 結合有效積溫模型對胡楊春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育歷期進行統(tǒng)計。依據(jù)現(xiàn)有的胡楊春尺蠖蟲情變化數(shù)據(jù), 結合歷年溫度變化趨勢, 對胡楊春尺蠖發(fā)生量進行整體預測。

有效積溫法則的模型為:

其中:為各蟲態(tài)有效發(fā)育歷期;為有效總積溫;為各階段日平均溫度;為各蟲態(tài)發(fā)育起點溫度;S為有效積溫標準方差;S為各蟲態(tài)發(fā)育起點溫度的標準方差。

2.2.1 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)始見期及平均溫度

胡楊春尺蠖是變態(tài)發(fā)育昆蟲, 在變態(tài)發(fā)育的過程中, 各蟲態(tài)的發(fā)育起點溫度不同, 即只有達到發(fā)育起點溫度條件下, 某蟲態(tài)的發(fā)育過程才會開始發(fā)生。對于發(fā)育起點溫度和有效積溫的測定, 通常情況下是通過觀察不同實驗溫度條件下的各蟲態(tài)的發(fā)育歷期資料, 繼而利用實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到, 實驗方法包括人工多級變溫飼養(yǎng)測定和自然溫度下飼養(yǎng)測定。

根據(jù)整理收集和調查資料中各蟲態(tài)發(fā)育完成標志出現(xiàn)的時間節(jié)點信息, 結合MODIS溫度產品提取的遙感溫度數(shù)據(jù), 進而整理出胡楊春尺蠖活動期的各蟲態(tài)歷期間的每日平均遙感溫度信息(表1)。

2.2.2 各蟲態(tài)發(fā)育起點溫度和有效積溫的提取

昆蟲的發(fā)育速率是指單位時間內完成所有發(fā)育過程的百分比率, 也就是完成某一蟲態(tài)完整發(fā)育過程所需時間(發(fā)育歷期)的倒數(shù)。以日為單位, 即:

=1/(2)

其中:為胡楊春尺蠖某階段發(fā)育速率,為完成該蟲態(tài)發(fā)育所需的天數(shù)。

有效遙感積溫法則通常指生物在生長發(fā)育的過程中, 需要從外部環(huán)境中吸收一些熱量, 且完成其生長發(fā)育過程所需的總熱量是一個穩(wěn)定常數(shù)。表達式為:

=(3)

其中:為發(fā)育歷期(),為發(fā)育期間平均溫度(℃), K為總積溫(日度)。

胡楊春尺蠖的生長發(fā)育的開始溫度是動態(tài)的, 一般高于0℃時開始發(fā)育, 稱為發(fā)育起點溫度, 用表示。表達式可修改為:

(-)=(4)

其中:為發(fā)育起點溫度, (-)為平均發(fā)育溫度,為有效遙感總積溫。

直線回歸方程(式5)表示發(fā)育速率與溫度呈現(xiàn)出顯著的線性關系。

(5)

其中:發(fā)育起點溫度相當于直線方程中的, 即直線在坐標軸上的截距, 而有效遙感總積溫則相當于直線方程中的斜率。這兩個參數(shù)可按照直線方程, 用最小二乘法求得, 其計算式為:

表 1 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)的始見期及對應歷期平均溫度

其中:為發(fā)育速率(=1/);為溫度,為溫度的組數(shù)。

將表1中各蟲態(tài)的發(fā)育歷期和日平均溫度整理并計算出公式(6)中的所需數(shù)據(jù), 整理之后為表2中的數(shù)據(jù)形式。

將表2的數(shù)據(jù)分別帶入公式(6)和公式(7), 得到羽化期起點溫度1和有效積溫1; 繁殖期起點溫度2和有效積溫2; 孵化期起點溫度3和有效積溫3; 幼蟲發(fā)育起點溫度4和有效積溫4。進而計算不同組數(shù)的數(shù)據(jù)得到各階段的起點溫度和有效積溫數(shù)據(jù)的標準方差(表3)。

