曲偉偉, 李志紅*, 黃貴修, 林春花, 倪文龍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,北京 100193; 2.海南省熱帶農(nóng)業(yè)有害生物檢測(cè)監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所,儋州 571737)

利用MAXENT預(yù)測(cè)橡膠樹棒孢霉落葉病在中國的適生區(qū)

曲偉偉1, 李志紅1*, 黃貴修2, 林春花2, 倪文龍1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,北京 100193; 2.海南省熱帶農(nóng)業(yè)有害生物檢測(cè)監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所,儋州 571737)

[目的]對(duì)引起橡膠樹棒孢霉落葉病的橡膠樹棒孢霉落葉病菌在我國的適生區(qū)進(jìn)行分析,為相關(guān)部門制定相應(yīng)的防控對(duì)策,及進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和監(jiān)測(cè)區(qū)域的確定提供依據(jù)。[方法]利用MAXENT與ArcGIS,結(jié)合橡膠樹在中國的分布預(yù)測(cè)該病在中國的適生區(qū)。[結(jié)果]預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,該病在我國的橡膠園幾乎均可適生且適生程度較高,適生區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)及預(yù)警對(duì)橡膠產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。預(yù)測(cè)結(jié)果的AUC值為0.978,預(yù)測(cè)效果較好。[結(jié)論]研究結(jié)果可為該病害防控策略的制定提供科學(xué)依據(jù)。

橡膠樹棒孢霉落葉病; 適生性分析; MAXENT; ArcGIS

由多主棒孢[Corynespora cassiicola(Berk.&Curt.)Wei]侵染引起的橡膠樹棒孢霉落葉病(Corynesporaleaf fall disease,CLFD),是繼南美葉疫病(South American leaf blight,SALB)之后又一嚴(yán)重威脅天然橡膠產(chǎn)業(yè)的毀滅性病害[1]。該病于1958年最早在印度橡膠樹苗圃中被發(fā)現(xiàn),隨后蔓延至馬來西亞、尼日利亞、印度尼西亞、巴西、斯里蘭卡、喀麥隆、泰國、越南等植膠國[2],2007年首次在中國發(fā)現(xiàn),目前僅分布于云南、海南、廣西等地的植膠園[3-6]。該病在橡膠樹的各個(gè)生理期均能發(fā)生,相對(duì)濕度96%～100%,溫度28～30℃,全日照或黑暗條件有利于病原物分生孢子的萌發(fā)[7],侵染葉片、枝條,使葉脈變褐,產(chǎn)生特征性的“鐵軌狀”或“魚骨狀”病斑;造成橡膠樹周年反復(fù)落葉甚至幼樹死亡,嚴(yán)重時(shí)造成將近20%的橡膠樹產(chǎn)量損失[8-10]。很多國家橡膠樹棒孢霉落葉病的發(fā)生表明,該病害最初只零星發(fā)生,并不嚴(yán)重,但如果氣候等環(huán)境條件適宜,加上強(qiáng)致病力菌株的存在,再遇上感病品系,則極有可能暴發(fā)流行[11]。該病害目前在我國發(fā)生不久,危害程度較輕。主要發(fā)生在橡膠實(shí)生苗圃,定植膠園發(fā)生少,但對(duì)我國天然橡膠生產(chǎn)的潛在威脅性不容忽視[12]。因此對(duì)橡膠樹棒孢霉落葉病菌在我國的適生區(qū)進(jìn)行分析,可為相關(guān)部門制定相應(yīng)的防控對(duì)策,為進(jìn)一步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和監(jiān)測(cè)區(qū)域的確定提供一定的科學(xué)依據(jù)。

