安徽省小麥赤霉病氣象風險評估與區劃

岳 偉, 陳 曦, 姚衛平, 王 軍, 王曉東*, 鄧 斌, 邱 坤

(1. 安徽省農業氣象中心, 合肥 230031; 2. 安徽省池州市農技推廣中心植保站, 池州 247000;3. 安徽省滁州市南譙區植保植檢站, 滁州 239000; 4. 安徽省宣城市宣州區植保植檢站, 宣城 242000;5. 安徽省植物保護總站, 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和東北的春麥區為該病傳統頻發地區,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[2]。麥穗染病后不僅會造成小麥產量損失,而且會降低小麥品質,其產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,氣候復雜多變,赤霉病發生風險高,據省植保部門統計,近10年(2011年-2020年)安徽省小麥赤霉病偏重及以上發生的年份有5年,其中2012年、2016年、2018年大發生,全省發生面積均超過150萬hm2,嚴重影響安徽省糧食安全生產。

小麥赤霉病屬于典型的“氣象型”病害,其發生流行除與病原基數、寄主生育期、品種抗性等有關外,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生密切相關[5-7]。近年來,利用氣象條件開展小麥赤霉病監測評估、預測預報成為眾多學者研究的重點內容。任義方等[8]根據小麥對赤霉病的敏感性和促病氣象條件出現概率,構建了發病氣象風險指數,實現了監測時段中單點和區域的發病風險評估;楊矯捷[9]根據赤霉病發生與氣象條件的關系,建立了基于多元回歸分析、BP神經網絡、支持向量機多分類算法的安徽省小麥赤霉病預測模型;徐敏等[10]應用隨機森林機器學習算法,建立了江蘇省小麥赤霉病氣象等級動態預測模型;吳亞琴等[11]利用回歸分析建立了含有氣象因子交叉項的小麥赤霉病預測模型,其能夠很好地預測中國中部地區的冬小麥赤霉病的發生情況。

目前,關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、預測預報模型構建等方面[12-15],但針對赤霉病發生氣象風險區劃的研究還鮮有報道。本文根據小麥赤霉病發生流行與氣象條件的關系,通過相關分析、加權求和、回歸分析等方法,建立安徽省小麥赤霉病發生氣象風險等級評估模型和區劃指標,并基于GIS技術開展安徽省小麥赤霉病發生氣象風險區劃,以確定赤霉病防御重點區域,以期為合理調整安徽小麥種植結構,開展赤霉病綠色防控提供重要參考依據。

1 資料與方法

1.1 數據資料

小麥赤霉病病穗率資料來源于安徽省植物保護總站,主要包括宣城、池州、廬江、滁州、壽縣、靈璧、蕭縣7個站點,涵蓋了安徽省不同小麥種植區,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及氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of wheat scab observation stations and meteorological stations in Anhui

1.2 小麥赤霉病發生氣象等級劃分

參照安徽省地方標準《小麥赤霉病測報調查規范》(DB 34/T 2957—2017)[16],將小麥赤霉病發生氣象等級劃分為5級,即小麥赤霉病輕發生(病穗率≤3%),對應氣象等級為1級;偏輕發生(3%<病穗率≤10%)，對應氣象等級為2級;中等發生(10%<病穗率≤20%),對應氣象等級為3級;偏重發生(20%<病穗率≤30%),對應氣象等級為4級;大發生(病穗率>30%),對應氣象等級為5級。

1.3 研究方法

1.3.1研究思路

根據前人研究成果,確定小麥赤霉病發生關鍵期,并統計關鍵期氣象要素,通過相關分析確定影響赤霉病發生的主要氣象因子。采用加權求和法,將影響赤霉病發生的主要氣象因子形成綜合氣象條件指數,其中各氣象因子的權重系數利用VB程序模擬計算得到。采用回歸分析法,對綜合氣象條件指數進行等級劃分,確定赤霉病不同發生氣象等級對應的綜合氣象條件指數閾值。統計各站點歷年小麥赤霉病不同等級發生概率,結合赤霉病不同等級的危害輕重,構建赤霉病發生氣象風險指數,基于GIS技術開展安徽省小麥赤霉病發生氣象風險區劃。

1.3.2赤霉病發生與氣象條件的關系

氣象條件對小麥赤霉病的影響可分為3個階段,小麥抽穗前的天氣條件主要影響赤霉病菌子囊殼的形成,即病原菌的數量;小麥抽穗揚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生的主要限制條件,因此本研究以抽穗、揚花至灌漿乳熟期作為小麥赤霉病發生關鍵期。根據安徽省小麥種植制度和氣候特點,將小麥種植區域劃分為沿淮淮北、江淮和沿江江南3個區域,不同區域小麥赤霉病發生關鍵期見表1。

表1 安徽省不同區域小麥赤霉病發生關鍵期

1.3.3氣象因子選擇與處理

小麥抽穗揚花至灌漿期的雨日、雨量、相對濕度和溫度對發病輕重起著決定性作用[18-19],本文選擇小麥赤霉病發生關鍵期的降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數、相對濕度≥85%日數、相對濕度≥90%日數、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生氣象等級的相關性,篩選出影響小麥赤霉病發生的主要氣象因子。

