周 丹，肖正利，趙 勇，田靜波，李祖梅，敬順華

（1.夷陵區(qū)自然資源和規(guī)劃局，湖北 宜昌 443100；2.遠安縣林業(yè)局，湖北 宜昌 444200；3.夷陵區(qū)森林植物檢疫站，湖北 宜昌 443100；4.夷陵區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)林業(yè)管理站，湖北 宜昌 443100；5.夷陵區(qū)黃花鎮(zhèn)林業(yè)管理站，湖北 宜昌 443100）

松材線蟲病，又稱松材線蟲萎蔫病、松樹萎蔫病、松樹枯萎?。?］，是國際重大檢疫性病害，是目前最為嚴重的自然災害之一，該病害在熱帶和亞熱帶地域迅速蔓延造成嚴重危害［2］，也是危害較大的外來入侵物種之一［3］，松樹一旦被松材線蟲感染，基本無法幸存，被感染的松林成片枯死，對松林生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的破壞。松材線蟲有關的研究涉及從分類到防治、病原、媒介、基因、行為以及共生菌等諸多領域，總體上沒有太大突破［4］。

松林線蟲病是由滑刃科（Aphelenchoididae）傘滑刃屬（Bursaphelenchus）的松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）引起的松樹上的一種毀滅性病害［1，5］；在全國范圍內(nèi)，幾乎所有氣候帶的絕大多數(shù)松林生態(tài)系統(tǒng)都有可能被松材線蟲侵染［2］，其傳播方式主要是自然傳播和人為傳播，自然傳播是借助媒介昆蟲天牛攜帶來完成，可作為媒介的昆蟲有13種［1］，國內(nèi)發(fā)現(xiàn)能攜帶松材線蟲的昆蟲有6種［6］，松材線蟲病的媒介昆蟲除松褐天牛外，國內(nèi)外已經(jīng)報道了林間存在其他昆蟲可攜帶松材線蟲而擴散傳播松材線蟲病的現(xiàn)象［7］；該病的傳播擴散趨勢還未得到有效遏制。

松材線蟲病疫情傳播和擴散具有一定的地理空間位置分布和發(fā)生時間規(guī)律，并具有關聯(lián)性，分析松材線蟲病地理空間位置數(shù)據(jù)信息，其目的在于準確了解疫情發(fā)生的空間分布狀況，挖掘其空間規(guī)律；量化松材線蟲病疫情地理空間過程并構建相應的時空模型，為科學監(jiān)測、預測、調(diào)查、評估等發(fā)揮輔助決策，通過地理信息系統(tǒng)分析研究，對受害松林密度、分布以及變化進行了時空模擬，助力松材線蟲病疫情防控提供輔助科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

夷陵區(qū)位于湖北省長江中、上游，地理位置處于110.512 258 33°—111.392 230 33°E，30.322 233 33°—31.282 230 33°N，舉世矚目的三峽大壩座落在夷陵區(qū)境內(nèi)；地處大巴山余脈，主體地貌以中低山為主，地勢由東南向西北逐漸升高，地形起伏多變，錯綜復雜，高度相差懸殊，海拔51～2 005 m，平均海拔650 m，從南到北兼用中亞熱帶、北亞熱帶和暖溫帶的氣候特點，氣候適宜，自然條件優(yōu)越，日照充足，年平均氣溫16.6℃，極端最高氣溫41.4℃，最低氣溫-12℃，≥10℃的年積溫5 408℃，無霜期278 d，年平均日照時數(shù)為1 669.2 h；年平均相對濕度78.5%。全區(qū)平均年降水量在997～1 370 mm。降雨季節(jié)和降雨量極不均勻，5～9月雨量集中，降雨量在800 mm；自然氣候溫暖濕潤，適合外來入侵生物松材線蟲的生長與繁殖。

