稻曲病气象风险评估及适宜度等级预测技术

任义方, 高 苹*, 朱 凤, 刘 梅

(1. 江苏省气象服务中心,南京 210008;2. 江苏省植保站,南京 210046;3. 江苏省气象台,南京 210008)

稻曲病气象风险评估及适宜度等级预测技术

任义方1, 高 苹1*, 朱 凤2, 刘 梅3

(1. 江苏省气象服务中心,南京 210008;2. 江苏省植保站,南京 210046;3. 江苏省气象台,南京 210008)

为了弄清适宜稻曲病发生发展的气象条件以及对应的气象适宜度等级,提高水稻气象型病害防控能力,本文利用江苏省稻曲病大田调查资料,结合历史气象资料,通过评估发病敏感时段和致病风险,以及分析江苏省稻曲病最大成灾风险度出现日期以及空间分布情况,指出8月下旬为稻曲病高发期,对于发病风险高且程度重的沿淮、沿江以及江淮之间地区需要加强病害防御。在此基础上,综合考虑不同连续致病天数对稻曲病流行的影响,利用最优化技术,构建了综合稻曲病指数,并划分气象条件适宜度等级。通过单站和多站检验发现该指数对“中等、大流行”发病实况的判定准确率极高,但容易高估“轻度流行”的程度。

水稻稻曲病; 风险评估; 综合稻曲病指数; 气象等级预测

水稻稻曲病俗称“丰产果”,与稻瘟病菌不同,稻曲病菌不侵染叶、梗等部位,仅发生于穗部,危害谷粒,影响水稻产量和米质。稻曲病菌生长发育过程中消耗病稻谷粒和邻近稻粒的大量养分,阻碍其营养输送,造成空秕粒增多,千粒重下降,病谷粒具有较强的毒性。自20世纪30年代、40 年代开始,我国南北稻区每年都有不同程度的稻曲病发生。近年来,随着水稻品种的更新、栽培新技术的推广以及施肥水平的提高,稻曲病已成为水稻生产上的常见病害,一旦发病常常导致大流行,其中以辽宁、四川、湖南、云南和湖北等地发病较为严重,病穗率一般为5%～10%, 重病田可达30%以上[1-4]。

水稻稻曲病是一种典型的“气象型”病害[5]。国内在稻曲病发生规律及防治技术方面的基础性研究较多。这些研究主要从病害指示、病害寄主、病害触发条件、病害损失四个角度出发,涉及稻曲病病情指标评价,稻曲病病况与水稻品种、气象条件、产量因子之间关系探讨等内容。例如,为了明确稻曲病不同病情指标的代表性,体现病害本身发病程度。唐善军等[6]进行了水稻稻曲病不同病情指标间的相关关系研究,指出以病穗率为评价指标比较好。在探究不同水稻品种和播期对稻曲病发生程度影响方面,刘晓舟等[7]指出同一水稻品种早播处理稻曲病发生程度轻,晚播处理稻曲病发生程度重一些。王大为等[8]提出杂交稻比常规稻感病重,晚稻感病重于早稻。龚林根等[9]给出了高秆大穗型品种(‘武运粳7号’、‘杂交粳稻89-94’)发病程度明显重于穗数型品种的结论。关于气象因子与稻曲病发生关系的基础性研究,主要涉及病菌侵染循环过程、发生规律及其适宜环境因素等方面。王长金[10]基于病菌侵染循环过程,分析了有利于孢子散发的气象条件。叶生海等[11]从温度、降雨量、相对湿度3个气象因子出发,探讨水稻稻曲病流行的气象条件。朱明华[12]以水稻成熟期病株率为流行程度的年标志,通过逐步回归分析,指出稻曲病发病程度的决定因子为9月上、中旬的平均降雨量。

