叶尔羌河流域胡杨春尺蠖发生期遥感预测
2020-04-09陈孟禹贾翔陈蜀江侯博展刘逸豪黄铁成闫志明
陈孟禹, 贾翔, 陈蜀江, 侯博展, 刘逸豪, 黄铁成, 闫志明
叶尔羌河流域胡杨春尺蠖发生期遥感预测
陈孟禹1,2, 贾翔2,3,*, 陈蜀江2,3, 侯博展2,3, 刘逸豪2,3, 黄铁成2,4, 闫志明5
1. 苏州科技大学外国语学院, 苏州 215009 2. 乌鲁木齐空间遥感应用研究所, 乌鲁木齐 830054 3. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054 4. 北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京 100083 5. 新疆农业大学管理学院, 乌鲁木齐 830052
为了深入了解胡杨春尺蠖()虫害的发生期规律, 以新疆叶尔羌河流域胡杨林分布区为研究区, 结合2001—2015年的胡杨春尺蠖活动期遥感数据温度和实地调查虫情信息, 基于有效积温法则, 预测春尺蠖发生期, 从而确定最佳防治时间。结果表明: (1)春尺蠖羽化之后各虫态发生时, 环境温度远远超过发育起点温度, 因此各虫态的发生时间大大缩短, 符合新疆春尺蠖发生时间周期短的现象; (2)借助有效积温模型, 可知二龄虫发生时春尺蠖虫卵孵化进入始末期, 且春尺蠖四龄食叶虫基本没有发生, 因此春尺蠖最佳防治时间是幼虫的二龄虫。
叶尔羌河流域; 胡杨春尺蠖; 发生期; 有效积温
0 前言
叶尔羌河流域位于新疆南部, 广泛分布着胡杨林[1], 不仅是平原荒漠生态系统的主要植被类型, 也是天然绿洲生态系统的骨架和人工绿洲的外围屏障[2], 起着重要的防风固沙生态平衡作用。受到多种原因作用, 胡杨林衰败严重[3], 林区内虫害肆虐, 其中春尺蠖虫害尤甚。目前胡杨春尺蠖虫害防治率低[4], 探寻胡杨春尺蠖发生规律, 进而高效预警并精准防治则显得尤为迫切[5]。
胡杨春尺蠖虫害的发生有爆发概率小、发生强度大、不规则发生和累积性等规律[6], 传统的实地调查统计、药剂诱捕等方法获取信息较为精确, 然而整个调查过程需要耗费过多人力、物力和财力资源[7]。遥感技术在森林病虫害监测领域的应用研究已在国内外学者中广泛地开展[8-10], 可以实践应用于森林病虫害的实时监测, 但目前还没有在虫害监测中广泛应用, 仍处于试验阶段[11], 刘逸豪等运用MODIS温度产品和实地调查数据研究发现近15年来叶尔羌河流域胡杨春尺蠖虫害发生程度日趋严重, 各虫态与温度之间的关系符合生物学发生规律[12]。
本研究以叶尔羌河流域研究区胡杨林春尺蠖虫害为探究对象, 以刘逸豪等研究成果为基础[12], 基于有效积温法则, 以MODIS遥感温度数据为主, 结合胡杨春尺蠖虫情变化特征, 预测春尺蠖发生期,从而确定最佳防治时间, 为进一步探寻叶尔羌河流域胡杨林春尺蠖危害发生时间、发生规律、危害程度及时间分布规律提供科学依据。
1 研究区概况
叶尔羌河流域位于新疆维吾尔自治区的西南部, 塔里木盆地的西南面, 其发源于喀喇昆仑山脉, 水系含叶尔羌河、提孜那甫河、柯克亚河与乌鲁克河等四条河流, 流经喀什地区的叶城县、塔什库尔干塔吉克自治县、泽普县、莎车县、麦盖提县、巴楚县及克孜勒苏柯尔克孜自治州境内的阿克陶县, 流入阿克苏地区的阿瓦提县与和田河汇合后注入塔里木河, 是喀什地区的第一大河流[12]。
