周毅彬

(上海市疾病預(yù)防控制中心傳染病防治所，上海 200336)

在過去的30—40年里，白紋伊蚊Aedesalbopictus已經(jīng)入侵了除南極洲以外所有大陸(Kotsakiozietal.，2017)。它是一種主要的人類叮咬害蟲，可顯著降低被叮咬者的生活質(zhì)量，也是登革熱、基孔肯雅熱、黃熱病和寨卡病毒病等主要蟲媒疾病的傳播媒介。在2004(Xuetal.，2007)、2009(凌鋒等，2010)和2017年(Yanetal.，2018)毗鄰上海市的浙江省發(fā)生多起本地登革熱疫情，其主要傳播媒介也是白紋伊蚊。2017年上海報(bào)告的登革熱病例是上海近五十年來首例本地登革熱病例(上海年鑒，2018)，2018年上海市又報(bào)告了3起本地案例(須俊明等，2019)。預(yù)防和控制登革熱最有效的方法依舊是媒介蚊蟲密度控制和監(jiān)測(cè)，因此白紋伊蚊的密度監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。空間分析是基于地理信息系統(tǒng)(Geographic information system，GIS)的一門學(xué)科。其中克里金法(Kriging)是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對(duì)隨機(jī)過程/隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行空間建模和預(yù)測(cè)(插值)的回歸算法，廣泛應(yīng)用于蚊蟲的研究(Aziletal., 2014)。

目前的白紋伊蚊監(jiān)測(cè)方法中，如誘蚊燈法、人誘停落法法和BG誘捕器，通常都是勞動(dòng)密集型和監(jiān)測(cè)成本昂貴且難以大規(guī)模實(shí)施(Manicaetal.，2017)。與這些方法相比，誘卵器的實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜，并且它是便攜式的，不需要電力或誘餌。這種方法即使在較低的種群密度下也能監(jiān)測(cè)到伊蚊的存在(Silver, 2008)，因此被廣泛用作監(jiān)測(cè)小容器中產(chǎn)卵蚊蟲空間活動(dòng)的方法(Service, 1993)。

本研究在約60 000 m2研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置132個(gè)誘蚊誘卵器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2020年7月28日至10月6日，每周1次布放誘蚊誘卵器，旨在使用克里金(Kriging)模型(Matheron，1963)研究預(yù)測(cè)非監(jiān)測(cè)點(diǎn)白紋伊蚊的密度，并確定其熱點(diǎn)和危險(xiǎn)區(qū)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本次研究選取位于上海市徐匯區(qū)的某處科教園區(qū)，研究區(qū)域東西向約250 m、南北向約240 m，總面積約60 000 m2。內(nèi)有11幢大小不一的建筑，園區(qū)內(nèi)綠化以喬木和草地為主(圖1)。在研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)置132個(gè)誘蚊誘卵器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距10 m以上，選擇避陽綠化地帶放置，并對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位(圖1)。

圖1 研究區(qū)域與誘蚊誘卵器監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Study area and monitoring points of mosq-ovitraps

1.2 白紋伊蚊密度監(jiān)測(cè)方法

本次研究使用《GB/T 23797-2009病媒生物密度監(jiān)測(cè)方法 蚊蟲》標(biāo)準(zhǔn)的誘蚊誘卵器，直徑70 mm、高100 mm的圓柱形透明塑料瓶，瓶底向上突出高20 mm的橢圓圓錐形，瓶蓋為黑色塑料，上有3個(gè)向內(nèi)突出21 mm的倒圓錐管，上口直徑12 mm，下口直徑7 mm。使用時(shí)在瓶?jī)?nèi)倒入約20 mL脫氯水，并放入一張70 mm直徑的濾紙，濾紙浸濕并浮于水的上方。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布放1只誘蚊誘卵器，連續(xù)放置7 d，于第8 d回收并觀察記錄結(jié)果。

