稻曲病是水稻生长中后期发生在穗部的真菌病害,稻曲病菌繁殖过程中消耗病谷粒和相邻谷粒的大量养分,影响营养输送,造成空秕率增加,结实率和千粒重下降,从而导致减产,发生严重时产量损失达50%以上[1,2,3]。由于稻曲病菌能产生大量对人、动物、植物的细胞分裂有强烈抑制作用的毒素,使其一方面成为优质水稻生产的一大障碍,同时也给食用安全带来一定威胁[4]。20世纪80年代后,随着杂交水稻的示范推广以及氮肥水平的不断提高,稻曲病在我国发生范围明显扩大、发病程度加重,已从次要病害逐渐上升为主要病害[5]。安徽省水稻常年种植面积200万hm2以上,产量占全国水稻总产量的7%左右[6]。近年来,安徽省稻曲病呈逐年加重的趋势,部分地区产量损失达30%左右,重病区达50%左右,已成为水稻主要病害之一[7,8,9]。所以准确开展稻曲病预测预报对提前做好稻曲病的防治工作,提高水稻品质及保护粮食安全生产具有重要意义。

稻曲病是一种典型的“气象型”病害,气候条件是影响稻曲病菌萌发和病害流行的重要因素[10]。徐敏等[11]认为水稻孕穗至抽穗扬花期适温、多雨、日照少等条件均能促进该病的发生流行。杨洵[12]指出稻曲病发生与降雨日数密切相关,孕穗至抽穗期,雨量和雨日多则发病重。在稻曲病预测方法与技术方面,众多学者也进行了深入研究。徐敏等[11]构建了江苏省基于气象要素、海温因子、大气环流指数的预报模型,并对3种模型的预报结果采用算术平均、加权平均和多元回归方法进行集成。戴明华等[13]以温度、湿度、光照强度等导致稻曲病发病的因素为预测依据,构建基于组态王软件的水稻稻曲病预测系统。任义方等[2]在明确适宜稻曲病发病条件的基础上,针对稻曲病发病敏感期,结合气象影响因子,构造综合稻曲病指数来判别稻曲病最终暴发的气象适宜度。苏荣瑞等[14]以日平均气温20～28℃,日平均空气相对湿度≥80%,日降水量≥0.1mm(或日照时数≤1h)为稻曲病促病气象指标,建立了促病气象条件指数,再根据稻曲病病穗率与促病气象条件指数进行统计划分,得到稻曲病发生发展气象条件预报等级。

现有的稻曲病预测模型在选择预报因子方面相对复杂,实际应用中气象预报产品难以满足对预报因子的精准化预测,此外在稻曲病预测预报相关模型研究中,对不同降水等级和温度对稻曲病的影响定量化研究并不多见。本论文在前人研究的基础上,以稻曲病发生关键期降水日数为基础,综合考虑不同降水等级和温度对稻曲病的影响,引入降雨系数和温度系数,构建综合气象条件指数,通过最优回归分析建立稻曲病预报模型。研究结果不仅为安徽省农业气象业务服务中开展稻曲病气象等级预报提供技术支撑,同时也为植保部门提前做好稻曲病防治工作提供科学参考依据。

1、材料与方法

1.1研究资料

本论文以加权平均病穗率作为一季稻稻曲病发生程度指标,所选一季稻品种均为两系籼型杂交中稻,品种主要为‘两优培九’‘Y两优1号’‘两优688’‘Y两优900’等,对稻曲病抗性均表现为感病至高感水平。1995年-2018年池州市一季稻稻曲病病穗率资料来自池州市植保站,对应年份的气象资料来源于安徽省气象信息中心,主要包括逐日日平均气温(℃)和降水量(mm)。1995年-2015年的稻曲病病穗率资料作为历史样本用于模型建立,2016年-2018年的资料作为独立样本用于模型检验。

1.2稻曲病发生规律

稻曲病主要以菌核在土壤中越冬,或以厚垣孢子附着在种子表面和落入田间越冬。翌年7月-8月菌核萌发产生子座,形成子囊壳,释放孢子;厚坦孢子萌发产生分生孢子,成为初侵染源。孢子借助风雨传播散落,在水稻孕穗-破口期侵害花器和幼颖。病菌入侵谷粒后,在颖壳内迅速生长形成菌丝块,以后逐渐扩大,使颖壳合缝处稍张开露出淡黄带绿色的小型块状突起,后逐渐包裹全部颖壳呈墨绿色,形成稻曲球[2,10,15]。稻曲病一般在水稻齐穗后4～5d始见病穗,8～13d盛发,15～16d病粒基本停止生长。

1.3稻曲病气象等级划分

根据稻曲病发生程度与气象条件的关系,参照水稻稻曲病发生程度分级标准,结合安徽省农业气象业务服务中病虫害气象等级预报需求,将安徽省稻曲病发生气象条件划分为4个等级(表1)。