2 材料与方法
2.1 数据来源
以刘逸豪等的研究数据为基础[12], 所用数据与上述研究所用数据中的一致, 包括虫情调查数据、温度数据、气温统计数据、胡杨林分布数据、基础地理信息数据等。
2.2 基于遥感温度数据的有效积温信息提取
以刘逸豪等的研究结果为基础[12], 采用ENVI软件针对MODIS温度产品进行裁剪、最大值合成、坏值修复、波段合成、DN值换算等多个流程后, 得到四天一期的地表遥感温度的平均值。刘逸豪等通过地表温度(LST)与温度(TEMP)的拟合分析及相关性分析发现, 遥感温度的准确性是可靠的, 可作为研究胡杨春尺蠖发生的基础信息数据[12]。
图1 叶尔羌河流域胡杨分布图
Figure 1 TheInformation of Yarkant River Basin
本研究基于有效积温法则对春尺蠖的发生期进行预测, 春尺蠖的各虫态正常的生长发育需要一定的起点温度, 在完成各发育阶段时需要一定的有效积温。根据生物学规律知发育起点温度和有效总积温是个准常数, 依据积温数值及抽样某虫态的发育历期统计准常数数值及其标准差。本文选用2001-2015年典型样地所在像元的MODIS温度数据, 结合有效积温模型对胡杨春尺蠖各虫态发育历期进行统计。依据现有的胡杨春尺蠖虫情变化数据, 结合历年温度变化趋势, 对胡杨春尺蠖发生量进行整体预测。
有效积温法则的模型为:
其中:为各虫态有效发育历期;为有效总积温;为各阶段日平均温度;为各虫态发育起点温度;S为有效积温标准方差;S为各虫态发育起点温度的标准方差。
2.2.1 胡杨春尺蠖各虫态始见期及平均温度
胡杨春尺蠖是变态发育昆虫, 在变态发育的过程中, 各虫态的发育起点温度不同, 即只有达到发育起点温度条件下, 某虫态的发育过程才会开始发生。对于发育起点温度和有效积温的测定, 通常情况下是通过观察不同实验温度条件下的各虫态的发育历期资料, 继而利用实验数据统计得到, 实验方法包括人工多级变温饲养测定和自然温度下饲养测定。
根据整理收集和调查资料中各虫态发育完成标志出现的时间节点信息, 结合MODIS温度产品提取的遥感温度数据, 进而整理出胡杨春尺蠖活动期的各虫态历期间的每日平均遥感温度信息(表1)。
2.2.2 各虫态发育起点温度和有效积温的提取
昆虫的发育速率是指单位时间内完成所有发育过程的百分比率, 也就是完成某一虫态完整发育过程所需时间(发育历期)的倒数。以日为单位, 即:
=1/(2)
其中:为胡杨春尺蠖某阶段发育速率,为完成该虫态发育所需的天数。
有效遥感积温法则通常指生物在生长发育的过程中, 需要从外部环境中吸收一些热量, 且完成其生长发育过程所需的总热量是一个稳定常数。表达式为:
=(3)
其中:为发育历期(),为发育期间平均温度(℃), K为总积温(日度)。
胡杨春尺蠖的生长发育的开始温度是动态的, 一般高于0℃时开始发育, 称为发育起点温度, 用表示。表达式可修改为:
(-)=(4)
其中:为发育起点温度, (-)为平均发育温度,为有效遥感总积温。
直线回归方程(式5)表示发育速率与温度呈现出显著的线性关系。
(5)
其中:发育起点温度相当于直线方程中的, 即直线在坐标轴上的截距, 而有效遥感总积温则相当于直线方程中的斜率。这两个参数可按照直线方程, 用最小二乘法求得, 其计算式为:
表 1 胡杨春尺蠖各虫态的始见期及对应历期平均温度
