不同耕作方式下氣候條件對(duì)小麥條銹病的影響
——基于面板數(shù)據(jù)極大似然分位回歸模型的分析

劉 誠(chéng)，孫志鵬，季振義，王 剛

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)商學(xué)院，四川都江堰 611830）

小麥條銹病的發(fā)病率與氣候條件有著密不可分的重要關(guān)系，年際氣候變化是影響小麥條銹病發(fā)病的主要原因[1]。自20世紀(jì)90年代以來，由于全球變暖和小麥耕作方式的變化，成都平原小麥條銹病有多次重大發(fā)生，對(duì)小麥產(chǎn)量造成重大影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已運(yùn)用多種模型方法研究了小麥條銹病發(fā)病率與氣候條件及耕作方式之間的影響關(guān)系。肖志強(qiáng)等[2]研究了氣候變暖對(duì)小麥條銹病流行情況的影響。張旭東等[3]利用積分回歸法分析了氣象因素對(duì)條銹病發(fā)病程度的影響。劉偉昌等[4]利用小波分析普查關(guān)鍵降水因子，并建立了條銹病發(fā)生面積與關(guān)鍵降水單元的多元回歸模型。王金來[5]也總結(jié)了氣象因素對(duì)小麥條銹病重發(fā)原因和發(fā)生特點(diǎn)所起的作用。

本文利用2007—2016年成都平原小麥條銹病在3種耕作方式下發(fā)病率及相關(guān)氣象因素的面板數(shù)據(jù)，采用較新的極大似然分位回歸方法[6-11]，分析在不同耕作方式下小麥生育期氣候因素對(duì)條銹病發(fā)病的影響關(guān)系，為條銹病防控及小麥增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2007—2016年成都平原小麥條銹病發(fā)病程度資料由成都市植保植檢站提供；地面氣象資料在成都市統(tǒng)計(jì)年鑒上獲取，包括2007—2016年每年10月至次年4月的日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、雨日數(shù)、霧日數(shù)、降雨量、平均風(fēng)速和平均濕度等。

選擇3種具有代表性的周年耕作方式，分別是周年旋耕無秸稈還田（CK）、麥免稻旋（WZRR）和麥稻雙免（WZRZ），3種耕作方式下條銹病發(fā)病率具體見表1。在整個(gè)生育進(jìn)程中，根據(jù)條銹病的發(fā)病情況，分位3個(gè)階段，分別是幼苗期（10—11月，病菌侵染期）、分蘗拔節(jié)期（12—1月，病菌繁殖期）和孕穗抽穗期（2—4月，條銹病流行期）。生育期的氣候條件見表2。

表1 3種耕作方式下小麥條銹病的發(fā)病率Table 1 Morbidity of wheat stripe rust under three tillage methods %

表2 生育期的氣象條件Table 2 Climatic conditions in growth stage

1.2 研究方法

1.2.1 面板數(shù)據(jù)固定效應(yīng)模型

面板數(shù)據(jù)是同時(shí)在時(shí)間和截面上取得的二維數(shù)據(jù)，面板數(shù)據(jù)固定效應(yīng)模型[9]為：

其中，yit表示第i個(gè)截面第t個(gè)時(shí)期因變量的觀測(cè)值；αi表示不依賴于其他變量的截距項(xiàng)；xit為解釋變量觀測(cè)值；θ為回歸系數(shù)；eit為隨機(jī)誤差。

1.2.2 分位回歸模型

分位回歸能全面刻畫條件隨機(jī)變量的各分位點(diǎn)隨解釋變量的變化情況，是對(duì)均值回歸的延伸[8]。設(shè)隨機(jī)變量的累計(jì)分布函數(shù)為F（y），則它的τ階條件分位數(shù)為