1.3 研究時(shí)間與頻次

研究時(shí)間為2020年7月28日至10月6日(上海市一年中蚊蟲密度較高的季節(jié))，每周一布放誘蚊誘卵器，監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)7 d，于下一周的周一回收并放置新的誘蚊誘卵器。

1.4 誘蚊誘卵器陽性判斷標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法

誘蚊誘卵器內(nèi)有成蚊或(和)蚊蟲卵的，判定為陽性；既無成蚊也無蚊蟲卵的，判定為陰性；丟失、干涸或破損的誘蚊誘卵器，判定為無效。對(duì)陽性誘蚊誘卵器內(nèi)的蚊蟲卵進(jìn)行計(jì)數(shù)。誘蚊誘卵器指數(shù)=陽性誘蚊誘卵器個(gè)數(shù)/回收誘蚊誘卵器總數(shù)×100。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

1.5.1空間分析：使用ArcGIS10.8軟件(ESRI China)進(jìn)行空間分析。通過計(jì)算增量空間自相關(guān)(多個(gè)距離的全局Moran′sI)來評(píng)估白紋伊蚊卵粒數(shù)量是否存在空間自相關(guān)。全局Moran′sI(Moran，1950)使用基于特征位置和屬性值(每個(gè)位置誘蚊誘卵器捕獲的總卵粒數(shù))的置換過程，對(duì)照空假設(shè)(沒有空間自相關(guān))進(jìn)行檢驗(yàn)。全局 Moran′sI可以識(shí)別整個(gè)研究區(qū)域的空間格局，但是無法確定某一位置的空間格局。局部 Moran′sI(Local Moran′sI)分析用以評(píng)估每一監(jiān)測(cè)位置是否存在具有統(tǒng)計(jì)意義的聚集、冷點(diǎn)和空間異常值的點(diǎn)(Anselin L，1995)。

1.5.2克里金插值：使用ArcGIS 10.8軟件地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析擴(kuò)展模塊的經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金(Empirical Bayesian Kriging)模型(Gribovetal.，2020)進(jìn)行?？死锝鸩逯捣椒ㄓ糜诹炕瘮?shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)未采樣位置的豐度。包括探索性統(tǒng)計(jì)分析、變異函數(shù)建模。輸出是預(yù)測(cè)每個(gè)位置預(yù)測(cè)值的面和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差的面。使用交叉驗(yàn)證方法來確定克里金插值是否在未采樣位置提供可靠的估計(jì)。交叉驗(yàn)證中用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)如下：標(biāo)準(zhǔn)化均方根(RMSS)約為1，標(biāo)準(zhǔn)化平均值(MS)約為0，均方根(RMS)約為平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)。

2 結(jié)果

2.1 誘蚊誘卵器結(jié)果

本次研究期間，共回收有效誘蚊誘卵器1 308 只，陽性424只，誘蚊誘卵器指數(shù)為32.42，陽性誘蚊誘卵器中卵粒數(shù)的中位數(shù)為23粒，最少為0粒(只捕獲到成蚊)、最多為253粒；陽性誘蚊誘卵器捕獲成蚊中位數(shù)為1只，最少為0只(只有卵粒)、最多為6只成蚊。

2.2 誘蚊誘卵器指數(shù)時(shí)間變化

2020年7月28日至10月6日實(shí)驗(yàn)期間，研究區(qū)域的誘蚊誘卵器指數(shù)變化見圖2。7月28日放置的誘蚊誘卵器指數(shù)為26.36；其后逐漸上升，8月18日達(dá)最大值53.08；9月29日下降至17.42。

圖2 實(shí)驗(yàn)期間誘蚊誘卵器指數(shù)變化Fig.2 Mosq-ovitraps index in study area during the experimental period