其中:为发育速率(=1/);为温度,为温度的组数。
将表1中各虫态的发育历期和日平均温度整理并计算出公式(6)中的所需数据, 整理之后为表2中的数据形式。
将表2的数据分别带入公式(6)和公式(7), 得到羽化期起点温度1和有效积温1; 繁殖期起点温度2和有效积温2; 孵化期起点温度3和有效积温3; 幼虫发育起点温度4和有效积温4。进而计算不同组数的数据得到各阶段的起点温度和有效积温数据的标准方差(表3)。
3 结果与分析
3.1 胡杨春尺蠖虫蛹羽化期预测
羽化: 胡杨春尺蠖越冬蛹经过完全变态蜕去外皮变为成虫的过程。虫蛹在地下30 cm左右进行历夏越冬, 温度是羽化过程中最重要的环境影响因素, 只有在环境温度达到虫蛹的代谢发育标准温度(即发育起点温度), 虫蛹才开始羽化, 该阶段对温度变化极为敏感, 只有平稳通过发育起点温度时, 才会正常发育。
3.1.1 地面温度与空气温度的关系
土壤温度和空气温度存在密切关系, 因此, 土壤温度也具有空气温度的一切特点, 且更为突出和明显。
土壤温度与冬季土中蛰伏的昆虫复苏生长关系非常密切, 昆虫复苏期的土壤温度变化信息, 对虫害的防治和研究有着十分重要的意义。资料显示, 30 cm地温开始稳定到达0 ℃以上的时期, 是地下昆虫苏醒并开始生长发育的适期。据现有记录显示, 地温稳定通过0 ℃开始时间多在2月上旬, 与空气温度接近多在2月下旬。
据遥感温度数据变化时间范围分析, 土层的30 cm以上土层温度与地表温度变化极为接近, 春尺蠖虫蛹的羽化进程是在2月中下旬地表温度达0 ℃开始, 此时的地下温度也已平稳通过0 ℃。
表2 胡杨春尺蠖各虫态有效积温(K)和发育起点温度(C)
注:为各虫态发育历期,为历期内日平均温度,为该虫态发育速率。
表3 胡杨春尺蠖各虫态发育起点温度与有效积温数据
3.1.2 羽化期预测
胡杨春尺蠖越冬蛹在羽化过程中无需进食, 因此影响发育的主导因子为温度。基于积温法则进行的胡杨春尺蠖发育研究实验数据知, 越冬蛹的羽化起点温度为0 ℃, 用1表示。羽化发育完全完成需要总积温为55.62日度, 称为有效总积温, 用1表示。
推导知羽化期有效遥感积温法则数学模型为:
其中:为胡杨春尺蠖虫蛹羽化的有效发育历期,为羽化阶段日平均遥感温度。
利用有效遥感积温模型对提取的遥感温度数据与发育实验数据进行计算, 得到2001—2015年胡杨春尺蠖羽化历期信息。每年各样地胡杨春尺蠖越冬蛹羽化历期长短不一, 原因是不同样地地表温度不同即获取遥感温度信息也不同, 温度的差异对越冬蛹的发育代谢影响明显, 羽化为成虫的日期也就各自不同。其中, 2009年、2011年、2013年羽化历期整体偏长, 均超过20天, 羽化阶段整体平均温度分别为2.72 ℃、2.51 ℃、2.76 ℃, 平均温度明显低于其他年份(图2), 受低温影响, 羽化发生滞育现象。
结合遥感提取的温度信息和胡杨春尺蠖虫蛹羽化阶段的发育起点温度, 推算历年胡杨春尺蠖虫蛹羽化的始见期, 即春尺蠖虫蛹羽化现象开始出现。结合胡杨春尺蠖羽化进度, 分析可知: 羽化率从0%开始算起, 始盛期是指羽化进度达到40%左右, 高峰期指的是羽化进度完成80%左右。依据遥感温度信息知羽化开始的具体时间, 由有效遥感积温模型计算出羽化完整阶段历期数据, 可知15年胡杨春尺蠖虫蛹羽化发生的始末期时间信息(表4)。
图2 羽化历期与年均温的关系
