松材線蟲病在中國的空間分布結構和空間相關性分析

松竹線蟲病是由松竹線和害蟲引起的毀滅性森林疾病。它是中國的一個重要外來入侵品種，已被列入中國內部和外部森林檢驗對象。該病自1982年傳入我國以來,擴散蔓延迅速,目前全國已有14省(市、區)發生,面積達7.7萬hm2,導致大量松樹枯死,對我國的松林資源、自然景觀和生態環境造成嚴重破壞,造成了嚴重的經濟和生態損失。種群的空間結構是種群生態學重要內容之一,它揭示了種群個體某一時刻的行為習性和諸環境因子的綜合影響以及物種選擇棲境的內稟特征和空間結構的異質性程度。對格局動態的研究,有助于揭示物種間的聯系及物種對環境的適應性,揭示物種適應環境變化的規律,更有助于分析松材線蟲病在中國的擴散規律,為防控策略制定提供理論依據。但目前,松材線蟲病在中國的空間大格局研究尚未見報道。根據區域變量的理論,在空間上松材線蟲病疫點分布數量是區域化變量。應用地理統計學及克立格插值方法,對松材線蟲病疫點在中國的區域分布進行空間分析,以期揭示松材線蟲病在中國的擴散規律和疫點間的相互聯系,為執行切實有效的防控對策、開展針對性的預防工作、遏制松材線蟲病在我國的進一步擴散蔓延提供理論依據。1材料和方法1.1資料收集,全面掌握系統收集了1982～2005年中國松材線蟲病歷年疫情普查數據、專項調查報告、疫情分析報告、國家報告等資料,全面掌握松材線蟲病在中國發生流行歷史和危害狀況。1.2線蟲病的分布區域按照經度0.5°N×1°E的尺度將松材線蟲病在我國的分布區域(22°～38°N,105°～123°E)分割成18×32個小區,統計各小區內疫點出現頻次。1.3分析1.3.1空間相關擬合分析根據區域變量的理論,在空間上生物種群數量是區域化變量,因此可用區域化變量理論和方法進行研究。本文通過計算松材線蟲病疫點分布的實驗半變異函數、擬合半變異函數、分析半變異函數結構來描述松材線蟲病疫點空間格局和空間相關關系(表1)。對于觀察的數據系列z(xi),i=1,2,3,…,n,樣本半變異函數R*(h)可用下式計算:R*(h)=12N(h)∑i=1N(h)[z(xi)?z(xi+h)]212Ν(h)∑i=1Ν(h)[z(xi)-z(xi+h)]2),其中N(h)是被h分割的數據對(xi,xi+h)對數,z(xi)和z(xi+h)分別是在點xi和xi+h處樣本的測量值,h是分割兩樣點的距離。半變異函數有3個重要參數,及基臺值(sill),變程(range)或稱空間依賴性范圍(rangeofspatialdependence)和塊金值(nugget)或稱區域不連續性值(localizeddiscontinuity)。這3個參數反映了變異曲線圖的形狀結構,即反映了種群空間格局或空間相關類型,同時還能給出這種空間相關的范圍。幾種常用的理論模型如球型、指數型、高斯型(gausian)和線型都可擬合實驗半變異函數。球型半變異函數說明所研究的種群是聚集分布。指數型與球型模型類似但其基臺值是漸近線。非水平狀直線型的半變異函數表明種群是中等程度的聚集分布。如果是隨機分布,則R*(h)隨距離無一定規律性變化,完全隨機或均勻的數據,R*(h)呈水平直線或稍有斜率,塊金值等于基臺值,表明抽樣尺度下沒有空間相關性。一般用決定系數(R2)判斷模型擬合的好壞。決定系數是回歸平方和占總平方和的比值,F為檢驗決定系數的統計量,計算公式為:F=R21?R2?N?kk?1F=R21-R2?Ν-kk-1。式中,k為回歸模型中自變量的個數。若計算的F值大于顯著性水平a(0.05或0.01)與自由度f的臨界值Faf時,R2是有意義的。1.3.2效樣本值的線性組合利用克立格插值法進一步揭示松材線蟲病在中國的聚集分布區域。克立格插值法將任一個點的估計值通過該點影響范圍內的n個有效樣本值Z(xi)的線性組合得到,即Z*v=∑i=1nλiZ(xi)∑i=1nλiΖ(xi)。式中,λi是與樣點觀察Z(xi)有關的加權系數,用來表示各個樣點值Z(xi)對估計值Z*v的貢獻。對于任一給定的區域和數據信息Z(xi),i=1,2,…,n,存在一組加權系數λi。如果使得估計方差為最小,其區域內的真值就能在最小的可能置信區間內產生。2結果與分析2.1松材線蟲病疫點空間格局的全面性松材線蟲病疫點空間格局分布分析結果顯示,在不同的經緯度區域內顯示了明顯的空間格局(圖1～圖5)。松材線蟲病疫點分布在全國及江蘇、安徽、廣東、浙江等主要疫區均為聚集分布,其半變異函數均為球形。在全國,松材線蟲病疫點分布的半變異函數的變程為10.1888°,即半變異函數在10.1888°時達到基臺值,表明疫點分布的空間依賴性距離可達10.1888°跨度,其空間結構可用球型模型R(h)=0.00032h3-0.0033h2+0.0551h+0.2588擬合,表明松材線蟲病疫點在全國分布為聚集型。