基于长汀水土流失治理过程中马尾松林松材线虫病与气候因素之间的关系

王丹 李梦芸 俞婷

收稿日期：2023-12-10

作者简介：王丹（1990—），女，江苏溧阳人，工程师，主要从事综合气象业务。

摘 要：观察2020—2023年长汀县松材线虫病统计长汀县本站年平均气温、月平均风速、月相对湿度、月平均最高气温、月平均气温与月日照时数等气象观测要素，发现当地气候具有明显的特征变化规律。因此，重点探讨长汀县境内的马尾松林研究松材线虫发病与气象观测要素之间的规律。

关键词：松材线虫病；气象因子；主成分分析

中图分类号：S763.18 文献标识码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

1985年，长汀县境内水土流失率为31.5%、森林占有面积为59.8%。2023年，在卫星遥感观测数据中，长汀县境内水土流失率已经回落到7.8%、森林占有面积达80.32%，为华南丘陵区域治理水土流失问题树立了一个典范。

马尾松是长汀县水土流失治理区的先锋树种和功勋树种，对治理初期恢复植被发挥重要作用，形成了马尾松为主的森林植被群落。已治理的7.33万hm2山地，基本是生态公益林和天然商品林，其中87%为马尾松中幼林，林分树种类别太少、涵养水资源能力过低、生物多样性匮乏、森林健康总体状况不理想，森林生态抗压能力不强，松材线虫病所构成的威胁极大。在自然条件下，松材线虫主要侵染危害马尾松、黑松、赤松、湿地松等78种松属植物和冷杉属、落叶松属、云杉属等８种其他属针叶树种[1]。

近年来，由于极端气候频发，长汀县濯田、策武、馆前、三洲、涂坊、南山等乡镇辖区内接连出现零星死亡松树，长汀县通过松林提升、防控阻隔带项目、防治采伐等多手段开展松材线虫病防治工作。马尾松是长汀县水土流失治理过程中的主要树种，研究长汀县气象条件对马尾松林森林质量的影响十分有必要。

1 森林资源及松林资源概况

长汀县位于南接武夷山脉、西连江西省的闽西山区，曾是华南红壤区水土流失问题的重灾区。全县拥有25.94万hm2林业用地，其中24.95万hm2为林地，占96.2%；材林是主要成分。2020年长汀县森林资源建档数据统计中，全县松林覆盖率为47.5%，有11.85万hm2，大多数为马尾松，少量有湿地松、火炬松等，全县18个乡（镇）和楼子坝国有林场均有分布。乡土树种马尾松作为先锋树种，在治理水土流失过程中发挥了重要作用，是水土流失治理的功勋树种。

2 材料与方法

2.1 基础数据

选取2020—2023年长汀县林业局公布的马尾松林系松材线虫病等导致的松树枯死情况相关数据，包括枯树小班数、枯树株数及枯树小班面积。气象观测要素选取长汀县气象站1991—2020年期间观测的月平均降水量、年平均气温、平均年降水量、月平均相对湿度和年平均相对湿度2020—2022年期间观测的月日照时数、月平均风速、月平均气温、月平均最高气温、月总降水量与月平均相对湿度的观测数据，并剔除或采用计算平均值的方法修正由于客观原因造成的可疑或错误的数据。

2.2 数据分析

2.2.1 求平均值

先对气象观测要素进行统计分析，主要选用方法包括求算术平均值和滑动平均值两种方法，具体描述如下。

（1）求算术平均值的方法：将指定气象观测要素的一个月观测值序列（Xi|i=1，2，3，…，n）进行累加，再除以数据观测序列的长度，算出该气象观测要素在n个月内的算术平均值，如式（1）所示。

X=Xi（1）

式（1）中，为某个气象观测要素在n个X月时段内的算术平均值，Xi为第i月的观测要素值，i=1，2，3，…，n。

（2）求滑动平均值：求滑动平均值的窗口设置为5，因为在数据分析中发现相邻5个数据小区间内变化趋于平稳，有利于减少随机误差；对指定气象观测要素一个观测值序列（Xi|i=1，2，3，…，n）求取序列中的5个相邻数据的平均值构成一个新序列，新序列数据值计算如式（2）所示。

Xk=Xi（2）

式（2）中，Xk为新序列中第k个数据，Xi为原观测序列中第i月的数值，i=5k，5k+1，5k+2，5k+3，5k+4。

2.2.2 求距平值

在长期气象预报及相关科研工作中，为了说明气象观测要素偏离区域平均值的情况，通常采用气象观测要素的距平值，如式（3）所示。

dk=Xk-Xn（3）

式（3）中，dk为气象观测要素的距平值，Xk为k时次气象观测要素的观测值，Xn为该气象观测序列的平均值。

2.2.3 主成分分析法

主成分分析法（PCA）是一种研究多维数据序列间相关性的数学计算方法，主要从原多维变量中提取出若干个线性不相关变量作为主成分量，在尽可能保留原始数据信息的同时，体现彼此之间互不相关。在分析过程中，通常将原来的P个向量作线性组合，重组为新的互不相关的序列。将新组合中的第一个序列记为第一主成分F1，用其方差V（F1）表征原序列的信息占比，即V（F1）越大，则表示F1包含的信息占比越高。如果第一个主成分不能代表原来P个序列数据的信息，再考虑选取F2为第二主成分，按照这样的逻辑，可以选出若干个主成分。主成分序列之间线性无关，且方差值呈现降序排列。