2.3 誘蚊誘卵器捕獲成蚊與卵粒

2020年7月28日至10月6日實(shí)驗(yàn)期間，共放置了10次誘蚊誘卵器，每次放置132個(gè)。每個(gè)誘蚊誘卵器10次共計(jì)捕獲的白紋伊蚊成蚊和卵粒數(shù)的散點(diǎn)圖見圖3。捕獲的成蚊和卵粒數(shù)的散點(diǎn)呈線性分布，兩者具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.8793(P<0.05)。線性回歸結(jié)果：y=-0.638+22.953x(x為成蚊數(shù)，y為卵粒數(shù))。由于監(jiān)測(cè)的卵粒數(shù)的數(shù)據(jù)，相較于陽性率能獲得更多信息，其次誘蚊誘卵器監(jiān)測(cè)時(shí)成蚊有一定的逃逸率，因此選用卵粒數(shù)作為空間分析數(shù)據(jù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間每個(gè)位置誘蚊誘卵器捕獲總卵粒與成蚊散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of total adults and eggs in each mosq-ovitrap in study area during the experiment

2.4 空間自相關(guān)分析

本次研究期間，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)10次監(jiān)測(cè)合計(jì)捕獲的卵粒數(shù)增量空間自相關(guān)分析顯示，全局空間自相關(guān)峰值半徑(Z值最大)為62 m，Moran′sI指數(shù)為0.067，Z值為2.995(P<0.05)，即卵粒數(shù)的空間自相關(guān)在半徑62 m達(dá)最大值。局部自相關(guān)分析結(jié)果見圖4，研究區(qū)域呈現(xiàn)出西南角蚊密度較低，但其中有3個(gè)高密度的異常點(diǎn)；東側(cè)蚊密度較高，但其中也有數(shù)個(gè)低密度的異常點(diǎn)。

圖5 經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值(a)及誤差面(b)Fig.5 Prediction surface(a) and standard errors (b) of empirical Bayesian kriging

圖4 實(shí)驗(yàn)期間每個(gè)位置誘蚊誘卵器捕獲總卵粒局部自相關(guān)分析Fig.4 LISA of total eggs′numbers in each mosq-ovitrap in study area during the experimental period

2.5 經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金模型

以本次研究期間每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)10次監(jiān)測(cè)合計(jì)捕獲的卵粒數(shù)為數(shù)據(jù)，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金的空間插值分析。模型參數(shù)：數(shù)據(jù)變換選擇經(jīng)驗(yàn)法，半變異函數(shù)選擇指數(shù)模型。經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值結(jié)果見圖5-a，插值誤差見圖5-b。交叉驗(yàn)證結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)化均方根(RMSS)為1.017，標(biāo)準(zhǔn)化平均值(MS)為0.027，均方根(RMS)為81.571,平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)為82.617。

3 討論

地理統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatisitics)是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)，借助變異函數(shù)研究具有空間相關(guān)性和依賴性的地理現(xiàn)象，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)的無偏內(nèi)插估計(jì)，模擬地理現(xiàn)象空間分布的相關(guān)性和變異性的統(tǒng)計(jì)分析法(李俊曉等，2013)。最初，在空間統(tǒng)計(jì)中，地統(tǒng)計(jì)等同于克里金法，當(dāng)前定義已經(jīng)擴(kuò)展到不僅包括克里金方法，還包括許多其他插值方法，如空間插值的確定性方法等?？死锝鸩逯狄卜Q為空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一(Giordano，2018)。由于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的統(tǒng)計(jì)特征，運(yùn)用克里金插值方法進(jìn)行的插值，不僅可以得到預(yù)測(cè)結(jié)果，而且可以得到預(yù)測(cè)誤差，有利于評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性?？死锝鸩逯捣椒ㄖ饕譃槠胀死锝鸱ê头嚎死锝鸱?。普通克里金法是最普通和廣泛使用的克里金方法，該方法假定恒定且未知的平均值，泛克里金法假定數(shù)據(jù)中存在覆蓋趨勢(shì)。經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金法則可自動(dòng)執(zhí)行構(gòu)建有效的克里金模型過程中的那些最困難的步驟。它可以用構(gòu)造子集和模擬的方法自動(dòng)計(jì)算這些參數(shù)，而不像其他克里金方法需要手動(dòng)調(diào)整參數(shù)。

