三峡宜昌区域松材线虫病疫情扩散空间分析

古剑， 肖正利， 李金鞠， 赵金文， 汤丹， 周丹

(1.宜昌市森林病虫防治检疫站，湖北 宜昌 443001；2.远安县林业局, 湖北 宜昌 444200； 3.夷陵区自然资源和规划局，湖北 宜昌 443100)

松材线虫病(Bursaphelenchusxylophilus)，又称松树萎蔫病，其病原是国际检疫性林业有害生物[1-2]。该病疫情2006年传入宜昌地区[3]，2021年3月国家林业和草原局公告宜昌市区域松材线虫病县级疫区12个[4]，湖北省林业局公告宜昌市松材线虫病乡镇级疫点55个[5]。松材线虫本身并无扩散能力[6]，主要借助媒介昆虫传播，能携带松材线虫的昆虫有45种，可作为媒介昆虫的有13种，为墨天牛属(Monochamus)种类[7]，国内最常见能传播松材线虫的昆虫有6种[8]，宜昌三峡区域以松褐天牛(Monochamusalternatus)成虫为携带传播主要途径。主要危害对象为马尾松(Pinusmassoniana)，马尾松是该区域森林顶级群落之一，也是天然分布最广的森林类型，是该地域森林资源的主要树种。

近十年来，关于松材线虫病的发生发展规律、传播途径、防治措施出现了大量研究，涉及从分类到疫情防控,包括病原、媒介、遗传、行为以及共生菌等方面[1]。但松材线虫病地理空间与疫情扩散空间规律方面的研究较为少见。

研究松材线虫病疫情发生空间地理，有助于揭示松材线虫病的发生发展规律，为松材线虫病疫情防控提供辅助技术支撑；本研究采用收集受害松林空间位置基础数据基础上，基于ArcGIS软件平台，对其传播扩散空间分布数据定量化、数据建模、模拟分析空间地理分布特征，测度地域疫情发展的影响极其差异性，挖掘相关影响因子，以期为松材线虫的生态控制、综合治理、监测与防控等决策提供理论依据，遏制松材线虫病的扩散蔓延。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

湖北省宜昌市三峡库区位于湖北省西南部，宜昌市共辖5个市辖区、3个县级市、3个县、2个自治县(详见图1)，地处长江上游与中游的结合部，鄂西山区向江汉平原的过渡地带，地跨110°15′—112°04′E、29°56′—31°34′N，东西最大横距174.08 km，南北最大纵距180.6 km。宜昌三峡库区地形复杂，海拔悬殊，最高海拔2 426.9 m(兴山县的仙女山)，全市最低海拔35 m(枝江市的杨林湖)，相对高差2 392 m，境内山地、丘陵、平原兼有。土壤主要为红壤、黄棕壤、黄壤、棕壤、草甸土、石灰(岩)土，紫色土、潮土、水稻土等。宜昌属亚热带季风性湿润气候，年平均水量为992～1 404 mm，无霜期200～307 d。气候特征适合松材线虫的入侵、生长与繁殖。据2020年森林普查结果显示，宜昌市森林面积139.45×104hm2，约占国土总面积的66%。其中松林面积33.877×104hm2，占全部森林面积的45.67%。马尾松以纯林和混交林形式分布，在该区域森林植被类型上占有很大的生态空间与分布范围，其生态保护极为重要。

图1 研究区概况图Figure 1 Overview of the study area

1.2 数据收集

数据来源于宜昌市森林病虫防治检疫站收集管辖区域2020—2021年度松材线虫病疫情马尾松疫木(枯死树、濒死树、感染死亡木)采伐地理位置数据库(*.shp格式)，运用ArcGIS软件空间连接(Spatial Join)工具将疫木位置与数量所汇集成面图层数据库；由于疫木点所涉及范围广、数据大，本研究数据分析层级仅到行政村一级；为便于数据分析，基于村级面图层受害松林数量为属性值，以村级面图层几何中心坐标为村级疫情(疫源、侵染源)数据，面图层与点图层相互转换；以此为基础底图建立六个层级数据库，分别为县行政界线、乡镇、村、林班、小班和村级疫源。

1.3 研究方法

1.3.1 空间自相关分析

采用全局自相关莫兰指数(Moran′s I)研究松材线虫病疫源地理区域的空间相关性，其取值范围[-1，1]，Moran’s I计算公式为：

当I>0时，表示正相关，表示具有相似的属性聚集在一起，且越接近于1聚集性越大；当I<0，负相关，表示具有相异的属性聚集在一起，I=0，或不存在空间自相关性，是随机现象[9-10]。

1.3.2 空间聚集分析

应用空间聚集模型(Getis-Ord Gi*)统计每一个疫点要素，通过得到的Z值得分和p值来判断高值或低值疫源在空间上发生聚类的位置[11-12]。公式为：

式中：xj是疫源j的属性值，Wij是疫源i和j之间的空间权重，n为疫源总数。

1.3.3 核密度分析

核密度分析可直观的反映出离散测量值在连续区域内的分布情况。核密度值的高低代表研究对象在空间分布上的集聚程度[13]，即疫源区域半径范围内受害松林值的密度，判断受害松林空间整体空间分布特点。计算公式[10,14]：

disti

(9)