目前,江苏省仅初探了水稻稻曲病流行的气象条件,关于稻曲病流行的风险评估以及气象适宜度等级预报研究尚未涉足。为了进一步弄清适宜稻曲病发生发展的气象条件,提高水稻病害的监测预报服务能力,本文在对江苏稻曲病发病敏感时段、致病风险和成灾风险度评估的基础上,根据宜兴历年稻曲病观测资料,从稻曲病发生前提、侵染流行等关键因素出发,考虑不同连续致病天数对稻曲病流行程度的影响,利用最优化技术,构建综合稻曲病指数来判别气象条件适宜度等级,并结合发病实况进行准确率验证。

1 资料来源

江苏省72个气象站1959-2015年的逐日气象资料,8个农业气象站25年以上水稻生育期资料,宜兴站2005-2015年的水稻稻曲病观测资料,包括大面积普查的病穗率和发生面积,15个市(县)2014年和2015年的水稻稻曲病大田调查资料,以及病害发生情况的文字记载作为气象适宜度等级判定和预报验证的旁证材料。

2 稻曲病发生条件及气象风险评估

2.1 稻曲病侵染发病规律

气象条件在稻曲病侵染循环过程中起着促发性作用。温度影响病菌的生长和繁殖,水稻幼穗形成期至成熟期,病菌生长适宜温度 26～28℃。降水量和相对湿度主要影响病菌的侵入和扩散,幼穗形成期雨量多利于病菌侵入,穗期至成熟期雨量多利于病菌后期扩散,雨日数愈多,稻曲病发生越重;相对湿度越高(70%～80%),稻曲病菌子囊孢子和分生孢子侵入量越多,发病越重。

可见,气象因子在稻曲病的侵染循环和发生发展过程中起着至关重要的作用,稻曲病发生强度、范围和持续时间与气象要素存在着较为显著的关系。图1给出2005-2015年江苏省稻曲病发生面积,其中2005年、2008年、2009年和2011年稻曲病发生面积均超过了80万hm2,从气象条件分析,这些高发年份在水稻破口抽穗前后均出现持续降水过程。

图1 2005-2015年江苏省稻曲病发生面积Fig.1 Occurrence areas of rice false smut in Jiangsu Province in 2005-2015

2.2 发病敏感时段

关于气象因子在水稻哪个生育时段对稻曲病流行影响最大以及发病表征最明显的研究均指出,水稻孕穗-破口-抽穗-开花期是稻曲病菌的侵染敏感期,适温高湿有利于稻曲病菌滋生繁殖,易导致稻曲病流行。水稻开花以后至乳熟期为稻曲病病症集中表现期,病害主要分布在稻穗中下部。同时考虑到稻曲病发生程度与孕穗抽穗前一段时期气温和降水相关[7],适宜的气象条件将导致更多的病菌孢子附着在植株体上,因此将拔节期作为病害的主要接触期,结合菌源基数增多对后期病菌的侵染和暴发的影响以及病菌本身主要的侵染期、潜育期和发病期,定义拔节-乳熟阶段为整个稻曲病发病敏感时段。

江苏省一季稻拔节-乳熟阶段的起止时间随地域、年份不同而有一定差异,一般在7-9月之间。为了明确该生育时段的主要分布日期和形态,定义覆盖度(Cov)为:

(1)

其中,Covi为7-9月中任意一天的覆盖度;i为期间的天数(总共92 d);j为从1980-2015年的年数(总共36年);若某年份某天处于一季稻拔节-乳熟阶段则Ci,j=1,否则Ci,j=0。

以宜兴站为例,结合公式(1),利用农业气象站一季稻生育期观测资料,统计分析拔节-乳熟阶段在7-9月的覆盖度。从图2a可以发现从7月15日开始,拔节-乳熟阶段的覆盖度逐渐增大,至8月16日-8月23日覆盖概率最高,8 d的累积概率为17.44%,平均概率为2.18%,之后覆盖概率缓慢下降,9月下旬出现陡降,9月27日后无拔节-乳熟阶段覆盖。其中,8月16日-9月底的累积覆盖率达73.8%。

图2 宜兴水稻稻曲病监测阶段中拔节-乳熟累积覆盖率(a)、致病日出现概率(b)、成灾风险度(c)Fig.2 Distribution of cumulative coverage from stem elongation to milky stage (a), occurrence probability of pathogenic day (b), and risk degree of disease onset (c) during the surveillance of rice false smut in Yixing