該區(qū)域森林面積24.838×104hm2，現(xiàn)有森林植被以天然次生植被為主，植物種類繁多，森林植被類型屬于亞熱帶落葉闊葉林，以落葉闊葉與常綠針葉混交林等多種類型的植物結構為主，同時兼有中亞熱帶常綠闊葉林和北亞熱帶常綠闊葉林，森林覆蓋率74.87%，地段性森林植被類型主體為落葉闊葉混交林，以殼斗科（Fagaceae）物種組成植被為主體森林群落居多。松科植物馬尾松占27.90%，馬尾松林呈純林和混交分布；闊葉混交林占45.33%，其他林占26.77%，馬尾松在該區(qū)域森林植被類型上占有一定的生態(tài)空間與分布范圍。

松材線蟲病于2006年首次在小溪塔街辦梅子埡村松林檢測出［8］，2009年成為疫區(qū)［9］。該區(qū)域人口相對密集，交通發(fā)達、經(jīng)濟活動頻繁，松木在不同區(qū)域間的調(diào)運頻繁，大規(guī)模流動為松材線蟲疫情的傳播和擴散創(chuàng)造了條件。松材線蟲入侵馬尾松林致病力強，死亡速度快、數(shù)量大、擴散快，治理難度大，給該區(qū)域造成了嚴重的經(jīng)濟和生態(tài)損失，該病給國民經(jīng)濟造成重大損失，破壞了自然景觀和生態(tài)環(huán)境，對松林資源構成嚴重威脅。

1.2 資料數(shù)據(jù)來源

資料數(shù)據(jù)來源于夷陵區(qū)2019—2020年2個年度松材線蟲病枯死木采伐管理小班數(shù)據(jù)庫（*.SHP格式），基于每一株病枯木空間位置，以二清為基礎底圖建立的數(shù)據(jù)庫，用于外業(yè)調(diào)查、疫木（枯死木）采伐管理、監(jiān)測、檢查驗收，ArcGIS軟件平臺運用空間連接（Spatial Join）工具將病枯木位置與株數(shù)匯集成面圖層數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

為了便于數(shù)據(jù)分析，松材線蟲病枯死木采伐管理小班數(shù)據(jù)庫點面圖層之間相互轉換采用點模式分析，點模式分析可以用來描述任何類型的事件數(shù)據(jù)［10］，每個小班（點）數(shù)據(jù)視為一個疫點（或侵染源、疫源）。由于松樹感染松材線蟲導致死亡具有發(fā)生空間位置和發(fā)生時間，導致松樹死亡時間段主要集中在秋季，難以獲取地面上每個疫點（小班）每一個月（周）時間段疫情數(shù)據(jù)，時間分析采用年度比較法；運用數(shù)據(jù)描述性分析、趨勢分析；時空聚類分析采用空間自相關、最近鄰距離指數(shù)、核密度分析［10-14］；空間信息圖制作與計算采用ArcGIS 10.8軟件分析、統(tǒng)計。

1.3.1 描述性分析 描述松材線蟲病疫情發(fā)生基本情況、比較時間與空間趨勢演變，用數(shù)據(jù)量化松材線蟲病疫情空間傳播分布特征，繪制疫情圖（包括松林危害程度空間分布、疫點分布、疫點三維趨勢）。

1.3.2 趨勢面分析 采用線性模型與數(shù)學曲面擬合樣本數(shù)據(jù)，建立二元多項式回歸模型統(tǒng)計，運用趨勢分析工具（Trend analysis）將疫點松林受害株數(shù)值投影到一個由東西向和南北向平面構成的正交平面上，投影平面上擬合曲線形成趨勢圖，顯示疫情在空間的總體分布規(guī)律，以此反映區(qū)域的系統(tǒng)變異，建立趨勢面模型。

1.3.3 時空聚類分析

1）空間自相關（Global Moran’s I）。探索性空間數(shù)據(jù)分析（ESDA）是檢驗是否存在一個統(tǒng)計學意義上顯著的空間分布，并進一步了解生成這一分布空間過程的一種方法［15］，空間自相關是ESDA的重要方法，空間自相關分為全局和局部自相關，可揭示空間變量的區(qū)域結構形態(tài)，是檢驗具有某變量在特定空間位置上的屬性值是否與其相鄰空間位置上的屬性值顯著相關［13-16］，相鄰對象屬性值相似，則為正相關；相鄰對象屬性值相異，則為負相關；相鄰對象屬性值隨機，則相鄰對象無相關性。