对于一组原始数据：（Xi|i=1，2，3，…，n），其中V（F1）

≥V（F2）≥，…，V（Fp）≥0，向量（ai|i=1，2，3，…，p）为相应特征向量，则X的第i个主成分如式（4）所示。

Zi=aiX（4）

式（4）中，Zi为X的第i个主成分，ai为第i个特征向量，i=1，2，…，P。

2.2.4 数据检验与统计

在数据检验与统计方面，借助Microsoft Excel和IBM SPSS两款软件强大的数据分析统计能力，实现上述方法。具体的安排为：不同年份气象观测要素分析松材线虫病疫情指数，由IBM SPSS内置的PCA分析方法实现，排序分析使用基于线性模型的RDA分析方法；数据求平均值、5年滑动平均与求距平均值由 Microsoft Excel软件完成。

2 长汀县松材线虫病统计数据分析

2.1 相关性分析

表1为计算出的2020—2023年长汀县境内松材线虫病疫情指数之间的相关系数矩阵，长汀县境内的松枯死树小班个数和枯死株数（r=0.955，P＜0.05）、松枯死树株数和小班面积（r=0.97，P＜0.01）、松枯死树小班个数和小班面积（r=0.994）之间均有明显的相关性，其他各个指数之间的相关性均较小。

2.2 主成分分析

2020—2023年长汀县境内松材线虫病疫情指数的主成分分析结果如表2所示，表中“特征值”反映的是每个成分所集中松材线虫病疫情指数矩阵中信息量占比，特征值分别为0.754、0.243 和0.002，第一主成分可以反映75.45%不同发病年份疫情指数间的关系，第一、第二主成分可以反映99.76%，3个主成分则可以反映99.99%。因此，该主成分分析结果是比较理想的，能够反映大部分马尾松林的松材线虫病的疫情指数与发病年份之间相关性。

3 松材线虫病发病与气象观测要素变化分析

3.1 年均气温变化分析

现有研究表明，松材线虫病发生与流行最主要的气象观测指标就是年均气温，当且仅当当地年均气温高于10 ℃时，松材线虫病才有在当地发生并流行可能[2]。根据统计研究，长汀县观测1991—2020年的年均气温的平均值为18.9 ℃，远高于诱发松材线虫的年均气温最低值；（图１）统计了长汀县1991—2020年的年均气温距平值和5年滑动距平值变化情况，如图所示，年均气温距平值和5年滑动距平值均＞0时，当年松材线虫病则会发生与流行（图１）。

3.2 降水量变化分析

观察1991—2020年长汀县年降水量距平值与5年滑动距平值变化曲线可知，年降水量和5年滑动的距平值变化没有规律性，表明松材线虫病发病与降水量变化相关性不明显（图2）。而1991—2020年月降水观测值中，各月降水情况差异明显，5—6月降水观测值最为显著，6月测得降水量达到峰值。

3.3 相对湿度变化分析

观察1991—2020年长汀县年均相对湿度距平值与5年滑动距平值变化曲线可知，年均相对湿度距平值与5年滑动距平值与松材线虫病发病与流行的关系不明显（图3）。而从2020—2022年月均相对湿度观测数据中，3—11月是松材线虫活跃期时，月均相对湿度均明显低于往年观测值。

4 松材线虫发病与气象观测要素的相关性分析

计算1991—2020年长汀县气象观测要素的相关系数如表3所示，计算结果显示：月平均最高气温与月平均气温（r=0.997）具有显著的正相关性；月平均气温与月平均风速（r=-0.879）具有明显的负相关性；月平均最高气温与月平均风速（r=-0.867）具有明显的负相关性；月平均相对湿度与月总降水量（r=-0.855）具有明显的正相关性；其余各个气象观测要素之间亦呈现一定相关性，但均未达到显著水平。

5 松材线虫发病的气象观测要素之间主成分分析

统计2020—2022年长汀县气象观测要素之间的主成分分析结果如表４所示，其中特征值反映的是气象观测要素在矩阵中信息量占比。4个成分的特征值分别为0.589、0.369、0.026和0.009，使用2个成分构成的线性组合可以说明95.95%的不同发病年份气候因子之间的关系，4个成分构成的线性组合可以说明99.48%的不同发病年份气候因子之间的关系。因此，本研究的气象观测要素主成分分析结果较为理想。

6 结论

松材线虫病的发生与流行与气象因子有着重要的关联，高气温低相对湿度的气象条件有助于松材线虫病的集中爆发。分析1991—2022年长汀县温度、降水量及平均相对湿度气象观测值，发现长汀县境内的松材线虫病发病期具有下列明显特征。

（1）当年的年平均气温显著高于往年统计平均值；（2）当月的月平均风速能够表征长汀县松材线虫病扩散和蔓延范围及危害程度，当月风速大时，松材线虫的媒介昆虫松墨天牛能够进行更远距离的传播扩散，致使研究区域内松材线虫病发生范围变广，危害程度也趋于严重化；（3）当月的月相对湿度、月平均风速观测值均较高时，松材线虫病在各个小班之间的传播扩散均表现较同期其他时候活跃，呈现明显的正相关；（4）当月的月平均最高气温、月平均气温和月日照时数观测值较大时，马尾松病死总株数和危害面积的统计值也较大，呈现明显的正相关。

长汀县松材线虫病危害程度整体情况较轻，且松墨天牛幼虫孵化具有一定的潜伏期，马尾松林从感染到枯死具有一定的时间，松材线虫病疫情指数和气象因子之间的关系还需有更进一步分析。

参考文献

[1] 朱克恭，姚仕义.松材线虫病在我国蔓延的严重性[J].林业科技开发，1992（3）：6-7.

[2] 高瑞贺.松材线虫入侵对三峡库区马尾松林生态系统的影响[D].北京：北京林业大学，2020.