2.3 稻曲病致病风险

综合稻曲病病菌接触期、侵染敏感期、潜育期和发病集中期,本文选取7-9月作为稻曲病发生流行的气象条件监测期。同时,将逐日气象条件满足日平均温度为22～28℃,相对湿度>80%,日降水量>0.1 mm的情况定义为稻曲病致病日。利用历史观测资料,从气象因子致病发生概率的角度,分析水稻关键生育期中容易发生稻曲病的时段,定义致病风险(Dis)为

(2)

其中,Disi为7-9月中任意一天的稻曲病致病风险;j为从1959-2015年的年数(总共57年);若某年份某天为稻曲病致病日则Di,j=1,否则Di,j=0。

以宜兴站为例,结合公式(2),利用气象站温度、降水和相对湿度观测资料,统计致病日出现概率。从图2b可以看到,在水稻拔节-乳熟阶段中,存在两个稻曲病高发时段:一个致病高峰在7月1日-7月15日,平均发生概率为47%,对应一季稻拔节孕穗前期;另一个致病高峰在8月20日-9月15日,平均发生概率为57%,对应一季稻抽穗开花期。在这两个时段中,气象条件适宜稻曲病流行,且拔节孕穗前期适宜的气象条件为后期稻曲病的发生发展提供了充足的病原基数,提高了后期病害发生的可能性。

2.4 稻曲病成灾风险评估

从致灾因子发生条件和受侵染作物生长特性出发,分析水稻稻曲病成灾的风险。稻曲病的发生时期和危害程度与水稻发病敏感高覆盖生育期和气象条件满足稻曲病发生时期(即致病日)的重合度密切相关。致病日出现时间不同或出现概率不同,影响程度不同。致病日与一季稻拔节-乳熟阶段吻合程度越高,影响越重。换言之,拔节-乳熟高覆盖阶段的一个致病日对稻曲病的贡献,明显高于覆盖度低的时段。由图2a可知,8月16日-8月23日即拔节-乳熟阶段覆盖度最高,致病日越靠近这个日期,且出现概率越大,则对稻曲病发生影响越大。

因此,综合水稻稻曲病的发病敏感高覆盖期和气象条件易致病期的影响,定义稻曲病成灾风险度(RD)为:

RDi=Covi×Disi

(3)

其中,RDi为7-9月中某天的成灾风险度。以宜兴站为例,结合公式(3),利用水稻关键生育期覆盖度与稻曲病致病风险求算稻曲病成灾风险度。从统计结果可以看到水稻稻曲病成灾风险度随时间分布类似于正态分布。在7-9月期间,从7月15日开始,稻曲病成灾风险度随时间逐步增加,风险度最高情况出现在8月28日,随后概率逐步下降,9月27日后无稻曲病发生。其中,8月中旬-9月中旬稻曲病的累积成灾风险度占整个发病敏感期的88.4%(图2c)。

2.5 最高成灾风险度分析

基于稻曲病成灾风险度的求算方法,选出各站历年中最高成灾风险度出现的时间和量值,分析整个江苏省最高成灾风险度的分布特征,从而更好地把握水稻病害监测预警的关键时期和重点区域。

江苏省稻曲病成灾风险度最高的出现日期,除南京西部以及苏州南部地区,基本上从北向南逐步推迟,风险度最高日在邳州最早出现(8月14日),在太仓最晚出现(9月5日)(图3a)。淮北、江淮之间、苏南地区平均成灾风险度最高日都出现在8月下旬,分别为8月21日、8月25日、8月28日。江苏省各地稻曲病最高成灾风险度的大值区主要分布在沿淮、沿江以及江淮之间大部分地区,最高成灾风险度最大值出现在大丰;最高成灾风险度的小值区主要分布在淮北以及苏南大部分地区,最小值出现在徐州(图3b)。因此,对于江苏一季稻稻曲病成灾风险高且程度重的沿淮、沿江以及江淮之间地区需要加强病害的防御。