對松材線蟲疫點空間傳播的空間自相關性進行實證分析，可描述疫點空間整體分布狀況，檢驗疫點是否與其相鄰空間點上的屬性值相關聯(lián)的重要指標，其結果正相關表明屬性值變化與其相鄰空間單元具有相同的變化趨勢，代表空間現(xiàn)象有集聚性的存在；負相關則為隨機現(xiàn)象。當一個區(qū)域具有高的受害松林密度，且和周圍區(qū)域為正相關，則該區(qū)域就可以認為是個疫點。

該分析采用全局自相關、空間自相關指標莫蘭指數(shù)（Moran’sI）表示，是從整體上反映研究區(qū)域的空間相關性，其取值范圍［-1，1］，當I＞0時，表示正相關，且越接近于1聚集性越大；當I＜0，負相關，I＝0，是隨機現(xiàn)象［10，11］。局部空間自相關是在全局分析的基礎上，沒有聚集出現(xiàn)時，用來檢查是否有小的、可能被忽視的聚集，可反映子區(qū)域間的相關程度。全局空間自相關的Moran’sI計算公式為：

式中，zi為疫點i的屬性與其平均值偏差，wi,j為疫點i和j之間的空間權重，n為疫點的總數(shù)，So為所有空間權重的聚合。E[I]、V[I]分別表示Moran’sI的期望值和方差，當p很小時，所觀測到的空間要素屬性不太可能產(chǎn)生于隨機過程（小概率事件），因此可以拒絕零假設，z得分和p值都與標準正態(tài)分布相關聯(lián)。

2）最近鄰距離指數(shù)（NNI）。最近鄰距離指數(shù)是測量每個要素的質心與其最近鄰要素的質心之間的距離，計算最近鄰距離的平均值，用最鄰近點之間的距離描述空間分布模式，是判斷點要素空間分布特征和空間格局特征的空間計量方法，將疫點作為要素點分析，可計算范圍區(qū)域內(nèi)任意一疫點與最鄰近疫點的距離d min，取平均值得到實際最近距離dˉmin，與隨機分布模式下的理論最鄰近距離E（d min）比較，得到最鄰近指數(shù)R，如果R=1，說明事件分布模式屬于隨機分布；R＜1，說明事件分布模式屬于集聚分布；R＞1，則表現(xiàn)的模式趨向于擴散。計算見式（6）。

式中，d i為疫點i與最鄰近疫點之間的距離；A為區(qū)域面積（采用默認面積，數(shù)據(jù)最小外接矩形決定）；n為疫點個數(shù)；d min為最鄰近距離；dˉmin平均距離。

3）核密度分析（KDE）。核密度分析工具（Kernel density）用于計算疫點受害松林值在其周圍鄰域中的密度，以樣本疫點為圓心，搜索圓半徑，離圓心越近，柵格單元的密度值就越高，能直觀地表現(xiàn)研究對象的分布密度，核密度值的高低代表研究對象在空間分布上的集聚程度［16］。該方法可計算任意疫點區(qū)域半徑范圍內(nèi)受害松林值的密度，可反映受害松林空間位置分布的相對集中程度，可以據(jù)此判斷受害松林整體空間分布特點。計算見式（7）。

預測疫點位置（x，y）范圍內(nèi)的受害松林株數(shù)值密度，i=1，…，n，是輸入疫點，位于（x，y）位置的半徑距離內(nèi)，包括總和中的疫點；popi是i點的領域數(shù)量（population）字段值參數(shù)，該字段參數(shù)為全部小班內(nèi)受害死亡松值，disti是疫點i和（x，y）位置之間的距離。

