近20年甘肃省苹果4种主要病害发生分析及趋势预测

2021-06-01张鼎新徐秉良曾翠云姜仲辉

土壤与作物 2021年2期

张鼎新，徐秉良，陈臻，曾翠云，姜仲辉

(1.甘肃省陇西县农业技术推广中心，甘肃陇西 748100；2.甘肃农业大学植物保护学院，甘肃兰州 730070；3.兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州 730021；4.甘肃中医药大学，甘肃兰州 730070；5.甘肃省植保植检站，甘肃兰州 730020 )

0 引言

我国是世界苹果的生产大国，环渤海湾和西北黄土高原现已成为我国最大的两个苹果产区[1]。病害是制约苹果产业健康持续发展的因素之一，分析病害发生的规律并开展预测防止，对苹果产业的可持续发展至关重要。

然而，由于苹果病害发生程度涉及多种因素，分析研究有一定难度，导致相关趋势预测报道较少。仇贵生等[2]对辽宁省西部地区苹果主要病虫害预测预报进行了研究。司丽丽等[3]依据气象知识、植保知识和专家经验，基于B/S模式，采用VS2008、MSSQL2000、ASP、C#、JavaScript等相关技术，研发了基于Internet网络传输的河北省苹果主要病虫害预警系统。这些预测主要基于相关病虫害发生指标和气候、温度、降水等外界因素的相关性进行回归分析，由于影响因子的多样性，使得预测结果具有一定的局限性。而指数平滑法则克服了这一弱点，它是在移动平均法基础上发展起来的一种时间序列分析预测法，通过计算指数平滑值，配合一定的时间序列预测模型对现象的未来进行预测，是一种常见的预测方法，具有较强的合理性与科学性，可用于病害趋势模拟及短期预测，在预测方法中其使用频率仅次于回归分析[4]。

甘肃省是我国苹果生产第二大省，是西北黄土高原苹果优势产区[5]，苹果产业是全省苹果产区农民增收致富的特色支柱产业，发展潜力巨大，在国内国际具有明显的竞争优势。但近年来，苹果树腐烂病(Valsamali)、枝干轮纹病(Botryosphaeriaberengeriana)、褐斑病(Marssoninamali)及斑点落叶病(Alternariamali)等病害发生日趋严重[6-7]。本研究从甘肃河西苹果产区和陇东苹果主产区选择6个有代表性的县区，从甘肃省植保植检站获取苹果树腐烂病、苹果枝干轮纹病、苹果褐斑病、苹果斑点落叶病4种苹果主要病害发生程度的调查数据，同时查询6县区植保部门2000-2010年历史发生数据，应用指数平滑法进行数据分析，用2020年的发生值进行验证，预测这几种病虫害未来两年在甘肃省苹果主产区的发生趋势，并结合2011年至2019年全省苹果病害发生面积数据进行辅助性分析。旨在为苹果病害的预测和防治起到指导作用，并为保障甘肃省苹果生产安全提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

从甘肃省植保植检站获得2011—2019年秦安县、甘谷县、宁县、凉州区、静宁县和庄浪县6个甘肃苹果生产县区，苹果树腐烂病(V.mali)、苹果枝干轮纹病(B.berengeriana)、苹果褐斑病(M.mali)及苹果斑点落叶病(A.mali)4种病害的发生程度和发生面积数据。2000-2010年4种病害历史发生数据从上述6县区植保部门查询获得，2020年发生程度数据由甘肃省植保植检站提供。

1.2 病害发生等级划分

4种病害的发生程度按照无发生、轻微发生、中等发生、严重发生进行划分，即分成“无、轻、中、重”四个等级。其中，轻度发生指有发生，但一般不需要防治；中度发生指一般采用兼治措施防治，如不防治将造成一定的损失；重度发生指必须采取防治措施，如不防治将造成明显损失。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 基本数据收集。每个调查县按照调查规范，定性评价“无、轻、中、重”四种等程度，对调查数据进行统计，以每个县为样本总体，用0代表无、1代表轻、2代表中、3代表重，把总体内各年的病害发生指数以及2000-2010年历史查询数据进行平均，形成2000-2019年基本数据。用EXCEL对数据进行整理，采用SPSS21.0 Tukey法对数据进行差异显著性分析。