表1安徽省稻曲病发生气象条件等级划分标准

1.4研究方法

1.4.1雨量系数计算方法

稻曲病发生过程中,不同降雨量等级对稻曲病菌孢子的释放、侵染及病害的发生影响不同,因此将稻曲病发生关键期日降雨量进行等级划分,不同量级的降雨赋予不同系数,计算方法如下:

1.4.2温度系数计算方法

适宜的温度利于稻曲病菌的生长发育、孢子释放侵染及病害的发生流行,温度过高、过低对稻曲病菌菌丝生长均有抑制作用[16]。根据稻曲病发生流行对温度的需求特点,采用下列函数计算稻曲病发生温度系数:

1.4.3综合气象条件指数

综合气象条件指数反映稻曲病发生关键期降水和温度对病害的综合影响程度,为关键期逐日雨量系数与温度系数乘积的累计值,计算方法如下:

式中,R(c)为稻曲病发生综合气象条件指数,i为稻曲病发生关键生育期降水日,i=1,2,…,n。f(Ri)为雨量系数,f(Ti)为温度系数。综合气象条件指数越大,即降水和温度的相互配合程度越高,越适宜稻曲病的发生流行,反之,则不适宜稻曲病的发生流行。

2、结果与分析

2.1稻曲病发生关键期

根据稻曲病发生与降雨日数的关系,结合池州市一季中稻发育期,分别以逐1旬、2旬、3旬、4旬为尺度统计6月至9月的降雨日数(日降雨量≥0.1mm),再与病穗率进行相关分析。结果表明,池州市7月下旬至8月中旬降雨日数与一季稻稻曲病病穗率相关系数最大,为0.6845(表2),达极显著水平(P<0.01)。且该时段池州市一季稻处于孕穗至灌浆初期,符合稻曲病菌的侵入和病害发生流行生理学特性,所以确定池州市一季稻稻曲病发生关键期为7月下旬至8月中旬。

2.2雨量系数

参照天气预报中24h降水量级标准,将稻曲病发生关键期日降水量分为0.1≤R<10(小雨)、10≤R<25(中雨)、25≤R<50(大雨)、R≥50(暴雨及以上)4个等级。不同雨量等级在稻曲病发生过程中所起到的作用定义为雨量系数f(R),关键期雨量系数之和为实效雨日Di。利用VisualBasic语言作为计算工具,将不同等级降水量的雨量系数设定一个范围,以0.1作为步长进行循环,计算出不同雨量系数对应的实效雨日,再与稻曲病病穗率进行相关分析,其中相关系数最大值对应实效雨日即为不同等级降水量的雨量系数。通过上述方法,得到雨量系数如下:

根据雨量系数计算公式(4),计算出1995年-2015年逐年实效雨日。由表2可见,实效雨日与病穗率相关系数为0.7616,较降雨日数与病穗率相关性提高了0.0771,所以对降水进行等级划分反映了不同降水量对稻曲病发生的影响。

表2池州市稻曲病发生关键期降雨日数、实效雨日、综合指数及其与病穗率相关性1)

1)**表示相关性达极显著水平(P<0.01)。

2.3温度系数

相关研究表明,低于12℃或高于36℃稻曲病病菌即停止生长发育,24～32℃病菌发育良好,最适温度为26～28℃[12,13,17],所以(2)式中Tl、Tol、Tou、Tu分别取值为12、26、28、36,稻曲病温度系数计算公式(2)改为公式(5)。当稻曲病发生关键期降水日日平均气温低于12℃或高于36℃时,温度系数f(T)值为0;当日平均气温在26～28℃时,f(T)值为1;当日平均气温在12～26℃时,随着温度的降低,f(T)逐渐减小;当日平均气温在28～36℃时,随着温度的升高,f(T)同样逐渐减小。

2.4综合气象条件指数

根据池州市1995年-2015年7月下旬至8月中旬逐日降水和气温资料,采用公式(5)计算出温度系数,利用公式(3)计算出池州不同年份稻曲病发生综合气象条件指数。由表2可见,综合气象条件指数与病穗率相关系数为0.7812,高于实效雨日与病穗率相关系数(r=0.7616),说明本论文提出的温度系数能定量化表征温度条件对稻曲病发生的影响。

2.5稻曲病病穗率预报模型

运用DPS统计软件中的曲线回归方法[19],以综合气象条件指数为自变量,以稻曲病病穗率为因变量,建立最优回归模型:Y=0.09408R2(c)(c)2-0.6402R(c)+4.734,相关系数r=0.8022,显著水平P<0.001。式中,Y为稻曲病病穗率,R(c)为综合气象条件指数。