對(duì)物種適生區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法有多種,目前最常用的便是采用諸如CLIMEX、GARP、MAXENT等生態(tài)位模型進(jìn)行分析。2004年,Phillips等人基于最大熵原理用JAVA語言編寫了MAXENT軟件。此軟件運(yùn)行需要兩組數(shù)據(jù),一是目標(biāo)物種的現(xiàn)實(shí)地理分布點(diǎn),以經(jīng)緯度的形式表示;二是物種現(xiàn)實(shí)分布地區(qū)和目標(biāo)地區(qū)的環(huán)境變量,主要是氣候數(shù)據(jù)、植被覆蓋和地形地貌等,根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)運(yùn)算得出預(yù)測(cè)模型,再利用此模型模擬目標(biāo)物種在目標(biāo)地區(qū)的可能分布情況[13]。MAXENT雖然推出時(shí)間較短,但已得到比較廣泛的運(yùn)用[14-20]。本研究采用MAXENT軟件對(duì)橡膠樹棒孢霉落葉病菌在我國的適生范圍和程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料

分布數(shù)據(jù)的獲取可以通過3種途徑,依據(jù)國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)論文,通過博物館或標(biāo)本館中的標(biāo)本記錄,另外還可以通過實(shí)地考查來獲取分布數(shù)據(jù)[21]。本研究的分布數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)外公開發(fā)表的論文[11,22-27],核對(duì)位置后得到92個(gè)參考點(diǎn),如圖1,根據(jù)MAXENT軟件要求,將參考點(diǎn)按物種名、分布點(diǎn)經(jīng)度和緯度順序儲(chǔ)存成csv格式的文件,其中東經(jīng)和北緯為正,西經(jīng)和南緯為負(fù)。

圖1 已報(bào)道的橡膠樹棒孢霉落葉病分布點(diǎn)示意圖

1.1.2 軟件工具

MAXENT 軟件:從 www.cs.princeton.edu/～schapire/maxent免費(fèi)下載,版本為3.3.1;GIS軟件:由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物檢疫實(shí)驗(yàn)室提供,版本為ArcGIS 9.3。

1.1.3 環(huán)境數(shù)據(jù)

本研究選取影響橡膠樹棒孢霉落葉病分布的7個(gè)生物氣候變量(年平均溫度BIO1、年降雨總量BIO12、最寒冷季度的平均溫度BIO11、最寒冷季度的降雨量BIO19、最干燥季節(jié)的降雨量BIO17、最干燥季節(jié)的平均溫度BIO9和季度降雨量BIO15)和一個(gè)海拔變量(altitude)作為主要環(huán)境數(shù)據(jù)。選取1950-2000年間分辨率為5arc-minutes氣候數(shù)據(jù),從http:∥www.diva-gis.org/climate.htm免費(fèi)下載,并轉(zhuǎn)換成MAXENT軟件所要求的后綴名為asc格式的文件。

1.1.4 寄主分布

橡膠樹又名巴西橡膠樹、三葉橡膠樹,在我國主要分布于海南,云南的西雙版納、普洱、紅河、臨滄、德宏和文山,廣東西部的徐聞、雷州、遂溪、廉江、電白、化州、高州、信宜、陽西、陽東、陽春等縣市及東部的揭陽、汕尾局部地區(qū),廣西的合浦、陸川、北流、博白、浦北、防城和東興/欽州一線,崇左和寧明也有部分種植,福建的詔安、云霄,平和、漳浦、龍海和長泰也有部分種植,臺(tái)灣南部地區(qū)[28-30]。

1.1.5 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

開花期是大豆需水的關(guān)鍵時(shí)期，這時(shí)代謝旺盛，耗水量大。如遇干旱，土壤含水量降低，易導(dǎo)致植株生理缺水，引起大量落花。必須給予水分補(bǔ)充，灌水提倡小水澆灌，水量不宜過大，防止大水漫灌。但遇暴雨或連陰雨時(shí)，要及時(shí)排水防澇。

從國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)(http:∥nfgis.nsdi.gov.cn/)下載獲得1∶400萬的中國國界和省界以及縣界行政區(qū)劃圖,作為分析的底圖。