3 結果與分析

3.1 胡楊春尺蠖蟲蛹羽化期預測

羽化: 胡楊春尺蠖越冬蛹經過完全變態(tài)蛻去外皮變?yōu)槌上x的過程。蟲蛹在地下30 cm左右進行歷夏越冬, 溫度是羽化過程中最重要的環(huán)境影響因素, 只有在環(huán)境溫度達到蟲蛹的代謝發(fā)育標準溫度(即發(fā)育起點溫度), 蟲蛹才開始羽化, 該階段對溫度變化極為敏感, 只有平穩(wěn)通過發(fā)育起點溫度時, 才會正常發(fā)育。

3.1.1 地面溫度與空氣溫度的關系

土壤溫度和空氣溫度存在密切關系, 因此, 土壤溫度也具有空氣溫度的一切特點, 且更為突出和明顯。

土壤溫度與冬季土中蟄伏的昆蟲復蘇生長關系非常密切, 昆蟲復蘇期的土壤溫度變化信息, 對蟲害的防治和研究有著十分重要的意義。資料顯示, 30 cm地溫開始穩(wěn)定到達0 ℃以上的時期, 是地下昆蟲蘇醒并開始生長發(fā)育的適期。據(jù)現(xiàn)有記錄顯示, 地溫穩(wěn)定通過0 ℃開始時間多在2月上旬, 與空氣溫度接近多在2月下旬。

據(jù)遙感溫度數(shù)據(jù)變化時間范圍分析, 土層的30 cm以上土層溫度與地表溫度變化極為接近, 春尺蠖蟲蛹的羽化進程是在2月中下旬地表溫度達0 ℃開始, 此時的地下溫度也已平穩(wěn)通過0 ℃。

表2 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)有效積溫(K)和發(fā)育起點溫度(C)

注:為各蟲態(tài)發(fā)育歷期,為歷期內日平均溫度,為該蟲態(tài)發(fā)育速率。

表3 胡楊春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育起點溫度與有效積溫數(shù)據(jù)

3.1.2 羽化期預測

胡楊春尺蠖越冬蛹在羽化過程中無需進食, 因此影響發(fā)育的主導因子為溫度?；诜e溫法則進行的胡楊春尺蠖發(fā)育研究實驗數(shù)據(jù)知, 越冬蛹的羽化起點溫度為0 ℃, 用1表示。羽化發(fā)育完全完成需要總積溫為55.62日度, 稱為有效總積溫, 用1表示。

推導知羽化期有效遙感積溫法則數(shù)學模型為:

其中:為胡楊春尺蠖蟲蛹羽化的有效發(fā)育歷期,為羽化階段日平均遙感溫度。

利用有效遙感積溫模型對提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與發(fā)育實驗數(shù)據(jù)進行計算, 得到2001—2015年胡楊春尺蠖羽化歷期信息。每年各樣地胡楊春尺蠖越冬蛹羽化歷期長短不一, 原因是不同樣地地表溫度不同即獲取遙感溫度信息也不同, 溫度的差異對越冬蛹的發(fā)育代謝影響明顯, 羽化為成蟲的日期也就各自不同。其中, 2009年、2011年、2013年羽化歷期整體偏長, 均超過20天, 羽化階段整體平均溫度分別為2.72 ℃、2.51 ℃、2.76 ℃, 平均溫度明顯低于其他年份(圖2), 受低溫影響, 羽化發(fā)生滯育現(xiàn)象。

結合遙感提取的溫度信息和胡楊春尺蠖蟲蛹羽化階段的發(fā)育起點溫度, 推算歷年胡楊春尺蠖蟲蛹羽化的始見期, 即春尺蠖蟲蛹羽化現(xiàn)象開始出現(xiàn)。結合胡楊春尺蠖羽化進度, 分析可知: 羽化率從0%開始算起, 始盛期是指羽化進度達到40%左右, 高峰期指的是羽化進度完成80%左右。依據(jù)遙感溫度信息知羽化開始的具體時間, 由有效遙感積溫模型計算出羽化完整階段歷期數(shù)據(jù), 可知15年胡楊春尺蠖蟲蛹羽化發(fā)生的始末期時間信息(表4)。

