新疆泽普县小麦白粉病流行的时间动态及预测模型

聂 晓, 周婷婷, 沈煜洋, 高海峰*, 刘 伟,范洁茹, 李俊凯, 周益林

(1. 新疆农业科学院植物保护研究所,农业农村部西北荒漠绿洲作物有害生物综合治理重点实验室, 乌鲁木齐 830091; 2. 中国农业科学院植物保护研究所, 植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193; 3. 长江大学农学院, 荆州 434025)

由专性寄生菌Blumeriagraminisf.sp.tritici引起的小麦白粉病是我国小麦生产上的重要病害,近年来在我国年发生面积为600万～1 000万hm2,造成年平均损失约40.11万t[1]。若小麦白粉病发生早且重会严重影响小麦的生长发育,造成小麦分蘖数、成穗数和穗粒数等减少,千粒重下降,导致小麦产量降低[2-3]。

作物病害的发生和流行规律以及预测预报研究是病害防治的重要依据[4]。关于小麦白粉病流行的时间动态研究各地已有报道[5]。王海燕[6]分析了河南省1980年-1997年小麦白粉病春季流行的时间动态,结果表明,河南省逐年春季流行程度波动大但无显著周期性;刘娜[7]综合分析了四川省2007年-2012年的小麦白粉病时间动态,结果显示Logistic模型能较好地描述该地区小麦白粉病病情指数的时间变化动态。

有关小麦白粉病的预测预报研究也有报道[8-10]。曹克强等[11]分析了1985年-1992年河北省辛集市小麦白粉病调查资料,发现当地小麦白粉病的流行与品种的抗病性、病害发生期前一旬的平均温度和总降水量有关,并依此建立了当地小麦白粉病中期预测模型;邵振润等[12]分析了1980年-1993年河南省温县小麦白粉病的发生流行情况,初步得到了影响该地小麦白粉病流行的主要因素是当年3月中旬病株率、3月雨量和3月-4月日照时数,并依此建立了当地白粉病预测模型。

泽普县位于新疆西南部,属暖温带大陆性干旱气候,年均气温在11.7℃左右,平均年日照时数2 665.2 h,年平均降水量 58.4 mm,小麦种植面积超过 1.5万hm2[13-14]。近年来,白粉病已成为当地小麦上的常发病害,对小麦产量造成一定影响,但对当地小麦白粉病春季流行特点及预测预报研究未见报道。因此,本研究于2012年-2019年对新疆泽普县小麦白粉病进行了系统调查,明确了该病在当地的春季流行规律,在此基础上通过分析病害发生流行与气象因子的关系,建立了泽普县病害预测模型,研究结果可为当地小麦白粉病的防治提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 调查地点与时间

2012年核桃-小麦间作麦田设在泽普县依玛乡汉族大队,2013年-2019年核桃-小麦间作麦田设在泽普县波斯卡姆乡4村。试验地核桃品种为‘温185’,小麦品种为‘新冬20号’。播种时间在每年的10月5日左右,收获时间在6月10日左右。田间小麦白粉病发病情况系统调查为每年5月上旬到六月上旬。

1.2 调查方法

普查采取随机5点取样,每点实查10 m双行,记录白粉病的始发时间。在白粉病开始发生后,进行定期定株的系统调查,调查期间每5 d或7 d调查1次,采用对角线5点取样法(四角和中心各取一点),每点固定调查20茎,每茎调查所有叶片的发病级别,白粉病病害分级标准参照改进后的“0～9”级法[15]。0级:无病;1级:第1段叶片的病斑面积占整片叶面积的2%以下;2级:第2段叶片有轻微病斑,第1段叶片轻度发病(病斑占叶面积3%～10%);3级:第3段叶片轻度发病,第2段叶片中度发病(病斑占叶面积11%～25%),第1段叶片严重发病(病斑占叶面积25%以上); 4级:第4段叶片轻度发病,第3段及其以下叶片中度到严重发病;5级;第5段叶片轻度发病,第4段及其以下叶片中度到严重发病;6级:第6段叶片轻度发病,第5段及其以下叶片中度到严重发病;7级:第7段叶片轻度发病,第6段及其以下叶片中度到严重发病。有时旗叶偶有少数病斑;8级:旗叶轻度或中度发病,旗叶以下叶片中度到严重发病;9级:整株叶片严重发病,穗部不同程度发病。

把植株自下而上分成9个等份,按不同高度病叶(或穗)的不同严重度来确定级别,计算病情指数。

病情指数=Σ[(各级病茎数×各级代表值)]×100/(调查总茎数×9)。

1.3 气象资料的收集

泽普县2012年-2017年气象资料如日平均气温、日平均相对湿度、日平均光照时数等均来自于泽普县气象局。

1.4 数据处理

主要采用Python 3.9中的Numpy 1.21.1、Matplotlib 3.4.2和Scipy 1.7.0库建立小麦白粉病春季流行动态模型;采用Microsoft 365中的Excel软件拟合小麦白粉病春季流行曲线;采用RGui 4.1.0软件中Pearson相关系数分析了从小麦播种后至病害发生相应生育期的气象因子与小麦白粉病病情指数的相关性,并筛选了预测的关键主导因子或变量;采用RGui 4.1.0软件中的多元回归分析方法建立了病害的预测模型。

