安徽省小麥赤霉病氣象風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃

岳 偉, 陳 曦, 姚衛(wèi)平, 王 軍, 王曉東*, 鄧 斌, 邱 坤

(1. 安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心, 合肥 230031; 2. 安徽省池州市農(nóng)技推廣中心植保站, 池州 247000;3. 安徽省滁州市南譙區(qū)植保植檢站, 滁州 239000; 4. 安徽省宣城市宣州區(qū)植保植檢站, 宣城 242000;5. 安徽省植物保護(hù)總站, 合肥 231400)

小麥赤霉病是由鐮孢屬Fusarium真菌侵染引起的一種世界性病害[1]。我國長江中下游的冬麥區(qū)和東北的春麥區(qū)為該病傳統(tǒng)頻發(fā)地區(qū),近年來受氣候變化、秸稈還田等因素影響,小麥赤霉病已蔓延到黃淮等其他麥區(qū)[2]。麥穗染病后不僅會(huì)造成小麥產(chǎn)量損失,而且會(huì)降低小麥品質(zhì),其產(chǎn)生的鐮刀菌毒素容易引起食品安全問題[3-4]。安徽省是全國小麥主產(chǎn)省份之一,常年種植面積260萬hm2以上。由于安徽省地處南北氣候過渡帶,氣候復(fù)雜多變,赤霉病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)高,據(jù)省植保部門統(tǒng)計(jì),近10年(2011年-2020年)安徽省小麥赤霉病偏重及以上發(fā)生的年份有5年,其中2012年、2016年、2018年大發(fā)生,全省發(fā)生面積均超過150萬hm2,嚴(yán)重影響安徽省糧食安全生產(chǎn)。

小麥赤霉病屬于典型的“氣象型”病害,其發(fā)生流行除與病原基數(shù)、寄主生育期、品種抗性等有關(guān)外,氣象條件是主要影響要素。研究表明,小麥赤霉病年際間發(fā)生流行程度主要取決于氣象條件的變化,尤其降水、相對濕度、溫度等氣象因子與赤霉病的發(fā)生密切相關(guān)[5-7]。近年來,利用氣象條件開展小麥赤霉病監(jiān)測評估、預(yù)測預(yù)報(bào)成為眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。任義方等[8]根據(jù)小麥對赤霉病的敏感性和促病氣象條件出現(xiàn)概率,構(gòu)建了發(fā)病氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測時(shí)段中單點(diǎn)和區(qū)域的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)評估;楊矯捷[9]根據(jù)赤霉病發(fā)生與氣象條件的關(guān)系,建立了基于多元回歸分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)多分類算法的安徽省小麥赤霉病預(yù)測模型;徐敏等[10]應(yīng)用隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)算法,建立了江蘇省小麥赤霉病氣象等級動(dòng)態(tài)預(yù)測模型;吳亞琴等[11]利用回歸分析建立了含有氣象因子交叉項(xiàng)的小麥赤霉病預(yù)測模型,其能夠很好地預(yù)測中國中部地區(qū)的冬小麥赤霉病的發(fā)生情況。

目前,關(guān)于安徽省小麥赤霉病研究多集中在病粒識別方法、防治藥劑篩選、預(yù)測預(yù)報(bào)模型構(gòu)建等方面[12-15],但針對赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究還鮮有報(bào)道。本文根據(jù)小麥赤霉病發(fā)生流行與氣象條件的關(guān)系,通過相關(guān)分析、加權(quán)求和、回歸分析等方法,建立安徽省小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)等級評估模型和區(qū)劃指標(biāo),并基于GIS技術(shù)開展安徽省小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,以確定赤霉病防御重點(diǎn)區(qū)域,以期為合理調(diào)整安徽小麥種植結(jié)構(gòu),開展赤霉病綠色防控提供重要參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