尽管整个江苏最高成灾风险度的平均出现时间为8月下旬,然而稻曲病的最终发病程度与气象条件的综合累积影响有关,因此需要着重考虑稻曲病成灾风险度高峰值前后的关键时段,采取有效的防治手段。经统计发现,江苏淮北、江淮之间、苏南地区水稻稻曲病成灾风险度占整个发病敏感期的高比例时段分别为7月下旬-9月上旬、8月上旬-9月中旬和8月中旬-9月中旬,其占比各达84.8%、88.1%和89.2%。在整个7-9月的水稻稻曲病气象条件适宜性监测和预报期间,在上述关键时段尤其要加强稻曲病的气象服务保障,适期用药做好田间病害的防治和调查工作。

此外,在稻曲病成灾关键期间(即成灾风险度集中高覆盖时段),江苏淮北、江淮之间、苏南地区致病日分别达到23、23、21 d,且均出现连续降水情况。经分析研究发现,在整个监测时段中,单纯地利用总致病日数无法完全解释最终稻曲病的流行程度。因此,如何结合适宜气象条件的累积量、成灾风险度高覆盖时段以及不同连续降水日数的影响来预测稻曲病发生程度,需要进一步探究。

图3 江苏省稻曲病最高成灾风险度出现日期(a)和量值大小(b)的分布情况Fig.3 Distribution of occurrence date (a) and value of maximum risk degree (b) for rice false smut in Jiangsu

3 稻曲病气象条件适宜程度等级预报方法研究

在稻曲病的实际发生发展中,气象条件、寄主生长情况、病菌基数三者的影响缺一不可。温度主要影响稻曲病菌的生长发育;在适温范围内,降雨或持续高湿将影响病菌孢子的形成、萌发和侵入过程;光照通过影响寄主生长发育来促发稻曲病的流行。因此,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。

3.1 构建综合稻曲病指数

综上所述,在监测期7-9月中,首先,结合适宜稻曲病发生的气象条件,确定致病日及其总天数;其次,利用稻曲病成灾风险度的评估结果(包含了稻曲病发病敏感时段和致病风险的信息)对致病日的影响程度进行修正。此外,不同的连续致病天数对稻曲病的发生发展影响各不相同。根据指标构建思路,定义综合稻曲病指数Z为:

(4)

其中,i为监测日数,i=1,2,…,n,n≤92;Wi为水稻拔节-乳熟阶段的归一化逐日稻曲病成灾风险度;Di,j=1、Di,j=2和Di,j≥3分别为致病日连续1、2和3 d以上的记录情况(若有气象条件连续适宜稻曲病发生,则值为1,否则值为0);α、β、γ分别为3种不同连续天数的权重系数,利用最优化技术确定。

3.2 综合稻曲病指数等级划分

根据公式(4),利用宜兴站的逐日气象资料计算逐年综合稻曲病指数Z,并将极差化处理后的病穗率与相对发生面积的乘积定义为稻曲病实际发病度。根据稻曲病实际发生程度,按大小进行排序分析,将综合稻曲病指数Z值划分成3个等级。利用综合稻曲病指数Z不同取值范围划分气象适宜度等级,自低至高(1～3)等级分别代表从弱适宜到强适宜,来反映气象条件对病害发生的适宜程度以及病害可能流行的程度,具体见表1。

表1 综合稻曲病指数的等级划分以及与发病实况的关系

Table 1 Grade classifications for composite index of rice false smut and their relationships with actual blast occurrence

病害等级Diseasegrade适宜程度Suitabilitylevel流行程度Epidemicdegree综合稻曲病指数(Z)Compositeindexofricefalsesmut低(1)Low略微适宜Slightlysuitable轻度流行Mildlyprevalent1～5中(2)Medium适宜Suitable中等流行Moderatelyprevalent6～10高(3)High非常适宜Quitesuitable大流行Heavilyprevalent≥11