2 結果與分析

2.1 基本情況

該區(qū)域松材線蟲病疫情2009年經(jīng)國家林業(yè)局鑒定確認疫區(qū)以來，疫情擴散蔓延迅速，10年來累計死亡松樹208.97×104株，發(fā)生面積達7.49×104hm2，自然傳播媒介為松褐天牛成蟲，一年發(fā)生1代，羽化周期長，躲藏在松樹皮夾縫或樹干中，難以防治；主要危害松科植物馬尾松、華山松，給該區(qū)域造成經(jīng)濟與生態(tài)損失2.1億元。由表1分析可知，2020年度，發(fā)生范圍擴散到11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)108個村，傳播途徑為自然傳播與人為活動傳播；受害松林面積1.126×104hm2，發(fā)生疫點（小班）個數(shù)7 360個，清理與采伐枯死木36.2×104株，小班受害程度1～5 000株，處置方式為現(xiàn)場焚燒，目前，森林成災率＜3‰，危害程度處于輕度；該區(qū)域疫區(qū)、疫點（小班）較多，存在較高的自然傳播擴散風險。2020年度危害程度與2019年同期相比，在防治措施下，發(fā)生形勢和危害程度減輕，但受害松林值基數(shù)仍然較大，存在加重或擴散趨勢，當前，應繼續(xù)加大資金投入，采取了防治措施，遏制了危害程度。

表1 松材線蟲疫情基礎數(shù)據(jù)

2.2 可視化分析

運用ArcGIS軟件處理和輸出進行可視化，對疫情圖層分析，以自然間斷點分級法，將受害松林程度值從低到高的順序分成10個等級，用由淺入深的顏色和點的大小以地圖可視化形式來表示，得到受害松林程度分布圖和疫點分布，詳見圖1至圖4。松材線蟲病致松林受害程度高發(fā)區(qū)域分布在分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、黃花鎮(zhèn)、雅雀嶺、龍泉鎮(zhèn)、鄧村鄉(xiāng)，其受害松林平面分布特點聚集性和集中連片暴發(fā)，疫點較多，受害株數(shù)值程度較高，分布面存在一定的區(qū)域，屬于傳播高風險區(qū)。

圖1 2019年度松林危害程度空間分布

圖4 2020年度疫點分布

傳播時間上，2019年度發(fā)生疫點（小班）5 542個，危害程度區(qū)間值1～4 917株；2020年度發(fā)生疫點（小班）7 360個，危害程度區(qū)間值1～2 209株，在防控措施下，受害松林值有所下降，但降幅??；傳播空間上，隨著時間的推移，2020年度疫情的傳播范圍向外圍發(fā)生了擴散，由中部向西部和北部區(qū)域發(fā)生了擴散，在防控措施下，疫點受害程度從高度聚集分布趨向稀疏分布，且分布較為分散。2個年度疫情整體時空特征為疫點（小班）較多，分布存在一定的區(qū)域，難以防控到全部疫點，疫情短期內(nèi)難以根除。

圖2 2020年度松林危害程度空間分布

2.3 趨勢面分析

以疫點地理位置坐標（x，y），松林受害株數(shù)值為自變量，利用空間探索數(shù)據(jù)分析，將疫點進行趨勢面分析，三維數(shù)據(jù)點（X，Y，Z），X和Y代表各區(qū)域幾何中心處的經(jīng)緯度方向，X軸為方向東，Y軸為方向北，Z代表自變量松林受害株數(shù)值（i）；疫點桿的高低代表受害株數(shù)值，i分別在平面XY和YZ上投影散點圖，通過散點做二項式擬合，得到松林受害株數(shù)值在經(jīng)緯度方向上的某種曲線變化趨勢（圖5、圖6）。結果表明，2019—2020 2個年度松線蟲病疫情趨勢為東西部，東部較高，2020年向中部進行了擴散，從投影趨勢線值分析，趨勢線近似于直線，總體較平、低，疫點呈現(xiàn)錐形向中心點聚集性擴散。