設(shè)分位回歸模型為yi=xiTθ（τ）+ei，根據(jù)（2）式，回歸系數(shù)的解為：

其中，ρτ（·）=τ·I[0，∞)（·）-（1-τ）·I(-∞，0)（·），I（·）為示性函數(shù)。

1.2.3 面板數(shù)據(jù)分位回歸模型

面板數(shù)據(jù)分位回歸[9]具有面板數(shù)據(jù)模型和分位回歸模型的共同優(yōu)勢(shì)，它能分析針對(duì)不同分位點(diǎn)τ的條件分布下變量的關(guān)系，并且不受個(gè)體差異的影響。面板分位回歸的一般表達(dá)式為：

當(dāng)取不同分位點(diǎn)τ時(shí)，回歸系數(shù)的求解如（5）式所示，其中權(quán)重控制分位數(shù)ωk對(duì)參數(shù)αi的估計(jì)值的影響為L(zhǎng)1懲罰函數(shù)，它比傳統(tǒng)的L2高斯懲罰函數(shù)更具統(tǒng)計(jì)和計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。

1.2.4 模型參數(shù)的極大似然估計(jì)

參數(shù)估計(jì)的好壞直接決定模型的精確性。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)部的相關(guān)性并獲得更精確的估計(jì)，本文利用平滑經(jīng)驗(yàn)似然估計(jì)[12]計(jì)算參數(shù)，θ（τ）計(jì)算表達(dá)式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥條銹病與氣象條件的簡(jiǎn)單相關(guān)分析

選取小麥在幼苗期、分蘗拔節(jié)期和孕穗抽穗期的日平均氣溫DMT、日照時(shí)數(shù)SD、降雨量RF等7個(gè)氣候因素，通過分析各氣候因素與小麥條銹病發(fā)病率之間的相關(guān)性（見表3），選取適宜的氣候因素，為建立合理的分位回歸模型提供依據(jù)。從表3中可以看出，在小麥發(fā)育期內(nèi)，日平均氣溫DMT和平均濕度MH通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明這兩個(gè)氣候因素對(duì)小麥條銹病發(fā)病率具有非常明顯正面效應(yīng)。霧日數(shù)FD、雨日數(shù)RD和降雨量RF通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，也表明它們對(duì)小麥條銹病發(fā)病率具有明顯正面效應(yīng)，分析過程中也發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)氣象因素的顯著性主要體現(xiàn)為平均濕度。日照時(shí)數(shù)SD和平均風(fēng)速M(fèi)WS在幼苗期通過了0.1的顯著性檢驗(yàn)，說明這兩個(gè)因素對(duì)小麥條銹病發(fā)病率具有一定的抑制作用。根據(jù)以上分析，本文選取3個(gè)生育期的日平均氣溫DMT和平均濕度MH作為主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

2.2 耕作方式對(duì)小麥條銹病的影響分析

由于耕作方式種類較少，本文采用固定效應(yīng)模型和方差分析進(jìn)行分析?；?.1的分析結(jié)果，選取整個(gè)生育期內(nèi)日平均氣溫DMT和平均濕度MH作為氣候因素，通過固定效應(yīng)模型和F檢驗(yàn)分析小麥條銹病發(fā)病率在不同耕作方式下的差異性結(jié)果（見表4）。固定效應(yīng)結(jié)果表明，麥免稻旋WZRR和麥稻雙免WZRZ對(duì)條銹病發(fā)病率影響基本一致（通過0.01的顯著性檢驗(yàn)），周年旋耕無秸稈還田CK模式下小麥條銹病發(fā)病率略低于其他兩種（通過0.05的顯著性檢驗(yàn)）。F檢驗(yàn)結(jié)果也表明，在0.01顯著性水平下3種耕作方式無顯著差異，在0.05顯著性水平下3種耕作方式有顯著差異。

表3 影響條銹病發(fā)病率主要?dú)庀髼l件的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of major climatic conditions affecting incidence of stripe rust

表4 不同耕作方式影響條銹病發(fā)病率的差異性Table 4 Difference of incidence of stripe rust in different tillage methods

