神农架林区华山松大小蠹危害风险分析

洪承昊,柏冰洋,易家喜,孙宜平,谢志强,向劲松

(1.湖北省林业科学研究院，湖北武汉 430079；2.神农架林区林业科学研究所，湖北神农架 442499；3.神农架森林病虫害防治检疫站，湖北神农架 442499)

华山松大小蠹Dendroctonus armandiTsai and Li，又名大凝脂小蠹，隶属鞘翅目Coleoptera小蠹科Scolytidae大小蠹属Dendroctonus，为中国特有种，主要分布在陕西、四川、甘肃、河南和湖北等地区，是侵入华山松Pinus armandii的先锋虫种，主要危害30年以上的华山松健康树[1-2]，也是我国重要的毁灭性森林害虫之一[3]。华山松又名五针松，是松科中的著名常绿乔木之一，原产于中国，因集中产于陕西的华山而得名。华山松是我国温带及亚热带地区的重要山地针叶林树种[4]，广泛分布于我国北方的宁夏、山西、陕西、河南、甘肃等省市区，南方主要分布在湖北西部、四川、贵州、云南直至西藏东南部山区[5]。世界范围内，在缅甸、日本也有引种分布。华山松是我国秦巴山区的主要造林树种，也是我国特有的乡土树种，在森林生态系统中发挥着涵养水源、净化空气等重要生态功能，是该区域森林植物群落演替的重要指标性树种，在我国经济、社会、环境建设和地理分布等方面具有举足轻重的地位。

我国最早于1932年在秦岭巴山林区首次发现华山松遭华山松大小蠹侵害[6]。近年来，由于华山松大小蠹的区域性危害，给我国湖北、陕西、甘肃、四川、云南和贵州等秦巴山区华山松的生长生存造成了前所未有的威胁，特别是在重要水源涵养区和风景名胜地的神农架出现了暴发危害，截至2018年成灾面积约0.67万hm2(神农架森林病虫害防治检疫站数据)，造成的影响和破坏更加严重，仅2012—2018年，华山松大小蠹导致湖北神农架地区直接经济损失1 000多万元，间接生态效益损失上亿元。

由于华山松大小蠹的危害极为隐蔽，幼虫在韧皮部下进行取食，不易察觉，加之世代重叠[7]，造成防治不及时，防治方法相对落后，因此，研究和评价华山松大小蠹的扩散风险则显得尤为重要。景观斑块的分布和空间格局是影响有害生物流行扩散的直接因素，其次是人为活动、经济因素等[8-9]。近年来，有不少学者从华山松大小蠹的生理生化、行为学和引诱剂研制等方面做了许多研究[10-12]，然而从景观斑块层面研究和控制华山松大小蠹的报道却较少[13]。景观结构和功能的关系是研究森林保护学的重要方向[14-16]。研究表明，有害生物灾害发生程度与森林景观结构关系密切[17-18]。

神农架林区华山松分布广且垂直落差大，因此在神农架林区研究华山松大小蠹具有很好的代表性。笔者通过研究神农架林区的华山松空间分布，首先从景观层面分析华山松林斑的空间格局差异，对华山松大小蠹年均发生情况进行拟合分析，其次对神农架林区各林场乡镇进行风险评估和分析，为控制和预防华山松大小蠹的蔓延扩散提供理论和技术支持。

1 研究地概况

神农架林区是我国唯一以“林区”命名的行政地区，湖北省直辖管理。地处湖北省西北部，属秦巴山区。 地跨东经 109°56′～ 110°58′，北纬 31°15′～31°75′，全区总面积3 253平方公里，林地占区域面积85%以上，生物资源和矿产资源丰富。林区平均海拔1 800 m，最高点神农顶海拔约3 106 m，最低点为林区下谷坪乡约398 m，最大海拔相对落差为2 707.4 m，因此造就林区独特的气候环境条件。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源 数据本底资料来源于湖北省林业调查规划院2019年二类调查数据，通过Arcmap[19]建立属性数据库，采取定点踏查核实，数据精确。将原始矢量图像进行坐标转换，将景观类型重新定义划分，分类后将数据资料生成分辨率为10 m的栅格图像，进行景观指数运算。华山松大小蠹发生数据来源于神农架森林病虫害防治检疫站，2012—2017年神农架森林病虫害防治检疫站调查数据显示，木鱼林场、红坪林场、温水林场和红花朵林场华山松大小蠹危害最为严重，新华林场、宋洛乡、新华镇和徐家庄林场没有华山松大小蠹发生，林区其余地区无寄主或有极小量面积分布。

