2018年-2019年重慶蠶豆赤斑病發(fā)生情況及預(yù)測(cè)模型的建立

龍玨臣, 杜成章, 王 萍, 張曉春, 劉劍飛, 張微微,王 強(qiáng), 劉幫銀, 余雪源, 陳 紅, 張繼君*

(1. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 重慶 400050; 2. 重慶市合川區(qū)經(jīng)濟(jì)作物發(fā)展指導(dǎo)站, 重慶 401520;3. 重慶市合川區(qū)糧油作物發(fā)展指導(dǎo)站, 重慶 401520)

蠶豆ViciafabaL.是世界主要的食用豆類之一,具有較高的蛋白含量,籽粒蛋白含量可達(dá)24%～35%,是人類和動(dòng)物的重要蛋白和營(yíng)養(yǎng)來源[1],同時(shí)其較強(qiáng)的固氮能力在輪作倒茬、培肥地力等方面發(fā)揮著重要作用[2]。目前大約有55個(gè)國(guó)家種植蠶豆,全球產(chǎn)量在420萬t左右[3]。中國(guó)是蠶豆生產(chǎn)大國(guó),種植面積和總產(chǎn)量分別占世界的53%和61%[4-5],我國(guó)的蠶豆生產(chǎn)區(qū)分為秋播區(qū)和春播區(qū),秋播區(qū)分布于南方各省,而春播區(qū)分布于北方各省,具有南方多,北方少,秋播多,春播少,平原多,山地少,水稻產(chǎn)區(qū)多,雜糧產(chǎn)區(qū)少的特點(diǎn)[6]。重慶地區(qū)屬秋播蠶豆區(qū),各區(qū)縣均有種植,種植面積在11.3萬hm2左右。生產(chǎn)中蠶豆赤斑病的發(fā)生嚴(yán)重影響了產(chǎn)業(yè)大戶的種植積極性,阻礙了蠶豆產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

蠶豆赤斑病是世界各蠶豆產(chǎn)區(qū)的主要病害之一[7-8],在我國(guó)蠶豆各主產(chǎn)區(qū)中,赤斑病均廣泛發(fā)生,特別是東南沿海和長(zhǎng)江流域各地區(qū)[8]。有研究表明,重茬、蔭蔽、低洼潮濕、雨量大、光照時(shí)間短等因素均有助于蠶豆赤斑病的發(fā)生[9]。同時(shí),田間的濕度和溫度對(duì)赤斑病的發(fā)生影響很大,一定的空氣濕度和寄主組織表面的水膜是導(dǎo)致病菌孢子萌發(fā)以及侵染的必要條件,蠶豆在進(jìn)入開花期后,植株的抗病能力減弱,容易被病菌侵染導(dǎo)致發(fā)病[10]。輪作、推遲播種期以及使用殺菌劑等措施對(duì)赤斑病的防控只能起到部分效果[11],赤斑病進(jìn)入高發(fā)階段后,防控難度大,且成本高,因此在病害大規(guī)模發(fā)生前及時(shí)采取防控措施是控制赤斑病發(fā)生的關(guān)鍵。

目前,針對(duì)蠶豆赤斑病發(fā)生規(guī)律與氣象因子的相關(guān)性分析未見報(bào)道,各蠶豆產(chǎn)區(qū)不同的生態(tài)類型,導(dǎo)致病害防控的關(guān)鍵時(shí)期不同,此外,蠶豆赤斑病的預(yù)測(cè)模型尚未建立。本研究于2018年和2019年調(diào)查了重慶地區(qū)分布于4個(gè)自然生態(tài)區(qū)[12]29個(gè)區(qū)縣的蠶豆赤斑病病情指數(shù),并結(jié)合氣象因子開展相關(guān)研究,旨在明確重慶地區(qū)不同自然生態(tài)區(qū)間蠶豆赤斑病的病情指數(shù)差異,同時(shí)結(jié)合氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析,初步建立蠶豆赤斑病發(fā)生的預(yù)測(cè)模型,為構(gòu)建全國(guó)范圍內(nèi)的蠶豆赤斑病預(yù)測(cè)模型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查地點(diǎn)和方法