图11995年-2015年池州市一季稻稻曲病关键期

综合气象条件指数与病穗率的关系

2.6模型检验

2.6.1回代检验

利用池州1995年-2015年稻曲病病穗率资料和气象观测资料,对稻曲病病穗率预报模型进行回代检验,回代结果为:21个样本中稻曲病实际发生气象等级与模拟等级相吻合的有17年,准确率为81.0%。从表3中可以看出,1995年-2015年池州稻曲病发生气象等级为1级的仅1年,发生在2013年,该年稻曲病发生关键期以晴热少雨天气为主,降水日数和综合气象条件指数均为历年最少(表2),实际病穗率为1.6%,模型回代病穗率为4.2%,虽然在等级上相差1个等级,但实际值与模拟值相差较小;稻曲病发生气象等级为2级的有13年,回代准确的有11年,准确率为84.6%,其余2年回代等级与实际发生等级误差1个等级;稻曲病发生等级为3级的有7年,回代准确的有6年,准确率为85.7%,其余1年回代等级与实际发生等级误差1个等级。从回代检验结果看,本文建立的稻曲病病穗率综合气象条件指数预报模型模拟效果较好,可以较好地反映稻曲病实际发生情况。

表3池州市一季稻稻曲病预报模型拟合检验

2.6.2预测检验

利用池州市2016年-2018年的稻曲病病穗率和气象观测资料,对稻曲病气象等级预报模型进行预报检验。由表4可以看出,2016年-2018年模型预测结果与实际发生情况完全一致,其中2016年池州稻曲病发生关键期降水日数为4d,综合气象条件指数为2.8,预测值与实际值分别为3.7%和3.4%;2017年关键期降水日数为14d,其中小雨和中雨等级的均为5d,大雨等级的有4d,稻曲病发生综合气象条件指数为15.4,病害偏重发生,预测值与实际值分别为17.1%和17.4%;2018年关键期降水日数为11d,综合气象条件指数为10.1,预测值与实际值分别为7.9%和4.1%。

表4池州市一季稻稻曲病预报模型预测检验

3、结论与讨论

稻曲病是一种典型的“气象型”病害,稻曲病菌孢子的萌发、释放、侵染及病害的发生流行与气象条件密切相关,本论文利用池州历年稻曲病病穗率资料和同期气象观测数据,通过分析,明确池州市一季稻稻曲病发生关键期为7月下旬至8月中旬,该时段池州一季稻处于孕穗至灌浆初期,这与杨洵、叶生海等、张贤党等关于水稻孕穗至破口期是稻曲病发生关键期的观点基本一致[12,19,20]。

适温高湿的环境是稻曲病滋生和蔓延的重要因素,本文选取稻曲病发生关键期降水和温度作为预报因子,并引入雨量系数和温度系数。将不同降水等级和不同温度对稻曲病的影响通过雨量系数和温度系数反映,最终形成综合气象条件指数。分析表明,综合气象条件指数与稻曲病病穗率的相关性明显高于降雨日数与病穗率的相关性。且综合气象条件指数能更好地反映气象条件对稻曲病发生的影响,例如2007年和2015年池州市一季稻稻曲病发生关键期降水日数均为13d(表2),但对应病穗率分别为4.4%和17.8%,差异明显,通过雨量系数(公式4)和温度系数(公式5),计算得到综合气象条件指数分别为10.2和14.5(表2),更符合实际发生情况。所以本论文提出的雨量系数和温度系数的观点符合稻曲病发生流行生理学特性,对提高稻曲病气象等级预报准确率具有重要意义。

通过对预报模型的拟合检验和预测检验,本研究建立的气象条件综合指数预测模型回代准确达81%,其中中等发生和偏重发生回代准确率分别为84.6%和85.7%;2016年-2018年模型预测结果均与实际情况相吻合。模型基本上能满足现代农业气象业务服务中水稻稻曲病气象等级预报的需求。但从1995年-2018年样本资料看,稻曲病实际发生气象等级以2级和3级居多,1级的仅有1年,4级的没有发生,所以针对1级和4级的实际效果还需在样本丰富条件下进一步验证。本研究建立的气象条件综合指数预测模型选取了降水和温度2个气象要素作为预报因子,无论是短期预报还是中长期预报均相对容易获取。在预报时效性方面,可结合CFSv2模式[21,22]逐日降水和气温预报产品,提前10～30d开展稻曲病气象等级预报,对做好稻曲病的防治工作具有重要参考价值。

本研究仅考虑了降水、温度对水稻稻曲病发生的影响,稻曲病的发生除与气象条件密切相关外,还与品种抗性、菌源量、栽培管理措施等多种因素的有关。刘晓舟等[23]研究表明不同水稻品种稻曲病发生程度有明显差异,同一水稻品种播期越晚稻曲病发生程度越严重。苏荣瑞等[14]指出菌源数量与稻曲病的发病呈正相关,上年发病重的田块则菌源基数大,有适宜条件发病则重。此外单位面积总施氮量越大,稻曲病发病越重,施肥总量相同的情况下,生长后期施肥越多,越易发病,移栽密度偏大,稻曲病发生有加重的趋势[24]。所以建立气象条件、品种抗性、菌源量、栽培管理等多因素的综合预报模型是下一步研究工作的重点。

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基金:国家重点研发计划(2017YFD0301304);安徽省气象局科研项目(KM201807).