圖3 2019年度疫點分布

圖5 2019年度疫點三維趨勢

2.4 疫點空間聚集特征分析

根據(jù)疫點的分布和受害松林株數(shù)值密度分布特征，通過多次設定不同距離閾值，發(fā)現(xiàn)距離半徑（R）達到5 km時效果最為理想，生成的密度柵格越平滑且概化程度越高，反映松林株數(shù)值密度的相對集中程度。搜集每個疫點之間距離閾值半徑5 km受害松林株數(shù)，得到受害松林株數(shù)發(fā)生區(qū)域密度分布（圖7、圖8），不同層次顏色柵格分別代表受害松林株數(shù)密度變化規(guī)律、區(qū)域分級、擴散趨勢、空間分布聚集變化特征。核密度顯示，2019年度聚集程度以290株為基數(shù)8個自然間斷點分級，聚集程度區(qū)間0～2 321株；2020年度聚集程度以152株為基數(shù)8個自然間斷點分級，聚集程度區(qū)間0～1 361株；2個年度疫區(qū)大體相同，2019年發(fā)生形勢和危害程度偏重；2020年疫情范圍出現(xiàn)了擴張趨勢，偏重區(qū)域發(fā)生了轉移；松林受害高密集區(qū)分布在樂天溪鎮(zhèn)、分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、黃花鎮(zhèn)；密度圖類似于熱力圖，由中心點高度聚集，向四周擴散，與最鄰近距離指數(shù)結果一致，松林受害特征為集聚分布；密度分布圖可作為松材線蟲入侵疫情危害程度分區(qū)的依據(jù)。

圖7 2019年受害松林密度空間分布

圖8 2020年受害松林密度空間分布

2.5 全局自相關分析

由表2可知，2個年度時間段所有疫點樣本分別計算，所涉距離閥值分別取值1與2 km，搜索疫點周圍半徑1與2 km范圍疫點松林值，檢驗空間位置上的疫點屬性值是否與其相鄰空間位置上的疫點屬性值相關，結果顯示，2個年度所選距離閥值莫蘭指數(shù)（Moran’s I）取值范圍大于0，P值（概率）為0，則隨機產(chǎn)生此聚類模式的可能性小于1%。區(qū)域范圍內(nèi)疫點存在正相關關系，整體格局上呈現(xiàn)空間聚集性，即疫源傳播致松林受害株數(shù)高度聚集性。

表2 疫點空間自相關指數(shù)

2.6 最鄰近距離指數(shù)分析

空間自相關分析僅能分析數(shù)據(jù)的空間聚集性，但無法揭示空間分布格局；空間分布分為三種類型：聚集的、均勻的和隨機。均勻分布的點狀要素最鄰近距離最大，隨機分布次之，聚集分布最?。蛔钹徑嚯x是表示點狀事物在地理空間中相互鄰近程度的地理指標，最鄰近點指數(shù)能很好地反映點狀要素的空間分布特征；運用平均最近鄰分析工具（Average Nearest Neighbor），根據(jù)每個疫點預期最近疫點的平均距離計算最近鄰指數(shù)，預期平均距離是假設隨機分布模式中領域間的平均距離；所涉面積以系統(tǒng)默認面積、疫點最小外接矩形來決定，計算結果見表3，2個年度樣本疫點分別計算，疫點的平均觀測值為173.34和169.82 m，小于預期平均值433.4和348.9 m，最近鄰比率指數(shù)為0.399 9和0.486 7（0～1），R＜1，對應Z檢驗值得分-85.46和-84.24，P值為0，即隨機分布概率為0，表明分布模式呈現(xiàn)聚集分布。

表3 疫點最近鄰指數(shù)

3 小結與討論

3.1 小結

1）空間可視化分析了該區(qū)域松材線蟲近2年疫情數(shù)據(jù)，通過時空對比，2019年度松樹枯死木達到歷年峰值，在防治措施下，2020年受害松林呈現(xiàn)下降趨勢，疫點（小班）下降幅度偏小，總體受害松林株數(shù)值較高；其空間分布特點為聚集性和集中連片暴發(fā)，分布面較大，疫點較多，存在一定的區(qū)域性，具有傳播擴散高風險，自然傳播擴散暴發(fā)將長期存在；松材線蟲病疫情傳播空間上，隨著時間發(fā)展推移，疫情的傳播范圍向外圍發(fā)生擴散，疫點受害程度從高度聚集分布趨向稀疏分布，新發(fā)疫點呈跳躍式發(fā)生，且分布較為分散，疫情難以防控到全部疫點，疫點短期內(nèi)難以根除。