小麥赤霉病病穗率資料來源于安徽省植物保護(hù)總站,主要包括宣城、池州、廬江、滁州、壽縣、靈璧、蕭縣7個(gè)站點(diǎn),涵蓋了安徽省不同小麥種植區(qū),資料年代分別為:1986年-2020年、1991年-2020年、1987年-2020年、1985年-2020年、1989年-2020年、2003年-2020年和2003年-2020年。氣象資料來自安徽省氣象信息中心,包括全省78個(gè)氣象觀測站1981年-2020年的逐日平均氣溫(℃)、降水量(mm)、相對濕度(%)等要素(圖1)。

圖1 安徽省小麥赤霉病觀測點(diǎn)及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of wheat scab observation stations and meteorological stations in Anhui

1.2 小麥赤霉病發(fā)生氣象等級劃分

參照安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《小麥赤霉病測報(bào)調(diào)查規(guī)范》(DB 34/T 2957—2017)[16],將小麥赤霉病發(fā)生氣象等級劃分為5級,即小麥赤霉病輕發(fā)生(病穗率≤3%),對應(yīng)氣象等級為1級;偏輕發(fā)生(3%<病穗率≤10%)，對應(yīng)氣象等級為2級;中等發(fā)生(10%<病穗率≤20%),對應(yīng)氣象等級為3級;偏重發(fā)生(20%<病穗率≤30%),對應(yīng)氣象等級為4級;大發(fā)生(病穗率>30%),對應(yīng)氣象等級為5級。

1.3 研究方法

1.3.1研究思路

根據(jù)前人研究成果,確定小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期,并統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵期氣象要素,通過相關(guān)分析確定影響赤霉病發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃?。采用加?quán)求和法,將影響赤霉病發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃有纬删C合氣象條件指數(shù),其中各氣象因子的權(quán)重系數(shù)利用VB程序模擬計(jì)算得到。采用回歸分析法,對綜合氣象條件指數(shù)進(jìn)行等級劃分,確定赤霉病不同發(fā)生氣象等級對應(yīng)的綜合氣象條件指數(shù)閾值。統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)歷年小麥赤霉病不同等級發(fā)生概率,結(jié)合赤霉病不同等級的危害輕重,構(gòu)建赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),基于GIS技術(shù)開展安徽省小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

1.3.2赤霉病發(fā)生與氣象條件的關(guān)系

氣象條件對小麥赤霉病的影響可分為3個(gè)階段,小麥抽穗前的天氣條件主要影響赤霉病菌子囊殼的形成,即病原菌的數(shù)量;小麥抽穗揚(yáng)花期的氣象條件主要影響子囊孢子的釋放和侵染,即侵染程度;灌漿乳熟期的天氣條件主要影響赤霉病的顯癥,即發(fā)病程度[8]。近幾年,由于秸稈還田,田間菌源廣泛存在[17],菌源量已不是影響赤霉病發(fā)生的主要限制條件,因此本研究以抽穗、揚(yáng)花至灌漿乳熟期作為小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期。根據(jù)安徽省小麥種植制度和氣候特點(diǎn),將小麥種植區(qū)域劃分為沿淮淮北、江淮和沿江江南3個(gè)區(qū)域,不同區(qū)域小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期見表1。

表1 安徽省不同區(qū)域小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期

1.3.3氣象因子選擇與處理

小麥抽穗揚(yáng)花至灌漿期的雨日、雨量、相對濕度和溫度對發(fā)病輕重起著決定性作用[18-19],本文選擇小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期的降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)、相對濕度≥85%日數(shù)、相對濕度≥90%日數(shù)、平均相對濕度、平均溫度、降雨日平均溫度等要素,通過分析這些因子與赤霉病發(fā)生氣象等級的相關(guān)性,篩選出影響小麥赤霉病發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

根據(jù)小麥赤霉病發(fā)生氣象等級,將影響小麥赤霉病發(fā)生的氣象因子分為5個(gè)等級,并賦予不同數(shù)值,劃分標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)

式中,Di為影響小麥赤霉病發(fā)生的第i個(gè)氣象因子分級值;Ri為影響赤霉病發(fā)生的第i個(gè)氣象因子統(tǒng)計(jì)值;Gi1、Gi2、Gi3、Gi4分別為影響小麥赤霉病發(fā)生的第i個(gè)氣象因子的閾值。