根據(jù)重慶地區(qū)蠶豆種植現(xiàn)狀,在29個(gè)區(qū)縣設(shè)置固定調(diào)查點(diǎn),每個(gè)區(qū)縣2個(gè)調(diào)查點(diǎn),連續(xù)2年調(diào)查蠶豆赤斑病發(fā)生情況(表1)。于2018年4月20日至4月25日和2019年4月17日至4月22日,在所選區(qū)縣挑選2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶自留蠶豆品種為調(diào)查對(duì)象。每個(gè)調(diào)查點(diǎn)為海拔低于500 m且面積不小于50 m2的凈作蠶豆田塊,隨機(jī)取30個(gè)單株調(diào)查發(fā)病葉片數(shù)及葉片病斑面積,計(jì)算病情指數(shù)。

表1 58個(gè)調(diào)查點(diǎn)的位置信息

續(xù)表1 Table 1(Continued)

病情指數(shù)(DI)=Σ (各級(jí)病葉數(shù)×各級(jí)代表值)/(調(diào)查總?cè)~數(shù)×最高級(jí)代表值)×100。

1.2 發(fā)病等級(jí)記載標(biāo)準(zhǔn)及方法

蠶豆赤斑病發(fā)病等級(jí)統(tǒng)計(jì)方法參照梁訓(xùn)義等的方法[13](表2)。

表2 蠶豆赤斑病發(fā)病等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)分析

氣象數(shù)據(jù)來自重慶市氣象局,以30個(gè)氣象因子為自變量,蠶豆赤斑病病情指數(shù)為因變量(表3),利用DPS 10.8對(duì)各氣象因子和病情指數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析、通徑分析及回歸分析。

表3 用于與蠶豆赤斑病病情指數(shù)相關(guān)分析的各氣象因子與變量

2 結(jié)果與分析

2.1 重慶各區(qū)縣蠶豆赤斑病發(fā)病情況

調(diào)查的29個(gè)區(qū)縣均有蠶豆赤斑病發(fā)生,2018年的病情指數(shù)為41.6～74.1,城口縣的病情最輕,忠縣發(fā)病最重。2019年的病情指數(shù)為40.2～74.6,城口縣的病情最輕,長(zhǎng)壽區(qū)發(fā)病最重(表4)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,四川盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)2018年蠶豆赤斑病平均病情指數(shù)為61.74,2019年該病發(fā)生較輕,平均病情指數(shù)為54.1,除璧山區(qū)外,其余區(qū)縣2019年發(fā)病均較2018年輕。2年中,三峽庫區(qū)平行嶺谷農(nóng)林復(fù)合生態(tài)區(qū)在4個(gè)自然生態(tài)區(qū)中蠶豆赤斑病發(fā)病最重,2018年的平均病情指數(shù)為66.9,2019年發(fā)生較重,平均病情指數(shù)為69.9,除忠縣外,其余區(qū)縣2019年蠶豆赤斑病發(fā)病均較2018年重。秦巴山地常綠闊-落葉林生態(tài)區(qū)2年均為4個(gè)自然生態(tài)區(qū)中發(fā)病最輕,2018年平均病情指數(shù)為50.3,2019年較輕,為44.3,除奉節(jié)縣外,其余縣2019年均較2018年輕,城口縣連續(xù)2年病情發(fā)生均最輕。渝東南湘西及黔鄂山地常綠闊葉林生態(tài)區(qū),2018年平均病情指數(shù)為56.1,2019年發(fā)病較重,為61.0,除彭水縣、豐都縣和黔江區(qū)外,其余區(qū)縣2019年赤斑病發(fā)病均較2018年重。

2.2 各氣象因子與病情指數(shù)的相關(guān)性分析

30個(gè)氣象因子與病情指數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明,11月平均風(fēng)速(X7)和1月平均風(fēng)速(X9)與赤斑病的病情指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.452，-0.731),1月相對(duì)濕度(X27)、11月相對(duì)濕度(X25)、2月相對(duì)濕度(X28)、12月相對(duì)濕度(X26)與病情指數(shù)均呈顯著正相關(guān)(R=0.78、0.77、0.742、0.738)(圖1)。

