氣候變化對(duì)新疆意大利蝗潛的影響

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摘要：意大利蝗犆犪犾犾犻狆狋犪犿狌狊犻狋犪犾犻犮狌狊（L．）是新疆草原主要優(yōu)勢(shì)蝗蟲之一，每年給新疆畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重?fù)p失，氣候變化對(duì)其潛在分布影響的預(yù)測(cè)對(duì)其科學(xué)防治有重要意義。本研究采用意大利蝗的分布數(shù)據(jù)和生物氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合MaxEnt模型和ArcGIS軟件，預(yù)測(cè)了BCC＿CSM1．1氣候模式下政府間氣候變化專門委員會(huì)第五次工作報(bào)告（IPCCAR5）采用的RCP2．6、RCP4．5和RCP8．5三種氣候情景在2021－2040年（2030s）、2041－2060年（2050s）和2061－2080年（2070s）的意大利蝗新疆潛在適生區(qū)分布范圍。結(jié)果表明：在BCC＿CSM1．1的各情景下，意大利蝗適生區(qū)在北疆及天山一帶分布格局基本保持不變，但高度適生區(qū)面積都有所增加，其中在天山和阿爾泰山地區(qū)，意大利蝗中、高度適生區(qū)范圍將向更高海拔區(qū)域蔓延，在北疆阿勒泰地區(qū)高度適生區(qū)明顯增加。極端水分條件和水熱條件對(duì)意大利蝗在新疆潛在分布發(fā)揮主要作用，其中4月、10月、3月和11月降水量對(duì)意大利蝗在新疆潛在分布影響最大，因其直接影響土壤相對(duì)含水量和土壤溫度，從而決定意大利蝗卵的存活量。

關(guān)鍵詞：意大利蝗；MaxEnt模型；氣候變化；RCPs；氣候情景；地理信息系統(tǒng)；預(yù)測(cè)

全球環(huán)境變化特別是氣候變化已成為國內(nèi)外最受關(guān)注的熱點(diǎn)問題［1］。2014年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第5次評(píng)估報(bào)告（AR5）指出：1951－2010年間，溫室氣體造成的全球平均地表增溫在0．5～1．3℃之間；與1986－2005年相比，預(yù)計(jì)2016－2035年全球平均地表溫度將升高0．3～0．7℃，2081－2100年將升高0．3～4．8℃［2］。1951－2008年新疆南疆地區(qū)氣候呈較明顯的變暖變濕趨勢(shì)［3］。而北疆在1960－2011年氣溫以0．35℃／10年的速度顯著增加；冬季和秋季降水引起年均降水量的顯著增加，空間上阿爾泰山南坡和天山北坡顯著增加，準(zhǔn)噶爾盆地西部未發(fā)現(xiàn)增加［4］。目前，預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)物種的分布范圍及格局的影響已成為生物地理學(xué)和全球變化生物學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)領(lǐng)域［56］。而氣候變化已成為病蟲害發(fā)生的主要驅(qū)動(dòng)力之一［78］。近年來，在氣候變暖背景下，中國病蟲害呈發(fā)生面積逐年增長、暴發(fā)種類逐年增加、災(zāi)害損失逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，而未來氣候持續(xù)變暖將導(dǎo)致這種情況進(jìn)一步加重［9］。意大利蝗犆犪犾犾犻狆狋犪犿狌狊犻狋犪犾犻犮狌狊（L．）屬直翅目Orthoptera，蝗總科Acridoidea，斑腿蝗科Catantopidae，星翅蝗屬犆犪犾犾犻狆狋犪犿狌狊AudinetServille。在我國主要分布于新疆北部海拔800～2300m的荒漠、半荒漠草地［10］。作為新疆草原主要優(yōu)勢(shì)蝗蟲之一，每年給新疆畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重?fù)p失［1112］。在全球氣候變暖背景下，意大利蝗新疆適生區(qū)近53年氣候總體呈暖濕趨勢(shì)，氣候格局的顯著變化，會(huì)導(dǎo)致蝗蟲地理分布格局及災(zāi)變規(guī)律的重大改變［12］。那么未來氣候變化下意大利蝗在新疆潛在適生區(qū)分布會(huì)發(fā)生怎樣的變化？其適生區(qū)形成的主要環(huán)境氣候因子是否會(huì)改變？基于此科學(xué)問題，本研究采用新疆實(shí)地調(diào)查的意大利蝗GPS數(shù)據(jù)，運(yùn)用MaxEnt模型和ArcGIS軟件，預(yù)測(cè)了當(dāng)前氣候條件（1950－2000年）和BCC＿CSM1．1（BeijingClimateCenter＿ClimateSystemModelversion1．1）未來氣候模式下RCP2．6、RCP4．5和RCP8．5三種氣候情景在2021－2040年（2030s）、2041－2060年（2050s）和2061－2080年（2070s）意大利蝗新疆潛在適生區(qū)分布，分析了影響意大利蝗潛在分布的主要環(huán)境因子，嘗試完善意大利蝗在新疆發(fā)生的災(zāi)變理論，以期為其重點(diǎn)適生區(qū)域及蔓延趨勢(shì)進(jìn)行針對(duì)性防控提供參考。