2.3 不同生育階段氣象條件對(duì)小麥條銹病的影響分析

利用上述氣候條件，通過基于極大似然分位模型和面板數(shù)據(jù)固定效應(yīng)模型分析氣候條件與小麥條銹病之間的影響關(guān)系。從表5中看出，無論是各分位點(diǎn)分位回歸估計(jì)還是面板數(shù)據(jù)固定效應(yīng)估計(jì)，3個(gè)生育階段的日平均溫度DMT和平均濕度MH的參數(shù)估計(jì)均為正，且絕大部分通過1%的顯著性檢驗(yàn)，這表明在小麥的整個(gè)生育期內(nèi)日平均溫度DMT和平均濕度MH對(duì)條銹病的發(fā)病率具有非常顯著的正面效應(yīng)。

2.3.1 幼苗期氣候條件對(duì)病菌孢子萌發(fā)的影響

在幼苗期，氣溫是小麥生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)重要影響因素，但也是病菌孢子萌發(fā)主要影響條件之一。當(dāng)日平均溫度DMT1處于7℃～11℃時(shí)，有利于小麥的生長(zhǎng)發(fā)育[10]，但這也是孢子萌發(fā)最適宜的溫度。由表5中分位回歸分析可知，在幼苗期，日平均溫度DMT1和平均濕度MH1在不同分位點(diǎn)顯著性都達(dá)到1%。從低分位點(diǎn)到高分位點(diǎn)，日平均溫度DMT1的估計(jì)系數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，且置信區(qū)間隨分位點(diǎn)增大而變窄，說明在幼苗期日平均溫度DMT1越高越容易促使病菌孢子的萌發(fā)（見圖1a）。同時(shí)，平均濕度MH1的估計(jì)系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且置信區(qū)間逐漸變寬，說明濕度是導(dǎo)致孢子高萌發(fā)率最重要的因素（見圖1b）。

2.3.2 分蘗拔節(jié)期氣候條件對(duì)病菌孢子繁殖的影響

在小麥分蘗拔節(jié)期，是條銹病病菌孢子繁殖的主要階段。當(dāng)達(dá)到一定的氣候條件時(shí)，可促使條銹病的擴(kuò)散蔓延。從表5中可以看出，日平均溫度DMT2的估計(jì)系數(shù)從低分位點(diǎn)到高分位點(diǎn)呈明顯增大趨勢(shì)，平均濕度MH2在高分位點(diǎn)（0.75～0.9）的估計(jì)系數(shù)明顯大于低分位點(diǎn)（0.1～0.25）的估計(jì)系數(shù)。這表明對(duì)應(yīng)不同的條銹病擴(kuò)散程度，分蘗拔節(jié)期的平均氣溫DMT2和平均濕度MH2的正面影響程度是不同的（見圖2）。也就是說，隨著溫度和濕度的不斷增大，對(duì)條銹病擴(kuò)散的促進(jìn)作用將逐漸增強(qiáng)。對(duì)照成都平原小麥條銹病的重大發(fā)病年限，可以發(fā)現(xiàn)在分蘗拔節(jié)期日平均氣溫普遍高于6℃，有的年份甚至超過7℃；同時(shí)，在這些年份，降雨量較常年偏多30%～60%，雨日數(shù)偏多3～5 d，霧日數(shù)在20～35 d，部分地區(qū)出現(xiàn)超過50 d的有霧天氣，為病菌孢子的繁殖提供了有利條件。

表5 各氣候條件在不同生育期對(duì)條銹病發(fā)病率的影響系數(shù)Table 5 Effective coefficient of climatic conditions for incidence of stripe rust at different growth stages

圖1 幼苗期氣候條件對(duì)病菌孢子萌發(fā)率的影響Figure 1 Effects of climatic conditions at seedling stage on spore germination of pathogen

圖2 分蘗拔節(jié)期氣候條件對(duì)病菌孢子繁殖率的影響Figure 2 Effects of climatic conditions at tillering jointing on spore reproduction of pathogen

