基于k-臨近算法構(gòu)建大棚番茄灰霉病預(yù)警及其生物農(nóng)藥干預(yù)系統(tǒng)

李映 葛喜珍

[摘 要] ?采用大棚氣象條件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了大棚番茄兩種種植季的溫度、濕度和光照的變化，結(jié)合大棚番茄灰霉病發(fā)病率的規(guī)律，使用機(jī)器學(xué)習(xí)中的k-臨近算法構(gòu)建了大棚番茄種植過(guò)程中的灰霉病預(yù)警系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，生物農(nóng)藥小檗堿或枯草芽孢桿菌均可針對(duì)灰霉病的發(fā)生起到良好的預(yù)防作用，且小檗堿的預(yù)防作用更佳，可將發(fā)病率控制在5%以下。運(yùn)用該種預(yù)警系統(tǒng)與生物農(nóng)藥干預(yù)的結(jié)合，為大棚番茄灰霉病的防治提供了良好的理論基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 大棚番茄;灰霉病;生物農(nóng)藥;預(yù)警系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)] S 436.412.13

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1005-0310（2021）03-0066-04

Abstract： ?An early-warning system on tomato gray mold was established based on the greenhouse temperature， humidity， light intensity and incidence rate during two planting seasons. The k-approaching algorithm in machine learning was used for calculation of the possibility of gray mold. At the same time， the results indicated that biological pesticide berberine and Bacillus subtilis are useful for prevention of gray mold， and berberine displayed better result of less than 5% of total gray mold rate. These early-warning system and biological pesticide intervention system are promising for the control of gray mold in greenhouse planting.

Keywords： Greenhouse tomato;Gray mold;Biological pesticide;Early-warning system

0 引言

灰霉病是大棚番茄種植過(guò)程中的常見(jiàn)病害，其發(fā)病率高、傳播性強(qiáng)、難以防治，極易造成大棚作物的減產(chǎn)甚至絕收[1]?；颐共】汕治g番茄的葉片、莖、花和果實(shí)，且在溫度低、濕度大的環(huán)境下發(fā)病率更高。近年來(lái)隨著大棚作物種植面積的增加，大棚番茄灰霉病的發(fā)生非常普遍，且長(zhǎng)期大量使用化學(xué)農(nóng)藥如多菌靈、腐霉利等，造成了灰霉病對(duì)化學(xué)農(nóng)藥抗性的提高[2]。因此，構(gòu)建大棚番茄灰霉病的預(yù)警機(jī)制及使用生物農(nóng)藥預(yù)防灰霉病的發(fā)生，成為解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

相比于化學(xué)農(nóng)藥，生物農(nóng)藥有環(huán)境友好、不易產(chǎn)生抗性、不傷害天敵等多種優(yōu)勢(shì)。在灰霉病防治的應(yīng)用中，小檗堿、枯草芽孢桿菌、木霉菌、苦參堿等一系列生物農(nóng)藥展現(xiàn)出了極好的效果和應(yīng)用前景[3]。然而生物農(nóng)藥的成本普遍高于化學(xué)農(nóng)藥，使得種植過(guò)程成本提高，因此農(nóng)民對(duì)生物農(nóng)藥的使用產(chǎn)生了抵觸心理。如何更高效地使用生物農(nóng)藥以達(dá)到最佳的使用效果，成為提高生物農(nóng)藥使用率的關(guān)鍵。

本研究針對(duì)大棚番茄種植過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)境因素的變化情況，對(duì)各類(lèi)棚內(nèi)環(huán)境因素的變化及其對(duì)應(yīng)的番茄灰霉病發(fā)病率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，明確了小檗堿和枯草芽孢桿菌對(duì)灰霉病的預(yù)防作用。在此基礎(chǔ)上，基于k-臨近算法，制定了大棚番茄灰霉病的預(yù)警系統(tǒng)，為大棚番茄灰霉病的防治提供了重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

大棚氣象監(jiān)測(cè)裝置由石家莊圣啟科技有限公司提供，每小時(shí)取大棚內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度等氣象信息。大棚所在地為河北省隆堯怡東農(nóng)牧有限公司番茄大棚，坐標(biāo)北緯37°40′，東經(jīng)114°92′。生物防控所用小檗堿為河北馥稷生物科技有限公司的小檗堿3%水劑，枯草芽孢桿菌可濕性粉劑為山東綠隴生物科技有限公司產(chǎn)品，按照說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行稀釋和噴灑。