3.3 回代检验和预测检验

3.3.1 单站检验

利用宜兴2005-2013年来7-9月的气象要素,通过历史回代求算历年综合稻曲病指数,并与稻曲病实际发病度进行相关分析,分析结果通过了0.01显著性检验,相关系数达0.79。从宜兴历年水稻稻曲病归一化综合指数和实际发病度,以及相应预测和实际判别的发病等级情况(图4)可以看出,其中2005年、2008年、2009年的气象条件极其有利于宜兴水稻稻曲病的流行,综合指数Z判定的适宜发生程度均为3级。从发生实况来看,相应年份都大面积发生了稻曲病,与反演结果吻合。

利用宜兴2014年的气象要素,计算综合稻曲病指数Z并预测流行适宜程度。分析结果表明综合稻曲病指数值处于高病害等级,稻曲病发生大流行。该预测结果与稻曲病流行程度的实况相一致,该年气象条件适宜稻曲病的大发生、重发生。同时,在不同等级中定义等级判定正确数量占各级别研究样本数的比例为判定准确率。结合实际病害发生程度级别,根据稻曲病气象等级划分结果,统计各级判定准确率。结果表明,综合稻曲病指数Z对宜兴发病实况为“中等”、“大流行”的预报预测能力较强,其判定准确率均达100%,但容易高估“轻度流行”的程度,其准确率仅为50%。

图4 宜兴2005-2014年水稻稻曲病归一化综合指数与实际发病度以及预测/实际发病等级Fig.4 Normalized composite index, occurrence degree, predicted grade, and actual grade of rice false smut in Yixin in 2005-2014

3.3.2 多站检验

为了进一步验证指数的合理性和可靠性,对2014年江苏省稻曲病发生情况进行分析和比较。从气象条件来看,2014年江苏省水稻生育中后期光、温、水条件极其适宜稻曲病流行。8月中旬丘陵、淮北地区杂交籼稻及部分地区早熟粳稻破口,正逢持续阴雨天气,影响防治工作,利于稻曲病菌侵染流行。此时,丘陵、淮北杂交籼稻已查见病穗,重发田块病穗率达20%,病粒率为0.1%～0.3%[13]。8月下旬至9月上旬仍多阴雨,阴雨寡照天气利于大面积粗秆大穗型粳稻品种的稻曲病流行。稻曲病危害定局后,据江苏省植物保护站调查:2014年稻曲病全省中等流行,丘陵、沿江、沿淮及淮北粗秆大穗型品种上偏重至大流行,发生程度为近年最重,发生面积44.65万hm2,是2013年的2.3倍,病穗率在3%以上的发病面积5.07万hm2,其中病穗率10%以上的重发面积0.78万hm2。

结合当时田间调查情况和病害发生过程的总结,将综合稻曲病指数Z应用于全省各站点,进行预测准确率验证。从稻曲病发生区域来看,在江苏苏南大部分地区以及沿淮和淮北南部一带病害等级为高,气象条件非常适宜稻曲病的发生;江淮之间西南部地区以及淮北北部局部地区病害等级为低,气象条件略微适宜稻曲病的发生;其他地区病害等级为中,气象条件适宜稻曲病的发生。预测稻曲病出现大、中等、轻度流行的区域与实际发生情况较吻合。从稻曲病发病程度来看,实际稻曲病中等以上流行的泗洪、高淳、高邮、兴化、南通、宜兴地区均落在中、高病害等级区域内,判定准确率均达66.7%,其中仅有泗洪一个站漏报(即预报等级小于实际发生等级);对于稻曲病发生程度较低的站点(例如金坛、如东、沛县),综合稻曲病指数预测结果偏高,没有给出有说服力的验证结果,可能田间已采取有效的防治措施,具体原因有待今后进一步搜集资料验证(图5)。综上所述,利用综合稻曲病指数预测的稻曲病流行区域和程度,与发病实况大致相符。因此可以认为,利用综合稻曲病指数进行江苏稻曲病气象适宜度等级预测是合理可行的。

图5 2014年江苏省稻曲病综合指数分布Fig.5 Distribution of composite index of rice false smut in Jiangsu Province in 2014