2.3.3 抽穗孕穗期氣候條件對(duì)條銹病擴(kuò)展的影響

在抽穗孕穗期，氣溫的影響是至關(guān)重要的。從表5中可以看出，日平均溫度DMT3的估計(jì)系數(shù)隨分位點(diǎn)增大而逐漸減小，置信區(qū)間逐漸變窄。一方面，在孕穗抽穗期，日平均溫度DMT3越高，越有利于條銹病垂直擴(kuò)展；另一方面，日平均溫度DMT3也有利于小麥灌漿，但是在灌漿早期溫度過高容易降低灌漿強(qiáng)度，在灌漿晚期溫度過高容易使籽粒過早脫水，這些都將降低小麥的抗病能力（見圖3a）。平均濕度MH3在低分位點(diǎn)（0.1～0.25）不顯著，而在高分位點(diǎn)（0.75～0.9）非常顯著，說明越是濕潤(rùn)的環(huán)境越有利于條銹病發(fā)病，若在此期間出現(xiàn)連續(xù)連綿陰雨天氣，容易出現(xiàn)小麥條銹病的流行盛期，造成反復(fù)侵染（見圖3b）。

2.3.4 不同生育階段條銹病氣候敏感性分析

從上面的分析可知，在小麥生育期內(nèi)，日平均溫度和平均濕度對(duì)條銹病均具有正面影響，但是在不同生育階段，它們的影響程度是不相同的。本文分析了在幼苗期、分蘗拔節(jié)期和抽穗孕穗期條銹病對(duì)日平均溫度和平均濕度的敏感性（見圖4），從圖4中可以看出，隨著溫度升高，在分蘗拔節(jié)期條銹病受溫度的正面影響最大，抽穗孕穗期次之；隨著濕度的不斷增大，在分蘗拔節(jié)期條銹病受濕度的正面影響最大，幼苗期次之。

3 討論與結(jié)論

圖3 抽穗孕穗期氣候條件對(duì)條銹病擴(kuò)展的影響Figure 3 Effects of climatic conditions at heading booting stage on stripe rust expansion

圖4 不同生育期條銹病氣候敏感性Figure 4 Climatic sensitivity of stripe rust in different growth period

本文利用成都平原冬小麥在3種不同耕作方式下條銹病發(fā)病率的面板數(shù)據(jù)，結(jié)合近10年的氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用面板數(shù)據(jù)固定效應(yīng)模型分析了不同耕作方式對(duì)條銹病的影響。結(jié)果顯示3種耕作方式對(duì)條銹病的影響存在輕微差異，周年旋耕無秸稈還田對(duì)條銹病發(fā)病率的影響略低于麥免稻旋和麥稻雙免，說明選擇免耕方式播種能在一定程度上可以促進(jìn)小麥對(duì)條銹病的發(fā)病與擴(kuò)展。分析其原因，主要是由于免耕栽培造成苗間密度大，土壤通風(fēng)差，降低麥苗抗病能力，促使條銹病侵染繁殖。同時(shí)運(yùn)用基于面板數(shù)據(jù)極大似然分位回歸模型分析了氣象條件對(duì)小麥不同生育階段條銹病擴(kuò)散的影響關(guān)系，研究結(jié)果動(dòng)態(tài)細(xì)致地表明，在幼苗期，日平均溫度越高，雨日數(shù)、霧日數(shù)越多，越容易促使病菌孢子的萌發(fā)；在分蘗拔節(jié)期的平均氣溫和平均濕度的正面影響程度是不同的，隨著溫度和濕度的不斷增大，對(duì)條銹病擴(kuò)散的促進(jìn)作用將逐漸增強(qiáng)；在孕穗抽穗期，平均氣溫越高，越有利于條銹病垂直擴(kuò)展，越是濕潤(rùn)的環(huán)境越有利于條銹病發(fā)病，造成反復(fù)侵染。

面板數(shù)據(jù)極大似然分位回歸分析在保證回歸系數(shù)精確估計(jì)的前提下，能夠?qū)π←湕l銹病發(fā)病率在不同分位點(diǎn)針對(duì)不同生育期與各氣候因素之間的影響關(guān)系給出細(xì)致動(dòng)態(tài)的合理分析，從而為人們進(jìn)行科學(xué)的田間管理和人工干預(yù)提供理論依據(jù)。