秦巴山区核桃举肢蛾潜在分布预测

廖占东 ,李锋 ,姬红敏 ,王庆*

1.南江县大坝国有林场,四川 南江 636000；

2.南江县林业局,四川 南江 636000；

3.四川省农村经济综合信息中心,四川 成都 610072

核桃举肢蛾（Atrijuglans hetaoheiYang），属鳞翅目举肢蛾科，对核桃果实危害极大，会造成减产甚至绝收。该虫在中国主要分布在河南、四川、山东、陕西、北京、甘肃、河北和山西8 个省市，且以陕西省商洛地区、北京市山区及山西省太行山区危害最为严重[1]。据相关报道，1985 年该虫造成陕西商洛地区核桃减产达4×103吨[2]，1987 年山西9 个市县普查发现虫果率为47.7%～90%[3]。由此可见，该虫对核桃产业发展危害极大。

鉴于核桃举肢蛾分布的广泛性和危害严重性，很多学者对其进行了研究，研究范围包括分布与危害[4-5]、生物学特性[6]、发生规律[7]及防治措施[8]。尽管对核桃举肢蛾分布地区的研究很多，但都局限于单个市县，对整个秦巴山区的研究尚未见报道。秦巴山区泛指秦岭大巴山及毗邻地区，地跨四川省、湖北省、河南省、陕西省、甘肃省和重庆市，是中国核桃三大栽培片区之一。据相关文献报道，截至2015 年底，仅商洛市和安康市核桃总种植面积就达到了28.67×104hm2，年产量6.14×104t，产值超过22.89 亿元，是山区群众脱贫致富的重要产业[9]。因此，对秦巴山区核桃举肢蛾潜在分布区研究是十分必要的。

研究利用文献资料和实际调查获取的核桃举肢蛾在秦巴山区点位数据和当前情景下生物学气候数据，结合最大熵（MaxEnt）预测模型，预测当前气候情景下核桃举肢蛾在秦巴山区潜在分布，旨在为秦巴山区核桃举肢蛾防治和核桃产业的健康持续发展提供参考。

1 材料和方法

1.1 数据获取及处理

研究使用了核桃举肢蛾实际点位数据、生物学气候数据和海拔数据。核桃举肢蛾实际点位数据来自文献收集及实地调研，为避免区域差异引起的生态位狭窄，此部分数据选用中国范围，剔除密集点位后获得41 个实际分布点位。生物学气候数据由2000—2020 年中国地表气候月数据集的月温度和降雨量计算而得，包括代表年趋势（如年均温、年降水量）、季节性（如温度或降水量的年较差）、极端或限制性（如最冷或最暖月温度、湿季或干季降水量）的19 个因子。海拔数据从中国科学院地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）的DEM 高程数据中提取。

1.2 模型准确性评价

常用的模型准确性评价指标很多，例如精准度（Precision）、召回率（Recall）、混淆矩阵（Confusion Matrix）、受试者工作特征曲线（ROC）及受试者工作特征曲线下面积（AUC）等。相较其他评价指标，AUC 是一种整体上的衡量方法，不需要手动设置阈值，其在样本不均衡情况下仍能合理评价模型准确性，研究遂选用此方法对模型进行准确性评估。AUC 的取值范围为0～1，数值越接近1 说明预测效果越好。

1.3 适生区划分标准

参照赵金鹏[10]等对物种分布可能性（Probability,P）的划分标准，将核桃举肢蛾的适生区分为四个等级，即高适生区（P≥0.66）、中适生区（0.33≤P＜0.66）、低适生区（0.05≤P＜0.33）和不适生区P＜0.05）。

1.4 研究区域

秦巴山区西起青藏高原东缘，东至华北平原西南部，区域范围包括河南、湖北、重庆、四川、陕西和甘肃六省市的75 个县（区），其中河南10个、湖北7 个、重庆5 个、四川15 个、陕西29 个和甘肃9 个，国土总面积约为22.5 平方公里。

2 结果与分析

2.1 主导环境因子的筛选及响应分析

基于核桃举肢蛾实际点位数据、生物学气候数据和海拔数据构建核桃举肢蛾潜在地理分布初始预测模型，依据贡献率和置换重要性筛选出8 个影响核桃举肢蛾潜在地理分布的主导环境因子（表1）。从表1 中可知，8 个主导环境因子依次为最湿月降水量、最干季平均温度、最冷月最低温度、海拔、最冷季降水量、等温性、最干季降水量和最冷季平均温度（按照贡献率大小排序），累计贡献率和置换重要性分别为93.3%和90.1%，可以用来描述核桃举肢蛾环境需求特点，故选取以上8 个因子作为影响核桃举肢蛾分布的主导环境因子建立最终预测模型。

表1 影响核桃举肢蛾分布的主导环境因子Tab.1 Dominant environmental factors affecting the distribution of A. hetaohei

从核桃举肢蛾对主导环境因子的响应情况（图2）可知，对于8 个主导环境因子，核桃举肢蛾存在概率均是先随着主导环境因子值的增大而升高，达到一定峰值后，存在概率随着主导环境因子值的增加而降低。以存在概率0.33 及以上为研究对象，最湿月降水量、最干季平均温度、最冷月最低温度、海拔、最冷季降水量、等温性、最干季降水量和最冷季平均温度的范围分别为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 ℃，最佳值为186.09 mm、1.9 ℃、-3.7 ℃、353.1 m、28.2 mm、27.5、36.1 mm和1.6 ℃。

