湖北省1949年以前疟疾流行的时空规律及驱动机制

张 涛, 曾雨欣, 陈志禹, 闫晋博,梅 琳, 王晓伟, 石国宁, 龚胜生*

(1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,武汉 430079;2.华中师范大学可持续发展研究中心,武汉 430079;3.山东女子学院旅游学院,济南 250300;4.邯郸学院经济管理学院, 河北 邯郸 056006)

疟疾是一种经按蚊叮咬或输入带疟原虫者血液而感染的虫媒传染病,属于中国乙类法定传染病.早在距今3 500～3 000 a的殷商时期便有疟疾记载,历史文献多以“瘴”来描述恶性疟疾[1].当前,关于过去3 000年来中国疫灾流行总体时空特征及其影响因素的研究已较为成熟[2].关于疟疾流行的研究主要集中在以下四个方面:一是对疟疾时空分布的探讨.2000年来,中国恶性疟疾(瘴)分布的北界逐渐往南退缩,从秦岭淮河一线向南退缩到长江一线,最后退缩至南岭山地[3].先秦两汉时期疟疾主要分布在中原地区[1],宋元时期集中在以广东、广西为主的岭南地区[4],明清时期主要分布在我国西南地区[5].清代的疟疾流行风险程度呈东南向西北递减的分布特征[6].晚清民国时期,云南地区疟疾主要在其西南、南部、东南的河谷地区流行[7].民国时期,两广地区有80余县市暴发过疟疾,主要分布在两广的山区[8].现代中国仍有疟疾流行,2010—2017间,云南、广西、海南为中国疟疾发病率的热点区,但有向东部扩散趋势[9].二是对疟疾流行影响因素的分析.温度会对疟疾流行起到复杂的相互作用[10].疟疾容易在气温升高的时候发生,尤其在雨季开始后,相对湿度高,更容易滋生适于疟原虫生长的环境[11].疟疾流行程度还与人口流动、生态条件、医疗卫生服务及其他因素相关[12].历史上北人南迁带动了南方地区土地开发,改变了原有的生态环境条件,对于瘴病逐步消失起到了关键作用[13].三是关于疟疾流行应对及影响的研究.在瘴气广泛传播的西南边疆民族地区,人民在生活实践中逐渐形成防瘴治疟的方法,促进了民间瘴疟医典的兴起[14].在医疗卫生条件较为落后的古代社会,瘴气对民族分布格局产生不可忽略的影响[15].四是关于湖北疟疾流行历史的研究.民国时期湖北省在发生特大水灾之后恶性疟疾严重流行,1949年以后湖北省也常暴发大范围的疟疾流行事件[16].2004—2011年间湖北省疟疾分布呈现空间集聚态势[17].气温对湖北省疟疾流行的影响作用更为显著[18].湖北省1974—2015年间的疟疾流行过程经历了高发、急剧下降、低发和消除阶段,影响疟疾的自然因素仍然存在,要加强对输入性疟疾的控制和监测[19].综上所述,当前关于中国疟疾流行的研究在时空分布、影响因素、应对及影响等方面已较为深入,但对于非传统瘴域的关注还不够,对于湖北历史疟疾的研究缺少历史地理视角的时空变迁分析,影响因素分析不够系统且缺少机制探究.本研究从历史医学地理视角出发,基于疟疾史料和环境数据,对湖北省1949年以前疟疾流行的时空分布规律及其驱动机制进行深入研究,为疟疾防控提供历史参考.

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

湖北省位于长江中游地区,地势自西北向东南倾斜,东、西、北三面环山,中部低平,略呈南向洞庭湖敞开的不完整盆地.除高山地区外,大部分属亚热带季风性湿润气候.长江、汉江从境内穿过,湖泊众多,素有“千湖之省”的称号.湖北地理位置居中,水陆交通发达,古称“九省通衢”,今为国家东西南北的交通枢纽.基于研究时段,本文以1946年行政区划为标准制图,该年湖北省共分71个县市(图1).