1.3.4綜合氣象條件指數(shù)

綜合氣象條件指數(shù)由不同氣象要素加權(quán)求和得到:

(2)

式中,Mc為綜合氣象條件指數(shù);n為影響赤霉病發(fā)生的氣象要素個(gè)數(shù);σi為第i個(gè)氣象要素的權(quán)重系數(shù);Di為影響小麥赤霉病發(fā)生的第i個(gè)氣象要素分級值。其中,權(quán)重系數(shù)σi由VB程序循環(huán)模擬計(jì)算得到。

1.3.5小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)劃

綜合小麥赤霉病不同氣象等級出現(xiàn)頻率和不同等級危害大小,定義小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)IR:

(3)

式中,IR為小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);n為小麥赤霉病發(fā)生氣象等級數(shù);Ai為小麥赤霉病i等級危害值,由于赤霉病發(fā)生等級越高對小麥的危害越大,根據(jù)前人研究結(jié)果和專家經(jīng)驗(yàn),小麥赤霉病發(fā)生1～5級時(shí)Ai分別取值0.2、0.4、0.6、0.8、1.0;Pi為小麥赤霉病i等級發(fā)生的概率。

將安徽省小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級,根據(jù)樣本中氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)數(shù)值范圍和不同等級發(fā)生比例,確定不同風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)閾值?；诎不帐?8個(gè)氣象站1981年-2020年小麥赤霉病不同氣象等級發(fā)生頻率,結(jié)合赤霉病等級危害值,由公式(3)計(jì)算得到小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),并利用ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值分析得到安徽省小麥赤霉病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)分布。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究采用DPS 18.10統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析、回歸分析,利用Visual Basic程序?qū)π←湷嗝共“l(fā)生關(guān)鍵期氣象要素的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行循環(huán)處理,地理分布繪圖采用ArcGIS 10.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響小麥赤霉病發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃?/h3>

小麥赤霉病發(fā)生氣象等級與關(guān)鍵期降水日數(shù)、降水量、相對濕度、溫度等要素的相關(guān)分析見表2,結(jié)果顯示,降水日數(shù)、降水量與赤霉病發(fā)生氣象等級相關(guān)系數(shù)分別為0.663 4和0.533 4,均達(dá)極顯著水平(P≤0.01),相對濕度相關(guān)要素中≥80%日數(shù)與赤霉病發(fā)生氣象等級相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.615 6,達(dá)極顯著水平(P≤0.01),溫度要素與赤霉病發(fā)生氣象等級相關(guān)性不明顯(P>0.05)。因此,本研究以小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期的降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)作為影響其發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

表2 小麥赤霉病發(fā)生氣象等級與不同氣象要素的相關(guān)系數(shù)1)

2.2 主要?dú)庀笠蜃臃植继卣?/h3>

統(tǒng)計(jì)1981年-2020年安徽省78個(gè)氣象站小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)。由圖2可以看出,降水日數(shù)呈緯向分布,沿淮淮北地區(qū)為8～11 d,江淮地區(qū)為10～14 d,沿江江南地區(qū)為13～18 d。其中降水日數(shù)低值區(qū)位于淮北北部的碭山、蕭縣、淮北、亳州、濉溪等地,降水日數(shù)不足9 d,高值區(qū)位于長江以南的祁門、休寧、黃山、歙縣、黟縣等地,降水日數(shù)達(dá)18 d。降水量沿淮淮北地區(qū)60～100 mm,江淮地區(qū)90～200 mm,沿江江南地區(qū)110～280 mm。其中降水日數(shù)低值區(qū)位于淮北北部的碭山、渦陽、濉溪等地,降水量不足70 mm,高值區(qū)位于長江以南的祁門、休寧、黃山、歙縣等地,降水量在250 mm以上。相對濕度≥80%日數(shù)沿淮淮北地區(qū)6～11 d,淮河以南地區(qū)10～19 d。其中相對濕度≥80%日數(shù)低值區(qū)位于淮北北部的太和、淮北及沿淮的五河等地,相對濕度≥80%日數(shù)僅7 d,高值區(qū)位于沿江江南的東至、懷寧、祁門等地,相對濕度≥80%日數(shù)在17 d及以上。

