郭连云，丁生祥，吴 让

(1.青海省海南州气象局，青海 共和 813099； 2.青海省同德县气象局，青海 同德 813201)

青海巴滩草地小地老虎虫害发生的气象预测模型建立

郭连云1，丁生祥2，吴 让2

(1.青海省海南州气象局，青海 共和 813099； 2.青海省同德县气象局，青海 同德 813201)

为了预防小地老虎(Agrotisypsilon)的危害，采用相关分析、多元线性回归方法，利用2000-2013年青海省同德县巴滩放牧草地取得的小地老虎虫口密度数据和同时期气象观测资料，研究了气候因子对草原小地老虎虫害发生的影响。结果表明，近14年同德巴滩草原小地老虎虫害以每年6.81头·m-2的速率上升，虫口密度的平均绝对变率为66.07头·m-2，最多年虫口密度比最少年多93.95%。小地老虎虫口密度与气温、降水、地温、光照和平均风速之间的相关性较好。多元回归分析显示，影响小地老虎虫口密度的主导气候因子有上一年9月降水量、12月平均气温、上年年日照时数和12月10 cm平均地温，共同决定了小地老虎虫口密度的95.02%。回代检验表明，模型预测的准确率达96.3%，模拟效果较好。

小地老虎；虫口密度；影响因子；预报模型；同德县

小地老虎(Agrotisypsilon)，别名地蚕、土蚕、切根虫等，属于鳞翅目(Lepidoptera)夜蛾科(Noctuidae)，是一种危害严重的农业地下害虫，每年都给我国农业生产造成数百万的经济损失[1]。主要取食植物的幼根、幼茎、嫩叶，其危害植物种类多，危害36个科100多种植物。该虫生活史包括卵、幼虫、蛹、成虫4个阶段。在西北地区发生2～4代，幼虫昼伏夜出,主要为害牧草的地下部分(种子、根、茎)和地上部分靠近地面的嫩茎，成虫具有迁飞能力[1-3]。近年来，青海省同德县巴滩放牧草地在春末夏初多次发生“小地老虎”虫害，致使该地区近20万亩(约合1.33万hm2)草地遭受破坏，给当地农牧民造成严重的经济损失。2010年6月，同德县巴滩草地的省级牧草良种繁殖场虫害发生面积10万亩(约合0.67万hm2)，成灾面积8万亩(约合0.53万hm2)，栽培草地虫害平均密度为578头·m-2，最高密度达867头·m-2，对当地种子基地和退耕还林生态治理工程造成了极大的危害[4]。

国内有关小地老虎影响农业生产的研究有许多报道，大多集中在小地老虎的发生规律、发生因素、生活习性及防治技术方面[5-7]。刘红梅和龙玲[8]利用1985-1994年小地老虎系统测报资料及有关气象资料，组建Fuzzy综合评判模型，对小地老虎发生趋势作预测，历史符合率达90%。小地老虎的发生与气象因子之间的关系也有一定的研究，忻定盆地第一代小地老虎的发生为害程度与当年成虫的始见期、4月上旬至5月上旬灯下成虫量、4月降水量、4月平均气温等因子密切相关[6]。在高寒草原，有关毛虫虫害与气象因子之间的研究较多[9-11]。随着气候变暖，9月降水量是影响玛沁县草原毛虫(Gynaephora)虫害发生的关键因素；河南县草原毛虫密度与降水量和气温呈正相关，气温因素对毛虫密度影响更大[10]。于健龙和石红霄[12]研究了不同危害级别的草原毛虫与高寒嵩草草甸的群落结构特征和土壤特性的关系，指出随着虫口密度的增加，高寒嵩草草甸群落结构逐渐由莎草科主演的草地更替为杂类草草地。唐红艳和牛宝亮[13]通过对草地螟(Loxostegesticticalis)各个虫态发生量与气象因子的相关分析，研究了影响草地螟一代幼虫发生的关键期、关键气象因子及其指标。随着全球气候变暖，近几年草原毛虫发生频繁，爆发成灾[14-15]。但到目前为止，对于草原小地老虎为害发生的驱动因素和机制尚不太清楚，有关小地老虎对高寒草原的影响及与相关气候因子之间关系的研究还很少。小地老虎的发生有适应的环境，了解其生物学特性、发生规律、数量变化以及影响其发生的主导因素，是监测预报和防治的重要理论基础和依据。为此，利用2000-2013年在同德县巴滩放牧草地上取得的小地老虎的虫口密度数据和同时期气象观测资料，对小地老虎虫口密度与气象因子进行相关分析，旨在找出影响小地老虎虫口密度的主要气象因子，建立小地老虎虫口密度变化的气象预测模型，以期为进一步有效控制小地老虎的危害提供理论依据。

