秦巴山區核桃舉肢蛾潛在分布預測

廖占東 ,李鋒 ,姬紅敏 ,王慶*

1.南江縣大壩國有林場,四川 南江 636000；

2.南江縣林業局,四川 南江 636000；

3.四川省農村經濟綜合信息中心,四川 成都 610072

核桃舉肢蛾（Atrijuglans hetaoheiYang），屬鱗翅目舉肢蛾科，對核桃果實危害極大，會造成減產甚至絕收。該蟲在中國主要分布在河南、四川、山東、陜西、北京、甘肅、河北和山西8 個省市，且以陜西省商洛地區、北京市山區及山西省太行山區危害最為嚴重[1]。據相關報道，1985 年該蟲造成陜西商洛地區核桃減產達4×103噸[2]，1987 年山西9 個市縣普查發現蟲果率為47.7%～90%[3]。由此可見，該蟲對核桃產業發展危害極大。

鑒于核桃舉肢蛾分布的廣泛性和危害嚴重性，很多學者對其進行了研究，研究范圍包括分布與危害[4-5]、生物學特性[6]、發生規律[7]及防治措施[8]。盡管對核桃舉肢蛾分布地區的研究很多，但都局限于單個市縣，對整個秦巴山區的研究尚未見報道。秦巴山區泛指秦嶺大巴山及毗鄰地區，地跨四川省、湖北省、河南省、陜西省、甘肅省和重慶市，是中國核桃三大栽培片區之一。據相關文獻報道，截至2015 年底，僅商洛市和安康市核桃總種植面積就達到了28.67×104hm2，年產量6.14×104t，產值超過22.89 億元，是山區群眾脫貧致富的重要產業[9]。因此，對秦巴山區核桃舉肢蛾潛在分布區研究是十分必要的。

研究利用文獻資料和實際調查獲取的核桃舉肢蛾在秦巴山區點位數據和當前情景下生物學氣候數據，結合最大熵（MaxEnt）預測模型，預測當前氣候情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區潛在分布，旨在為秦巴山區核桃舉肢蛾防治和核桃產業的健康持續發展提供參考。

1 材料和方法

1.1 數據獲取及處理

研究使用了核桃舉肢蛾實際點位數據、生物學氣候數據和海拔數據。核桃舉肢蛾實際點位數據來自文獻收集及實地調研，為避免區域差異引起的生態位狹窄，此部分數據選用中國范圍，剔除密集點位后獲得41 個實際分布點位。生物學氣候數據由2000—2020 年中國地表氣候月數據集的月溫度和降雨量計算而得，包括代表年趨勢（如年均溫、年降水量）、季節性（如溫度或降水量的年較差）、極端或限制性（如最冷或最暖月溫度、濕季或干季降水量）的19 個因子。海拔數據從中國科學院地理空間數據云（http://www.gscloud.cn）的DEM 高程數據中提取。

1.2 模型準確性評價

常用的模型準確性評價指標很多，例如精準度（Precision）、召回率（Recall）、混淆矩陣（Confusion Matrix）、受試者工作特征曲線（ROC）及受試者工作特征曲線下面積（AUC）等。相較其他評價指標，AUC 是一種整體上的衡量方法，不需要手動設置閾值，其在樣本不均衡情況下仍能合理評價模型準確性，研究遂選用此方法對模型進行準確性評估。AUC 的取值范圍為0～1，數值越接近1 說明預測效果越好。

1.3 適生區劃分標準

參照趙金鵬[10]等對物種分布可能性（Probability,P）的劃分標準，將核桃舉肢蛾的適生區分為四個等級，即高適生區（P≥0.66）、中適生區（0.33≤P＜0.66）、低適生區（0.05≤P＜0.33）和不適生區P＜0.05）。

1.4 研究區域

秦巴山區西起青藏高原東緣，東至華北平原西南部，區域范圍包括河南、湖北、重慶、四川、陜西和甘肅六省市的75 個縣（區），其中河南10個、湖北7 個、重慶5 個、四川15 個、陜西29 個和甘肅9 個，國土總面積約為22.5 平方公里。

2 結果與分析

2.1 主導環境因子的篩選及響應分析

基于核桃舉肢蛾實際點位數據、生物學氣候數據和海拔數據構建核桃舉肢蛾潛在地理分布初始預測模型，依據貢獻率和置換重要性篩選出8 個影響核桃舉肢蛾潛在地理分布的主導環境因子（表1）。從表1 中可知，8 個主導環境因子依次為最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、海拔、最冷季降水量、等溫性、最干季降水量和最冷季平均溫度（按照貢獻率大小排序），累計貢獻率和置換重要性分別為93.3%和90.1%，可以用來描述核桃舉肢蛾環境需求特點，故選取以上8 個因子作為影響核桃舉肢蛾分布的主導環境因子建立最終預測模型。

表1 影響核桃舉肢蛾分布的主導環境因子Tab.1 Dominant environmental factors affecting the distribution of A. hetaohei

從核桃舉肢蛾對主導環境因子的響應情況（圖2）可知，對于8 個主導環境因子，核桃舉肢蛾存在概率均是先隨著主導環境因子值的增大而升高，達到一定峰值后，存在概率隨著主導環境因子值的增加而降低。以存在概率0.33 及以上為研究對象，最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、海拔、最冷季降水量、等溫性、最干季降水量和最冷季平均溫度的范圍分別為110.5～272.7 mm、-4.8～8.8 ℃、-13～4 ℃、90.5～2154.5 m、8.5～97.9 mm、24.2～33.8、15.5～87.9 mm 和-4.7～7.8 ℃，最佳值為186.09 mm、1.9 ℃、-3.7 ℃、353.1 m、28.2 mm、27.5、36.1 mm和1.6 ℃。