1.2 田間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

溫室長(zhǎng)60 m，寬7.5 m，金棚8號(hào)B型番茄，株距0.40 m，行距0.70 m。種植季分為秋冬種植季（10月1日至1月30日）和春夏種植季（2月1日至5月31日），自移栽之日起120天收獲，設(shè)置對(duì)照組和施用生物農(nóng)藥組，并檢測(cè)小檗堿、枯草芽孢桿菌分別單獨(dú)使用和復(fù)合使用的灰霉病防治效果，噴灑周期按照說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行?；颐共〉陌l(fā)病率按照5點(diǎn)法取樣，每采樣點(diǎn)選取10株番茄，每株選取上、中、下3個(gè)部位進(jìn)行灰霉病發(fā)病率的統(tǒng)計(jì)。發(fā)病率（%）=病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù)×100%。發(fā)病率大于50%后，將該實(shí)驗(yàn)區(qū)域的植物清除，后續(xù)的發(fā)病率按50%進(jìn)行計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析和預(yù)警系統(tǒng)的建立

數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)在python中進(jìn)行，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)將大棚內(nèi)的空氣溫度、濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行日均值的計(jì)算。將兩個(gè)種植季節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后只做三維散點(diǎn)圖進(jìn)行合并預(yù)測(cè)。根據(jù)所有數(shù)據(jù)的不同，使用歸一化的方法將不同單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一以便計(jì)算點(diǎn)和點(diǎn)的距離。根據(jù)數(shù)據(jù)情況選擇機(jī)器學(xué)習(xí)中的k-臨近算法進(jìn)行預(yù)警系統(tǒng)的建立。

2 結(jié)果

2.1 不同種植季數(shù)據(jù)采集

根據(jù)不同的番茄大棚種植季，連續(xù)采集了秋冬種植季和春夏種植季的氣象數(shù)據(jù)，其具體數(shù)據(jù)如圖1所示。由圖1中可以看出，在不同的種植季節(jié)，日均氣溫出現(xiàn)了明顯的差別，如圖1（a）所示。秋冬種植季的日均氣溫有85%以上低于20 ℃，而春夏種植季的日均溫度在20 ℃以上。不同種植季的日均濕度也出現(xiàn)了顯著差別，如圖1（b）所示，在秋冬種植季，大棚濕度維持在了較高的水平，多數(shù)情況下濕度維持在80%以上。相比之下，春夏種植季的濕度浮動(dòng)范圍較大且變化頻率較快，從50%到90%不等。與此同時(shí)，兩個(gè)種植季的日均光照強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯的不同，如圖1（c）所示，秋冬種植季的日均光照強(qiáng)度普遍小于4 000 Lx，而春夏種植季的日均光照強(qiáng)度普遍較高。對(duì)土壤溫度的檢測(cè)結(jié)果表明，不同種植季的土壤溫度出現(xiàn)了明顯不同，如圖1（d）所示，由于土壤溫度與日均氣溫的變化較為相似，所以不將土壤溫度作為灰霉病發(fā)病率的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

2.2 番茄灰霉病發(fā)病率統(tǒng)計(jì)及生物農(nóng)藥干預(yù)

在不同種植季節(jié)的番茄灰霉病發(fā)病率如圖2所示。

由圖2中可以看出，春夏種植季的灰霉病發(fā)病率在未經(jīng)干預(yù)的情況下，一直保持在了較低甚至沒(méi)有發(fā)生的水平;而在秋冬種植季，從第20天開(kāi)始，灰霉病的發(fā)病率開(kāi)始提升，且在短短10天的時(shí)間內(nèi)，灰霉病的發(fā)病率迅速提高，以至于后期整個(gè)大棚均被灰霉病所感染，造成了嚴(yán)重的減產(chǎn)。因此，在秋冬種植季使用生物農(nóng)藥小檗堿、枯草芽孢桿菌及其復(fù)合使用對(duì)灰霉病進(jìn)行了干預(yù)（圖3），結(jié)果表明，上述實(shí)驗(yàn)組均得到了良好的效果，且小檗堿的效果更好，使灰霉病的發(fā)病率控制在了10%以下。復(fù)合使用兩種生物農(nóng)藥并未起到協(xié)同增效的效果，推測(cè)可能是因?yàn)樾￠迚A作為殺菌劑，對(duì)枯草芽孢桿菌的活性產(chǎn)生了一定的影響。