1 调查地概况及调查方法

1.1 调查地区概况

同德县地处黄河上游，隶属青海省海南藏族自治州，是青海环湖牧区与青南高寒牧区的过渡地带，属于青海“三江源”自然保护区生态环境较脆弱的地区，境内最高海拔4 671 m，最低海拔2 648 m，平均海拔3 660 m，是以牧业为主、农牧结合的少数民族地区，全县共有草地面积47.16万hm2，占全县总面积的94%，其中可利用草地面积为43万hm2，占草地总面积的91.2%。调查地为滩地，草地类型主要为山地干草原，以旱生、中旱生禾草及小灌木为优势种群，草地植被盖度在30%～95%。草地畜牧业是全县国民经济的主体经济、是牧民群众赖以生存的物质基础。全县土壤共有9类，22个亚类，高山草甸土面积最大占35.33%，山地草甸土占34.67%，其次是栗钙土和黑钙土，分别占15.54%和6.81%。境内有江群、河北、居布三大天然林区，森林总面积6.67万hm2。具有典型的高原大陆性气候特征，气候温凉干燥，年平均气温0.2 ℃，年均降水量440.4 mm，全年日照时数2 720～2 760 h，牧草生长期内≥0 ℃积温1 523.8 ℃·d，无绝对无霜期，雨热同季，冷暖两季分明，适宜牧业生产发展，但易受干旱、低温冷害等气象灾害的侵袭[16-19]。巴滩地区植被主要包括禾本科、莎草科植物及多种其他科属双子叶植物。

1.2 调查方法

2000-2013年青海省同德县草原管理站和青海省良种牧草繁殖场试验站在巴滩草地进行了连续14年的调查。调查点位于同德巴滩草地，100°35′ E，35°15′ N，海拔高度为3 289.4 m。采用典型取样方法设置样地，样地分固定和不固定两种，调查采用随机取样法，用0.25 m2的方框取样器，每年5-6月在草原小地老虎活动和发生盛期[20]，对虫口密度进行调查，并记录数据。同期的气象资料取自同德县气象局，包括温度、降水、日照、平均风速、5、10、15、20 cm浅层地面温度等。

1.3 计算方法

1.3.1 线性趋势分析法 采用线性趋势分析[21]来估算相关要素的气候变化趋势，趋势变化用一次线性回归方程表示：

yi=a0+a1t(i=1,2,…,n)

(1)

式中，t为年份，a0为回归常数；a1为回归系数，a和a1可以用最小二乘法进行估计。以10×a1作为该要素的倾向率，主要用于定量描述气候序列的趋势变化特征，正为上升，负为下降，并对结果分别进行置信度为95%和99%的显著性检验。

1.3.2 相关分析法 用相关分析法[21]分析气候因子与小地老虎虫口密度的关系。由于样本量小于30，因此通过计算无偏相关系数加以校正[22]。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

1.3.3 数据统计 应用DPS 7.05、Excel 2003软件对数据进行统计处理、分析及绘图。用DPS 7.05软件进行逐步回归分析和偏相关分析[23]，建立小地老虎虫口密度与气象因子预报模型。模型中因子引入原则，显著性水平P≤0.05为引入变量，P≥0.10为剔除因子。采用F检验法对拟合的回归方程进行显著性检验(a=0.05)。