注:本图参照《湖北省明细全图》(上海商务印书馆1927年版)和《中国分省新地图》(亚光舆地学社1947年版,第24、32-33页)改绘.图1 湖北省1946年行政区划图Fig.1 Administrative division map of Hubei Province in 1946

1.2 数据来源

1.2.1 疟疾流行数据 疟疾流行数据主要采自《中国三千年疫灾史料汇编》[20],该汇编史料丰富,涵盖正史、档案、实录、文集、地方志和近代报刊等;少量通过查阅民国时期的《武汉日报》《大刚报》等获得.在史料基础上,以县为基本单元,统计各年发生疟疾的县数以及各县发生疟疾的年数,编制湖北省疟疾流行年表.

1.2.2 影响因子数据 自然因素包括年均气温、年降水量、海拔高程、河网密度、旱涝灾害等,其中气候数据来源于国家地球系统科学数据中心,海拔、河道数据运用ArcGIS 10.7软件从DEM图中进行提取,气象灾害数据据《中国气象灾害大典·湖北卷》[21]《湖北省近五百年气候历史资料》[22]整理.社会因素包括人口密度、路网密度、战争动乱等,其中人口数据以民国时期的人口平均数据为样本,采自《湖北通志》[23]《内务统计 民国五年分湖北人口之部》[24]《民国十七年各省市户口调查统计报告》[25]《湖北人口统计》[26]及《湖北人口三十五年冬季户口总复查实施纪要》[27],路网数据通过ArcGIS 10.7在湖北历史地图中矢量化获取,战乱数据据《中国历代战争年表》[28]《中国战争史·第四卷·民国至新中国初期》[29]整理.

1.3 研究方法

1.3.1 趋势周期分析方法 使用M-K(Mann-Kendall)检验分析疟疾趋势变化,小波分析方法提取疟疾变化周期.M-K趋势统计检验用于评估一组数据值在给定时间序列内任一方向的趋势是否具有统计学意义,即是否存在线性单调趋势,这是一个与Kendall相关系数概念密切相关的非参数趋势.它不受时间序列长度和缺失数据的影响,且不要求数据正态分布,是用于评估序列变化趋势的重要工具[30].本研究采用M-K趋势统计检验来确定湖北省疟疾的变化趋势和突变时间点.小波分析方法是基于傅里叶变换的新式窗口函数,显示作为周期和时间函数的变化强度[31],能够反映时间序列的多种变化周期,从而更好地揭示序列随周期的变化情况[32].基于小波分析方法,对湖北省十年疟疾县数时间序列进行周期性检验,确定湖北省疟疾的变化周期.

1.3.2 空间自相关模型 空间自相关分析用于衡量空间变量的分布是否具有集聚性,是评估变量空间聚集程度的重要工具.它可以在全域或局部尺度上揭示研究单元属性之间的相关性.本文使用全局Moran’sI和局部Moran’sI评估空间自相关性.空间关联程度在散点图中显示,局部空间关联指标(LISA)并在研究区域地图上显示.

全局Moran’sI是对空间数据整体聚类的一种衡量,被定义为

(1)

空间关联的局部指标(LISA)利用Moran’sI是单个交叉产物的总和这一事实,通过计算每个空间单位的局部Moran’sI,从而评估每个单位的聚类情况并评价其统计学意义.其式如下:

(2)

利用归一化属性值和邻域平均值乘积的正负符号来对四种类型的空间对象进行分类:HL(高-低)、LH(低-高)、HH(高-高)和LL(低-低),其中HL指的是被低值(低于平均值)包围的高值(高于平均值),其余说法类似.HL和LH表示具有不同值的空间异常值,而HH和LL对应于具有相似值的空间聚类.然而,即使在所有值都高于平均值(或低于平均值)的HH(或LL)聚类中,一个对象与其邻域之间的局部差异也可能很大.类似地,如果HL或LH异常值及其相邻值都接近平均值,则它们可能相似.

1.3.3 疫情重心模型 重心的概念源于物理学, 常以全局视角探测在不同地区空间作用下形成的平衡点[33],疫情重心是某区域疫情分布在空间平面上力矩达到平衡的点.重心的分析方法包括空间定位和重心迁移[34],其分布趋势可表示疟疾流行县数在空间分布的均衡程度,而重心迁移则反映了区域内疟疾流行地域的变迁趋势,其公式为:

(3)

1.3.4 地理加权回归模型 地理加权回归是普通最小二乘法回归的延伸,它通过评估局部加权回归系数偏离全局系数的地方来建立关系,即通过建立空间范围内每个点的局部回归方程用来探索研究对象在某一尺度下的空间变化及相关驱动因素,可以用来量化空间异质性,在流行病学中具有很高的实用性.其公式为:

(4)

式中,yi是第i个样本的因变量,(ui,vi)是第i个样点的空间坐标,β0为(ui,vi)处的的截距项,xij为第i个样本的自变量k的取值,βj为xij的回归系数,εi是第i个样点的随机误差.