式中：疫点(x，y)位置范围内的受害松林株数值密度，i=1，2，…，n是输入疫源，位于(x,y)位置的半径距离内，popi是i点的领域数量字段值参数，为全部受害死亡松值，disti是疫源i和(x,y)位置之间的距离。

1.3.4 区域重心

借鉴重心研究地理空间分布分析，在疫源空间分布中，重心即加权平均中心，是通过赋予空间对象要素坐标的不同权重，将空间对象的属性(受害松林株数程度)加以分析，得出受灾区域中心，直观地表现区域差异。区域重心坐标为公式为[14-15]：

(10)

(11)

式中：xi和yi为各村行政区域疫源坐标，n为疫源总和，wi为疫源i处的权重，z疫源危害株数属性值。

1.3.5 多环缓冲区

缓冲区是地理空间目标的一种影响范围。按设定的距离条件围绕其疫源中心而形成一定缓冲区多边形实体，实现数据在二维空间得以扩展的范围信息，探索疫区地理自然扩散范围空间模型图。公式为[10,12]：

P={x|d(x,A)≤r}

(12)

式中：A为疫源中心，r为邻域半径缓冲区，d为欧氏距离。

1.4 数据统计与分析

应用Excel 2010处理基础数据。采用ArcGIS10.8软件进行空间信息图制作与统计分析。

2 结果分析

2.1 疫情分布及危害

截止2021年5月底统计分析，宜昌市三峡区域2020年度各疫区松材线虫病疫情发生危害程度概况(详见表1)，该病疫情经过15年发展已经扩展到12个县(市、区)疫区74个乡镇(街办、林场)522个村(居委会)，松林受到不同程度受到危害。2020—2021年度，该病危害松林面积2.317 3×104hm2，清理病枯死松树79.873 5万株。疫情发生较重的区域分布在当阳市(村级疫源63个)、夷陵区(村级疫源113个)、宜都市(村级疫源60个)。三个市、区发生面积分别为3 686.7 hm2、10 233.3 hm2和1 566.7 hm2，松林疫木分别为274 501株、236 217株、84 340株。危害最轻的分布在猇亭区(46.7 hm2)和枝江市(80 hm2)，对应的村级松林疫木分别为3 673株和1 906株。各县市(区)松材线虫病疫木与发生面积进行相关性分析(图2)，决定系数R2=0.663(P<0.01)，结果表明：拟合程度为适度模型，死亡数量均与疫情发生面积大小存在显著正相关关系，松林死亡数量越大，疫情发生面积越大。

图2 发生面积与疫木数量线性回归关系Figure 2 The linear regression relationship between the occurrence area and the number of endemic trees

表1 松材线虫疫病情发生概况Table 1 Occurrence of pine wood nematode blight

2.2 地理分布特点

村级疫源松林受害株数值自然间断分级色彩程度图(图3)显示，10个等级值[280，700，1 226，1 925，3 036，4 648，6 886，10 901，18 156，32 593]显示了疫情危害程度地理空间格局。疫情的传播地理区域特点为集中连片，受害松林相对集中，呈现面状扩散；边境区域面状相连，具有连续性。该病疫情造成危害区域集中在当阳市、夷陵区、远安县、猇亭区、宜都市和点军区。

研究区地理村级疫源点高程叠加图显示(图4)，点密度大小显示了疫情危害程度空间分布格局，点大小密度属性值分布不均，显示了松林受害量级，疫源相对集中，稠密程度不一，疫源散布分布和局部爆发特点。危害较重区域分布在当阳市。疫源的地理分布集中在海拔1 200 m以下，这与马尾松主要分布在高程低于1 200 m相关[16]，同时也与高海拔马尾松林密度分布较低相关。当阳市、宜都市较低海拔区域受害程度重，高海拔成为疫源传播的自然屏障。

疫源数据空间探索三维图(图5)显示了疫区的空间分布趋势，区域内每一个疫源松林受害株数值为该单元格几何中心值,用三维数据点(X，Y，Z)来表示。其中X，Y为各区域几何中心处的经度和纬度方向(东、北)，Z维度显示疫区受害松林株数值i，用杆的高低显示。三维趋势显示疫源趋势为东、中部高，西部低。整体高杆值较少，表明疫源呈现局部爆发。投影趋势线值显示，东北边平缓坡度，有上升趋势，中间东部局部凸起，趋势线总体平缓，未造成大的受灾或大的严重区域，危害程度为局部灾害。