圖2 羽化歷期與年均溫的關系

Figure 2 The relationship between eclosion period and annual average temperature from 2001 to 2015

其中2007年、2013年、2014年達到發(fā)育起點溫度時間較早, 發(fā)育開始時間也早于其他年份。開始最晚的時間是2008年和2010年, 2月22日左右才開始羽化發(fā)育進程。而羽化發(fā)育進程結束時間最晚的卻是2011年, 主要由于該年2月份平均溫度整體偏低, 羽化發(fā)育開始時間較晚且伴隨滯育, 出現(xiàn)了羽化發(fā)育較遲緩的現(xiàn)象。因此在低溫年份, 胡楊春尺蠖羽化發(fā)育時間會普遍較晚發(fā)生。

表4 羽化發(fā)育完成進度時間表

總體而言, 春尺蠖預測始見期地表溫度范圍為1.8—6.2℃, 對應始見期日期為2月10日至3月7日, 終見日期為2月19日至3月21日, 具體始終日期均可根據(jù)當?shù)禺敃rLST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(8)進行測算。與樣地實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn), 預測時間略早于實測時間, 模型預測精度達86%, 能夠滿足研究需要。

3.2 胡楊春尺蛾繁殖期預測

胡楊春尺蠖的成蟲是春尺蛾, 經歷越冬蛹羽化而成。羽化為成蟲之后并不能立即出土, 需在土室中靜伏相當時間, 一般于午后逐漸破土而出。成蟲白天隱匿于殘枝、落葉、雜草、大樹的根際, 經爬上樹的就隱藏在開裂的樹皮下, 樹干的斷裂處。成蟲活動時間為黃昏, 晚上6、7時左右, 雌蟲爬上樹干, 雄蟲繞樹干飛行尋找雌蟲交配, 場所樹干下部居多。日夜均能產卵, 位置多為樹皮裂隙和斷枝裂隙處。

胡楊春尺蠖成蟲春尺蛾經試驗驗證是不會進食的, 活動時間與空間范圍有限, 其生命周期中主要影響因素為溫度, 其發(fā)育的過程是不可逆的, 在各種溫度下都繼續(xù)進行, 但是速率的快慢與最適溫度有關。在高于一定溫度時, 發(fā)育速率的快慢與溫度的增加呈現(xiàn)出正相關, 因此該溫度值為成蟲發(fā)育起點溫度。

根據(jù)基于積溫法則進行的胡楊春尺蠖發(fā)育研究實驗數(shù)據(jù)知, 胡楊春尺蠖成蟲春尺蛾發(fā)育起點溫度為1.32 ℃, 用2來表示。春尺蛾的發(fā)育至產卵結束這一階段需要總積溫為56.06日度, 稱為有效總積溫用2表示。

推導得成蟲繁殖期有效遙感積溫法則數(shù)學模型為:

式中,為胡楊春尺蠖成蟲春尺蛾的有效發(fā)育歷期;為春尺蛾繁殖階段日平均遙感溫度。

利用有效遙感積溫模型對提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與發(fā)育實驗數(shù)據(jù)進行計算, 得到2001—2015年春尺蛾繁殖階段歷期信息。春尺蛾繁殖階段歷期長短與環(huán)境溫度變化有關, 溫度的差異對春尺蛾繁殖器官完善發(fā)育有一定影響, 成蟲產卵日期也各不相同。2001—2015年胡楊春尺蠖成蟲繁殖歷期的平均歷期與均溫變化趨勢見圖3。

其中, 2009年、2012年、2014年和2015年平均溫度相對于其他年份較低, 因此春尺蛾繁殖歷期也比其他年份長, 分別為14.2、15.4、13.8、15.0天。觀察歷年春尺蛾的生存歷期知, 變化規(guī)律是在2007年開始有波動變化, 呈現(xiàn)出先降后升, 升降有序的起伏波動變化。這與近年來3月上中旬氣溫的變化有著密切的聯(lián)系, 2007年以來每年3月上中旬溫度的變化有著明顯的波動變化。