江蘇、安徽、廣東、浙江等省內松材線蟲病疫點分布的半變異函數的變程分別為3.4464°、2.1581°、3.0800°和2.4376°,表明松材線蟲病疫點分布的空間依賴性距離也分別如此,它們的空間分布格局用球形模型擬合,分別為R(h)=-0.0044h3-0.0092h2+0.2202h+0.4582、R(h)=0.0059h3-0.1513h2+0.5706h+0.4261、R(h)=0.0058h3-0.111h2+0.5187h+0.0392、R(h)=-0.025h3+0.1151h2-0.1155h+0.9711。在這些區域,松材線蟲病疫點分布的空間格局均為聚集型。經檢驗,所模擬的球形模型在99%的置信度下均達到顯著水平(見表1)。塊金值(nugget)表示隨機變異的大小,主要有兩個來源:一是來源于最小取樣間隔內的自然過程造成的變異,二是來源于實驗誤差。浙江省具有較大的塊金值,可能與松材線蟲病在該省分布較為廣泛(58個縣級行政區域中已有29個有松材線蟲病分布)且單位取樣區域間疫點數變化較大有關,這也與本文后部分用克立格插值法得出浙江省有2個聚集分布區域相吻合。而廣東省的塊金值較小,可能是松材線蟲病在該省分布較為集中有關。基臺值(sill)反映某區域化變量在研究范圍內變異的強度,它是最大滯后距的可遷性變異函數的極限值,可以認為是該變量在研究區域的總變差。塊金值/基臺值反映隨機變異占總變異的大小,一般認為塊金值/基臺值在25%～75%之間時,空間相關性中等。從表2可以看出浙江、安徽等省的基臺值均較廣東省大,廣東省塊金值與基臺值的比值最大,而浙江最低。這也應該是由于松材線蟲病在浙皖分布廣泛而在廣東相對集中導致。上述研究表明,松材線蟲病在中國,無論是從全國大格局看,還是從主要疫情分布省份看,都呈聚集分布。同時,疫點與疫點之間存在一定的依賴性,并且某一疫點在不同空間尺度下對疫情向周邊的擴散存在一定程度的影響。2.2松材線蟲病監測結果地統計學分析形象地描述了松材線蟲病疫點在空間分布上的相互依賴關系及其具體分布情況。為客觀的描述松材線蟲病疫點分布的具體情況,應用Kiriging插值分析方法作進一步分析。從圖6～圖7明顯看出,松材線蟲病在中國有著2個明顯的聚集分布區域。第1個聚集分布區域為(22.5～24°N,113～114.5°E)。該區域顯示的是廣東境內,分布著中國現有14個松材線蟲病疫點。第2個聚集分布區域分布范圍較廣(30.5～32.5°N,117.7～120.5°E),顯示的江蘇和安徽及浙江西北部,分布著現有松材線蟲病44個疫點,占全國總疫點數的32.35%。其核心區域在(31.2～32.5°N,117.8～119.8°E),以江蘇南京為中心。在江蘇、安徽、廣東和浙江等省,松材線蟲病分布也有著明顯的聚集區域。在江蘇,以(32.25°N,118.75°E)為中心點呈顯著性聚集分布,3個以上疫點分布區域為(32～32.5°N,118.6～119°E)。松材線蟲病在安徽省的分布相對江蘇來說,在區域聚集度上相對較低,但也有一個相對較為突出的聚集分布核區(31.65～31.90°N,118.15～118.35°E)。在廣東,松材線蟲病以(23.2～23.3°N,113.2～113.5°E)為核心,呈明顯的聚集分布。松材線蟲病在浙江有2個核心分布區域,分別為(29.55°～29.90°N,121.45～121.90°E)和(30.20～30.35°N,120.70～120.87°E),且前一個聚集分布區較后一個聚集度高。2.3蘇冀松材線蟲病傳播預測模型為進一步分析松材線蟲病在聚集分布區域圍繞聚集核心向外圍擴散的規律和特征,對蘇皖核心區各疫點發生時間和距核心區距離進行了回歸模擬(圖8)。結果顯示,在蘇皖核心區,在首次傳入后的頭9年內,松材線蟲病以南京為中心逐年向外擴散,其擴散半徑模型為R=5.4743e0.4139t(R2=0.9204)。其中,R表示新疫點距核心區的距離,即擴散半徑;t表示距核心區首次發現后的年間距。3廣東松材線蟲病擴散的空間格局變化3.1松材線蟲病在中國發生具有明顯的區域聚集特征,全國及江蘇、安徽、廣東、浙江等主要發生省的松材線蟲病發生疫點的空間半變異函數模型均為球型,在空間格局上呈聚集分布,且疫點與疫點之間存在不同程度的依賴性。3.2松材線蟲病在中國有2個較為顯著的聚集分布區:一個位于(22.5～24°N,113～114.5°E),在廣東境內;另一個是(30.5～32.5°N,117.7～120.5°E),涵蓋了江蘇、安徽的大部和浙江西北部,其核心區域為(31.2～32.5°N,117.8～119.8°E),以江蘇南京為中心。3.3松材線蟲病傳入中國早期,存在一定程度的自然擴散,其擴散半徑模型為R=5.4743e0.4139t(R2=0.9204)。3.4松材線蟲病疫點分布空間格局的變化對于探索松材線蟲病的發生發展、擴散以及空間分布型的形成具有重要意義。半變異函數模型可用于分析松材線蟲病擴散的空間動態格局,判