2 结果与分析

2.1 研究区气温和降水的变化趋势

对同德地区1961―2013年气温变化的分析可知(表1)，近53年来同德地区的年平均气温呈升高趋势，气候倾向率为0.35 ℃·10 a-1(r=0.759，P<0.001)；春季、夏季、秋季和冬季平均气温均呈上升趋势，气候倾向率分别为0.19 ℃·10 a-1、0.15 ℃·10 a-1、0.36 ℃·10 a-1和0.68 ℃·10 a-1，相关系数分别为0.407(P<0.01)、0.305(P<0.05)、0.583(P<0.001)和0.774(P<0.001)，季节间气温变化表现为冬季气温变化幅度最大，其次是秋季，最小是夏季。

同德地区1961―2013年年降水量以每10年0.58 mm的速率增多，但变化并不明显(P>0.05)。四季降水量的变化中，夏、秋和冬季降水量均呈增多趋势，其中夏、秋降水量增多幅度大，冬季增多幅度小。春季降水量则以每10年1.26 mm的速率减少，四季降水量的增减趋势均未达到显著水平(P>0.05)。气温显著升高、降水量增多不明显的气候变化趋势，与全球气候变暖的总体趋势相符，使得当地呈现暖干化气候。

2.2 小地老虎虫口密度变化趋势

2000-2013年14年来巴滩草地小地老虎虫害发生总体呈上升趋势(图1)，以每年6.81头·m-2的速率上升，但未达到显著水平(P>0.10)。

表1 1961―2013年同德地区气温、降水的气候倾向率及相关系数

注：*，**，***分别表示通过信度0.05、0.01、0.001水平检验。下同。

Note: *，** and *** indicate significant correlation at 0.05，0.01 and 0.001 level，respectively. The same below.

图1 2000-2013年同德草地小地老虎虫口密度曲线Fig.1 The larvae density curves of black cutworm on Tongde grass in 2010-2013

同德草地小地老虎虫害虫口密度多年平均值为453.8头·m-2,2000-2013年14年中有7年虫口密度值高于多年平均值。最多年(2010年)虫口密度为609头·m-2，最少年(2001年)为314头·m-2,最多年与最少年相差295头·m-2，最多年比最少年虫口密度多93.95%。小地老虎虫口密度的变异系数达18.3%，平均绝对变率为66.07头·m-2，平均相对变率为14.56%。说明同德草地小地老虎虫害虫口密度随着不同年景的气象条件年际波动变化很大。

2.3 小地老虎虫口密度与气象因子的相关分析

针对小地老虎不同的生长发育和繁殖时间情况，利用2000-2013年14年来小地老虎虫害虫口密度与发生虫害的前一年9月至当年5月平均气温、平均最高(低)气温、降水量、日照时数和平均风速、5-20 cm平均地温等气象要素值逐一进行相关性分析。

2.3.1 虫口密度与温度、降水的相关分析 同德巴滩草地小地老虎每年8月份成虫并开始交配，9月份产卵；11月至次年3月，虫卵在15-40 cm地表土壤中休眠越冬；高发期在每年春末下初(5月下旬-6月下旬)。相关分析表明，小地老虎虫口密度与其生活史(6-8月)阶段月份的平均气温、降水量相关不显著(P>0.05)(表2)。二元回归分析表明，生活期的平均气温、降水量两因素对虫口密度无显著影响[F=1.18