Figure 2 The relationship between eclosion period and annual average temperature from 2001 to 2015
其中2007年、2013年、2014年达到发育起点温度时间较早, 发育开始时间也早于其他年份。开始最晚的时间是2008年和2010年, 2月22日左右才开始羽化发育进程。而羽化发育进程结束时间最晚的却是2011年, 主要由于该年2月份平均温度整体偏低, 羽化发育开始时间较晚且伴随滞育, 出现了羽化发育较迟缓的现象。因此在低温年份, 胡杨春尺蠖羽化发育时间会普遍较晚发生。
表4 羽化发育完成进度时间表
总体而言, 春尺蠖预测始见期地表温度范围为1.8—6.2℃, 对应始见期日期为2月10日至3月7日, 终见日期为2月19日至3月21日, 具体始终日期均可根据当地当时LST数据和有效积温根据公式(8)进行测算。与样地实测数据对比发现, 预测时间略早于实测时间, 模型预测精度达86%, 能够满足研究需要。
3.2 胡杨春尺蛾繁殖期预测
胡杨春尺蠖的成虫是春尺蛾, 经历越冬蛹羽化而成。羽化为成虫之后并不能立即出土, 需在土室中静伏相当时间, 一般于午后逐渐破土而出。成虫白天隐匿于残枝、落叶、杂草、大树的根际, 经爬上树的就隐藏在开裂的树皮下, 树干的断裂处。成虫活动时间为黄昏, 晚上6、7时左右, 雌虫爬上树干, 雄虫绕树干飞行寻找雌虫交配, 场所树干下部居多。日夜均能产卵, 位置多为树皮裂隙和断枝裂隙处。
胡杨春尺蠖成虫春尺蛾经试验验证是不会进食的, 活动时间与空间范围有限, 其生命周期中主要影响因素为温度, 其发育的过程是不可逆的, 在各种温度下都继续进行, 但是速率的快慢与最适温度有关。在高于一定温度时, 发育速率的快慢与温度的增加呈现出正相关, 因此该温度值为成虫发育起点温度。
根据基于积温法则进行的胡杨春尺蠖发育研究实验数据知, 胡杨春尺蠖成虫春尺蛾发育起点温度为1.32 ℃, 用2来表示。春尺蛾的发育至产卵结束这一阶段需要总积温为56.06日度, 称为有效总积温用2表示。
推导得成虫繁殖期有效遥感积温法则数学模型为:
式中,为胡杨春尺蠖成虫春尺蛾的有效发育历期;为春尺蛾繁殖阶段日平均遥感温度。
利用有效遥感积温模型对提取的遥感温度数据与发育实验数据进行计算, 得到2001—2015年春尺蛾繁殖阶段历期信息。春尺蛾繁殖阶段历期长短与环境温度变化有关, 温度的差异对春尺蛾繁殖器官完善发育有一定影响, 成虫产卵日期也各不相同。2001—2015年胡杨春尺蠖成虫繁殖历期的平均历期与均温变化趋势见图3。
其中, 2009年、2012年、2014年和2015年平均温度相对于其他年份较低, 因此春尺蛾繁殖历期也比其他年份长, 分别为14.2、15.4、13.8、15.0天。观察历年春尺蛾的生存历期知, 变化规律是在2007年开始有波动变化, 呈现出先降后升, 升降有序的起伏波动变化。这与近年来3月上中旬气温的变化有着密切的联系, 2007年以来每年3月上中旬温度的变化有着明显的波动变化。
根据春尺蛾繁殖阶段的发育起点温度, 结合遥感温度的提取信息, 推算历年胡杨春尺蠖虫蛾的始末期。春尺蛾的始见期即春尺蠖虫蛹羽化完成春尺蛾开始出现, 从羽化率100%的时间开始算起。始盛期是指春尺蛾产卵完成的过程达到40%左右, 产卵即将进入高峰期。高峰期指的是产卵的过程已完成80%左右。依据羽化历期完成的具体时间, 由有效遥感积温模型计算出春尺蛾产卵阶段历期数据(表5), 可知15年春尺蛾产卵始末的时间信息, 其始末期是春尺蛾产卵过程已经全部完成。