2 湖北省疟疾流行的时空分布规律

2.1 湖北省疟疾流行的时间变化

2.1.1 流行概况 湖北疟疾流行历史久远.东汉建安十三年(208年)赤壁之战时,“公至赤壁,与备战,不利.于是大疫,吏士多死者,乃引军还”,本次大疫有疟疾之说,曹操军队经豫南越过桐柏山脉,遍走武当山、荆山,进入江汉平原和湖沼地区,都是在疟疾传播季节[35].隋唐五代时期施州(治今恩施)、峡州(治今宜昌)、荆州(治今江陵)、鄂州(治今武昌)都有瘴病分布[3].唐代诗人王维在《林园即事寄舍弟紞(次荆州时作)》诗中写道“地多齐后疟,人带荆州瘿”[36].元代朱丹溪谓“吴楚闽广之人患疟独多”[16].明代暂未见湖北疟疾史料.清代疟疾记录逐渐增多,雍正十二年(1734年),武昌县(今鄂州)“乡村疫疟”[20].道光十三年(1833年),宜城县(今宜城)“瘟疟流行,人及六畜多死”[20].统计来看,1644年至1911年清朝统治的268年间共有14个疟疾年份,频率为5.2%.民国疟疾愈加频繁,38年间共有20个疟疾年份,频率为52.6%.疟疾县数较多的年份有1943年(11县)、1946年(9县)和1941年(8县).

2.1.2 变化趋势 使用M-K检验对湖北疟疾变化趋势进行分析.由于民国以前疟疾频率较低,误差较大,因此仅对民国各年疟疾县数时间序列进行检验(图2).结果显示,UF值在1912—1949年间呈现波动变化,在1912—1916和1920—1941年间小于0,在1917—1919和1942—1949年间大于0,表明民国时期疟疾在1912—1916和1920—1941年间呈下降趋势,在1917—1919和1942—1949年间呈上升趋势.其中在1923—1937年间UF值超过了0.05显著性临界线,表明此时段内疟疾减少趋势十分显著.UF和UB曲线在1940年相交,且交点在临界线之间,则1940年为疟疾时间序列开始突变增长的时间点.

图2 湖北省1912—1949年疟疾县数Mann-Kendall检验Fig.2 Mann-Kendall test of counties of malaria in Hubei Province from 1912 to 1949

2.1.3 波动周期 小波系数实部等值线图能反映疟疾县数序列不同时间尺度下的周期变化及其在时间域中的分布情况.湖北省民国1912～1949年间疟疾疫情存在15～21年、8～11年、3～5年等三类时间尺度的周期变化(图3).其中在15～21年时间尺度上存在轻-重交替的3个准振荡周期,在整个研究时域上表现稳定,具有全域性.在8～11年时间尺度上存在轻-重交替的3个准振荡周期,主要发生在1920—1940年间.在3～5年时间尺度上存在轻-重交替的7个准振荡周期,主要发生在1925年之后.小波方差图能反映疟疾县数序列的波动能量随时间尺度的分布情况,从而可以确定疟疾县数变化过程中的主周期.湖北省1912—1949年间的疟疾序列存在2个明显的峰值(图4),分别对应着18年和4年的时间尺度.最大峰值为18年时间尺度,为湖北省疟疾变化的第一主周期,第二峰值为4年时间尺度,为第二主周期.在18年时间尺度上,疟疾县数的平均变化周期约为12年,经历了3个周期的轻-重转换,疫情偏轻的时段为1912—1916年、1923—1928年,1935—1940年、1947—1949年,疫情偏重的时段为1917—1922年、1929—1934年,1941—1946年.在4年时间尺度上,疟疾县数的平均变化周期约为3年.总体来看,湖北民国时期疟疾每隔约12年发生一次大流行,约3年发生一次小流行.

