一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统及评估方法

摘要

本发明提供了一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统，包括草原蝗虫风险评估系统、草原蝗虫适生性评估系统、草原蝗虫潜在损失评估系统。定殖评估系统评估n种草原蝗虫在m种草原型上的定殖风险，并筛选k种重大草原蝗虫。适生性分析评估系统对k种重大草原蝗虫适生性进行评估。潜在损失评估系统评估k种重大草原蝗虫对草原的潜在损失。还提供了一种潜在风险评估方法，是基于上述潜在风险评估系统进行。通过建立潜在风险评估系统，能够在实验室或者田间进行多种草原蝗虫对不同草原型或地区的潜在定殖风险等级、适生性及潜在损失等进行分析，为以后的草原蝗虫虫的防治策略、风险管理方案、蝗虫入侵预警、草原保护等提供科学依据和技术方法。

说明书

技术领域

本发明涉及草原蝗虫的风险评估技术，具体涉及一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统及评估方法。

背景技术

草原作为我国陆地上面积最大的生态系统，既是牧业发展重要的生产资料，又承载着涵养水源、防风固沙、调节气候、维护生态多样性和生态安全等重要功能。

随着全球气候变化和人为干扰，草原的面积在持续减少，且随着草原植被及昆虫群落的变化，草原害虫发生的潜在风险不断的增大。例如：草原蝗虫引起的虫灾，作为世界上最古老的农业虫灾之一，具有种类繁多，危害严重。蝗虫类草原害虫目前仍然是宁夏及全国最重要的草原害虫之一，其危害性与破坏性远远超过其它类草原害虫，随着全球气候变化，除了迁飞性较强的蝗虫的大范围迁飞、入侵和扩散给农业生产及生态安全等带来巨大损失和威胁，其对草原及农业的潜在风险较高。

目前，草原蝗虫在未来气候变化条件下的定殖情况、地理分布情况、造成潜在损失等方面研究尚属空白。因此，迫切需要设计一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法，其能够结合未来全球气候变化的方向对草原的草原蝗虫的定殖进行评估预测，提出草原蝗虫的防控策略，制定草原蝗虫最佳风险管理方案，为草原的草原蝗虫早期监测预警、可持续控制及草地资源保护等提供技术方法和科学依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统及评估方法，通过潜在风险评估系统及评估方法分析草原蝗虫对不同草原型的风险分析，提出合理的防控方案。

实现发明目的的技术方案如下：

本发明提供了一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统，包括草原蝗虫风险评估系统、草原蝗虫适生性评估系统、草原蝗虫潜在损失评估系统。

其中，草原蝗虫风险评估系统用于评估n种草原蝗虫分别在m种草原型上的定殖风险，并筛选k种重大草原蝗虫，且0＜k＜n。

其中，草原蝗虫适生性分析评估系统用于对k种重大草原蝗虫适生性进行评估。

其中，草原蝗虫潜在损失评估系统用于评估k种重大草原蝗虫对草原的潜在损失。

其中，草原蝗虫风险评估系统包括田间试验系统及室内试验系统，田间试验系统用于进行定殖评估、适生性评估、草原潜在损失试验，室内试验系统用于进行定殖评估、适生性分析、草原潜在损失评估。田间试验系统及室内试验系统均至少包括m个独立的大试验区，且每个大试验区至少包括n个独立的小试验区。

其中，草原蝗虫风险评估系统用于对每种草原蝗虫在各个草原型的潜在风险等级进行分析。

本发明通过建立草原蝗虫对不同草原型的潜在风险评估系统，能够在实验室或者田间，试验多种草原蝗虫对不同草原型的定殖风险等级进行评估，为以后的草原的蝗虫的防治策略、风险管理方案、蝗虫监测预警、草原的保护措施等提供科学依据和技术方法。在此需要说明的是，本发明中提出的某一地区，可以为我国某一个省(例如宁夏地区)、一个省的某一个地区，也可以为全国，也可以指全球范围。