其中2001—2007年该阶段平均遥感温度较高, 成虫发育较快, 因此产卵发生时间较早; 2007—2015年成虫发育阶段平均遥感温度较低, 春尺蛾发育较迟缓, 产卵发生时间较晚。15年来春尺蛾产卵现象出现时间由2月下旬逐渐推移到3月中旬, 与之相伴产卵现象的全部完成也逐渐向后延迟, 与胡杨萌发的时间逐渐接近, 虫害的发生与传播愈发容易。
图3 成虫繁殖历期与年均温的关系
Figure 3 The relationship between adult reproduction duration and annual average temperature from 2001 to 2015
表5 春尺蛾繁殖阶段始末时间表
总体而言, 春尺蠖预测繁殖发生始见期对应遥感平均温度范围是3.7—8.7 ℃, 孵化历期范围为7—15 ℃, 对应始见期日期范围为2月15日至3月17日, 始末期预测范围为2月28日至4月2日, 具体始终日期均可根据当地当时LST数据和有效积温根据公式(9)进行测算。与样地实测数据对比发现, 预测时间略早于实测时间, 模型预测精度达85%, 能够满足研究需要。
3.3 胡杨春尺蠖虫卵孵化期预测
胡杨春尺蠖虫卵期不需进食, 温度是影响虫卵孵化期长短的主导因子。根据收集实验数据知, 胡杨春尺蠖虫卵孵化发育起点温度为1.74 ℃, 用3来表示。春尺蠖虫卵产出的时候, 日平均温度数据高于起点温度, 因此直接进入孵化阶段, 大大缩短了孵化时间长度, 因此给虫卵调查增加了难度。春尺蛾的发育至产卵结束这一阶段需要有效积温为197.28日度, 称为遥感有效总积温用3表示。
计算推导知孵化期有效遥感积温法则数学模型为:
式中,为胡杨春尺蠖虫卵的孵化历期;为胡杨春尺蠖虫卵孵化阶段地表遥感温度的平均温度。
利用基于遥感温度的有效积温模型对提取的遥感温度数据与胡杨春尺蠖各阶段发育所需温度信息进行计算, 得到2001—2015年胡杨春尺蠖虫卵孵化阶段的历期数据。胡杨春尺蠖虫卵孵化阶段历期长短与环境温度变化有关, 温度的差异对胡杨春尺蠖虫卵孵化发育有一定影响, 也使得幼虫出现的日期各不相同。2001—2015年胡杨春尺蠖虫卵孵化历期的平均值与均温变化趋势见图4。
2003—2006年地表遥感温度呈现下降趋势, 到2006年达最低谷; 2006—2009年温度逐渐升高, 2009年至峰顶; 随后逐年下降, 至2011年降至最低值, 随后几年波动起伏变化不大。因此胡杨春尺蠖虫卵的孵化随温度的波动而变化, 温度越高, 孵化越快, 历期越短; 反之, 孵化越慢, 历期越长。其中2006年平均温度最低, 而孵化历期也最, 平均温度与历期值分别为11.03 ℃与21.4天。
图4 孵化历期与年均温的关系
Figure 4 The relationship between incubation period and annual average temperature from 2001 to 2015