2.2 分析方法 采用一、二级结合分类体系重新划分土地利用类型，参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)，并考虑研究对象危害特点，将华山松和针阔叶混交林划分为一类，其他非华山松大小蠹寄主划分为一类。神农架林区华山松大部分为20世纪70年代人工造林，均已达成熟林，各林场寄主分布具体情况见表1。采用Fragstats景观格局指标系统描述斑块类型景观水平特征[20]，选取斑块个数(NP)、斑块密度(PD)和景观形状指数(LSI)分析华山松斑块景观格局差异。

表1 各林场乡镇华山松分布情况Tab.1 The distribution of Pinus armandii in each forest farm and town

斑块数(NP)是指类型水平或者景观水平上总的斑块数目，是标志景观破碎化程度的重要指标之一；其计算公式为NP=N，N为景观中的斑块总数。

斑块密度(PD)是单位面积上的斑块数，是描述景观破碎化的重要指标之一，PD值越大，斑块破碎化程度越大；其计算公式为PD=N/A×10 000，N为景观中的斑块总数，A为景观总面积。

景观形状指数(LSI)是结合景观面积对景观总边缘长度或边缘密度的标准化度量，也可看作是对斑块聚集或离散程度的度量；其计算公式为LSI=E/minE，E指景观的边缘总长度，minE是E的最小可能值。

通过景观格局指标分析各林场乡镇的华山松大小蠹风险等级，并根据分析结果给各林场乡镇赋予一定风险评估值，从景观层面分析华山松大小蠹在 神农架林区的风险危害分布情况。

3 结果与分析

3.1 景观类型水平差异 寄主华山松斑块面积百分占比最大的是温水林场，达到13.14%，最小的是宋洛乡，仅为1.46%；斑块数量最多的是木鱼林场，有152个，最少的是红花朵林场，有35个(表2)。平均斑块面积最大的是温水林场，达到30.77 hm2；最小的是徐家庄林场，仅有1.34 hm2(表1)。斑块密度最大的是红坪林场，为54个/hm2，斑块密度最小的是红花朵林场，仅为13个/hm2；形状复杂程度最高的是木鱼林场，景观形状指数为20.98，形状复杂程度最低的是红花朵林场，景观形状指数仅为9.10(表2)。

表2 各林场乡镇华山松景观格局指数及华山松大小蠹年均发生面积Tab.2 The landscape pattern of P.armandii and annual occurrence area of D.armandi in each forest farm and town

3.2 景观指数分析 横向比较华山松大小蠹发生区和未发生区，在斑块面积百分比均值方面，发生区是7.20%，显著高于未发生区的3.60%(表2)；在斑块个数、斑块密度和景观形状指数方面也都高于未发生区。Pearson相关性分析表明，斑块面积百分比和斑块密度与华山松大小蠹的年均发生面积有弱正相关，相关系数分别为0.504和0.379，斑块个数和景观形状指数与华山松大小蠹的年均发生面积无相关性(表3)。

表3 景观格局指数与华山松大小蠹年均发生面积的相关性Tab.3 The correlation of P.armandii landscape pattern with annual occurrence area of D.armandi

面积百分比和斑块密度与华山松大小蠹的危害程度呈正相关，因此可建立相关性模拟。模拟结果显示，面积百分比和华山松大小蠹发生面积之间呈正相关，相关方程为Y=24.61+11.46X；斑块密度与华山松大小蠹发生面积之间呈正相关，相关方程为Y=2.83+2.41X(图1)。斑块个数和景观形状指数与华山松大小蠹的危害程度之间无相关性，因此不做线性模拟分析。

图1 基于面积百分比和斑块密度的相关性模拟Fig.1 Correlation simulation based on area percentage and patch density