2 结果与分析

2.1 新疆泽普县小麦白粉病流行的时间动态

2012年-2019年对泽普县小麦白粉病的发生和流行情况进行系统调查,其春季流行曲线如图1所示。泽普县小麦白粉病春季流行曲线大部分年份表现为S 形曲线。白粉病一般始见于5月上旬,病情指数增长缓慢,田间表现为零星发病,始发期内病情指数较小;大部分年份,5月下旬至5月底,病害迅速扩展,病害进入盛发期;6月初至6月上旬,病害增长速度渐缓,病害进入衰退期。8年春季流行曲线显示,2017年发病最早,2012年、2013年和2014年发病较晚。

图1 新疆泽普县小麦白粉病春季流行曲线Fig.1 The epidemic curves of wheat powdery mildew in Zepu county of Xinjiang during the spring

对2012年-2019年泽普县小麦白粉病的春季流行曲线进行拟合的结果表明,泽普县2012年-2019年的春季流行曲线符合Logistic模型或Gompertz模型(表1)。Logistic模型的基本形式为:x=1/[1+B(e-rt)],式中x代表小麦白粉病病情指数/100,B为积分常数,r为Logistic模型的流行速率,t为时间天数。Gompertz模型的基本形式为:x=exp[-Bexp(-rt)],式中x代表小麦白粉病病情指数/100,B为积分常数,r为Gompertz模型的流行速率,t为时间天数。

由表1可看出,Logistic模型或Gompertz模型都能较好地对数据进行拟合,其中Logistic模型对2012年、2014年、2016年和2017年小麦白粉病流行情况拟合较好,Gompertz模型对2013年、2015年、2018年和2019年的小麦白粉病流行情况拟合较好。

表1 新疆泽普县小麦白粉病春季流行动态模型1)

2012年-2019年的小麦白粉病Logistic模型拟合的流行速率分别为0.158、0.176、0.190、0.134、0.164、0.150、0.241和0.284,即根据Logistic模型拟合结果,2015年白粉病流行速率最慢,2019年流行速率最快。2012年-2019年的小麦白粉病Gompertz模型拟合的流行速率为0.062、0.067、0.058、0.049、0.081、0.058、0.063和0.073,即根据Gompertz模型拟合结果,2015年流行速率最慢,2016年流行速率最快。

2.2 小麦各生育期白粉病发生与气象因子的关系分析

在分析了新疆泽普县小麦白粉病流行时间动态的基础上,对2012年-2017年该地小麦播种后至病害发生相应小麦生育期的气象因子与小麦白粉病病情指数的相关关系进行分析,结果(表2)表明，小麦白粉病扬花期病情指数(Y1)与1月下旬平均日照时间呈极显著负相关,与2月下旬平均气温呈显著正相关;小麦白粉病灌浆初期病情指数(Y2)与1月上旬平均气温和4月上旬平均相对湿度呈显著正相关,与11月下旬平均日照时间和4月上旬平均日照时间呈显著负相关,与1月下旬平均日照时间呈极显著负相关;小麦白粉病灌浆中期病情指数(Y3)与11月下旬平均日照时间和4月上旬平均日照时间呈显著负相关,与1月上旬平均气温呈显著正相关,与1月下旬平均日照时间呈极显著负相关。

表2 气象因子与小麦各生育期白粉病病情指数的相关性

续表2 Table 2(Continued)

2.3 新疆泽普县小麦白粉病预测模型

在相关分析的基础上筛选出影响小麦白粉病发生流行的关键因子,分别为1月下旬平均日照时间、2月下旬平均气温、1月上旬-3月上旬平均气温和10月下旬-4月中旬平均日照时间,据此采用多元回归分析分别建立了泽普县小麦白粉病扬花期、灌浆初期和灌浆中期病情指数的预测模型,其模型与模型参数见表3。

表3 新疆泽普县小麦白粉病预测模型

3 结论与讨论

由泽普县小麦白粉病春季流行曲线分析结果可知,当地小麦白粉病的春季流行曲线为典型的单峰S形曲线,且不同年份小麦白粉病始发时间、发生发展及最终病情均存在一定差异。Logistic模型或Gompertz模型能够反映泽普县小麦白粉病随时间增长的动态情况。其中Logistic模型或Gompertz模型中的病害流行速率r是反映病害流行快慢的重要参数,它集中反映了各种环境因素影响下病原物、寄主群体之间的相互作用。因此,建立白粉病的Logistic模型和Gompertz模型,并获得其病害流行速率对于病害流行预测、损失估计和防治决策十分重要。

通过分析泽普县不同小麦生育期的白粉病病情指数与气象因子的相关性明确了1月与4月的一些关键气象因子与当地扬花期到灌浆期白粉病病情指数相关性较强,尤其是1月下旬平均日照时间。

本文所建预测模型与历史病情资料拟合度较高,但本文病害流行数据量偏少,只有8年,所以该预测模型的准确率仍需进一步优化和检验,因此今后需要长期收集泽普县的小麦白粉病发生流行数据,这也是建立预测预报模型最基础的工作。