根据胡杨春尺蠖虫卵孵化阶段的发育起点温度, 结合遥感温度信息数据, 推算历年虫卵孵化的始末期。依据羽化历期完成的具体时间, 由有效遥感积温模型计算出胡杨春尺蠖虫卵孵化历期数据(表6)。其中2001年至2007年该阶段平均遥感温度较高, 虫卵孵化发育较快, 因此幼虫出现时间较早, 2007年至2015年孵化发育阶段平均遥感温度稍低, 孵化速率较迟缓, 幼虫发生时间较晚。发生时间较早, 高峰期出现时间也相对较早, 同时完成全部孵化发育阶段的时间早于其他年份。15年来春尺蛾虫卵孵化现象出现的时间由3月中旬逐渐推移到3月下旬及3月末, 与之相伴孵化现象的全部完成也逐渐向后延迟。
总体而言, 春尺蠖预测孵化发生始见期对应遥感平均温度范围是14.6—18.4℃, 孵化历期范围为15—21℃, 对应始见期日期范围为3月2日至3月31日, 始末期预测范围为3月25日至4月29日, 具体始终日期均可根据当地当时LST数据和有效积温根据公式(10)进行测算。与样地实测数据对比发现, 预测时间略早于实测时间, 模型预测精度达85%, 能够满足研究需要。
3.4 胡杨春尺蠖幼虫发育期预测
幼虫: 胡杨春尺蠖虫卵孵化之后, 出现幼虫即食叶虫的出现, 即胡杨林的危害开始了。幼虫的发育跟温度和食物相关, 在幼虫出现的时候胡杨正处于萌发新叶的物候期, 胡杨的萌芽和嫩叶给胡杨春尺蠖幼虫提供了充足的食物, 温度也是幼虫发育过程中重要影响因素, 适宜的温度会加快胡杨春尺蠖的进食量, 促进生长发育。
根据基于积温法则进行的胡杨春尺蠖幼虫生长发育研究实验数据知, 胡杨春尺蠖越冬蛹的羽化起点温度为7.9 ℃, 羽化发育完全完成需要总积温为368.46日度。
推导得幼虫发育期有效遥感积温法则的数学模型为:
式中,4为胡杨春尺蠖幼虫发育历期;4为该阶段日平均遥感温度。
利用有效遥感积温模型对提取的遥感温度数据与实验数据相结合, 计算得到2001—2015年胡杨春尺蠖幼虫发育历期数据(图5)。其中, 2009年、2013年、2014年胡杨春尺蠖发育历期整体偏长, 均超过40天, 表明胡杨春尺蠖对胡杨的危害时间越长, 危害越大。
表6 胡杨春尺蠖虫卵孵化阶段始末时间表
图5 幼虫历期与年均温的关系
Figure 5 The relationship between larval duration and annual average temperature from 2001 to 2015
根据胡杨春尺蠖幼虫发育阶段的发育起点温度, 结合胡杨春尺蠖羽化开始时间及各阶段发育历期数据, 推算历年胡杨春尺蠖幼虫化蛹的始见期。依据遥感温度信息知羽化开始的具体时间, 由有效遥感积温模型计算15年胡杨春尺蠖虫幼虫化蛹的始末期时间信息(表7)。
其中2007年达到发育起点温度时间较早, 因此入土化蛹开始时间也早于其他年份。开始最晚的时间是2013年与2014年, 2月22日左右才开始发育过程。入土化蛹完成时间最晚的也是2013年和2014年, 这两年幼虫生长发育期日平均温度低于其他年份, 而且羽化开始时间也晚于其他年份, 幼虫的发育时间周期较长, 对胡杨林的危害也就越大。
总体而言, 春尺蠖预测幼虫发生始见期对应遥感平均温度范围是12.2—20.9℃, 孵化历期范围为24—48天, 对应始见期范围为3月29日至5月9日, 始末期预测范围为2月21日至6月31日, 具体始终日期均可根据当地当时LST数据和有效积温根据公式(11)进行测算。与样地实测数据对比发现, 预测时间略早于实测时间, 模型预测精度达86%, 能够满足研究需要。
3.5 春尺蠖活动期预测