根據(jù)春尺蛾繁殖階段的發(fā)育起點溫度, 結合遙感溫度的提取信息, 推算歷年胡楊春尺蠖蟲蛾的始末期。春尺蛾的始見期即春尺蠖蟲蛹羽化完成春尺蛾開始出現(xiàn), 從羽化率100%的時間開始算起。始盛期是指春尺蛾產卵完成的過程達到40%左右, 產卵即將進入高峰期。高峰期指的是產卵的過程已完成80%左右。依據(jù)羽化歷期完成的具體時間, 由有效遙感積溫模型計算出春尺蛾產卵階段歷期數(shù)據(jù)(表5), 可知15年春尺蛾產卵始末的時間信息, 其始末期是春尺蛾產卵過程已經全部完成。

其中2001—2007年該階段平均遙感溫度較高, 成蟲發(fā)育較快, 因此產卵發(fā)生時間較早; 2007—2015年成蟲發(fā)育階段平均遙感溫度較低, 春尺蛾發(fā)育較遲緩, 產卵發(fā)生時間較晚。15年來春尺蛾產卵現(xiàn)象出現(xiàn)時間由2月下旬逐漸推移到3月中旬, 與之相伴產卵現(xiàn)象的全部完成也逐漸向后延遲, 與胡楊萌發(fā)的時間逐漸接近, 蟲害的發(fā)生與傳播愈發(fā)容易。

圖3 成蟲繁殖歷期與年均溫的關系

Figure 3 The relationship between adult reproduction duration and annual average temperature from 2001 to 2015

表5 春尺蛾繁殖階段始末時間表

總體而言, 春尺蠖預測繁殖發(fā)生始見期對應遙感平均溫度范圍是3.7—8.7 ℃, 孵化歷期范圍為7—15 ℃, 對應始見期日期范圍為2月15日至3月17日, 始末期預測范圍為2月28日至4月2日, 具體始終日期均可根據(jù)當?shù)禺敃rLST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(9)進行測算。與樣地實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn), 預測時間略早于實測時間, 模型預測精度達85%, 能夠滿足研究需要。

3.3 胡楊春尺蠖蟲卵孵化期預測

胡楊春尺蠖蟲卵期不需進食, 溫度是影響蟲卵孵化期長短的主導因子。根據(jù)收集實驗數(shù)據(jù)知, 胡楊春尺蠖蟲卵孵化發(fā)育起點溫度為1.74 ℃, 用3來表示。春尺蠖蟲卵產出的時候, 日平均溫度數(shù)據(jù)高于起點溫度, 因此直接進入孵化階段, 大大縮短了孵化時間長度, 因此給蟲卵調查增加了難度。春尺蛾的發(fā)育至產卵結束這一階段需要有效積溫為197.28日度, 稱為遙感有效總積溫用3表示。

計算推導知孵化期有效遙感積溫法則數(shù)學模型為:

式中,為胡楊春尺蠖蟲卵的孵化歷期;為胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段地表遙感溫度的平均溫度。

利用基于遙感溫度的有效積溫模型對提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與胡楊春尺蠖各階段發(fā)育所需溫度信息進行計算, 得到2001—2015年胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段的歷期數(shù)據(jù)。胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段歷期長短與環(huán)境溫度變化有關, 溫度的差異對胡楊春尺蠖蟲卵孵化發(fā)育有一定影響, 也使得幼蟲出現(xiàn)的日期各不相同。2001—2015年胡楊春尺蠖蟲卵孵化歷期的平均值與均溫變化趨勢見圖4。

2003—2006年地表遙感溫度呈現(xiàn)下降趨勢, 到2006年達最低谷; 2006—2009年溫度逐漸升高, 2009年至峰頂; 隨后逐年下降, 至2011年降至最低值, 隨后幾年波動起伏變化不大。因此胡楊春尺蠖蟲卵的孵化隨溫度的波動而變化, 溫度越高, 孵化越快, 歷期越短; 反之, 孵化越慢, 歷期越長。其中2006年平均溫度最低, 而孵化歷期也最, 平均溫度與歷期值分別為11.03 ℃與21.4天。

