空间网络揭示森林覆盖如何调控农业害虫传播：以甘蔗螟虫为例的景观生态学研究

本研究针对农业景观简化加剧害虫扩散的问题，通过空间网络模型分析了巴西甘蔗田中森林斑块对甘蔗螟虫（Diatraea saccharalis）传播的影响。研究发现森林覆盖通过增加空间网络的平均最短路径长度和隔离组件数量，显著降低害虫传播速度和范围（预测精度达80%），为基于生态网络的害虫防控策略提供了量化支持。

　　

随着农业集约化发展，单一作物种植导致的景观同质化正为害虫扩散创造理想条件。全球近一半宜居土地已被农田和牧场覆盖，这种变化不仅造成生物多样性丧失，还使害虫防控成本高达每年700亿美元。尤其值得注意的是，因农业活动退化的生态系统影响着32亿人口，并导致全球生产总值约10%的损失。然而矛盾的是，集约农业所破坏的生态系统服务（如害虫控制）本可提升作物产量并降低生产成本。面对205年入侵性害虫分布范围预计增长18%的严峻形势，开发能够预测景观特征如何影响害虫传播的新方法已成为当务之急。

在此背景下，发表在《Perspectives in Ecology and Conservation》上的研究通过创新性地整合空间网络科学与数学模型，探究了景观复杂性如何影响集约化管理农业景观中的害虫传播。研究以巴西圣保罗州大型甘蔗农业生态系统为案例，重点关注重要害虫甘蔗螟虫（Diatraea saccharalis，鳞翅目：草螟科）的传播 dynamics。研究人员提出三个核心问题：森林斑块在害虫传播的空间网络结构中扮演什么角色？空间网络结构如何影响害虫传播动态？能否利用空间网络中的直接和间接路径预测最易受害虫侵袭的位点？

为回答这些问题，研究团队采用了多项关键技术方法：基于地理参考的害虫监测陷阱数据（1089个监测点，间距约680米）构建空间网络；利用MapBiomas项目（Collection 5）的30米分辨率森林覆盖数据；采用缓冲区分析模拟不同森林覆盖情景（从2.59%到98.8%）；运用最小成本路径算法计算害虫绕森林斑块传播的实际距离；建立随机传播模型（SI模型）模拟害虫扩散过程；通过随机森林机器学习算法（500决策树）分析直接路径（P_ij）和间接路径（T_ij）对预测精度的影响。

研究结果显著体现在四个方面：

森林覆盖改变空间网络结构 研究发现随着森林覆盖率增加，空间网络的平均最短路径长度和组件数量呈指数增长而非线性增加。例如，森林覆盖从16.7%增至25.8%时，平均最短路径从14.31公里增至14.72公里；而从49.5%增至77.11%时，该距离从16.40公里大幅跃升至24.04公里。同样，网络组件数量从基线情景的1个增至25.8%覆盖率时的2个，在49.5%覆盖率时达到10个，77.11%时更达到81个。这表明森林斑块通过增加害虫传播所需距离和创建隔离区域，显著改变了景观的连接性。

森林覆盖减缓害虫传播速度 数值模拟显示，增加森林覆盖率显著减缓了害虫传播速度并降低了受感染节点的比例。将森林覆盖从16.70%提升至34.43%，平均感染时间从23970±6时间步长增加至26619±5，而受感染节点比例则从0.40±0.01降至0.24±0.01。当覆盖率进一步增至67.26%时，平均感染时间达到28995±3，感染节点比例大幅降至0.06±0.01。这表明森林覆盖能有效延缓害虫传播并限制其扩散范围。

间接路径对预测至关重要 通过随机森林模型分析发现，结合直接和间接路径信息可预测节点感染时间，精度达86.61%。特别值得注意的是，间接路径（T_iⁱⁿ）对模型预测准确性的贡献是直接路径（P_iⁱⁿ）的5倍以上（平均平方误差增加4.79±2.15%对0.93±0.27%），表明非直接连接的路径在害虫传播过程中起着关键作用。

森林覆盖的指数效应 研究揭示了森林覆盖对害虫传播的影响存在指数而非线性关系：高森林覆盖率下的小幅增加能产生 disproportionately 大的防控效果。这表明达到一定阈值后，森林斑块的增加能显著增强景观对害虫传播的抵抗能力。

研究结论强调，森林覆盖通过改变空间网络结构——增加传播路径长度和创建隔离组件——有效减缓了农业害虫的传播速度。这种基于景观生态学的 approach 不仅为理解害虫传播机制提供了新视角，还为农业景观管理提供了实用工具：通过分析空间网络中的直接和间接路径，可提前识别高风险位点并实施针对性防控措施，预测精度接近80%。

该研究的重要意义在于将空间网络理论成功应用于农业生态管理，证明了森林斑块作为生态基础设施在害虫综合治理中的价值。研究提出的框架只需节点间距离和害虫扩散能力信息，即可适用于不同农业系统和害虫行为，为全球范围内探索多种作物害虫传播规律提供了可推广的方法。在实践层面，该研究为平衡农业生产、害虫防控成本和生态系统保护提供了科学依据，支持通过增加森林覆盖（如踏脚石、隔离树、绿篱等）来增强生态系统的抗虫能力，最终促进可持续农业发展。

这些发现不仅为农场尺度的害虫管理提供了具体策略，也为区域尺度的景观规划和生态修复政策提供了理论支撑，特别是在巴西等甘蔗主产国，可通过调整森林斑块布局来优化生态系统服务功能，减少对化学农药的依赖，实现生物多样性保护与农业生产的双赢。