根据调查数据与搜集资料统计显示, 春尺蠖幼虫的活动期是在每年的2—5月份, 其中春尺蠖活动期开始的标志是越冬蛹的羽化开始, 春尺蠖5龄虫成熟之后入土做室化蛹进入蛰伏期代表着春尺蠖活动期的结束。由春尺蠖各虫态的历期预测结果可得到春尺蠖活动期的预测结果(表8)。
表7 胡杨春尺蠖幼虫发生进度
表8 胡杨春尺蠖幼虫活动期预测结果
由活动期信息统计知, 春尺蠖活动期预测开始最早是在2007年份1月29日就达到羽化标准, 地表温度稳定通过零度, 通过热传递, 对土层总的越冬蛹进行积温, 使越冬蛹的羽化开始发生。同时可知最晚开始羽化的是2月22日, 其中分别为2010年、2013年和2014年三个年份的春季温度回升较晚, 温度上升的晚, 越冬蛹达不到羽化发生的有效积温, 则不会开始羽化。整体趋势而言, 从2001年至2015年的羽化开始时间逐渐在往后推移。
春尺蠖的活动期是随春尺蠖幼虫发育成熟期蛰伏结束的, 15年间春尺蠖活动期预测结果中结束最早的是2007年, 在5月初就进入始末期。最晚的是2014年6月中旬。2001年至2015年间春尺蠖活动期结束的日期也在不断的向后推移, 预测结果显示出春尺蠖的危害时间在逐渐边长, 越往后推移耽误胡杨枝叶发育越久, 对胡杨的危害也就越大。
总体而言, 胡杨春尺蠖的活动历期逐渐增加, 且随着平稳通过0 ℃的时间越来越晚, 春尺蠖活动期对春季胡杨生长发育带来的影响也在逐渐增强, 受春尺蠖危害的胡杨林的发育时间常年较长, 则胡杨的死亡率就会逐渐增加。预测结果显示, 15年来活动期开始的时间范围在1月29日至2月22日, 活动期的历期范围为67到100天, 羽化完成的始见期范围在2月6日至3月7日, 而活动期结束的预测时间范围为5月1日至6月21日。
3.6 最佳防治时间的确定
胡杨春尺蠖虫害发生的标志是食叶幼虫的出现, 即胡杨春尺蠖孵化之后进入幼虫阶段, 危害胡杨林春季萌发的嫩芽、嫩叶。经过调查数据显示, 胡杨春尺蠖幼虫分为5个等级: 1龄虫、2龄虫、3龄虫、4龄虫、5龄虫, 每个龄期分为生长前期、中期、后期, 春尺蠖幼虫从龄虫开始蚕食胡杨嫩叶, 体重急速增长。每个龄期的幼虫各生长阶段平均体重变化趋势较初期增长幅度均高于200%(表9)。每个龄期春尺蠖的体重均成倍增长, 这与春尺蠖变态发育有关, 每个龄级的幼虫都会蜕去旧皮, 打破身体长度的限制, 成长为下一龄级的幼虫。春尺蠖幼虫在龄级增长的同时, 平均体重也在呈现几何式增长。胡杨春尺蠖的食物来源就是胡杨新萌发的嫩叶、嫩芽, 而胡杨春尺蠖体重的变化直观的体现出对胡杨的危害程度。
其中变化最明显的在3龄虫到4龄虫阶段, 3龄虫的后期平均体重已经达到了1龄虫后期平均体重的64倍, 食叶量已经开始急剧增高, 3龄虫阶段是个分水岭, 因此需要在对胡杨的危害加剧之前防治幼虫, 1龄虫和2龄虫阶段可防治。
幼虫发育历期为40天左右, 其中1龄虫发育历期约为10天, 2龄虫的发育历期约为8天, 则2龄虫的发生和结束期约为10-18天, 而春尺蠖孵化进入始末期的时间与2龄虫的发生时间十分接近(表10)。
表9 胡杨春尺蠖幼虫体重变化
表10 孵化始末期与2龄虫发生时间
对比春尺蠖2龄虫发生时间与2龄幼虫的发生时间可知, 2005、2006年份春尺蠖孵化始末期稍晚, 其余年份春尺蠖1龄虫发育完成时, 虫卵多数已经孵化完成, 变成幼虫。选取2龄虫阶段对春尺蠖进行防治, 可以有效杀死已孵化完成的幼虫, 防治效果较好。少量未孵化的在防治药物的残余期也会陆续孵化进而被杀死, 对胡杨林的危害也扼杀在轻度发生期, 从而实现高效防治。