2）三維趨勢面直觀展示松材線蟲疫情在三維尺度上的變化趨勢，2個年度松材線蟲病疫情趨勢為東西部，東部較高，2020年中部發(fā)生了擴散，從投影趨勢線值分析，趨勢線近似直線，總體較平、低，疫點呈現(xiàn)錐形向中心點聚集性擴散。

3）時空聚類結果。①2個年度疫點樣本空間自相關取距離閥值半徑1與2 km，莫蘭指數(shù)值大于0，為正相關關系，整體格局呈現(xiàn)空間聚集性，疫源傳播致松樹受害株數(shù)值高度聚集。②最近鄰距離指數(shù)平均觀測值為173.34和169.82 m，小于預期平均值433.4和348.9 m，最鄰近比率指數(shù)為0.399 9和0.486 7，對應檢驗值得分為-85.46和-84.24，P為0，疫點的分布模式為聚集分布。

4）疫點空間聚集特征核密度顯示，距離閾值半徑（R）5 km 2個年度受害松林株數(shù)以8個自然間斷點分級，聚集程度區(qū)間為0～2 321株和0～1 361株，2019年危害程度較為偏重，2020年出現(xiàn)了擴張趨勢，2個年度發(fā)生疫區(qū)大體相同，2020年度偏重區(qū)域發(fā)生了轉移；密度圖類似于熱力圖，由中心點高度聚集，向四周擴散，與最鄰近距離指數(shù)結果一致，松林受害特征為聚集分布；密度分布圖可作為松材線蟲入侵疫情危害程度分區(qū)的依據(jù)。

3.2 討論

松材線蟲病疫情擴散、蔓延發(fā)生的因子很多，本研究存在一定局限性，疫情的傳播因素與媒介昆蟲的密度、海拔、氣候、松林的分布、松林的密度、環(huán)境因子、人為活動干擾等相關，以及歷年疫點數(shù)據(jù)不完善，需要疊加研究，將松材線蟲病疫情進行空間管理和空間分析是一種科學有效的管理方法。

1）從疫情2個年度發(fā)生時間分析，在采取防治措施下，松林受害株數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，但分布范圍發(fā)生了擴散，疫情整體發(fā)展較快，局部區(qū)域疫情呈加快擴散趨勢，局部受害松樹在增加，存在集中暴發(fā)趨勢，跳躍式分布；該區(qū)域疫情分布廣、疫點分散，一旦到達一定疫點數(shù)量和分布區(qū)域，在短期內(nèi)難以根除。

2）從疫情2個年度發(fā)生空間分析，大部分區(qū)域分布集中，局部零星分布，新發(fā)疫情呈跳躍式分布，疫情分布廣、疫點分散，空間分布與空間格局呈現(xiàn)高度聚集性；從疫情空間發(fā)展趨勢上看，疫情整體快速發(fā)展，部分區(qū)域疫情呈加快擴散趨勢。新區(qū)域受害松樹逐年增加，受害面積不斷擴大，部分區(qū)域存在集中暴發(fā)趨勢。認為松材線蟲疫點應由最初離散分布到聚類分布發(fā)展，是一個長期過程，達到聚集性，松林危害程度極重。

3）松材線蟲病防治措施，目前國內(nèi)還沒有更好的防治方法，地面活體松林無法判斷是否感染；松材線蟲不會主動感染松樹，需要松褐天牛攜帶才能傳播入侵健康松樹。綜合防治松材線蟲病的傳播媒介松褐天牛，減少傳播媒介蟲口密度，空間上阻擋疫點，通過逐年減少疫點，加大疫木的清理力度、及早發(fā)現(xiàn)和清除受感染的樹木、阻止疫情擴散，調(diào)節(jié)松樹密度，建立闊葉林生態(tài)系統(tǒng)。