圖4 孵化歷期與年均溫的關系

Figure 4 The relationship between incubation period and annual average temperature from 2001 to 2015

根據(jù)胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段的發(fā)育起點溫度, 結合遙感溫度信息數(shù)據(jù), 推算歷年蟲卵孵化的始末期。依據(jù)羽化歷期完成的具體時間, 由有效遙感積溫模型計算出胡楊春尺蠖蟲卵孵化歷期數(shù)據(jù)(表6)。其中2001年至2007年該階段平均遙感溫度較高, 蟲卵孵化發(fā)育較快, 因此幼蟲出現(xiàn)時間較早, 2007年至2015年孵化發(fā)育階段平均遙感溫度稍低, 孵化速率較遲緩, 幼蟲發(fā)生時間較晚。發(fā)生時間較早, 高峰期出現(xiàn)時間也相對較早, 同時完成全部孵化發(fā)育階段的時間早于其他年份。15年來春尺蛾蟲卵孵化現(xiàn)象出現(xiàn)的時間由3月中旬逐漸推移到3月下旬及3月末, 與之相伴孵化現(xiàn)象的全部完成也逐漸向后延遲。

總體而言, 春尺蠖預測孵化發(fā)生始見期對應遙感平均溫度范圍是14.6—18.4℃, 孵化歷期范圍為15—21℃, 對應始見期日期范圍為3月2日至3月31日, 始末期預測范圍為3月25日至4月29日, 具體始終日期均可根據(jù)當?shù)禺敃rLST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(10)進行測算。與樣地實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn), 預測時間略早于實測時間, 模型預測精度達85%, 能夠滿足研究需要。

3.4 胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育期預測

幼蟲: 胡楊春尺蠖蟲卵孵化之后, 出現(xiàn)幼蟲即食葉蟲的出現(xiàn), 即胡楊林的危害開始了。幼蟲的發(fā)育跟溫度和食物相關, 在幼蟲出現(xiàn)的時候胡楊正處于萌發(fā)新葉的物候期, 胡楊的萌芽和嫩葉給胡楊春尺蠖幼蟲提供了充足的食物, 溫度也是幼蟲發(fā)育過程中重要影響因素, 適宜的溫度會加快胡楊春尺蠖的進食量, 促進生長發(fā)育。

根據(jù)基于積溫法則進行的胡楊春尺蠖幼蟲生長發(fā)育研究實驗數(shù)據(jù)知, 胡楊春尺蠖越冬蛹的羽化起點溫度為7.9 ℃, 羽化發(fā)育完全完成需要總積溫為368.46日度。

推導得幼蟲發(fā)育期有效遙感積溫法則的數(shù)學模型為:

式中,4為胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育歷期;4為該階段日平均遙感溫度。

利用有效遙感積溫模型對提取的遙感溫度數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)相結合, 計算得到2001—2015年胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育歷期數(shù)據(jù)(圖5)。其中, 2009年、2013年、2014年胡楊春尺蠖發(fā)育歷期整體偏長, 均超過40天, 表明胡楊春尺蠖對胡楊的危害時間越長, 危害越大。

表6 胡楊春尺蠖蟲卵孵化階段始末時間表

圖5 幼蟲歷期與年均溫的關系

Figure 5 The relationship between larval duration and annual average temperature from 2001 to 2015

根據(jù)胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)育階段的發(fā)育起點溫度, 結合胡楊春尺蠖羽化開始時間及各階段發(fā)育歷期數(shù)據(jù), 推算歷年胡楊春尺蠖幼蟲化蛹的始見期。依據(jù)遙感溫度信息知羽化開始的具體時間, 由有效遙感積溫模型計算15年胡楊春尺蠖蟲幼蟲化蛹的始末期時間信息(表7)。