综上所述, 最佳防治时间段选择的依据是各龄春尺蠖幼虫对胡杨的危害程度以及防治效率最高的时期, 2龄虫发生的时间为最佳防治时间, 该阶段春尺蠖幼虫食叶量尚未大幅度增长, 且春尺蠖虫卵的孵化率也进入始末期, 2龄虫进行防治可以大大的提高防治效率。
4 结论与讨论
本研究以胡杨林分布较为集中的叶尔羌河流域胡杨林分布区为研究区域, 以胡杨林春尺蠖虫害为主要研究对象, 利用遥感技术从MODIS温度产品中提取遥感监测温度数据, 结合搜集调查资料数据, 采用有效积温模型推算遥感温度下春尺蠖各虫态发育起点温度和有效积温, 进而统计计算2001年至2015年间各虫态的发育历期及发生时间, 探讨基于有效积温法则的春尺蠖虫害发生期预测方法。主要得出以下几点结论:
(1)根据春尺蠖各虫态发生时间节点信息, 统计计算出遥感温度下的春尺蠖各虫态发育起点温度和有效积温数据, 春尺蠖羽化之后各虫态发生时, 环境温度远远超过发育起点温度, 因此各虫态的发生时间大大缩短, 符合新疆春尺蠖发生时间周期短的现象[13]。
(2)利用有效积温模型, 计算2001—2015年间春尺蠖各虫态发生历期与发生时间范围, 分析知2龄虫发生时春尺蠖虫卵孵化进入始末期, 且春尺蠖四龄食叶虫基本没有发生, 得出结论最佳防治时间是春尺蠖幼虫的2龄虫。邱琳等[14]基于HJ卫星数据构建监测模型, 发现塔里木河中游胡杨林春尺蠖幼虫以 3 龄、4 龄、5 龄为主时, 春尺蠖严重危害胡杨林, 表明需要在2龄虫时防治春尺蠖虫害, 与本文研究结果基本一致。
(3)传统的地面气象观测数据在时间和空间分布上监测不够全面, 因此使得对胡杨春尺蠖虫害的防范治理存在极大的缺陷[15]。本文基于遥感监测和实地调查, 结合空间分析与模拟的综合预警与测报, 可以为胡杨林春尺蠖的科学防治提供第一手的科学数据, 为更有效的开展森林病虫害的防控治理工作提供理论支撑, 对于高效监测和预测新疆地区大面积胡杨林虫害具有重要意义, 且经济适用。研究数据主要为MODIS温度产品影像数据, 时间分辨率为1天每期, 空间分辨为1000 m, 对胡杨春尺蠖虫害发生的地点的监测精度相对较低, 尽管在研究过程中采用多种方式减小误差, 但是对数据的影响无法完全消除, 仍存在一定的误差, 后续计划利用多源遥感数据进一步提高监测精度。
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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
国家自然科学基金项目(31460167); 国家重点研发计划项目(2016YFC0501503)
陈孟禹(1992—), 男, 新疆乌鲁木齐人, 本科, 主要从事遥感和地理信息系统方面研究, E-mail: 535480893@qq.com
贾翔, 男, 硕士, 经济师, 主要从事遥感和地理信息系统方面研究, E-mail: jiaxiang19891204@126.com
陈孟禹, 贾翔, 陈蜀江, 等. 叶尔羌河流域胡杨春尺蠖发生期遥感预测[J]. 生态科学, 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.