1.3.2 指数平滑法分析。利用SPSS21.0软件的时间序列分析功能，对采集到的数据按照年的格式进行定义、拟合、验证与预测。Ljung-Box Q是检验残差序列是否为独立序列的假设检验，检验水准α = 0.05。当假设检验的P>0.05时，说明数据拟合后的残差序列不存在自相关与偏自相关，可以采用指数平滑序列对20年间苹果树腐烂病、苹果枝干轮纹病、苹果褐斑病、苹果斑点落叶病发生程度进行分析，预测2020-2022年发生趋势。本研究采用一次指数平滑法，模型采用以下公式：

ft+m=(St+btm)It-l+m

式中：St、bt、It分别代表平稳性、趋势性和季节性；l为季节周期长度；I为季节调整因子；m为整数，取值1、2……。

其中：

bt=γ(St-St-1)+(1-γ)bt-1

式中：α、γ、β分别表示模型的3个初始参数，依据数据的平稳性、趋势性和季节性进行模型的选择。

1.3.3 发生面积和发生程度分析。采用SPSS21.0软件对2011-2019年全省苹果树腐烂病、苹果枝干轮纹病、苹果褐斑病、苹果斑点落叶病4种病害的发生面积和发生程度数据进行相关分析，探讨发生面积与发生程度之间的相关性。

2 结果与分析

对2011-2019年苹果病害发生面积数据分析表明，甘肃省时常发生的苹果病害有6种，其中，苹果树腐烂病(V.mali)、苹果枝干轮纹病(B.berengeriana)、苹果褐斑病(M.mali)、苹果斑点落叶病(A.mali)、苹果锈病(Gymnosporangiumyamadai)和苹果白粉病(Podosphaeraleucotricha)9年间平均发生面积分别占到全省苹果病害面积的39%、3%、13%、18%、14%和3%，约占总发病面积的90%。苹果树腐烂病、苹果枝干轮纹病、苹果褐斑病和苹果斑点落叶病4种病害危害较重，造成损失和潜在威胁明显高于苹果白粉病和苹果锈病，约占总发病面积的63%，对苹果产业影响较大。

2.1 苹果树腐烂病发生趋势及预测

2000年以来，苹果树腐烂病害发生程度总体呈先上升后下降再上升趋势，2010年前呈小幅度波动上升趋势，2011-2013年发生危害达到高峰，2013年后呈先下降后增加的趋势(图1)。2000-2019年间，共有5次高峰期，分别发生在2003年、2005年、2012年、2015年和2019年。苹果树腐烂病发生程度拟合值和真实值较为接近，趋势基本一致，但2014年和2019年有较大偏差(R2=0.711)。在95%置信水平的基础上，预测置信区间即95%置信上限值(UCL)和95%置信下限值(LCL)之间范围呈增大趋势。2020年预测值为2.5，而实际值为2.4，经验证模型拟合较好。因此，预测苹果树腐烂病2021-2022年发生仍呈缓慢趋重态势(图1)。

2.2 苹果枝干轮纹病发生趋势及预测

近20年间苹果枝干轮纹病发生程度呈逐年上升趋势，其中，2000-2010年发生程度较轻，2010年后呈逐年加重趋势，2015年达到危害高峰，2016年下降，2017年起再次上升(图2)。预测模拟结果对该病的预测精度较好，除2016年有偏离外，其余18年的数据拟合趋势均较好(R2=0.94)。随着预测年份向后推移，在95%置信水平的基础上，预测置信区间范围呈增大趋势，即95%置信上限值(UCL)增幅较高，95%置信下限值(LCL)越来越低。指数平滑法得出的拟合曲线与实际发生拟合的很好，2020年预测值为2.8，而实际值为2.7。预计苹果枝干轮纹病2021-2022年发生程度呈较快上升趋势(图2)。