1.2 方法

將分布數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入MAXENT,隨機(jī)選取25%的分布點(diǎn)作為測(cè)試集(test data),剩余75%作為訓(xùn)練集(training data),其他參數(shù)均為軟件默認(rèn)值。分析結(jié)果以 Logistic格式,ASCII類型文件輸出。導(dǎo)入ArcGIS處理,顯示結(jié)果圖,最后結(jié)合橡膠樹在我國的分布情況推測(cè)該病菌的潛在地理分布。

2 結(jié)果與分析

利用MAXENT依據(jù)環(huán)境條件數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)橡膠樹棒孢霉落葉病菌在中國適生范圍與程度如圖2。

適宜值越高代表病菌在某種環(huán)境條件下適生程度越高。預(yù)測(cè)結(jié)果中,該病菌目前分布地的適宜值都在0.1以上,且病害高發(fā)地的適宜值在0.35以上,將其在中國的適生區(qū)劃分為4個(gè)等級(jí)如表1。在環(huán)境條件基礎(chǔ)上再考慮橡膠樹在我國的分布情況,如圖3。

表1 橡膠樹棒孢霉落葉病菌適生性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

圖2 橡膠樹棒孢霉落葉病病菌在中國的適生范圍與程度

圖3 橡膠樹棒孢霉落葉病病菌在中國植膠區(qū)的適生范圍和程度

海南三亞的西、南部,樂東的西部,保亭的南部,昌江的北部,白沙的西北,儋州的西、北部,臨高的北部為該病菌中度適生區(qū);其余地區(qū)均為高度適生區(qū)。

廣東西部的徐聞、雷州、遂溪、廉江、電白、化州、高州、信宜的中部、陽西、陽東、陽春、汕尾為該病菌的高度適生區(qū);揭陽為中度適生區(qū),汕尾的陸豐、海豐為高度適生區(qū)。

云南西雙版納的勐海為低度適生區(qū),景洪的北部為低度適生區(qū),中部為中度適生區(qū),南部為高度適生區(qū),勐臘南部為高度適生區(qū),其余為中度適生區(qū);德宏的瑞麗為中度適生區(qū),瀘西西部、北部為中度,德宏的其他地區(qū)為低度適生區(qū);臨滄小部分地區(qū)為低度適生區(qū),其余為非適生區(qū);普洱北部為非適生區(qū),南部為低度適生區(qū);紅河的河口,綠春的西南,金平東部為高度適生區(qū),屏邊南部,元陽、紅河、建水和個(gè)舊的南部為低度適生區(qū),金平南部為中度適生區(qū),其余均為非適生區(qū);文山的東部為中度適生區(qū),零星地區(qū)為低度適生區(qū)。其他均為非適生區(qū)。

福建詔安、平和東西兩側(cè),云霄的西北,龍海的西、北部,長泰的西、南部為該病菌中度適生區(qū);漳浦、云霄大部分地區(qū),平和的中、西部,龍海的中、東部,長泰的中、北部為低度適生區(qū)。