2.3 氣象要素分級賦值

為實(shí)現(xiàn)小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)的分級賦值,以赤霉病發(fā)生氣象等級為因變量(y),以降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)為自變量(x),分別建立線性回歸方程(表3)。采用反推方法,因變量y取值采用四舍五入,當(dāng)y<1.5,赤霉病氣象等級為1級;當(dāng)1.5≤y<2.5,氣象等級為2級;當(dāng)2.5≤y<3.5,氣象等級為3級;當(dāng)3.5≤y<4.5,氣象等級為4級;當(dāng)y≥4.5,氣象等級為5級。計(jì)算出當(dāng)因變量y取值1.5、2.5、3.5和4.5時(shí),降水日數(shù)(Rd)、降水量(R)、相對濕度≥80%日數(shù)(Ud)對應(yīng)的數(shù)值,再根據(jù)不同氣象要素閾值進(jìn)行分級賦值(表4)。

圖2 1981年-2020年安徽省小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of precipitation days, precipitation and days with relative humidity higher than 80% in the critical period of wheat scab in Anhui from 1981 to 2020

表3 小麥赤霉病發(fā)生氣象等級與關(guān)鍵氣象要素的回歸分析

表4 小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期不同氣象要素分級賦值方法

2.4 綜合氣象條件指數(shù)

由于不同氣象要素在赤霉病發(fā)生過程中所起的作用存在一定差異,采用加權(quán)求和法計(jì)算綜合氣象條件指數(shù)(Mc)。將小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)定為α、β、γ,且α、β、γ均在0和1之間。利用Visual Basic程序,以0.01為步長,對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)算,當(dāng)α+β+γ=1時(shí)輸出對應(yīng)的綜合氣象條件指數(shù),再與赤霉病發(fā)生氣象等級進(jìn)行相關(guān)分析,篩選出相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。計(jì)算結(jié)果為:α=0.46,β=0.09,γ=0.45。根據(jù)求得的不同氣象要素權(quán)重系數(shù),計(jì)算出綜合氣象條件指數(shù)。以赤霉病發(fā)生氣象等級為因變量,以綜合氣象條件指數(shù)為自變量,建立最優(yōu)回歸方程y=-0.135 6x3+1.181x2-1.978 4x+2.051 1,r=0.695 6,P≤0.01。當(dāng)y分別取值1.5、2.5、3.5和4.5時(shí),得到赤霉病不同發(fā)生氣象等級對應(yīng)的綜合氣象條件指數(shù)值(表5)。

表5 小麥赤霉病不同氣象等級對應(yīng)綜合氣象條件指數(shù)

2.5 赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

根據(jù)1.3.5節(jié)中的分析方法,得到小麥赤霉病不同氣象風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)閾值(表6)?；贕IS技術(shù)得到安徽省小麥赤霉病氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖(圖3),可以看出,極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于沿江西部和江南大部,包括潛山、懷寧、宿松、望江、東至等20個(gè)市縣,該區(qū)域赤霉病發(fā)生氣象等級4級以上,即偏重發(fā)生或大發(fā)生的概率約10年4～5次;高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于大別山區(qū)、江淮和沿江大部、皖南東部一帶,包括金寨、六安、桐城、廬江、郎溪等24個(gè)市縣,該區(qū)域赤霉病發(fā)生氣象等級4級以上的概率約10年1～3次;中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于淮北中南部、沿淮大部和江淮東部一帶,包括臨泉、界首、潁上、壽縣、定遠(yuǎn)等23個(gè)市縣,該區(qū)域赤霉病發(fā)生氣象等級4級以上的概率約10年0.5～1次;低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于淮北北部和沿淮中部一帶,包括碭山、亳州、濉溪、宿州、靈璧等11個(gè)市縣,該區(qū)域赤霉病發(fā)生氣象等級4級以上的概率約10年0～0.5次。