其中2007年達到發(fā)育起點溫度時間較早, 因此入土化蛹開始時間也早于其他年份。開始最晚的時間是2013年與2014年, 2月22日左右才開始發(fā)育過程。入土化蛹完成時間最晚的也是2013年和2014年, 這兩年幼蟲生長發(fā)育期日平均溫度低于其他年份, 而且羽化開始時間也晚于其他年份, 幼蟲的發(fā)育時間周期較長, 對胡楊林的危害也就越大。

總體而言, 春尺蠖預測幼蟲發(fā)生始見期對應遙感平均溫度范圍是12.2—20.9℃, 孵化歷期范圍為24—48天, 對應始見期范圍為3月29日至5月9日, 始末期預測范圍為2月21日至6月31日, 具體始終日期均可根據(jù)當?shù)禺敃rLST數(shù)據(jù)和有效積溫根據(jù)公式(11)進行測算。與樣地實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn), 預測時間略早于實測時間, 模型預測精度達86%, 能夠滿足研究需要。

3.5 春尺蠖活動期預測

根據(jù)調查數(shù)據(jù)與搜集資料統(tǒng)計顯示, 春尺蠖幼蟲的活動期是在每年的2—5月份, 其中春尺蠖活動期開始的標志是越冬蛹的羽化開始, 春尺蠖5齡蟲成熟之后入土做室化蛹進入蟄伏期代表著春尺蠖活動期的結束。由春尺蠖各蟲態(tài)的歷期預測結果可得到春尺蠖活動期的預測結果(表8)。

表7 胡楊春尺蠖幼蟲發(fā)生進度

表8 胡楊春尺蠖幼蟲活動期預測結果

由活動期信息統(tǒng)計知, 春尺蠖活動期預測開始最早是在2007年份1月29日就達到羽化標準, 地表溫度穩(wěn)定通過零度, 通過熱傳遞, 對土層總的越冬蛹進行積溫, 使越冬蛹的羽化開始發(fā)生。同時可知最晚開始羽化的是2月22日, 其中分別為2010年、2013年和2014年三個年份的春季溫度回升較晚, 溫度上升的晚, 越冬蛹達不到羽化發(fā)生的有效積溫, 則不會開始羽化。整體趨勢而言, 從2001年至2015年的羽化開始時間逐漸在往后推移。

春尺蠖的活動期是隨春尺蠖幼蟲發(fā)育成熟期蟄伏結束的, 15年間春尺蠖活動期預測結果中結束最早的是2007年, 在5月初就進入始末期。最晚的是2014年6月中旬。2001年至2015年間春尺蠖活動期結束的日期也在不斷的向后推移, 預測結果顯示出春尺蠖的危害時間在逐漸邊長, 越往后推移耽誤胡楊枝葉發(fā)育越久, 對胡楊的危害也就越大。

總體而言, 胡楊春尺蠖的活動歷期逐漸增加, 且隨著平穩(wěn)通過0 ℃的時間越來越晚, 春尺蠖活動期對春季胡楊生長發(fā)育帶來的影響也在逐漸增強, 受春尺蠖危害的胡楊林的發(fā)育時間常年較長, 則胡楊的死亡率就會逐漸增加。預測結果顯示, 15年來活動期開始的時間范圍在1月29日至2月22日, 活動期的歷期范圍為67到100天, 羽化完成的始見期范圍在2月6日至3月7日, 而活動期結束的預測時間范圍為5月1日至6月21日。