在本发明草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统的一个实施例中，定殖评估系统包括草原蝗虫的定殖风险分析软件，定殖风险分析软件在田间实际发生分布情况监测结果的基础上，对田间试验系统的试验结果进行分析，获得每种草原蝗虫在各个草原型上的潜在风险等级。

进一步的，草原蝗虫定殖风险分析软件包括组织特征映射网络SOM，且组织特征映射网络SOM搭载在数学统计软件MATLAB中运行。

进一步的，草原蝗虫适生性分析评估系统包括潜在适生性分析软件，潜在适生性分析软件依据重大草原蝗虫在全球实际发生分布地区气候数据、草原蝗虫基础生物生态学参数对重大草原蝗虫的潜在适生性进行分析。

更进一步的，潜在适生性分析软件中的地点比较模型包括CLIMEX软件及ArcGIS软件，地点比较模型是基于CLIMEX软件及ArcGIS软件分析重大草原蝗虫在不同地区的适生等级，适生等级由非适生至适生包括P

优选的，上述i＝4,其中，P

在本发明草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统的一个实施例中，草原蝗虫潜在损失评估系统包括重大草原蝗虫食量测定、损失指标确定、潜在损失评估指标体系的构建。

进一步的，潜在损失评估指标体系为三级指标系统，包括潜在经济损失和潜在生态损失2个一级指标。

潜在经济损失包括直接经济损失、间接经济损失和防治费用支出3个二级指标。直接经济损失包括产量变化引起的经济损失1个三级指标；间接经济损失包括畜牧业成本经济损失1个三级指标；防治费用支出包括农药费用支出、人工成本支出和药械购置支出3个三级指标。

潜在生态损失包括生态服务价值1个二级指标，且生态服务价值包括气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料生产、娱乐文化9个三级指标。

本发明还提供了一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法，潜在风险评估方法基于上述潜在风险评估系统进行，包括以下步骤：

S1、在田间试验系统及室内试验系统的每个大试验区内分别选取一种草原型，并依次编号为m

S2、监测并调查将n种草原蝗虫在每个小试验区内的发生情况，记录田间试验系统内各个大试验区内的草原蝗虫的分布情况，若草原蝗虫有分布则记录为1，若草原蝗虫无分布则记录为0；

S3、在草原蝗虫定殖风险分析软件中建立n种草原蝗虫在m种草原型上的分布矩阵列表，形成[n*m]的SOM矩阵列表，并将步骤S2中的分布结果输入表内，将表转换为.data格式文件后保存并输出；

S4、将步骤S3中草原蝗虫定殖风险分析软件的.data格式文件输入定殖评估系统(即组织特征映射网络SOM搭载在数学统计软件MATLAB中)，分析n种草原蝗虫分别在m种草原型的潜在定殖风险等级；

S5，依据步骤S4的潜在定殖风险等级结果，选择k种重大草原蝗虫进行草原蝗虫的适生性分析评估。

在本发明草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法的一个优选实施例中，步骤S4中草原蝗虫的潜在定殖风险等级的获取包括以下步骤：

S401、获取数学统计软件MATLAB，并在数学统计软件MATLAB上搭载组织特征映射网络SOM，形成草原蝗虫定殖风险分析软件；

S402、将步骤S3中的.data格式文件输入草原蝗虫定殖风险分析软件的数学统计软件MATLAB中，并在组织特征映射网络SOM编写程序代码进行运行；

S403、运行程序，获得n种草原蝗虫分别在m种草原型的潜在定殖风险等级结果，并将n种草原蝗虫在各个草原型上的潜在定殖风险等级结果以m个.txt格式文件后保存并输出；

S404、根据步骤S403中m个.txt格式文件的输出结果，获得n种草原蝗虫分别在m种草原型中的潜在定殖风险等级，潜在定殖风险等级指若干年后草原蝗虫在未分布草原型上分布风险概率。