表6 安徽省小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)等級風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)劃分

圖3 安徽省小麥赤霉病氣象風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖Fig.3 Meteorological risk zoning of wheat scab in Anhui province

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)安徽省小麥赤霉病發(fā)生特點(diǎn),在前人研究的基礎(chǔ)上,以小麥抽穗揚(yáng)花至灌漿乳熟期作為其發(fā)生的關(guān)鍵期。通過相關(guān)性分析,確定降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%的日數(shù)是影響赤霉病發(fā)生程度的關(guān)鍵氣象因子,這與夏風(fēng)等和馬延慶等[20-21]的觀點(diǎn)較為一致。關(guān)于氣溫對赤霉病的影響,吳春艷等和羅貴東等[22-23]認(rèn)為在適宜的濕度條件下,越接近適宜溫度,病菌侵入和蔓延速度越快,潛育期越短,發(fā)病越重。而也有學(xué)者認(rèn)為小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期的溫度通常能滿足發(fā)病要求,所以溫度不是影響赤霉病發(fā)生的主要因素,氣溫主要影響發(fā)病的早晚和病程的快慢[21,24-25]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,1981年-2020年安徽省小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期全省平均氣溫為18～20℃,基本滿足了赤霉病發(fā)生流行對溫度條件的需求,所以小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期溫度的變化對其影響不明顯。

安徽省小麥赤霉病發(fā)生氣象風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)劃呈現(xiàn)緯向分布,極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于沿江西部和江南大部,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于大別山區(qū)、江淮和沿江大部、皖南東部一帶,中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于淮北中南部、沿淮大部和江淮東部一帶,低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于淮北北部和沿淮中部一帶。總體與小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵期降水日數(shù)、降水量、相對濕度≥80%日數(shù)的分布較為一致,體現(xiàn)了降水和濕度條件對赤霉病發(fā)生的影響。針對赤霉病發(fā)生氣象極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,重點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,盡量減少小麥種植面積,并按照“二次用藥不動(dòng)搖,三次用藥看需要”的技術(shù)要領(lǐng)開展赤霉病防控;高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域重點(diǎn)應(yīng)選用抗性強(qiáng)的品種和加強(qiáng)管理措施,實(shí)行深耕滅茬、輪作換茬、科學(xué)施肥等措施,并按照“一次適期用好藥,二次用藥不動(dòng)搖”的技術(shù)要領(lǐng)開展防控;中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)重點(diǎn)是選用高產(chǎn)高抗品種,加強(qiáng)管理措施,并按照“一次適期用好藥,二次用藥看需要”的技術(shù)要領(lǐng)開展防控;低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)可以選擇高產(chǎn)并具有一定抗性品種,加強(qiáng)田間管理,并按照“一次適期用好藥”的技術(shù)要領(lǐng)加強(qiáng)防控。

小麥赤霉病的發(fā)生不僅受氣象條件的影響,實(shí)際生產(chǎn)中,不同的品種、耕作制度、栽培管理措施等對赤霉病發(fā)生的影響不同。例如,稻茬麥小麥赤霉病的病穗率和病指一般重于旱茬麥[26];秸稈還田和增施氮肥措施下小麥赤霉病病穗率和病情指數(shù)呈上升趨勢[27-28];相同種類、相同施肥量情況下,肥料早施可以降低赤霉病病穗率和病情指數(shù)[27]。但不同年份赤霉病發(fā)生程度主要受氣象條件的影響,只有在氣象條件滿足的情況下,品種、耕作制度、栽培管理措施等引起的差異才能表現(xiàn)出來[29],所以本研究利用氣象條件開展小麥赤霉病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,對指導(dǎo)赤霉病綠色防控具有重要參考意義。由于赤霉病的發(fā)生與多種因素有關(guān),本研究中部分地區(qū)赤霉病區(qū)劃等級與實(shí)際情況存在一定差異,因此,開展多因子小麥赤霉病精細(xì)化區(qū)劃是下一步研究的重點(diǎn)。