2.1.4 季节分布 1833—1949年间,湖北省疟疾流行季节明确的年份有27个,累计流行疟疾的季节52个,其中:春季8个(15.38%),夏季 17个(32.69%),秋季21个(40.38%),冬季 6个(11.54%),夏秋两季占比73.07%.27个流行季节明确的疟疾之年累计波及84县,其中:春季12县(14.29%),夏季 26 县(30.95%),秋季38县(45.24%),冬季 8县(9.52%),夏秋两季占比76.19%.从疟疾流行季节和各季疟疾流行县数统计来看,湖北省疟疾流行以夏秋季节为主,春季次之,冬季最少.

图3 湖北省疟疾县数序列小波变换系数实部等值线图Fig.3 Contour map of the real part of wavelet transform coefficients of malaria counties series in Hubei Province

图4 湖北省疟疾县数序列小波方差图Fig.4 Wavelet variance plot of malaria counties series in Hubei Province

2.2 湖北省疟疾流行的空间分布

2.2.1 总体特征 1833—1879年间疟疾稀少(图5a),71个县中只有宜城和鄂城有疟疾发生,且发生年数都只有1年.1880—1889年疫情依然较轻(图5b),宜昌和鄂城两县分别有3年和1年有疫情.1890—1899年疟疾主要分布在武汉三镇及宜昌(图5c).1910—1919年疫情有所减缓,疟疾流行县数降低至2个(图5d),其中宜昌有4个疟疾年份.1930—1939年疟疾疫情开始加重(图5e),疟疾县数升至14个,形成分别以武汉三镇和宜昌两个疫情中心.1940—1949年疟疾疫情迅速扩散至33个县(图5f),以武汉三镇和宜昌为中心向周边蔓延形成两个疟疾流行区.总体来看,1833—1949年间(图5g),湖北省疟疾流行呈现出蔓延扩散的特征,由斑块散状分布发展成集中连片分布,武汉三镇和宜昌是两个疫情中心.

2.2.2 空间集聚 湖北省疟疾疫情在空间上呈现显著集聚态势(图5h),Moran’sI值为0.2,p值小于0.05,Z值为2.72.高高集聚区主要分布在武昌、汉口、汉阳和宜都,高低集聚区只有竹山,在宜昌周边形成一条由兴山、远安、当阳和长阳等县组成的低高集聚带,未出现低低集聚区.

图5 湖北省疟疾流行空间分布及集聚图Fig.5 Spatial distribution and clustering map of malaria epidemic in Hubei Province

2.2.3 重心变迁 计算1870—1949年间每十年疟疾疫情重心(图6),其中1900—1909年、1920—1929年无疟疾疫情.1870—1879年疫情重心位于鄂东的大冶,随后十年大幅度向西北迁移到宜昌,1890—1899年又向东迁移到汉川,1910—1919年再向西回到宜昌、远安和当阳交界地区,之后十年又向东移到汉川,1940—1949年疫情重心向西北落于钟祥境内.总体来看,湖北省疟疾重心一直在几何中心附近东西向摆动并逐渐向北偏移,反映了疫情分布不稳定并逐渐向北加重.