虫口密度与上年9―11月平均气温、上年平均气温，当年1月、3月和4月平均气温，上年11月平均最低气温，上年12月平均最高气温，1月、3月平均最高和平均最低气温呈显著正相关(P<0.05)(表2)。与上年12月平均气温、上年平均最低气温呈极显著正相关(P<0.01)；与上年12月平均最低气温呈极显著正相关(P<0.001)；与上年降水量、5月降水量呈显著正相关(P<0.05)；与上年9月降水量呈极显著正相关(P<0.001)。这可能是因为9月是草原小地老虎羽化、交配、产卵、孵化的时期，这期间降水量充沛，土壤湿度大，使得草原小地老虎的繁殖率和存活率大大提高，有利于成虫产卵和幼虫取食活动，是第2年大发生的预兆。但降水过多，湿度过大，不利于幼虫发育，初龄幼虫淹水后易死亡。老熟幼虫或蛹在土内越冬,冬季温度过低，小地老虎幼虫的死亡率增高,同德地区昼夜温差大，无霜期短，冬季异常寒冷，小地老虎必须在越冬阶段的低温刺激下持续到次年5月份才开始生长发育[24]。上年12月和当年1月气温高时，小地老虎的安全越冬数大，开春孵化的基数就大；反之，开春孵化的基数就小。入春以后，气温逐渐回升，小地老虎成虫开始出现，因此与3月、4月的平均气温呈显著正相关(P<0.05);5月的降水量多，会增大土壤含水量，土壤含水量在15%～20%时，有利于小地老虎的为害发生,因此5月降水量与虫口密度两者之间呈显著正相关(P<0.05)。

2.3.2 虫口密度与光照、平均风速的相关分析 同德巴滩草原小地老虎虫口密度与日照时数(除4和8月份日照时数呈正相关外)和平均风速之间的相关性均为负相关(表3)。小地老虎虫口密度与上年12月日照时数、上年11月和上年平均日照时数、风速呈极显著负相关(P<0.01)；与2月日照时数、上年9月和10月的平均风速呈显著负相关(P<0.05)。这是因为4月份，气温逐渐升高，降水少，光照好，多晴好天气，有利于小地老虎孵化。微风有助于其扩散，但风速大于四级时影响成虫的活动。成虫趋光性不强，白天潜伏于草丛及缝隙中，到黄昏后开始活动。秋、冬季日照充足、平均风速大，加大土壤水分的蒸发，冬季风速大导致地表温度降低快，不利于小地老虎安全越冬。5―7月份小地老虎羽化成虫，交配产卵，需要大量的营养，这一时期充足的光照有利于小地老虎吸食养分，为害草地牧草生长发育。

表2 虫口密度与平均气温、降水的相关系数

表3 虫口密度与光照、平均风速的相关系数

2.3.3 虫口密度与5、10、15、20 cm地温的相关分析 同德巴滩草原小地老虎虫口密度与其生活史(6-8月)阶段的8月份5、10、15和20 cm不同深度的浅层地温呈显著正相关(P<0.05)(表4)。经统计，8月5、10、15和20 cm平均地温值均在17.0 ℃以上，最低值14.0 ℃，最高值20.4 ℃。该月平均气温为13.0 ℃，最低值为10.0 ℃，最高值为15.0 ℃。小地老虎虫害虫口密度与上年12月的5、10、15和20 cm平均地温，3月5和10 cm平均地温,4月10 cm平均地温间呈显著正相关(P<0.05)。幼虫老熟后在深约5 cm 土室中化蛹，土壤温度低时，可向深处活动。可见，冬季土壤温度高，有利于小地老虎安全越冬。经计算,2000-2013年14年间，上年12月的5、10、15和20 cm平均地温分别以每年0.13、0.14、0.09和0.11 ℃的速率升高，其中10和20 cm平均地温的升高趋势显著(P<0.05)，3月份5、10 cm和4月份10 cm平均地温分别以每年0.18、0.17和0.17 ℃的速率升高，3月份5、10 cm平均地温的升高趋势显著(P<0.05)。春季3、4月份不同深度地温的升高，对于草地小地老虎的发生极为有利。