根據小麥赤霉病發生氣象等級,將影響小麥赤霉病發生的氣象因子分為5個等級,并賦予不同數值,劃分標準如下:

(1)

式中,Di為影響小麥赤霉病發生的第i個氣象因子分級值;Ri為影響赤霉病發生的第i個氣象因子統計值;Gi1、Gi2、Gi3、Gi4分別為影響小麥赤霉病發生的第i個氣象因子的閾值。

1.3.4綜合氣象條件指數

綜合氣象條件指數由不同氣象要素加權求和得到:

(2)

式中,Mc為綜合氣象條件指數;n為影響赤霉病發生的氣象要素個數;σi為第i個氣象要素的權重系數;Di為影響小麥赤霉病發生的第i個氣象要素分級值。其中,權重系數σi由VB程序循環模擬計算得到。

1.3.5小麥赤霉病發生氣象風險等級區劃

綜合小麥赤霉病不同氣象等級出現頻率和不同等級危害大小,定義小麥赤霉病發生氣象風險指數IR:

(3)

式中,IR為小麥赤霉病發生氣象風險指數;n為小麥赤霉病發生氣象等級數;Ai為小麥赤霉病i等級危害值,由于赤霉病發生等級越高對小麥的危害越大,根據前人研究結果和專家經驗,小麥赤霉病發生1～5級時Ai分別取值0.2、0.4、0.6、0.8、1.0;Pi為小麥赤霉病i等級發生的概率。

將安徽省小麥赤霉病發生氣象風險劃分為極高風險、高風險、中風險、低風險4個等級,根據樣本中氣象風險指數數值范圍和不同等級發生比例,確定不同風險等級對應的氣象風險指數閾值。基于安徽省78個氣象站1981年-2020年小麥赤霉病不同氣象等級發生頻率,結合赤霉病等級危害值,由公式(3)計算得到小麥赤霉病發生氣象風險指數,并利用ArcGIS軟件進行空間插值分析得到安徽省小麥赤霉病發生風險分布。

1.4 數據處理

本研究采用DPS 18.10統計軟件對數據進行相關分析、回歸分析,利用Visual Basic程序對小麥赤霉病發生關鍵期氣象要素的權重系數進行循環處理,地理分布繪圖采用ArcGIS 10.0。

2 結果與分析

2.1 影響小麥赤霉病發生的主要氣象因子

小麥赤霉病發生氣象等級與關鍵期降水日數、降水量、相對濕度、溫度等要素的相關分析見表2,結果顯示,降水日數、降水量與赤霉病發生氣象等級相關系數分別為0.663 4和0.533 4,均達極顯著水平(P≤0.01),相對濕度相關要素中≥80%日數與赤霉病發生氣象等級相關性最高,相關系數為0.615 6,達極顯著水平(P≤0.01),溫度要素與赤霉病發生氣象等級相關性不明顯(P>0.05)。因此,本研究以小麥赤霉病發生關鍵期的降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數作為影響其發生的主要氣象因子。

表2 小麥赤霉病發生氣象等級與不同氣象要素的相關系數1)

2.2 主要氣象因子分布特征

統計1981年-2020年安徽省78個氣象站小麥赤霉病發生關鍵期降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數。由圖2可以看出,降水日數呈緯向分布,沿淮淮北地區為8～11 d,江淮地區為10～14 d,沿江江南地區為13～18 d。其中降水日數低值區位于淮北北部的碭山、蕭縣、淮北、亳州、濉溪等地,降水日數不足9 d,高值區位于長江以南的祁門、休寧、黃山、歙縣、黟縣等地,降水日數達18 d。降水量沿淮淮北地區60～100 mm,江淮地區90～200 mm,沿江江南地區110～280 mm。其中降水日數低值區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%日數沿淮淮北地區6～11 d,淮河以南地區10～19 d。其中相對濕度≥80%日數低值區位于淮北北部的太和、淮北及沿淮的五河等地,相對濕度≥80%日數僅7 d,高值區位于沿江江南的東至、懷寧、祁門等地,相對濕度≥80%日數在17 d及以上。

2.3 氣象要素分級賦值

為實現小麥赤霉病發生關鍵期降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數的分級賦值,以赤霉病發生氣象等級為因變量(y),以降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數為自變量(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y<1.5,赤霉病氣象等級為1級;當1.5≤y<2.5,氣象等級為2級;當2.5≤y<3.5,氣象等級為3級;當3.5≤y<4.5,氣象等級為4級;當y≥4.5,氣象等級為5級。計算出當因變量y取值1.5、2.5、3.5和4.5時,降水日數(Rd)、降水量(R)、相對濕度≥80%日數(Ud)對應的數值,再根據不同氣象要素閾值進行分級賦值(表4)。