注：UCL为95%置信上限值，LCL为95%置信下限值。下同。Note:UCL is 95% upper limit of confidence and LCL is 95% lower limit of confidence.The same is as below.图1 苹果树腐烂病实际发生程度和预测模拟Fig.1 Actual occurrence and prediction in the degree of apple Valsa mali

图2 苹果枝干轮纹病实际发生程度和预测模拟Fig.2 Actual occurrence and prediction in the degree of apple Botryosphaeria berengeriana

2.3 苹果褐斑病发生趋势及预测

近20年苹果褐斑病发生程度总体上呈逐渐缓慢上升趋势，2011年以前总体发生较轻，2011-2017年波动上升，在2018年发生达到高峰，拟合优度R2=0.78。2006年、2011年、2015年、2018年为4个发病高峰期(图3)。设置预测置信水平为95%，随着预测年份向后推移，95%置信上限值(UCL)增幅较高，95%置信下限值(LCL)增幅较低，置信区间范围呈增大趋势。根据指数平滑法得出的拟合曲线和预测值，2020年预测值为2.6，而实际值为2.4，经验证模型拟合较好。预测苹果褐斑病2021-2022年呈继续较快速上升趋势(图3)。

图3 苹果褐斑病实际发生程度和预测模拟Fig.3 Actual occurrence and prediction in the degree of apple Marssonina mail

2.4 苹果斑点落叶病发生趋势及预测

苹果斑点落叶病发生程度2000-2011年呈缓慢上升趋势，2011年以前发生较轻，但在2012-2019年上升速度加快，2018年达到高峰。该病在2007年、2011年、2014年、2018年危害严重(图4)。从指数平滑法分析曲线拟合情况看，除2016年略有偏差，总体拟合值较好(R2=0.93)，在95%置信水平的基础上，95%置信上限值(UCL)增幅明显，95%置信下限值(LCL)增幅平缓，但两者之间范围呈增大趋势。2020年预测值为2.7，而实际值为2.4，模型拟合较好。预测苹果斑点落叶病2021-2022年继续呈较快上升趋势(图4)。

图4 苹果斑点落叶病实际发生程度和预测模拟Fig.4 Actual occurrence and prediction in the degree of apple Alternaria mail

2.5 苹果主要病害发生程度与发生面积的相关性

苹果树腐烂病发生面积近10年总体呈先增加后下降趋势，自2011年逐渐增加，2013年到达顶峰，2015-2017年面积变化幅度很小，2017年开始出现下降趋势(图5)。

图5 苹果树腐烂病和枝干轮纹病发生面积趋势图Fig.5 Occurrence area of apple Valsa mail and Botryosphaeria berengeriana

根据相关分析，2011-2019年之间发生程度和发生面积之间无显著相关关系(r=0.134，P>0.05)，发生高峰年份的2015年和2019年，发生面积也未表现出相应的明显增幅。苹果枝干轮纹病发生面积2011年逐年增加，至2013-2019年趋于平稳且有缓慢下降态势，总体呈逐渐下降趋势(图5)。2011-2019年之间发生程度和发生面积之间无显著相关关系(r=0.057，P>0.05)。

苹果褐斑病发生面积2011-2017年逐年上升，2018年开始先下降后上升，总体呈上升趋势(图6)。2011年、2015年和2017年病害3次发生高峰年份，发生面积未表现出相应的明显增加趋势。2011-2019年之间发生程度和发生面积之间无显著相关关系(r=0.061,P>0.05)。苹果斑点落叶病的发生面积总体呈先上升再下降再上升趋势，2011-2014年发生面积逐年扩大，2015-2019年呈先下降后上升趋势(图6)。2011-2019年之间发生程度和发生面积之间无相关性(r=0.484，P>0.05)。