在本发明草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法的一个优选实施例中，步骤S5中，草原蝗虫的适生性分析评估方法为：获取重大草原蝗虫在全球实际分布区的气候数据、获取重大草原蝗虫的基础生物生态学参数，运用“CLIMEX+ArcGIS”地点比较模型分析预测重大草原蝗虫目前及未来气候条件下在不同地区的适生性分析。

进一步的，步骤S5的草原蝗虫的适生性分析评估方法，包括以下步骤：

S501、查阅整理相关文献资料，收集重大草原蝗虫的生物学基础数据及已发生地理分布信息，依据生物学基础数据及已发生地理分布信息在“CLIMEX+ArcGIS”软件系统中设置重大草原蝗虫生长发育所需的初始生物学参数；

S502、根据重大草原蝗虫实际分布和发生情况，对初始生物学参数进行调试，直至CLIMEX预测目前发生结果与实际分布最大程度吻合，并确定CLIMEX生物学参数；

S503、结合历史数据集及A1B和A2气候情景下的气候数据集，对目前及未来气候条件下重大草原蝗虫在不同地区的潜在地理分布情况进行预测；

S504、通过ArcGIS地理信息系统软件的空间分析中IDW反距离加权法插值工具，将CLIMEX软件预测结果由“点”图转化为“面”图，进行空间分析；

S505、利用ArcGIS软件中的Reclass和Zonal工具计算比较不同气候背景下重大草原蝗虫在不同地区的当前及未来气候条件下适生面积的变化。

在本发明草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法的一个实施例中，草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法，还包括步骤S6，依据草原蝗虫的适生性分析评估结果，对草原型的潜在损失进行评估。进一步的，草原型的潜在损失为潜在经济损失与潜在生态损失之和。

与现有技术相比，本发明型的有益效果是：通过建立草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统，首先，在田间试验及室内试验的基础上，分析多种草原蝗虫在不同草原型或地区的定殖结果；其次，通过定殖评估系统分析结果及田间实际发生情况，筛选确定对草原风险较大的重大草原蝗虫，通过适生性评估系统分析草原蝗虫在全球、全国及各省等范围内的适生等级；最后，根据适生性评估系统结果，构建草原蝗虫潜在损失评估体系，分析评估重大草原蝗虫对草原的潜在损失。为此，将为草原蝗虫防控策略的提出，制定最佳的风险管理方案，建立草原蝗虫风险评估体系，草原蝗虫早期监测预警、防控及草地资源保护等提供科学依据和技术方法。

具体实施方式

下面通过各实施方式对发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例1：

本实施例提供了一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统，包括草原蝗虫风险评估系统、草原蝗虫适生性评估系统、草原蝗虫潜在损失评估系统。

其中，草原蝗虫风险评估系统用于评估n种草原蝗虫分别在m种草原型上的定殖风险，并筛选k种重大草原蝗虫，且0＜k＜n。

在本实施例中，草原蝗虫风险评估系统包括田间试验系统及室内试验系统，田间试验系统用于进行定殖评估、适生性评估、草原潜在损失试验，室内试验系统用于进行定殖评估、适生性分析、草原潜在损失评估。田间试验系统及室内试验系统均至少包括m个独立的大试验区，且每个大试验区至少包括n个独立的小试验区。

具体的，定殖评估试验：通过采用随机取样法，在田间试验系统的每一大试验区随机选取若干个样点(即小试验区)进行田间系统监测和采样，采用目测法结合网捕法进行田间调查和记录。适生性评估：通过田间试验系统结合室内试验系统确定重大草原蝗虫发育起点温度、有效积温、发育适宜温湿度等基础生物学参数；潜在损失评估：通过在室内试验系统采用随机取样法，在每一大试验区随机选取若干个样点(即小试验区)进行田间系统监测和采样，对重大草原蝗虫的取食量、牧草价格及治理等费用进行统计、调查、记。