1材料與方法

1．1意大利蝗分布數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)2014－2015年新疆畜牧廳治蝗滅鼠指揮部對(duì)各地州意大利蝗發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行野外GPS采樣，收集到的990個(gè)分布點(diǎn)按最大熵軟件要求進(jìn)行存儲(chǔ)，按照物種名、經(jīng)度、緯度的格式保存為．csv文件。中國矢量地圖比例尺為1∶400萬，從國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)（http：∥nfgis．nsdi．gov．cn／）下載，用ArcGIS10．0裁剪出新疆矢量邊界。

1．2生物氣候數(shù)據(jù)在WorldClim（http：∥www．worldclim．org／）下載的當(dāng)前氣候（1950－2000）生物氣候數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)；未來生物氣候數(shù)據(jù)在CCAF（ClimateChange，AgricultureandFoodSecurity）網(wǎng)站http：∥www．ccafsclimate．org中下載，空間分辨率都為30seconds（表1）。IPCCAR5采用了4個(gè)典型濃度路徑（representativeconcentrationpathways，RCPs）排放情景，這些情景以相對(duì)于1750年的2100年近似總輻射強(qiáng)迫來表示。本研究采用RCP2．6、RCP4．5和RCP8．5情景進(jìn)行未來預(yù)測(cè)。在RCP2．6情景下輻射強(qiáng)迫值為2．6W／m2，是極低強(qiáng)迫水平的減緩情景；在RCP4．5情景下為4．5W／m2，是中等穩(wěn)定化情景；在RCP8．5情景下是8．5W／m2，為溫室氣體排放非常高的情景。對(duì)RCP2．6情景，輻射強(qiáng)迫先達(dá)到峰值，然后下降；對(duì)RCP4．5情景，輻射強(qiáng)迫在2100年前達(dá)到了穩(wěn)定；對(duì)于RCP8．5情景，到2100年輻射強(qiáng)迫還沒有達(dá)到峰值。RCPs情景進(jìn)一步考慮了應(yīng)對(duì)氣候變化的各種策略對(duì)未來溫室氣體排放的影響，更科學(xué)地描述了未來氣候變化預(yù)估結(jié)果［13］。

1．3軟件與方法MaxEnt軟件下載于網(wǎng)站http：∥www．cs．princeton．edu／，ArcGIS10．0軟件由美國ESRI公司開發(fā)。將意大利蝗的分布數(shù)據(jù)和生物氣候數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt模型中，選擇75％的分布點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本，25％的分布點(diǎn)作為驗(yàn)證樣本。選取刀切法（Jackknife）分析各環(huán)境變量對(duì)潛在分布影響的重要性。運(yùn)用刀切法（Jackknife）檢測(cè)生物氣候變量對(duì)于分布增益的貢獻(xiàn)，即單獨(dú)用每一變量建立模型（深藍(lán)色條帶），然后環(huán)境變量被輪流逐一剔除，并用剩余的變量參與運(yùn)算模型（淺藍(lán)色條帶），同時(shí)還會(huì)生成一個(gè)所有變量都參與運(yùn)行的結(jié)果（紅色條帶），以確定各變量對(duì)預(yù)測(cè)模型的重要性［14］。分布結(jié)果取運(yùn)行10次的平均值以減小MaxEnt模型運(yùn)行時(shí)的誤差。MaxEnt模型運(yùn)算出新疆意大利蝗分布區(qū)，通過ArcGIS10．0中SpatialAnalyst模塊的Reclassify對(duì)意大利蝗各等級(jí)的潛在分布區(qū)進(jìn)行重新賦值，將研究區(qū)意大利蝗的生境分為5個(gè)等級(jí)，分別為非適生區(qū)（0，0．06］、邊緣適生區(qū)（0．06，0．16］、低度適生區(qū)（0．16，0．29］、中度適生區(qū)（0．29，0．40］和高度適生區(qū)（0．40，1．00］。

1．4精度驗(yàn)證在建立模型過程中，通過Jackknife中的AUC評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模型的效果和各個(gè)環(huán)境特征變量的重要性進(jìn)行檢測(cè)，來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度［15］。AUC為模型自帶的受試者工作特征（receiveroperatorcharacteristic，ROC）曲線下的面積（areaundercurve，AUC），不同的值代表不同的重要性級(jí)別：0．5～0．6，不及格（fail）；0．6～0．7，較差（poor）；0．7～0．8，一般（fair）；0．8～0．9，良好（good）；0．9～1．0，優(yōu)秀（excellent）［1617］。