3.3 基于景观指数的华山松大小蠹危害风险评估

华山松斑块的面积百分比和斑块密度与华山松大小蠹发生面积呈正相关。因此，分析各个乡镇华山松面积和斑块密度可预测神农架林区华山松大小蠹的发生情况。温水林场华山松面积百分比最高，占比为13.14%，显著高于其他林场或乡镇，受到华山松大小蠹危害的风险等级最高；其次是木鱼林场、新华镇、红坪林场、徐家庄林场、新华林场、红花朵林场和宋洛乡，且各林场乡镇间存在显著差异(sig＜0.05)(图2)。斑块密度分析结果显示，华山松大小蠹危害风险最高的是红坪林场，高于其他各林场乡镇，往后依次是新华镇、温水林场、木鱼林场、徐家庄林场、宋洛乡、新华林场和红花朵林场，且各林场乡镇间存在显著差异(sig＜0.05)(图2)。

图2 各林场乡镇华山松面积百分比和斑块密度横向比较Fig.2 Compared the area percentage and patch density in each forest farm and town

综合华山松面积百分比和斑块密度指数两项景观指标，对各个林场乡镇华山松大小蠹危害风险进行赋值。基于面积百分比的赋值从小到大依次为:宋洛乡，1；红花朵林场，2；新华林场，3；徐家庄林场，4；红坪林场，5；新华镇，6；木鱼林场，7；温水林场，8。基于斑块密度的赋值从小到大依次为:红花朵林场，1；新华林场，2；宋洛乡，3；徐家庄林场，4；木鱼林场，5；温水林场，6；新华镇，7；红坪林场，8。 赋值后，进行归一化处理(表4)。

表4 各林场乡镇风险指数归一化处理值Tab.4 Normalize value in each forest farm and town

对各林场乡镇的华山松大小蠹危害风险指数进行赋值后，采取克里金插值(kriging interpoloction)分析方法，得出林区华山松大小蠹危害风险预测图(图3)。

直观分析图3可知，基于华山松面积百分比的华山松大小蠹危害风险预测显示风险区集中在林区西部地区和中部地区(图3A)，该区域也是林区华山松主要分布区。基于华山松斑块密度的华山松大小蠹危害风险预测结果与上述一致，风险高的区域主要集中在林区中部地区和西部地区(图3B)。由于各林场乡镇在寄主面积占比和斑块密度两个指标的大小有差异，因此分析结果有一定差异。基于寄主面积分布占比的分析结果显示风险最高的在最西部，其次是中部地区；基于斑块密度的分析结果显示风险最高的是中部偏北地区，其次是西部和中部偏南地区。结合两图可知，林区风险高的区域集中在西部和中部地区，其他位置风险较低。

图3 神农架林区华小松大小蠹风险分析Fig.3 Risk analysis of Dendroctonus armandi in Shennongjia Forestry District

4 讨论

笔者针对神农架林区华山松大小蠹寄主植株华山松进行了景观格局层面的分析研究，从华山松斑块的空间格局分析了与华山松大小蠹发生程度之间的关系。结果显示，华山松在林场乡镇的面积分布和斑块密度与华山松大小蠹发生程度之间有正相关性。寄主分布面积越广泛，会提供给华山松大小蠹更多的资源，发生的程度也会更大。斑块的密度越高，单位面积内的斑块数量更大，华山松大小蠹在扬飞期的传播扩散成功率更高，定殖能力和概率也会更高，进一步传播扩散的风险也更大[21]，因此风险等级也更高。

通过景观格局控制森林病虫害是森林保护学的一个重要手段，本研究可以为综合控制华山松大小蠹的危害和扩散提供一定基础[22]。在华山松斑块密度较大的区域，可以通过改造寄主斑块或减小斑块数量，切断邻近度高的斑块联系，形成抑制华山松大小蠹扩散的屏障廊道，从而达到控制华山松大小蠹危害的目的。

笔者仅从华山松的景观层面进行了分析，景观中的其他异质性斑块，人为活动程度和公路道路的建设程度等也是影响生物扩散和蔓延的重要因子之一，实际发生过程中也会对昆虫的行为产生较大的影响，如何定量分析景观生态学和森林有害生物之间的关系还需要进行更为深入的研究。

志谢：感谢湖北神农架森林生态系统国家定位观测研究站给予经费支持并协助开展工作。