圖2 1981年-2020年安徽省小麥赤霉病發生關鍵期降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數分布圖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 小麥赤霉病發生氣象等級與關鍵氣象要素的回歸分析

表4 小麥赤霉病發生關鍵期不同氣象要素分級賦值方法

2.4 綜合氣象條件指數

由于不同氣象要素在赤霉病發生過程中所起的作用存在一定差異,采用加權求和法計算綜合氣象條件指數(Mc)。將小麥赤霉病發生關鍵期降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數的權重系數分別設定為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,對權重系數進行循環計算,當α+β+γ=1時輸出對應的綜合氣象條件指數,再與赤霉病發生氣象等級進行相關分析,篩選出相關系數最大值對應的權重系數。計算結果為:α=0.46,β=0.09,γ=0.45。根據求得的不同氣象要素權重系數,計算出綜合氣象條件指數。以赤霉病發生氣象等級為因變量,以綜合氣象條件指數為自變量,建立最優回歸方程y=-0.135 6x3+1.181x2-1.978 4x+2.051 1,r=0.695 6,P≤0.01。當y分別取值1.5、2.5、3.5和4.5時,得到赤霉病不同發生氣象等級對應的綜合氣象條件指數值(表5)。

表5 小麥赤霉病不同氣象等級對應綜合氣象條件指數

2.5 赤霉病發生氣象風險區劃

根據1.3.5節中的分析方法,得到小麥赤霉病不同氣象風險等級對應的風險指數閾值(表6)。基于GIS技術得到安徽省小麥赤霉病氣象風險區劃圖(圖3),可以看出,極高風險區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個市縣,該區域赤霉病發生氣象等級4級以上,即偏重發生或大發生的概率約10年4～5次;高風險區主要位于大別山區、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個市縣,該區域赤霉病發生氣象等級4級以上的概率約10年1～3次;中等風險區位于淮北中南部、沿淮大部和江淮東部一帶,包括臨泉、界首、潁上、壽縣、定遠等23個市縣,該區域赤霉病發生氣象等級4級以上的概率約10年0.5～1次;低風險區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個市縣,該區域赤霉病發生氣象等級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生氣象風險等級風險指數劃分

圖3 安徽省小麥赤霉病氣象風險區劃圖Fig.3 Meteorological risk zoning of wheat scab in Anhui province

3 結論與討論

本文根據安徽省小麥赤霉病發生特點,在前人研究的基礎上,以小麥抽穗揚花至灌漿乳熟期作為其發生的關鍵期。通過相關性分析,確定降水日數、降水量、相對濕度≥80%的日數是影響赤霉病發生程度的關鍵氣象因子,這與夏風等和馬延慶等[20-21]的觀點較為一致。關于氣溫對赤霉病的影響,吳春艷等和羅貴東等[22-23]認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,發病越重。而也有學者認為小麥赤霉病發生關鍵期的溫度通常能滿足發病要求,所以溫度不是影響赤霉病發生的主要因素,氣溫主要影響發病的早晚和病程的快慢[21,24-25]。經統計分析,1981年-2020年安徽省小麥赤霉病發生關鍵期全省平均氣溫為18～20℃,基本滿足了赤霉病發生流行對溫度條件的需求,所以小麥赤霉病發生關鍵期溫度的變化對其影響不明顯。

安徽省小麥赤霉病發生氣象風險等級區劃呈現緯向分布,極高風險區主要位于沿江西部和江南大部,高風險區主要位于大別山區、江淮和沿江大部、皖南東部一帶,中等風險區位于淮北中南部、沿淮大部和江淮東部一帶,低風險區位于淮北北部和沿淮中部一帶。總體與小麥赤霉病發生關鍵期降水日數、降水量、相對濕度≥80%日數的分布較為一致,體現了降水和濕度條件對赤霉病發生的影響。針對赤霉病發生氣象極高風險區域,重點應加強種植結構調整,盡量減少小麥種植面積,并按照“二次用藥不動搖,三次用藥看需要”的技術要領開展赤霉病防控;高風險區域重點應選用抗性強的品種和加強管理措施,實行深耕滅茬、輪作換茬、科學施肥等措施,并按照“一次適期用好藥,二次用藥不動搖”的技術要領開展防控;中風險地區重點是選用高產高抗品種,加強管理措施,并按照“一次適期用好藥,二次用藥看需要”的技術要領開展防控;低風險地區可以選擇高產并具有一定抗性品種,加強田間管理,并按照“一次適期用好藥”的技術要領加強防控。

小麥赤霉病的發生不僅受氣象條件的影響,實際生產中,不同的品種、耕作制度、栽培管理措施等對赤霉病發生的影響不同。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[27]。但不同年份赤霉病發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出來[29],所以本研究利用氣象條件開展小麥赤霉病發生風險區劃,對指導赤霉病綠色防控具有重要參考意義。由于赤霉病的發生與多種因素有關,本研究中部分地區赤霉病區劃等級與實際情況存在一定差異,因此,開展多因子小麥赤霉病精細化區劃是下一步研究的重點。