图6 湖北省疟疾疫情重心迁移图Fig.6 Migration map of malaria epidemic center in Hubei Province

3 湖北省疟疾流行影响因素及驱动机制

3.1 湖北省疟疾流行影响因素的回归分析

基于地理加权回归模型对湖北省疟疾流行的影响因素进行定量分析.选择海拔(x1)、年平均气温(x2)、年平均降水(x3)、河网密度(x4)、涝灾年数(x5)、旱灾年数(x6)、NDVI植被指数(x7)、总人口(x8)、人口密度(x9)、路网密度(x10)、战乱年数(x11)等11个指标,为消除多重共线性问题,通过OLS模型计算各指标的方差膨胀因子(VIF)值,将年平均气温(x2)、NDVI植被指数(x7)、总人口(x8)陆续移除.在ArcGIS10.7中使用地理加权回归工具,选取各县疫灾年数作为因变量,剩余8个指标作为自变量,选择FIXED核类型并使用“Akaike信息准则(AICc)”确定核的范围.结果显示,拟合优度R2=0.27,各县局部回归模型的标准化残差分布范围在[-1.61, 5.58],其中99%以上在[-2.58,2.58],表明地理加权回归模型的标准化残差值在1%的显著性水平下是随机的,仅有1个县未通过残差检验,模型整体拟合效果较好.结果显示,从回归系数的正负来看,海拔、河网密度、旱灾年数、人口密度、战乱年数等5个指标的回归系数均为正值,表明对疟疾流行均具有正向效应,年均降水、涝灾年数、路网密度等3个指标的回归系数均为负值,对疟疾流行均具有负向效应.从回归系数的绝对值大小来看,河网密度、路网密度、战乱年数、旱灾年数等4个指标的回归系数较大,表明对疟疾流行的影响更为强烈,以自然断裂点法将其回归系数结果空间可视化(图7),对其影响因素的空间分异进行分析.具体来说,河网密度(图7a)、战乱年数(图7c)、旱灾年数(图7d)等3个指标的回归系数均为正值且均呈现“西低东高”的空间分布特征(图7a),说明河网、战乱、旱灾等因素对疟疾流行均具有促进作用且在鄂东地区更为显著.相反,路网密度的回归系数为负值且呈现“西高东低”的空间分布特征(图7b),说明说明鄂西地区路网的完善对疟疾流行的抑制作用更为强烈.

图7 湖北省疟疾流行影响因素的空间分异Fig.7 Spatial variation of factors influencing malaria prevalence in Hubei Province

3.2 湖北省疟疾流行时分布的影响因素

3.2.1 湖北省疟疾流行时间变化的影响因素 气候在大空间、长时间尺度上对疫灾流行有较大的影响[37].疟疾在夏、秋季节流行,一是因为夏、秋季节炎热多雨,高温高湿有利于疟疾的主要传播媒介蚊子的活动,如《申报》载:“夏五月,天气闷燥异常,患疟疾及喉症者甚多.”[20]二是因为洪涝等自然灾害容易发生在夏秋季节.极端气候常会引起自然灾害的频发,间接诱发重大疫灾的形成,尤其是水旱灾害,与疫灾流行密切相关[38].洪涝灾害往往容易诱发疟疾,如《襄阳县志》载:“夏六月,大雨,汉水暴涨,水退后,痢、疟流行.”[20]湖北省疟疾在20世纪40年代的快速增长中国气温的暖周期有一定的关系,湖北省处于温度回暖的时期,气候较之前暖湿程度增加,为蚊虫的繁殖和生存创造适宜的条件.同时,湖北省在20世纪30—40年代为抵御日军侵华先后进行了武汉会战、随枣会战等数次重大战役,战争容易造成物资匮乏,环境变得恶劣且长期行军打仗对士兵生理健康造成伤害,极易形成疫情持续多发的状况[39].

3.2.2 湖北省疟疾流行空间分布的影响因素 武汉三镇和宜昌是湖北省疟疾的两个中心,其周边地

区也始终为疟疾流行的高值地区.这些地区是湖北省的重镇,人口密集,经济发达.人口是疫灾发生和传播的重要基础.人口的增加和集聚影响着疫灾分布的空间格局.一般来说,人群越密集的地区疫病越容易传播,随着人口的增加和集聚,疫病的发生概率和流行强度也会随之提高.同时,这些疟疾频发地区大多位于长江沿岸,水网密集.疟疾主要以蚊虫为传播媒介,蚊虫的繁殖离不开水源,而在受污染的水源中更易滋生蚊虫.从地理加权回归结果分析河网密度对疟疾流行的影响呈正相关,以史料记载来看,水源因素是影响疟疾流行的重要因素,如《申报》载:“宜昌中元后,城内亦有以痢疾转疟者,幸此症尚轻,惟长江上下一带最重.”[20]《大公报》载:“江水退甚慢,三镇湿痢疟死者日以百计.”[20]以武汉三镇地区为中心辐射出水陆交通网,交通发展便利的同时加速了人员流动,促进了各类疫病的传播.对路网密度与疟疾流行年数进行相关分析,未通过显著性检验.究其原因,疟疾主要通过蚊虫的叮咬传播,一般不会在人和人之间直接进行传染,因此交通因素带来的人员流动在疟疾传播中并非关键因素.总体来看,水源因素在疟疾的传播中起到重要的作用,同时人口因素和交通因素也为疟疾的流行提供了社会经济条件.