图6 苹果褐斑病和斑点落叶病发生面积趋势图Fig.6 Occurrence area of apple Marssonina mali and apple Alternaria mali

3 讨论

指数平滑法建立的模型较简单，计算简便且需要存储的数据少，通过近期的观察值能很快地计算出新的预测值，针对传染病的暴发能及时有效地预测，适宜于未来的短期预测，已经广泛应用于经济[8]、医学疾病[9]及网络[10]等相关指标趋势预测，但该方法在农作病害预测研究中应用的较少。华来庆等[11]利用简单指数平滑法、单参数双重指数平滑法、Holt-Winters两参数双重指数平滑法对黄瓜霜霉病发病趋势进行预测，三种指数平滑法均取得了较好的效果。本研究证实，指数平滑法作为时间序列分析的一种重要方法，其实用性强、预测精确度较高，对于监测苹果主要病害的流行趋势，评价防控措施效果有一定的作用。

本研究发现，在应用指数平滑法分析的过程中，个别年份出现拟合值与真实值差异较大的现象，原因很可能是气候条件影响病害发生程度所致，因为有研究表明很多植物病害流行都与气象条件密切相关[12-14]。例如，苹果树腐烂病2014年和2019年拟合度不好，就是由于部分苹果产区受到上年冰雹灾害和冻害等灾害性气候条件导致。2018年4月甘肃陇东南苹果产区遭受50年一遇的低温冻害[15]，不但造成当年苹果减产，果农栽植和管理苹果园的积极性严重受挫，甚至有个别苹果园受灾后被弃管，管理不善，树势衰弱，植株易感病，造成第二年苹果树腐烂病发病率和发病程度会相对较高。苹果树枝干轮纹病的发生、流行也与栽培管理、树势以及气候密切相关，该病尤其在湿度高于75%或连续降雨的年份发生重[16]。苹果褐斑病和苹果斑点落叶病在2018年发生严重，主要是由于当年夏秋季，全省苹果产区降雨频繁，降水量多，空气湿度大，病菌大量繁殖、侵染、扩散，同时高频次的降雨，导致果农在喷施农药后药剂被冲刷，整体的防治效果降低，加之前期受严重冻害的影响，人工管理放松，树的长势变弱，导致当年苹果落叶病发生较重[17]。虽然个别年份的拟合值由于气候条件出现了偏差，但是由于应用指数平滑法时，对近期数据进行了预测值影响分析，同时也重视远期数据的重要性，所分析的预测值既能反应最新的信息，又能反映历史资料的信息，因此不影响整体的拟合曲线趋势，使预测结果更符合实际情况。

关于植物病害发生面积与发生程度的关系，目前尚未有明确定论。本研究通过分析苹果病害发生面积与发生程度之间关系，发现甘肃苹果病害的发生面积与发生程度无统计学意义的相关性。分析原因可能是由于甘肃苹果主要产区涉及天水、陇南、平凉和庆阳四市，加之处于中部白银、兰州和河西走廊相对较小的苹果产区，涵盖种植面积较大，从西到东约1 000 km，南到北约500 km，各地区气候差异较大，病害发生面积与发生程度相关性在一个乡镇或一个县区这样相对统一的小气候范围内呈一定相关性，但是区域扩大后相关性减弱甚至无相关性。

由于苹果病害发生程度与气候、生产管理水平等[18-20]有很大关系，本研究利用指数平滑法对苹果4种病害进行预测，依靠往年数据预测后两年的发生，对具体的预测结果产生影响，难免有一定的误差。依照预测的精度中期预测相对误差能控制在10%～20%以内，就属于正常的误差范围，所以以上的预测只是宏观的，大范围的趋势预测，在实际中应综合其他影响因素对预测结果予以修正，对苹果生产能够起到指导作用，也对其他农作物病害的预测提供了借鉴。