在本实施例中，定殖评估系统包括草原蝗虫的定殖风险分析软件，定殖风险分析软件在田间实际发生分布情况监测结果的基础上，对田间试验系统的试验结果进行分析，获得每种草原蝗虫在各个草原型上的潜在风险等级。

进一步的，草原蝗虫定殖风险分析软件包括组织特征映射网络SOM，且组织特征映射网络SOM搭载在数学统计软件MATLAB中运行。其中，组织特征映射网络SOM可选用SOMToolbox2.0，其来自赫尔辛基大学计算机信息科学实验室官网，下载地址为http://www.cis.hut.fi/somtoolbox/。其中，数学统计软件MATLAB选择美国MathWorks公司开发的，其主要被用于算法开发、数据分析、数据可视化及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境等方面，本实施例可选用MATLAB R2015b的版本，其在MathWorks中国官网获取，下载地址为https://www.mathworks.com/。运用上述两个软件对不同草原蝗虫在不同草原型内的潜在定殖风险等级进行研究，同时形成草原蝗虫对不同草原型的潜在风险等级列表，为草原蝗虫的适生性进行分析和潜在损失评估提供依据。

在本实施例中，根据草原蝗虫定殖风险分析软件分析，不同草原蝗虫在不同草原型的定殖风险等级主要指重大草原蝗虫在未分布草原型上可能发生定殖风险的高低，也即草原蝗虫扩散到未发生草原型的风险大小(概率)。根据m种草原型的聚类情况，结合组织特征映射网络SOM分析结果，发现聚在一类的草原型则具有最为相似的草原蝗虫集合体，在同一神经元中的草原型的草原蝗虫集合体最为相似，同时在SOM分析中聚在一类的草原型在植被上也很接近。

其中，草原蝗虫适生性分析评估系统包括潜在适生性分析软件，潜在适生性分析软件依据重大草原蝗虫在全球实际发生分布地区气候数据、草原蝗虫基础生物生态学参数对重大草原蝗虫的潜在适生性进行分析。

进一步的，潜在适生性分析软件中的地点比较模型包括CLIMEX软件及ArcGIS软件，地点比较模型是基于CLIMEX软件及ArcGIS软件分析重大草原蝗虫在不同地区的适生等级，适生等级由非适生至适生包括P

优选的，经上述地点比较模型的分析上述i＝4,其中，P

其中，潜在损失评估指标体系为三级指标系统，包括潜在经济损失和潜在生态损失2个一级指标。

潜在经济损失包括直接经济损失、间接经济损失和防治费用支出3个二级指标。直接经济损失包括产量变化引起的经济损失1个三级指标；间接经济损失包括畜牧业成本经济损失1个三级指标；防治费用支出包括农药费用支出、人工成本支出和药械购置支出3个三级指标。潜在生态损失包括生态服务价值1个二级指标，且生态服务价值包括气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料生产、娱乐文化9个三级指标。

进一步的，通过在室内试验系统中进行试验，计算现在(即当前)的草原蝗虫对草原型的草丛的潜在损失进行评估，草原蝗虫潜在损失评估系统用于评估重大草原蝗虫对草原造成的潜在损失。在本实施例中，潜在损失评估根据科学性原则，通过理论与实践相结合，准确反映重大草原蝗虫对草原型造成的影响进行评估。

实施例2：

本实施例提供了一种草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法，潜在风险评估方法基于上述潜在风险评估系统进行，包括以下步骤：

S1、在田间试验系统及室内试验系统的每个大试验区内分别选取一种草原型，并依次编号为m

S2、监测并调查将n种草原蝗虫在每个小试验区内的发生情况，记录田间试验系统内各个大试验区内的草原蝗虫的分布情况，若草原蝗虫有分布则记录为1，若草原蝗虫无分布则记录为0；

S3、在草原蝗虫定殖风险分析软件中建立n种草原蝗虫在m种草原型上的分布矩阵列表，形成[n*m]的SOM矩阵列表，并将步骤S2中的分布结果输入表内，将表转换为.data格式文件后保存并输出；