廣西浦北,北流的北部為中度適生區(qū);寧明、崇左 、防城港 、東興 、欽州 、合浦 、博白 、陸川,北流大部分地區(qū),浦北的南部為高度適生區(qū)。

臺(tái)灣南部少數(shù)地區(qū)為高度適生區(qū)。

3 討論

MAXENT是近幾年剛開發(fā)出的物種地理分布預(yù)測(cè)軟件,一般采用 AUC(areas under curve,曲線下面積)值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷,一般認(rèn)為AUC值為0.5～0.7時(shí)模型診斷價(jià)值較低;0.7～0.9時(shí)診斷價(jià)值中等;大于0.9時(shí)診斷價(jià)值優(yōu)秀[31]。本研究預(yù)測(cè)結(jié)果的AUC值為0.978,效果較好,預(yù)測(cè)得出橡膠樹棒孢霉落葉病菌在中國的適生范圍和程度具有比較高的可信度。MAXENT運(yùn)行過程中通過刀切法(jackknife test)測(cè)定選用變量的重要性,以此判斷變量對(duì)橡膠樹棒孢霉落葉病菌分布的不同影響及重要性,從圖4可看出具有最高值的環(huán)境變量是年降雨總量,其中包含最有價(jià)值的信息;而MAXENT后臺(tái)運(yùn)行結(jié)果顯示年平均溫度則具有其他變量不具有的信息。這反映出該病害的發(fā)生對(duì)溫、濕度有很高的要求,與前人的研究結(jié)果一致,也從側(cè)面說明研究中選取了恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)。

圖4 MAXENT刀切法測(cè)定變量的重要性

橡膠樹棒孢霉落葉病在我國發(fā)生不久,危害程度較輕。但本次預(yù)測(cè)通過ArcGIS運(yùn)算得出該病適生區(qū)約占我國天然橡膠種植區(qū)的70%;其中,高度及中度適生區(qū)占植膠區(qū)面積的48%(圖5),且大都分布在我國橡膠產(chǎn)業(yè)三大優(yōu)勢(shì)區(qū)的海南、云南、廣東等地。條件適宜,該病極有可能流行發(fā)生,造成重大損失。為此,一方面應(yīng)防止國外強(qiáng)致病株系傳入我國造成危害;另一方面,應(yīng)立即開展針對(duì)該病害的普查工作,確定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。嚴(yán)禁從病害發(fā)生地調(diào)運(yùn)繁殖或種植材料,并對(duì)病區(qū)病株殘?bào)w進(jìn)行處理和集中燒毀,防止病害的進(jìn)一步傳播和蔓延。另外,環(huán)境條件適宜,準(zhǔn)備發(fā)展橡膠種植產(chǎn)業(yè)的地區(qū),可根據(jù)橡膠樹棒孢霉落葉病菌在中國的適生范圍與程度(圖2),綜合考慮制定完善的發(fā)展計(jì)劃。

圖5 橡膠樹棒孢霉落葉病適生區(qū)占中國植膠區(qū)的面積比

本研究中,在環(huán)境變量方面,由于缺少相應(yīng)的數(shù)字底圖,僅僅考慮了海拔及氣候因素,而沒有考慮土壤類型、植被以及氣候變暖等因素對(duì)病害分布的影響;以后的研究中也可以將多種軟件分析方法結(jié)合起來使用相互參照。

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Prediction of potential geographic distribution of Corynespora leaf fall disease in China using MAXENT

Qu Weiwei1, Li Zhihong1, Huang Guixiu2, Lin Chunhua2, Ni Wenlong1
(1.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing100193,China;2.Hainan Key Laboratory for Monitoring and Control of Tropical Agricultural Pests,Institute of Environmental and Plant Protection,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Danzhou571737,China)

[Objective]The potential geographic distribution ofCorynespora cassiicola(Berk.&Curt.)Wei,which causedCorynesporaleaf fall disease,was analyzed to provide the basis for control and monitoring of the disease.[Method]The potential geographic distribution of the disease was analyzed based on the distribution ofHevea brasiliensisin China using MAXENT and ArcGIS.[Result]The results showed that the disease had a high suitability in most rubber plantations in China.Monitoring and early warning were of great significance to the sustainable and healthy development of rubber industry in the suitable areas.The AUC value of the results reached 0.978,indicating that the predicted results were good.[Conclusion]This study would provide scientific proofs for making the policies on prevention and control of the disease.

Corynesporaleaf fall disease; potential geographic distribution; MAXENT; ArcGIS

S 435.76

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2011.04.011

2010-05-06

2010-06-11

農(nóng)業(yè)部熱帶農(nóng)林有害生物入侵監(jiān)測(cè)與控制重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目(MACK L0907)

*通信作者Tel:010-62733000;E-mail:lizh@cau.edu.cn