3.6 最佳防治時間的確定

胡楊春尺蠖蟲害發(fā)生的標志是食葉幼蟲的出現(xiàn), 即胡楊春尺蠖孵化之后進入幼蟲階段, 危害胡楊林春季萌發(fā)的嫩芽、嫩葉。經過調查數(shù)據(jù)顯示, 胡楊春尺蠖幼蟲分為5個等級: 1齡蟲、2齡蟲、3齡蟲、4齡蟲、5齡蟲, 每個齡期分為生長前期、中期、后期, 春尺蠖幼蟲從齡蟲開始蠶食胡楊嫩葉, 體重急速增長。每個齡期的幼蟲各生長階段平均體重變化趨勢較初期增長幅度均高于200%(表9)。每個齡期春尺蠖的體重均成倍增長, 這與春尺蠖變態(tài)發(fā)育有關, 每個齡級的幼蟲都會蛻去舊皮, 打破身體長度的限制, 成長為下一齡級的幼蟲。春尺蠖幼蟲在齡級增長的同時, 平均體重也在呈現(xiàn)幾何式增長。胡楊春尺蠖的食物來源就是胡楊新萌發(fā)的嫩葉、嫩芽, 而胡楊春尺蠖體重的變化直觀的體現(xiàn)出對胡楊的危害程度。

其中變化最明顯的在3齡蟲到4齡蟲階段, 3齡蟲的后期平均體重已經達到了1齡蟲后期平均體重的64倍, 食葉量已經開始急劇增高, 3齡蟲階段是個分水嶺, 因此需要在對胡楊的危害加劇之前防治幼蟲, 1齡蟲和2齡蟲階段可防治。

幼蟲發(fā)育歷期為40天左右, 其中1齡蟲發(fā)育歷期約為10天, 2齡蟲的發(fā)育歷期約為8天, 則2齡蟲的發(fā)生和結束期約為10-18天, 而春尺蠖孵化進入始末期的時間與2齡蟲的發(fā)生時間十分接近(表10)。

表9 胡楊春尺蠖幼蟲體重變化

表10 孵化始末期與2齡蟲發(fā)生時間

對比春尺蠖2齡蟲發(fā)生時間與2齡幼蟲的發(fā)生時間可知, 2005、2006年份春尺蠖孵化始末期稍晚, 其余年份春尺蠖1齡蟲發(fā)育完成時, 蟲卵多數(shù)已經孵化完成, 變成幼蟲。選取2齡蟲階段對春尺蠖進行防治, 可以有效殺死已孵化完成的幼蟲, 防治效果較好。少量未孵化的在防治藥物的殘余期也會陸續(xù)孵化進而被殺死, 對胡楊林的危害也扼殺在輕度發(fā)生期, 從而實現(xiàn)高效防治。

綜上所述, 最佳防治時間段選擇的依據(jù)是各齡春尺蠖幼蟲對胡楊的危害程度以及防治效率最高的時期, 2齡蟲發(fā)生的時間為最佳防治時間, 該階段春尺蠖幼蟲食葉量尚未大幅度增長, 且春尺蠖蟲卵的孵化率也進入始末期, 2齡蟲進行防治可以大大的提高防治效率。

4 結論與討論

本研究以胡楊林分布較為集中的葉爾羌河流域胡楊林分布區(qū)為研究區(qū)域, 以胡楊林春尺蠖蟲害為主要研究對象, 利用遙感技術從MODIS溫度產品中提取遙感監(jiān)測溫度數(shù)據(jù), 結合搜集調查資料數(shù)據(jù), 采用有效積溫模型推算遙感溫度下春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育起點溫度和有效積溫, 進而統(tǒng)計計算2001年至2015年間各蟲態(tài)的發(fā)育歷期及發(fā)生時間, 探討基于有效積溫法則的春尺蠖蟲害發(fā)生期預測方法。主要得出以下幾點結論:

(1)根據(jù)春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)生時間節(jié)點信息, 統(tǒng)計計算出遙感溫度下的春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)育起點溫度和有效積溫數(shù)據(jù), 春尺蠖羽化之后各蟲態(tài)發(fā)生時, 環(huán)境溫度遠遠超過發(fā)育起點溫度, 因此各蟲態(tài)的發(fā)生時間大大縮短, 符合新疆春尺蠖發(fā)生時間周期短的現(xiàn)象[13]。