3.3 湖北省疟疾流行的驱动机制

参考健康地理学视角下的传染病研究理论框架[40],湖北省疟疾流行的驱动机制由疟疾流行的基本环节、影响因素和时空规律等三个方面组成(图8).疟疾流行的基本环节包括传染源、传播途径及易感人群,必须同时存在才能构成疟疾的流行.如果某一环节缺乏或阻断三者的联系,流行过程就会被中断.疟疾流行的影响因素包括自然因素、人文因素和个体因素,不同因素都或多或少影响不同的基本环节,能够推动或遏制基本环节发挥作用.如气温高低决定了疟原虫孢子增殖期的长短,疟原虫幼虫习惯生活在低洼潮湿的水环境中等.同时,因素之间也能够互相影响,如气候条件与河床条件会影响旱涝灾害的发生.疟疾流行的时空规律是影响因素作用于基本环节所呈现的时空分布格局,包括时间上的趋势性、周期性和季节性以及空间上的集聚性和蔓延性.运用M-K检验、小波分析、重心分析、空间自相关分析、地理加权回归分析、定性分析等方法可以将驱动机制的三个方面有机联系起来.

图8 湖北省疟疾流行驱动机制示意图Fig.8 Schematic diagram of the driving mechanism of malaria epidemic in Hubei Province

4 结论与讨论

4.1 结论

1) 从时间变化来看,湖北清代之前疟疾记录较少,清代(1644—1911)268年间共有14个疟疾年份,频率为5.2%,民国(1912—1949)疟疾愈加频繁,38年间共有20个疟疾年份,频率为52.6%.民国疟疾流行呈现波动变化趋势,1940年为疟疾开始突变增长的时间点.民国疟疾疫情存在18年和4年两个时间尺度的波动周期,平均每隔约12年发生一次大流行,约3年发生一次小流行.流行季节以夏秋为主,春季次之,冬季最少.

2) 从空间分布来看,湖北省疟疾流行呈现出蔓延扩散的特征,由斑块散状分布发展成集中连片分布,武汉三镇和宜昌是两个疫情中心.湖北省疟疾疫情在空间上呈现显著集聚态势,高高集聚区包括在武昌、汉口、汉阳和宜都,高低集聚区只有竹山,在宜昌周边形成一条由兴山、远安、当阳和长阳等县组成的低高集聚带,未出现低低集聚区.湖北省疟疾重心一直在几何中心附近东西向摆动并逐渐向北偏移,反映了疫情分布不稳定并逐渐向北加重.

3) 从影响因素和驱动机制来看,河网、战乱、旱灾等因素对疟疾流行均具有促进作用且在鄂东地区更为显著,鄂西地区路网的完善对疟疾流行的抑制作用更为强烈.疟疾流行时间变化特征主要受气候和战乱因素的影响,空间分布规律主要受人口、河网和交通因素的影响.疟疾流行的驱动机制由疟疾流行的基本环节、影响因素和时空规律三个方面组成,并通过各种分析方法有机联系起来.

4.2 讨论

现有研究表明湖北宜昌一带有过约10年为周期的暴发性流行,先后有1881年、1890年、1900年、1911年和1916—1919年等五次疟疾流行[41],与本研究发现的平均每隔约12年发生一次疟疾大流行结论接近.现有研究也关注到气象因素与疟疾流行的关系,如李月通过分析疟原虫发育及蚊虫繁殖发育环境发现从传播媒介上看均受气象因素例如温度、湿度、降雨量等因素的影响[42].莫晓彤等认为疟疾流行程度与人口流动、生态条件、医疗卫生服务以及其他因素相关[12],由于历史时期人口流动及医疗卫生服务的数据难以获取,本文暂未将这两种因素纳入分析.因部分地区未搜集到疟疾史料而按无疟疾流行统计,可能与实际情况不符,也在一定程度上影响了回归分析模型结果的准确性.后续研究中,可通过进一步发掘疟疾及环境史料,创新研究方法,深入揭示湖北省疟疾流行的时空规律及驱动机制.