S4、将步骤S3中草原蝗虫定殖风险分析软件的.data格式文件输入定殖评估系统(即组织特征映射网络SOM搭载在数学统计软件MATLAB中)，分析n种草原蝗虫分别在m种草原型的潜在定殖风险等级；

S5，依据步骤S4的潜在定殖风险等级结果，选择k种重大草原蝗虫进行草原蝗虫的适生性分析评估。

进一步的，上述步骤S4中草原蝗虫的潜在定殖风险等级的获取包括以下步骤：

S401、获取数学统计软件MATLAB，并在数学统计软件MATLAB上搭载组织特征映射网络SOM，形成草原蝗虫定殖风险分析软件；

S402、将步骤S3中的.data格式文件输入草原蝗虫定殖风险分析软件的数学统计软件MATLAB中，并在组织特征映射网络SOM编写程序代码进行运行；

S403、运行程序，获得n种草原蝗虫分别在m种草原型的潜在定殖风险等级结果，并将n种草原蝗虫在各个草原型上的潜在定殖风险等级结果以m个.txt格式文件后保存并输出；

S404、根据步骤S403中m个.txt格式文件的输出结果，获得n种草原蝗虫分别在m种草原型中的潜在定殖风险等级，潜在定殖风险等级指若干年后草原蝗虫在未分布草原型上分布风险概率；

进一步的，上述步骤S5的草原蝗虫的适生性分析评估方法，草原蝗虫的适生性分析评估方法为：获取重大草原蝗虫在全球实际分布区的气候数据、获取重大草原蝗虫的基础生物生态学参数，运用“CLIMEX+ArcGIS”地点比较模型分析预测重大草原蝗虫目前及未来气候条件下在不同地区的适生性分析。具体包括以下步骤：

S501、查阅整理相关文献资料，收集重大草原蝗虫的生物学基础数据及已发生地理分布信息，依据生物学基础数据及已发生地理分布信息在“CLIMEX+ArcGIS”软件系统中设置重大草原蝗虫生长发育所需的初始生物学参数；

S502、根据重大草原蝗虫实际分布和发生情况，对初始生物学参数进行调试，直至CLIMEX预测目前发生结果与实际分布最大程度吻合，并确定CLIMEX生物学参数；

S503、结合历史数据集及A1B和A2气候情景下的气候数据集，对目前及未来气候条件下重大草原蝗虫在不同地区的潜在地理分布情况进行预测；

S504、通过ArcGIS地理信息系统软件的空间分析中IDW反距离加权法插值工具，将CLIMEX软件预测结果由“点”图转化为“面”图，进行空间分析；

S505、利用ArcGIS软件中的Reclass和Zonal工具计算比较不同气候背景下重大草原蝗虫在不同地区的当前及未来气候条件下适生面积的变化。

在本发明的一个优选实施例中，在本发明草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法的一个实施例中，草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法，还包括步骤S6：即，依据草原蝗虫的适生性分析评估结果，对草原型的潜在损失进行评估。进一步的，草原型的潜在损失为潜在经济损失与潜在生态损失之和。

实施例3：

本实施例提供了一种草原蝗虫对宁夏地区的草原的潜在风险评估，以下在实施例1草原蝗虫对草原的潜在风险评估系统的及实施例2草原蝗虫对草原的潜在风险评估方法的基础上，将草原蝗虫对宁夏地区不同草原型的定殖的潜在风险进行评估。

田间试验系统内进行定殖评估，根据现有研究，对宁夏地区42种草原蝗虫在30个草原型上的定殖风险评估，包括以下步骤：

S1、在30个大试验区内分别种植一种草原型的草丛，并依次编号为m

S2、将分别在30个大试验区内调查监测42种草原蝗虫的分布发生情况。各个草原蝗虫若有分布则记录为1，若无分布则记录为0；

S3、建立42种草原蝗虫在30种草原型上的分布矩阵列表，形成[42*30]的SOM矩阵列表，并将步骤S2中的分布结果输入表内，将表转换为.data格式文件后保存并输出；