2結(jié)果與分析

2．1犕犪狓犈狀狋模型預(yù)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)當(dāng)前和未來不同氣候模式下19個(gè)生物氣候變量的10次MaxEnt模型運(yùn)行的ROC曲線檢驗(yàn)結(jié)果：訓(xùn)練集（trainingdata）AUC的10次均值都在0．926～0．927間波動(dòng)，驗(yàn)證集（testdata）AUC值在0．903～0．927間波動(dòng)，表明預(yù)測(cè)結(jié)果都為優(yōu)秀水平。

2．2當(dāng)前氣候模式和未來氣候情景下意大利蝗在新疆潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)將MaxEnt模型運(yùn)行的結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS中，執(zhí)行重分類，并利用空間分析疊加顯示模塊，得出當(dāng)前氣候情景和未來氣候情景下意大利蝗在新疆的空間分布圖（圖1、2）。從圖1和圖2可看出：空間分布上，未來（2030s、2050s、2070s）不同氣候情景（RCP2．6、RCP4．5、RCP8．5）下意大利蝗的分布格局與當(dāng)前氣候條件下相比基本保持不變。即意大利蝗適生區(qū)主要在北疆地區(qū)及天山一帶，其中高度適生區(qū)和中度適生區(qū)主要分布在：伊犁州、博州中部，塔城地區(qū)的西北部，阿勒泰地區(qū)的西北部和東南部，昌吉州南部，烏魯木齊的達(dá)坂城區(qū)和烏魯木齊縣，哈密地區(qū)中部，吐魯番地區(qū)和阿克蘇地區(qū)北部。低度和邊緣適生區(qū)主要集中在阿勒泰地區(qū)中部和昌吉州北部，以及南疆克州中部和東北部。空間分布變化上，在天山和阿爾泰山地區(qū)，未來意大利蝗中、高度適生區(qū)范圍將向更高海拔區(qū)域蔓延，在北疆阿勒泰地區(qū)高度適生區(qū)明顯增加（圖1、2）。ArcGIS空間分析統(tǒng)計(jì)各氣候情景下意大利蝗的各級(jí)適宜生境占新疆總面積比例（表2）。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果（與當(dāng)前條件相比）：RCP2．6、RCP4．5和RCP8．5三種氣候情景下到2030s（2021－2040年），新疆意大利蝗適宜生境將分別增加2．23％、1．54％和2．20％，到2050s（2041－2060年），三種氣候情景下分別增加2．89％、1．87％和5．30％，至2070s（2061－2080年），分別增加6．53％、1．79％和3．98％。高度適生區(qū)增加的比重更高：較1950－2000年（current），在RCP2．6情景下意大利蝗新疆高度適生區(qū)面積比重在2030s、2050s、2070s分別增加3．74％、4．08％、7．66％；在RCP8．5情景下，分別增加2．28％、4．76％、6．15％。這兩種氣候情景下都表現(xiàn)為從2000年到2030s、2050s、2070s逐漸增加的趨勢(shì)。在RCP4．5氣候情景下，意大利蝗新疆高度適生區(qū)面積比例隨時(shí)間增長分別增加3．58％、1．95％、2．83％，表現(xiàn)為2030s＞2080s＞2050s＞1950－2000年（current）的變化趨勢(shì)。在全球變暖

2．3意大利蝗潛在分布區(qū)環(huán)境因子分析刀切法得出單獨(dú)使用某個(gè)環(huán)境變量建立模型時(shí)，年降水量（Bio12）、最干月降水量（Bio14）、最干季降水量（Bio17）和最冷季降水量（Bio19）分別對(duì)意大利蝗潛在地理分布影響最大，極端降水和水熱條件對(duì)意大利蝗的潛在分布發(fā)揮重要作用。在干旱與半干旱區(qū)新疆，降水量對(duì)意大利蝗的適生區(qū)分布起到主要作用，為分析意大利蝗潛在分布概率與主要環(huán)境因子的關(guān)系，將12個(gè)月的降水?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt模型中進(jìn)行建模，得出4月、10月、3月和11月降水量對(duì)意大利蝗在新疆潛在分布影響最大（圖3）。同時(shí)得出意大利蝗存在概率對(duì)這4個(gè)變量的響應(yīng)曲線（圖4）。3、4、10、11月份降水量分別達(dá)到11～22mm、18～37mm、16～35mm和大于11mm時(shí)意大利蝗存在的概率大于50％。圖3犕犪狓犈狀狋刀切法測(cè)試月降水環(huán)境變量的重要性犉犻犵．