2.4 预报模型

2.4.1 预报因子的选择 根据上述分析结果，选择与小地老虎虫口密度相关性显著的上年9-11月平均气温、年平均气温，当年1月、3月和4月平均气温，上年11月平均最低气温，上年12月平均最高气温，1月、3月平均最高和平均最低气温，上年12月平均气温、平均最低气温、年平均最低气温，年降水量、5月降水量，上年9月降水量，上年12月日照时数，上年11月的日照时数和平均风速，2月日照时数、上年9月和10月的平均风速，上年12月的5、10、15和20 cm平均地温，3月5和10 cm平均地温，4月10 cm平均地温，这些因子作为预报因子，供建模使用。

表4 虫口密度与地温的相关系数

2.4.2 预报模型的建立 利用DPS7.05软件对小地老虎虫口密度与选择的气象因子做逐步回归，得如下虫口密度预报方程：

y=1 344.28+24.98x4+1.89x18-0.34x23-21.15x31

(2)

R2=0.975,F=42.91>F(4,9)0.01=6.42,P=0.0001

式中，y为小地老虎虫口密度；x4为上年12月平均气温；x18为上年9月降水量；x23为上年年日照时数；x31为上年12月份10 cm平均地温。

当4个自变量中的其他3个取值固定在某一水平时，上年12月平均气温(x4)每增加1 ℃，虫口密度增加24.98头·m-2；上年9月降水量(x18)每增加1 mm，虫口密度增加1.89头·m-2；上年年日照时数(x23)每增加10 h，虫口密度减少3.4头·m-2；上年度12月10 cm平均地温(x31)每增加1 ℃，虫口密度减少21.15头·m-2。由决定系数R2=95.02来看，4个自变量上年12月平均气温(x4)、上年9月降水量(x18)、上年年日照时数(x23)和上年度12月10 cm平均地温(x31)对小地老虎虫口密度(y)的总影响在95.02%以上。

表5 小地老虎虫口密度与主要气候因子的偏相关分析

气象因子对小地老虎虫口密度的偏相关分析结果表明(表5)，小地老虎虫口密度与上年9月降水量(x18)呈极显著正相关(r=0.903，n=14),与上年12月平均气温(x4)呈极显著正相关(r=0.788)，说明上年9月降水量的增加和上年12月平均气温的升高有利于小地老虎虫口密度的增加。小地老虎虫口密度与上年年日照时数(x23)呈极显著负相关(r=-0.820)，和上年度12月10 cm平均地温(x31)呈显著负相关(r=-0.605)，说明上年年日照时数和上年12月10 cm平均地温制约着小地老虎虫口密度的增加。

2.4.3 预报模型的检验 利用所建立的预报模型，拟合小地老虎虫口密度，结果表明，小地老虎虫害虫口密度年际变化较大，但模型的拟合率较好(图2)。

经计算，拟合值与实际值的相关性达极显著(相关系数为0.977，置信度0.001)。平均绝对误差16.2头·m-2，最大误差为35.6头·m-2，最小误差1.51头·m-2，前后误差小于10头·m-2的有3年，占21.4%；前后误差在10～20头·m-2的8年，占57.1%；前后误差20～30头·m-2的3年。14个估计值的平均误差为3.6%，变幅为0.5%～9.5%。

图2 2000-2013年小地老虎虫口密度与拟合值Fig.2 The larvae density curves of black cutworm and fitted values during 2000 to 2013

3 讨论与结论

近53年来同德地区的年平均及四季平均气温呈显著升高趋势，年降水量则以微弱趋势增多，四季降水量变化中，夏、秋和冬季降水量呈增多趋势，春季降水则为减少趋势，但增减的趋势均不明显。显然，秋季降水量的增多，冬季温度的升高均有利于小地老虎虫害的发育及安全越冬。春季气温高、降水适宜对小地老虎的发生有利。小地老虎的卵、幼虫、蛹和产卵前期的发育起点温度分别为8.61、9.18、11.85和12.63 ℃[3]，同德4-8月平均气温在5.2～13.5 ℃，能满足小地老虎的发育。高温、少雨、低湿天气能加快草地螟越冬代成虫产卵孵化及幼虫发育，从而使蛾峰至3龄幼虫期持续天数缩短，一代幼虫危害期提前；而低温、多雨、高湿天气延缓越冬代成虫产卵孵化及幼虫发育，从而使蛾峰至3龄幼虫期持续天气延长，一代幼虫危害期推迟[25]。王俊彪等[26]研究得出，在果洛州玛沁县气温-4 ℃左右时，草原毛虫还能正常生长和破坏草地，在幼虫初期能抵抗冬季-30 ℃左右的严寒，一旦冬季气温偏高和春季温湿度适宜时就会造成当年大面积的草地虫灾。