(2)利用有效積溫模型, 計算2001—2015年間春尺蠖各蟲態(tài)發(fā)生歷期與發(fā)生時間范圍, 分析知2齡蟲發(fā)生時春尺蠖蟲卵孵化進入始末期, 且春尺蠖四齡食葉蟲基本沒有發(fā)生, 得出結論最佳防治時間是春尺蠖幼蟲的2齡蟲。邱琳等[14]基于HJ衛(wèi)星數(shù)據(jù)構建監(jiān)測模型, 發(fā)現(xiàn)塔里木河中游胡楊林春尺蠖幼蟲以 3 齡、4 齡、5 齡為主時, 春尺蠖嚴重危害胡楊林, 表明需要在2齡蟲時防治春尺蠖蟲害, 與本文研究結果基本一致。

(3)傳統(tǒng)的地面氣象觀測數(shù)據(jù)在時間和空間分布上監(jiān)測不夠全面, 因此使得對胡楊春尺蠖蟲害的防范治理存在極大的缺陷[15]。本文基于遙感監(jiān)測和實地調查, 結合空間分析與模擬的綜合預警與測報, 可以為胡楊林春尺蠖的科學防治提供第一手的科學數(shù)據(jù), 為更有效的開展森林病蟲害的防控治理工作提供理論支撐, 對于高效監(jiān)測和預測新疆地區(qū)大面積胡楊林蟲害具有重要意義, 且經濟適用。研究數(shù)據(jù)主要為MODIS溫度產品影像數(shù)據(jù), 時間分辨率為1天每期, 空間分辨為1000 m, 對胡楊春尺蠖蟲害發(fā)生的地點的監(jiān)測精度相對較低, 盡管在研究過程中采用多種方式減小誤差, 但是對數(shù)據(jù)的影響無法完全消除, 仍存在一定的誤差, 后續(xù)計劃利用多源遙感數(shù)據(jù)進一步提高監(jiān)測精度。

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The prediction of the occurrence period ofin the Yarkant River Basin based on remote sensing

Chen Mengyu1,2, Jia Xiang2,3,*, Chen Shujiang2,3, Hou Bozhan2,3, Liu Yihao2,3, Huang Tiecheng2,4, YAN Zhiming5

1. School of Foreign Languages, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009,China 2.Urumqi Institute of Spatial Remote Sensing Applications, Urumqi 830054, China 3.College of Geography Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China 4. Key Laboratory of Precision Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 5.Management College, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China

Thedistribution in Yarkant River Basin was taken as the research area.was used as the research object. Remote sensing data ofwere extracted by remote sensing technology and remote sensing products such as MODIS from 2001 to 2015. Based on the effective accumulated temperature law and the prediction of the occurrence period of spring ridges, the optimal control time was determined, which provided a scientific basis for further research on the occurrence time, occurrence rules, hazard degree and time distribution ofin the Yarkant River Basin. The results showed as follows: (1) When the parasitic states occurred after the emergence of the spring scales, the ambient temperature far exceeded the developmental start temperature, so the occurrence time of each state of the parasites was greatly shortened, which was consistent with the short time-period phenomenon of the spring scales of Xinjiang. (2) Accumulation temperature model shows that when the second instar larvae hatch into the beginning and the end of the hatching period, and the four-instar leaf-foot instar larvae did not occur, so the best control time larvae are the second instar larvae.

Yarkant river basin;; period of occurrence; effective accumulated temperature

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.018

S763

A

1008-8873(2020)02-145-12

2019-07-01;

2019-08-15

國家自然科學基金項目(31460167); 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501503)

陳孟禹(1992—), 男, 新疆烏魯木齊人, 本科, 主要從事遙感和地理信息系統(tǒng)方面研究, E-mail: 535480893@qq.com

賈翔, 男, 碩士, 經濟師, 主要從事遙感和地理信息系統(tǒng)方面研究, E-mail: jiaxiang19891204@126.com

陳孟禹, 賈翔, 陳蜀江, 等. 葉爾羌河流域胡楊春尺蠖發(fā)生期遙感預測[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(2): 145-156.

Chen Mengyu, Jia Xiang, Chen Shujiang, et al. The prediction of the occurrence period ofin the Yarkant River Basin based on remote sensing[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 145-156.