3討論

氣候變暖促使植物分布向高海拔和高緯度地區(qū)遷移的現(xiàn)象已在全球范圍被觀測(cè)證實(shí)［1821］。有研究得出氣候變暖導(dǎo)致昆蟲向兩極和高海拔地區(qū)擴(kuò)展：即受低溫限制的昆蟲增加了向兩極和高海拔擴(kuò)散的機(jī)會(huì)［2223］，本研究也認(rèn)為隨著未來新疆氣候變暖變濕，意大利蝗將會(huì)沿著氣候環(huán)境相似的高海拔地域上移和高緯度區(qū)域北移定殖，這是昆蟲對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)。意大利蝗適生區(qū)變化與不同情景溫室氣體排放的濃度變化并未表現(xiàn)出一致性；但各情景下高度適生區(qū)隨時(shí)間推移逐漸增加表明溫室氣體的排放是引起變化的主導(dǎo)原因。MaxEnt模型顯示的適生分布區(qū)格局，反映了昆蟲在基礎(chǔ)生態(tài)位和實(shí)際生態(tài)位中對(duì)空間需求的內(nèi)在生物學(xué)特性［24］。意大利蝗各發(fā)育階段的死亡率由高到低分別為41．02％（卵）、32．00％（1齡蝗蝻）、18．18％（產(chǎn)卵前期）、8．33％（2齡蝗蝻）、5．71％（5齡蝗蝻）、5．67％（3齡蝗蝻）、3．35％（4齡蝗蝻）［25］可知意大利蝗自然種群的死亡集中于卵期、1齡蝗蝻期，而新疆每年10、11月及次年3、4月降水量對(duì)意大利蝗在新疆潛在分布影響最大，因其直接影響土壤相對(duì)含水量和土壤溫度，從而決定意大利蝗卵的存活量；也說明這些時(shí)段是意大利蝗卵發(fā)育和存活的重要時(shí)期。秋季至翌年春季土壤的溫濕度變化對(duì)蝗卵的越冬、孵化出土以及蝗蝻生長將產(chǎn)生重要影響［26］。在自然條件下，意大利蝗卵的吸水集中于翌年3月底，卵體含水量迅速從60％左右增加至75％以上；4月蝗卵繼續(xù)發(fā)育，土壤相對(duì)含水量在5％～55％時(shí)，卵孵化率隨土壤相對(duì)含水量的增加而升高；春季土壤相對(duì)含水量直接決定意大利蝗卵的存活量，所以預(yù)測(cè)意大利蝗發(fā)生量以檢測(cè)土壤相對(duì)含水量為主［25］。本研究得出新疆3－4月降水量作為影響土壤溫濕度的重要因子，分別達(dá)到11～22mm、18～37mm時(shí)意大利蝗適生區(qū)存在的概率將大于50％。陳素華等也得出若春季溫度適宜，則降水就成為關(guān)鍵，內(nèi)蒙古草地春季降水過少，既不利于蝗蟲的破土出殼，又不利于蝗蝻取食，而在適宜溫度范圍內(nèi)每旬有3～10mm的降水，則蝗卵發(fā)育最快，出土成蟲率最高［26］。圖4意大利蝗存在概率的主要環(huán)境變量響應(yīng)曲線犉犻犵．

同樣，新疆意大利蝗在10月蝗卵處于越冬胚胎發(fā)育階段，到11月進(jìn)入滯育階段。在新疆，11月已進(jìn)入霜凍期，開始降雪。降雪量越多，形成冬雪保護(hù)層越利于蝗卵過冬，雪水也利于越冬卵的水分保持和土壤松軟［27］。本研究也認(rèn)為11月降雪量高于11mm后意大利蝗適生區(qū)發(fā)生概率大于50％，且不斷增加。大氣二氧化碳濃度升高、溫度上升、降雨分布不均、災(zāi)害性天氣出現(xiàn)頻次增加等全球氣候變化將不但會(huì)影響單種生物，還會(huì)影響原有的植物－害蟲－天敵間內(nèi)在聯(lián)系和各營養(yǎng)層間的固有平衡格局，最終導(dǎo)致一些害蟲暴發(fā)成災(zāi)，一些昆蟲種群數(shù)量下降甚至物種滅絕［27］。意大利蝗在新疆潛在適生區(qū)的變化若能分析氣溫、降水、土壤溫濕度、太陽輻射等因子相互耦合作用的同時(shí)，考慮包括寄主植物、天敵和種間關(guān)系、土壤、地形、人工防治等多種因素、不同蟲齡對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)和承受力等，預(yù)測(cè)精度可進(jìn)一步提高。

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作者：李培先1，2，林峻3，麥迪?庫爾曼3，吳建國3，劉永強(qiáng)1，2，鄭江華1 單位：1．新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2．新疆大學(xué)智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3．新疆維吾爾自治區(qū)治蝗滅鼠指揮部辦公室