图5 疫情三维趋势Figure 5 Three-dimensional trend of the epidemic

2.3 松材线虫扩散流行空间分布特征

2.3.1 空间自相关分析

采用莫兰指数(Global Moran’s Ⅰ)值分析疫源松林受害聚集程度、分布状况的全局自相关。疫源距离阀值分别设定半径5 km，10 km和20 km。表2结果显示，Moran′s I=[0.271 5，0.270 8，0.197 4]，为正相关，表明具有相似的属性聚集在一起。Z=[8.02，14.87，18.67]，显著性检验P=0,零假设表示与要素相关的值聚集模式分布可能性小于1%，即疫源的地理分布模式为随机分布。

表2 疫源全局空间自相关指数表Table 2 Global spatial autocorrelation index of foci

2.3.2 空间聚集分析

为进一步分析检验疫源聚集危害程度细化特征，采用高/低聚类(Getis-Ord General G)来检验疫情危害程度。当疫源距离>10 km时，具有统计学检验意义。表3结果显示，General G观测值=0.000 009，Z=9.8，显著性检验P=0，高聚类模式分布可能性小于1%，即疫源的分布模式为随机分布，与空间自相关结果一致。

表3 疫源高/低聚类指数表Table 3 High/low cluster indexTable of foci

2.3.3 核密度与区域重心分析

根据疫源受害松林株数密度值，设定距离阈值R=10 km，计算周围邻域疫源的密度，并制作核密度分布图。图6显示，色彩阶层自然间断10个等级值[69,139，208，278，348，417，487，556，626，696]反映了松材线虫疫情入侵危害程度分区。疫情的扩散和受灾区域集中在东部的当阳市，是疫情爆发区。东南区域的宜都市、中部区域的夷陵区，东部的当阳市分布为高密集区，受害集中在局部区域。

疫源空间位置地理坐标重心如图6。圆圈为疫情危害县市区中心地理位置。中心区域叠加核密度图，反映了各县市区疫情传播地理空间受灾中心区域。疫情以一个区域为中心逐渐向四周扩散和外围蔓延特点，区域重心与核密度图中心一致，即重心为疫源的源头，表明疫情地理传播以一个中心点向四周爆发传播。

图6 受损松林核密度的分布Figure 6 Distribution of kernel density in damaged pine forest

2.3.4 多环缓冲区分析

空间物体对邻近对象的影响度随距离变化而呈不同强度的扩散或衰减[17]，缓冲区可得到疫情传播的范围和预测传播区域，进行合理的监测、普查、设防，以及扩散范围风险评估[18]。由图7可知，以1 km等间距对疫源为圆心分成5个等级缓冲区，缓冲区模型图体现了空间连续影响和由环内向外的空间叠加效应。长江以南区域疫源点状分布，长江以北地理区域被疫情环绕，疫情在三峡宜昌区域范围具有传播扩散风险。

图7 疫区多环缓冲区Figure 7 Epidemic area multi-ring buffer

3 结论与讨论

松材线虫病疫情已经扩展分布到三峡宜昌区域的12个县(市、区)疫区74个乡镇(街办、林场)522个村(居委会)，危害面积2.317 3×104hm2。地理分布集中在当阳市、夷陵区、远安县，猇亭区，宜都市、点军区。县市(区)边境成片状相连，存在交叉传播趋势。疫源爆发区分布在当阳市，疫源危害高密集区分布在宜都市、夷陵区。且受害区域有面积增多、扩大的特点，疫源呈跳跃式和迁徙式蔓延。但松林受害地理分布集中在海拔1 200 m以下，高海拔成为疫源传播的自然屏障。

三峡宜昌区域松材线虫病疫情的发生、传播、流行与地理环境之间有着密切的关系。地理分析说明了疫情的传播与松林的密度、分布、人为活动相关，各因素在地理面上的叠加研究是必要的[19-20]。将空间地理分布作为新的辅助依据，根据松材线虫病疫情空间传播规律和特点，制定科学防控措施。

三峡宜昌区域松材线虫病疫情疫源地理空间传播蔓延扩散是随机的。疫源在自然传播是连续性缓慢过程[20]，随机传播增大了防治难度。人为活动也可造成疫源跳跃式和迁移式发展，使得疫源中心点随扩散时间变化，危害程度也时刻发生改变，极小的疫源都有可成的新的爆发点出现。因此疫情扩散极难预测和防治，疫源的传播发生具有不确定性。针对疫情传播特点，应该以疫木清理为防控核心，辅助化学和生物防治手段,控制传播媒介松褐天牛虫口密度，禁止疫木流通，减少侵染及传播来源[21-22]。

松材线虫不会主动感染松树。因此，预防传播可从传播媒介方向上转移，减少传播媒介。此外，可从森林经营措施上调节松树密度[20,23]，培育阔叶林生态系统，调整和建立合理的树种结构，设置自然屏障，达到抵御灾害能力[24]。通过控制疫源人为活动传播，加大疫木的清理力度，在地理空间上阻挡疫源。同时，加强联防联治、区域合作、防止区域交叉传播，以求在地理区域上整体去除疫情。