2.3 氣象因素統(tǒng)計(jì)與預(yù)警模型

因不同種植季出現(xiàn)了截然不同的番茄灰霉病發(fā)病率，因此將兩個(gè)種植季的數(shù)據(jù)以不同顏色的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示，得到的三維圖如圖4所示。

由圖4中可以看出，秋冬種植季的氣象數(shù)據(jù)集中在了一個(gè)特定范圍內(nèi)，日均溫度介于5～15 ℃，日均濕度大于70%，日均光照強(qiáng)度小于4 000 Lx。相比之下，春夏種植季的氣象數(shù)據(jù)分布未出現(xiàn)集中的現(xiàn)象。對(duì)比之前關(guān)于灰霉病發(fā)病率的規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)番茄灰霉病在氣溫低、濕度大的大棚環(huán)境中，發(fā)病率較高且蔓延迅速。

針對(duì)番茄灰霉病發(fā)病率的這一特點(diǎn)，將日均溫度、日均濕度和日均光照強(qiáng)度進(jìn)行歸一化后，使用k-臨近算法，對(duì)灰霉病發(fā)病率進(jìn)行了預(yù)警系統(tǒng)的建立。在發(fā)病率高于50%的區(qū)域內(nèi)，選擇包含總點(diǎn)數(shù)距離中心點(diǎn)前95%的界限為一般發(fā)病率預(yù)警界限，包含總點(diǎn)數(shù)距離中心點(diǎn)前85%的界限為高發(fā)病率預(yù)警界限。根據(jù)大棚灰霉病發(fā)病率結(jié)果，設(shè)置連續(xù)進(jìn)入高發(fā)病率區(qū)域5天后開(kāi)始警報(bào)，并提交至Github（https：//github.com/liying0128/Gray-Mold-Alert）。輸入數(shù)據(jù)為連續(xù)10天的大棚氣象數(shù)據(jù)，包括日均氣溫、日均濕度和日均光照強(qiáng)度，輸入數(shù)據(jù)后自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化。若出現(xiàn)連續(xù)的低溫、高濕度、低光照的氣象條件，則會(huì)按照與本次數(shù)據(jù)中心點(diǎn)的距離計(jì)算灰霉病的發(fā)病概率，并提示使用生物農(nóng)藥進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防。

3 討論

灰霉病是番茄種植過(guò)程中一種常見(jiàn)的植物病害，在大棚番茄種植中，灰霉病傳播速度快，稍有不慎即會(huì)造成嚴(yán)重的減產(chǎn)甚至絕收[4]。經(jīng)過(guò)對(duì)比兩個(gè)大棚番茄種植季的氣象條件及灰霉病發(fā)病率，發(fā)現(xiàn)在溫度低、濕度高、光照少的秋冬種植季，灰霉病的發(fā)病率明顯提高。推測(cè)其原因是灰霉病的孢子在該種氣象條件下易于存活和傳播，而在春夏種植季，溫度高濕度小的氣象條件不利于霉菌的生長(zhǎng)和繁殖。

在灰霉病高發(fā)的秋冬種植季，大棚中的溫度、濕度和光照強(qiáng)度的分布集中于一個(gè)特定的區(qū)域（圖4，紅色點(diǎn)集中區(qū)域）。相比之下春夏種植季的相關(guān)指標(biāo)波動(dòng)幅度和范圍較大。因此大棚番茄灰霉病的預(yù)警模型使用k-臨近算法較為合適[5]。采用本方法進(jìn)行灰霉病的預(yù)警，可在氣象條件接近灰霉病高發(fā)的預(yù)警界限內(nèi)直接提示預(yù)警，并需要做出相應(yīng)干預(yù)。

針對(duì)灰霉病高發(fā)的情況，在本次研究中使用了生物農(nóng)藥小檗堿和枯草芽孢桿菌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者均達(dá)到了較好的預(yù)防灰霉病的效果，且小檗堿預(yù)防效果更佳，而兩者的復(fù)配使用未能達(dá)到協(xié)同增效的結(jié)果，推測(cè)小檗堿對(duì)枯草芽孢桿菌的活性產(chǎn)生了一定的影響[6]?？偠灾疚慕⒘酸槍?duì)大棚番茄灰霉病的預(yù)警系統(tǒng)，并在大棚灰霉病高發(fā)的情況下，提供了有效的生物農(nóng)藥綠色防治選項(xiàng)。

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（責(zé)任編輯 李亞青）