本次研究期間，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)誘蚊誘卵器捕獲的卵?？倲?shù)成空間聚集分布(Moran′sI指數(shù)為0.067，Z值為2.995，P<0.05)?？臻g插值結(jié)果顯示研究區(qū)域東側(cè)的中部，以及西北角白紋伊蚊密度較高(圖5)?？死锝鸩逯捣椒梢杂脕硌a(bǔ)充或代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱力圖和熱點(diǎn)分析等，圖5更好地展示了蚊密度數(shù)據(jù)的空間分布和可視化結(jié)果(Krivoruchko，2011)。從圖1可見，東側(cè)中部的白紋伊蚊高密度區(qū)域與大片喬木分布范圍相吻合。Cianci等(2015)的研究發(fā)現(xiàn)喬木與白紋伊蚊卵的分布數(shù)量正相關(guān)，而草地與卵的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，這與本次結(jié)果相一致。本次研究的空間自相關(guān)在62 m出現(xiàn)峰值，表明研究區(qū)域白紋伊蚊的平均活動(dòng)范圍約為半徑60 m (朱偉等，2020)，這也說明了研究區(qū)域西北角與其北側(cè)的居民區(qū)相連，可能是由于居民區(qū)較高的蚊密度影響了該處的白紋伊蚊分布。但是本次研究中，臨近的誘蚊誘卵器結(jié)果也往往并不相同(圖4)，在東側(cè)的高密度聚集區(qū)有數(shù)個(gè)異常點(diǎn)，這可能是由于誘蚊誘卵器所處的不同環(huán)境及其周邊環(huán)境所造成的。這也是造成本次研究期間空間自相關(guān)系數(shù)僅0.067的可能原因，提示在研究蚊蟲密度分布時(shí)候臨近環(huán)境的因素會(huì)起到較大的影響。

本次實(shí)驗(yàn)期間，共放置了10次誘蚊誘卵器。每個(gè)誘蚊誘卵器監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)捕獲的白紋伊蚊成蚊和卵粒數(shù)具有較好的相關(guān)性(圖3)。提示在實(shí)驗(yàn)期間，誘蚊誘卵器內(nèi)每只白紋伊蚊成蚊平均產(chǎn)卵22.95個(gè)。白紋伊蚊具有跳躍性產(chǎn)卵(skip oviposition)的特點(diǎn)，蚊蟲不會(huì)在一個(gè)地方產(chǎn)卵，而是選擇在幾個(gè)不同的地點(diǎn)產(chǎn)卵(Chadee，2009)。Apostal等(1994) 報(bào)道，白紋伊蚊雌蚊會(huì)把它們的卵散布到幾個(gè)容器，每個(gè)產(chǎn)卵容器大約有11～30個(gè)卵粒，本次觀察到的現(xiàn)象與其相一致。

本研究以誘蚊誘卵器捕獲卵粒的空間自相關(guān)為基礎(chǔ)使用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金模型，今后使用協(xié)同克里金可以提高空間插值的精度。在豐度空間建模中，未來的研究應(yīng)包括幼蟲孳生地和成蟲棲息地等，以及植被情況和人群活動(dòng)密度等，這將提高模型的準(zhǔn)確性和全面性。

克里金模型在蚊蟲監(jiān)測(cè)和種群動(dòng)態(tài)空間分布的研究中，能有效識(shí)別白紋伊蚊高密度區(qū)域，并預(yù)測(cè)沒有監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的蚊蟲密度，為制定高效的防控策略提供幫助，在今后結(jié)合幼蟲孳生地和成蟲棲息地等參數(shù)將具有廣闊的應(yīng)用前景。