S4、将步骤S3中的.data格式文件输入定殖评估系统，经SOM技术分析42种草原蝗虫分别30种草原型的定殖风险等级；

S5、依据步骤S4的潜在定殖风险等级结果，选择k种重大草原蝗虫进行草原蝗虫的适生性分析评估；

S6、依据草原蝗虫的适生性分析评估结果，对草原型的潜在损失进行评估。进一步的，草原型的潜在损失为潜在经济损失与潜在生态损失之和

本实施例步骤S5的适生性分析评估及步骤S6中的潜在损失进行评估，具体如下所述：

适生等级评估：首先，草原蝗虫基础资料的获取(以下均以黑腿星翅蝗为例进行说明)。原蝗虫基础资料的获取是通过查阅国际有害生物分布数据库CABI(网站为：http://www.cabi.org/cpc/dabesheet/17685)及相关文献和名录获得，黑腿星翅蝗目前主要分布在欧洲、中亚及我国西北部地区。根据文献报道有关黑腿星翅蝗生物学特性，结合其实际分布地区气象数据，获得黑腿星翅蝗发育起点温度、有效积温、发育适宜温度上下限及发育适宜湿度上下限等所需的基础生物学数据。

其次，下载CLIMEX4.0软件自带全球1961～1990年2500多个气象站点的数据集作为基础数据集；同时，在CliMond网站下载四套未来气候的数据集，包括：全球气候变化模型CSIRO-MK3.0在A1B情境下的2030未来气候数据集和2080年未来气候数据集，以及在A2情境下的2030未来气候数据集和2080年未来气候数据集。根据CLIMEX软件及ArcGIS软件的地点比较模型，分析黑腿星翅蝗在全国及宁夏地区的适生等级，适生等级由非适生至适生包括P

经分析发现，随着全球气候变化，在未来气候两种排放条件下，在全国及宁夏，黑腿星翅蝗的适生面积和适生程度均在增加。由此可见，未来气候条件下两种排放背景均有利于黑腿星翅蝗的扩散。

潜在损失评估：

首先，草原蝗虫对草原型的潜在损失评估指标体系遵循科学性、系统性、通用性和实用性等原则进行构建。在该原则和思路的指导下，所设计的指标体系包括20个指标，其中，2个一级指标，4个二级指标，14个三级指标，一级指标为潜在经济损失F

其中，潜在经济损失F

具体的，直接经济损失F

具体的，间接经济损失F

具体的，防治费用支出F

其中，潜在生态损失F

其中，以黑腿星翅蝗为例，其对全国及宁夏草原的潜在损失F计算如下：

1.潜在经济损失：

1.1.直接经济损失：目前黑腿星翅蝗当前在全国及宁夏地区的适生面积为307.50万km

F

F

1.2.间接经济损失：2017～2019年人工牧草的平均价格为2000元/t计算，黑腿星翅蝗在全国及宁夏为害引起的间接经济损失计算如下：

F

F

1.3.防治费用支出量：根据原中华人民共和国农业部畜牧业司及现中华人民共和国自然资源部林业和草原局相关文件及数据库显示，2015～2019年对草原虫害防治投入费用平均为75元/hm

F

F

1.4.潜在经济损失总量：黑腿星翅蝗在全国及宁夏为害造成的潜在经济损失总量分别为1.57×10

F

F

2.潜在生态损失：

目前我国草地单位面积生态服务价值以6406.6元/hm

黑腿星翅蝗为害造成的天然牧草单位面积干草产量损失为502.75kg/hm

因此，黑腿星翅蝗为害天然草地在全国及宁夏地区造成的潜在生态损失总量分别为2.06×10

F

F

3.黑腿星翅蝗每年对全国及宁夏地区造成的潜在损失总量分别为4.24×10

F

F

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。