4 结论与讨论

1)结合稻曲病的侵染循环过程和气象条件的促发性作用,从稻曲病菌发生发展的主要阶段出发,设定拔节期-乳熟期(7-9月)为病害监测时段,在分析发病敏感时段和致病风险的基础上定义了成灾风险度,并指出8月下旬为江苏稻曲病最高成灾风险度出现时段,对于发病风险高且程度重的沿淮沿江以及江淮之间地区更需要加强病害的防范。同时经统计发现,7月下旬-9月上旬、8月上旬-9月中旬和8月中旬-9月中旬分别为江苏淮北、江淮之间、苏南地区水稻稻曲病成灾关键期,且有连续降水发生,在上述关键时段尤其要加强稻曲病的气象服务保障,做好田间病害的防治和调查工作。

2)在对江苏稻曲病成灾风险评估的基础上,根据宜兴历年稻曲病观测资料,从稻曲病的发生前提以及侵染流行的关键因素出发,考虑不同连续致病天数对稻曲病发生发展的影响,利用最优化技术,构建综合稻曲病指数,并划分气象条件适宜度等级。通过单站和多站检验,发现综合稻曲病指数对发病实况为“中等”、“大流行”的判定准确率极高,但是容易高估“轻度流行”的程度。说明该指数可以较好地表征稻曲病发病程度。

3)利用综合稻曲病指数可“适期”合理防治稻曲病发生,有效提高水稻气象型病害监测预警的服务水平和能力。例如利用气象预报产品,某地区某时期

被预测为低病害级别,说明气候条件略微适宜稻曲病的发生。如果该地区适期喷药预防,且种植抗耐病品种,合理减少菌源,则水稻就可能不发生稻曲病;若未适期防治,再加上存在易发病因素(如特殊地形、菌源多、易感水稻品种、穗形大、氮肥偏多等),则极易导致该地稻曲病轻度流行,甚至转为中等流行。

4)适宜的气象条件只是稻曲病流行的必要条件,并不是充分条件。本研究主要从气象角度对稻曲病的发生进行监测预警,由于逐年间和各个站点间存在着水稻品种、种植方式、防病措施等方面的差异性,因此利用综合稻曲病指数监测和预测的发病等级,必然会与稻曲病实际发生的程度存在一定的差异。在今后对指数进行验证的过程中,有待进一步研究气象条件对病害的影响机理,利用多种监测数据,提高模型的预报准确性。

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(责任编辑：田 喆)

Meteorological conditions and prediction techniques of suitability grades for the occurrence of rice false smut

Ren Yifang1, Gao Ping1, Zhu Feng2, Liu Mei3

(1.JiangsuMeteorologicalServiceCenter,Nanjing210008,China; 2.JiangsuProvincialPlantProtectiveStation,Nanjing210046,China; 3.JiangsuMeteorologicalObservatory,Nanjing210008,China)

In order to understand the suitable meteorological conditions for rice false smut occurrence and the corresponding degrees and further improve the service ability of resisting agrometeorological diseases, this study was conducted. The historical meteorological data and field survey data of actual occurrence of the rice false smut were used, based on the assessment of sensitive period and risk of disease occurrence, to analyze the distribution of the dates and values of maximum risk degree for rice false smut occurrence in Jiangsu Province. It showed that late August was the peak onset period, and more prevention was needed for high-risk areas located along the Huai River and Yangtze River and between them. Then, considering the influences from the different continued days and by applying the optimization techniques, the composite index of rice false smut was constructed, and meteorological grades for fitting rice blast occurrence were determined. By single and multi-station test, it was found that the accuracy of judging the situation of medium and pandemic burst by using the composite index could reach a high level. However, the mild occurrences were often overestimated.

rice false smut; risk assessment; composite index of false smut; meteorological grade prediction

2016-03-17

2016-05-16

江苏省气象局科研基金(KM201504 )；公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306035)

S435.111

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2017.01.010

* 通信作者 E-mail：gaoping5268@126.com