小地老虎常年于4月下旬至5月上旬进入危害高峰期[8]，4月平均气温、降水的变异系数分别为0.28和0.86，5月的变异系数分别是0.11和0.46，可见，降水的变异系数大，造成同德巴滩草地小地老虎虫害虫口密度随着不同年景的气象条件年际波动变化大。小地老虎的发生与5月平均气温无显著相关性,而与降水量呈显著正相关，经统计，2000-2013年期间5月平均气温呈显著升高趋势(P<0.01)，5月降水量呈显著增多趋势(P<0.01)，但波动较大。因此5月气温已不是小地老虎生长发育的限制因素，5月降水的不稳定性是造成小地老虎虫害发生不同程度的限制因子。

多元回归分析显示，影响小地老虎虫口密度的主导气候因子有上年9月降水量、12月平均气温、上年年日照时数和12月10 cm平均地温，这些因子之间相互影响，相互关联，共同决定了小地老虎虫口密度为95.02%。回代检验表明，模型预测的准确率达96.3%，模拟效果较好。

利用回归模型预测未来虫口密度时会随时间变量的外延而使误差增大，一般只外延估测未来1～2年的虫口密度。因此，在应用本研究得出的模型时，需要不断补充新的虫口密度资料于原始序列中，逐年滚动修正模型的各项常数，以提高趋势预测效果。

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(责任编辑 王芳)

The establishment of meteorological forecasting models for black cutworm on Batan area grassland in Qinghai

GUO Lian-yun1, DING Sheng-xiang2, WU Rang2

(1.Meteorological Bureau in Hainan State of Qinghai Province, Gonghe 813099, China; 2.Tongde Meteorological Bureau in Qinghai, Tongde 813201, China)

In order to prevent black cutworm damage, the influences of meteorological factors on the population of grassland black cutworm were analyzed by correlation analysis and regression analysis based on the population density of grassland black cutworm on Batan meadows in Tongde County and the ground meteorological observation data of Tongde County Meteorological Bureau in Qinghai Province during 2000-2013. During these studied 14 years, black cutworm increased with 6.81 head·m-2per year with the average absolute rate of population density of 66.07 head·m-2and the highest population density was 93.95% more than the lowest population density. There were good correlation between black cutworm population density and air temperature, precipitation, ground temperature, illumination and average wind speed. Multiple regression analysis indicated that the dominant climatic factors that affected population density of grassland black cutworm were the September precipitation last year, December average temperature, annual illumination duration and 10 cm average temperature in December, which had determined 95.02% of population density. Model test indicated that the model predictive accuracy was 96.3% which had good simulation.

black cutworm; population density; impact factor; forecast models; Tongde County

GUO Lian-yun E-mail:glycloud@126.com

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0452

2014-10-11 接受日期：2015-01-29

郭连云(1969-)，男，青海湟源人，高级工程师，本科，主要从事应用气象工作。E-mail:glycloud@126.com

S812.6

A

1001-0629(2015)06-0994-08

郭连云,丁生祥,吴让.青海巴滩草地小地老虎虫害发生的气象预测模型建立[J].草业科学,2015,32(6):994-1001.

GUO Lian-yun,DING Sheng-xiang,WU Rang.The establishment of meteorological forecasting models for black cutworm on Batan area grassland in Qinghai[J].Pratacultural Science，2015,32(6)：994-1001.