2.2 預測模型準確性評價

研究利用測試數據集對構建的預測模型進行了準確性檢驗，并繪制了受試者工作特征（ROC）曲線圖（圖1）。從圖1 可知，重復測試的AUC 平均為0.948，標準偏差為0.008。根據模型準確性評判標準，預測模型能較好模擬核桃舉肢蛾在秦巴山區的分布。

圖1 不同主導環境因子狀態下核桃舉肢蛾的存在概率Fig.1 Existence probability of A. hetaohei existence under different dominant environmental factors

圖2 核桃舉肢蛾預測模型的ROC 曲線圖Fig.2 ROC curve of the prediction model for A.hetaohei

2.3 當前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區的潛在分布

核桃舉肢蛾在秦巴山區分布較廣，總適生區面積達19.63×104km2。根據當前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區的潛在適生面積（表2）和潛在分布圖（圖3），核桃舉肢蛾高適生區主要集中在秦巴山區的中部，河南、四川和重慶等6 省市均有分布，其中甘肅省面積最?。?.13×104km2），主要分布在甘肅與陜西交界的地區，包括兩當縣、徽縣、成縣、武都縣、康縣和文縣；陜西省面積最大（4.8×104km2），除周至縣和太白縣外，陜西南部的17 個縣（區）均有分布。不適生區面積約為1.6×104km2，主要集中在秦巴山區的西部和東南部，即四川的北川、平武兩縣，甘肅的宕昌、文、禮三縣及河南的淅川和鎮平兩縣。

圖3 當前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區的潛在分布圖Fig.3 Potential suitable distribution of A.hetaohei in Qinba Mountain area under current situation

表2 當前情景下核桃舉肢蛾在秦巴山區的潛在適生面積Tab.2 Potential suitable area of A. hetaohei in Qinba Mountain area under current situation

3 結論與討論

目前對分類預測模型評價指標有很多，例如精確率、召回率、F 值和AUC 值（ROC 曲線）。相較于其他方法，AUC 因不受診斷閾值的影響，且能提供所有閾值范圍上的性能評價結果，被公認為生態位分類預測模的最佳評價指標?；谶x取的主導環境變量重復測試的AUC 平均為0.948，標準偏差為0.008，模型預測結果達到“極好”標準,說明建立的預測模型能夠很好地模擬核桃舉肢蛾在秦巴山區分布。

物種與環境之間的關系是研究物種生態學和空間分布的重要方面之一，對核桃舉肢蛾對主導環境因子的響應情況進行了分析，繪制了相應的響應曲線。研究結果表明，最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、海拔、最冷季降水量、等溫性、最干季降水量和最冷季平均溫度8 個環境變量是主導核桃舉肢蛾在秦巴山區分布的環境因子，且對于8 個主導環境因子，核桃舉肢蛾存在概率均是先隨著主導環境因子值的增大而升高，達到一定峰值后，存在概率隨著主導環境因子值的增加而降低。查閱相關文獻，各地區的核桃舉肢蛾普遍以老熟幼蟲在樹冠下1～3 厘米深的表土層中、石塊下及樹縫中、枯果內結繭越冬。越冬幼蟲普遍于 5 月上旬開始出土化蛹，5 月中旬或6 月上旬為出土化蛹盛期，而成蟲主要發生在 5 月下旬至7 月下旬，8 月上旬或8 月底第2 代老熟幼蟲進入脫果盛期，9 月至翌年 3 月以老熟幼蟲結繭越冬[11-14]。由此可見，最冷月最低溫度、最冷季降水量和最冷季平均溫度關系著核桃舉肢蛾是否能夠安全過冬，而最濕月降水量、最干季平均溫度和最干季降水量則關系著核桃舉肢蛾是否能夠發育繁殖。研究進一步分析表明核桃舉肢蛾中適生區以上區域的最濕月降水量、最干季平均溫度、最冷月最低溫度、最冷季降水量、最干季降水量和最冷季平均溫度范圍分別為110.5～272.7 mm、-4.8～8.8 ℃、-13～4℃、8.5～97.9 mm、15.5～87.9 mm 和-4.7～7.8 ℃，最佳值為186.09 mm、1.9 ℃、-3.7 ℃、28.2 mm、36.1 mm 和1.6 ℃。

核桃舉肢蛾在秦巴山區分布較廣，總適生區面積達19.63×104km2。高適生區主要集中在秦巴山區的中部，其中甘肅省面積最小，約為0.13×104km2，包括兩當縣、徽縣、成縣、武都縣、康縣和文縣；陜西省面積最大，約為4.8×104km2，除周至縣和太白縣外，陜西南部的17 個縣（區）均有分布。由此可看出，核桃舉肢蛾在秦巴山區危險系數極高,有關部門應引起高度重視,嚴防核桃舉肢蛾造成重大損失。昆蟲的潛在地理分布不僅受氣候和海拔因素的影響，也受地區的經濟、人口等因素影響，但研究未考慮此類情況；同時，在統計核桃舉肢蛾適生面積過程中，未扣除水體、城鎮等核桃舉肢蛾非生長區。以上兩個問題，不可避免地會影響預測結果的準確性，未來研究將重點關注上述兩個問題，進一步提高預測模型結果的準確性。