2.2 预测模型准确性评价

研究利用测试数据集对构建的预测模型进行了准确性检验，并绘制了受试者工作特征（ROC）曲线图（图1）。从图1 可知，重复测试的AUC 平均为0.948，标准偏差为0.008。根据模型准确性评判标准，预测模型能较好模拟核桃举肢蛾在秦巴山区的分布。

图1 不同主导环境因子状态下核桃举肢蛾的存在概率Fig.1 Existence probability of A. hetaohei existence under different dominant environmental factors

图2 核桃举肢蛾预测模型的ROC 曲线图Fig.2 ROC curve of the prediction model for A.hetaohei

2.3 当前情景下核桃举肢蛾在秦巴山区的潜在分布

核桃举肢蛾在秦巴山区分布较广，总适生区面积达19.63×104km2。根据当前情景下核桃举肢蛾在秦巴山区的潜在适生面积（表2）和潜在分布图（图3），核桃举肢蛾高适生区主要集中在秦巴山区的中部，河南、四川和重庆等6 省市均有分布，其中甘肃省面积最小（0.13×104km2），主要分布在甘肃与陕西交界的地区，包括两当县、徽县、成县、武都县、康县和文县；陕西省面积最大（4.8×104km2），除周至县和太白县外，陕西南部的17 个县（区）均有分布。不适生区面积约为1.6×104km2，主要集中在秦巴山区的西部和东南部，即四川的北川、平武两县，甘肃的宕昌、文、礼三县及河南的淅川和镇平两县。

图3 当前情景下核桃举肢蛾在秦巴山区的潜在分布图Fig.3 Potential suitable distribution of A.hetaohei in Qinba Mountain area under current situation

表2 当前情景下核桃举肢蛾在秦巴山区的潜在适生面积Tab.2 Potential suitable area of A. hetaohei in Qinba Mountain area under current situation

3 结论与讨论

目前对分类预测模型评价指标有很多，例如精确率、召回率、F 值和AUC 值（ROC 曲线）。相较于其他方法，AUC 因不受诊断阈值的影响，且能提供所有阈值范围上的性能评价结果，被公认为生态位分类预测模的最佳评价指标。基于选取的主导环境变量重复测试的AUC 平均为0.948，标准偏差为0.008，模型预测结果达到“极好”标准,说明建立的预测模型能够很好地模拟核桃举肢蛾在秦巴山区分布。

物种与环境之间的关系是研究物种生态学和空间分布的重要方面之一，对核桃举肢蛾对主导环境因子的响应情况进行了分析，绘制了相应的响应曲线。研究结果表明，最湿月降水量、最干季平均温度、最冷月最低温度、海拔、最冷季降水量、等温性、最干季降水量和最冷季平均温度8 个环境变量是主导核桃举肢蛾在秦巴山区分布的环境因子，且对于8 个主导环境因子，核桃举肢蛾存在概率均是先随着主导环境因子值的增大而升高，达到一定峰值后，存在概率随着主导环境因子值的增加而降低。查阅相关文献，各地区的核桃举肢蛾普遍以老熟幼虫在树冠下1～3 厘米深的表土层中、石块下及树缝中、枯果内结茧越冬。越冬幼虫普遍于 5 月上旬开始出土化蛹，5 月中旬或6 月上旬为出土化蛹盛期，而成虫主要发生在 5 月下旬至7 月下旬，8 月上旬或8 月底第2 代老熟幼虫进入脱果盛期，9 月至翌年 3 月以老熟幼虫结茧越冬[11-14]。由此可见，最冷月最低温度、最冷季降水量和最冷季平均温度关系着核桃举肢蛾是否能够安全过冬，而最湿月降水量、最干季平均温度和最干季降水量则关系着核桃举肢蛾是否能够发育繁殖。研究进一步分析表明核桃举肢蛾中适生区以上区域的最湿月降水量、最干季平均温度、最冷月最低温度、最冷季降水量、最干季降水量和最冷季平均温度范围分别为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 ℃，最佳值为186.09 mm、1.9 ℃、-3.7 ℃、28.2 mm、36.1 mm 和1.6 ℃。

核桃举肢蛾在秦巴山区分布较广，总适生区面积达19.63×104km2。高适生区主要集中在秦巴山区的中部，其中甘肃省面积最小，约为0.13×104km2，包括两当县、徽县、成县、武都县、康县和文县；陕西省面积最大，约为4.8×104km2，除周至县和太白县外，陕西南部的17 个县（区）均有分布。由此可看出，核桃举肢蛾在秦巴山区危险系数极高,有关部门应引起高度重视,严防核桃举肢蛾造成重大损失。昆虫的潜在地理分布不仅受气候和海拔因素的影响，也受地区的经济、人口等因素影响，但研究未考虑此类情况；同时，在统计核桃举肢蛾适生面积过程中，未扣除水体、城镇等核桃举肢蛾非生长区。以上两个问题，不可避免地会影响预测结果的准确性，未来研究将重点关注上述两个问题，进一步提高预测模型结果的准确性。