2.3 各氣象因子與病情指數(shù)的通徑分析

通徑分析結(jié)果表明(表5),1月相對(duì)濕度(X27)對(duì)蠶豆赤斑病的病情發(fā)展影響最大,且為正向效應(yīng),直接通徑系數(shù)達(dá)到了1.146 0,其次3月降水量(X23)，直接通徑系數(shù)為0.682 5,對(duì)蠶豆赤斑病病情發(fā)展呈正向效應(yīng),再次為1月平均風(fēng)速(X9)、3月相對(duì)濕度(X29)、11月平均風(fēng)速(X7)和12月平均氣溫(X2)。直接通徑系數(shù)分析結(jié)果表明,1月相對(duì)濕度、1月平均風(fēng)速、3月降水量、3月相對(duì)濕度對(duì)蠶豆赤斑病病情發(fā)生程度起到主導(dǎo)作用。

表4 重慶29個(gè)區(qū)縣赤斑病2018年和2019年蠶豆赤斑病發(fā)病情況

間接通徑系數(shù)最大的是X29→X27,達(dá)到0.595 4,這表明3月相對(duì)濕度通過1月相對(duì)濕度對(duì)病情指數(shù)有正向效應(yīng)。其次是X2→X27的間接通徑系數(shù),達(dá)-0.593 6,這表明12月平均氣溫通過與1月相對(duì)濕度產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),加重了1月相對(duì)濕度對(duì)蠶豆赤斑病病情發(fā)展的影響。再次是X23→X27的間接通徑系數(shù),為-0.573 1,這表明3月降水量通過1月相對(duì)濕度,對(duì)蠶豆赤斑病的病情發(fā)展有負(fù)向效應(yīng)。X9→X27的間接通徑系數(shù)為-0.427 5,這表明1月平均風(fēng)速通過影響1月相對(duì)濕度對(duì)蠶豆赤斑病有負(fù)向效應(yīng)。分析的決定系數(shù)R2=0.999 9說明以上6個(gè)氣象因子對(duì)蠶豆赤斑病病情指數(shù)的影響占99.99%。

間接通徑系數(shù)結(jié)果表明,平均氣溫、平均風(fēng)速、降雨量等因子均通過1月相對(duì)濕度,對(duì)赤斑病病情發(fā)展產(chǎn)生著較大的間接效應(yīng)。

表5 各氣象因子間對(duì)蠶豆赤斑病病情指數(shù)的直接和間接作用1)

圖1 30個(gè)氣象因子間及與病情指數(shù)間相關(guān)性熱力圖Fig.1 Correlation heatmap between 30 meteorological factors and disease index

2.4 預(yù)測(cè)模型的建立

基于對(duì)各個(gè)X(氣象因子)和Y(病情指數(shù))分別進(jìn)行回歸分析的結(jié)果,通過對(duì)決定系數(shù)R2和F統(tǒng)計(jì)量這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選,選擇自變量X7、X9、X27、X29為關(guān)鍵預(yù)測(cè)因子。將篩選出的因子作為最優(yōu)自變量,建立預(yù)測(cè)模型,獲得方程:

Y=35.019 46-3.016 18X7-5.575 8X9+0.567 9X27+0.158 6X29。

此回歸模型中,相關(guān)系數(shù)R=0.921 3,決定系數(shù)R2=0.848 9,調(diào)整決定系數(shù)為0.804 6。表明病情指數(shù)與11月平均風(fēng)速(X7)、1月平均風(fēng)速(X9)、1月相對(duì)濕度(X27)、3月相對(duì)濕度(X29)之間具有較強(qiáng)線性關(guān)系,可以用于重慶地區(qū)蠶豆赤斑病的預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論與討論

俞大紱等的研究表明,秋播區(qū)蠶豆赤斑病在早春即開始發(fā)病,每年11月-12月就能在植株較低部位的葉片上發(fā)現(xiàn)極少量病斑,每年自2月下旬病害逐漸明顯[8]。蠶豆赤斑病菌主要以菌核在土壤中越冬和越夏,菌核在適宜條件下萌發(fā)長(zhǎng)出分生孢子梗,并產(chǎn)生大量分生孢子,借風(fēng)雨傳播,從無傷表皮侵入,進(jìn)行初侵染,完成初侵染后將在病葉上產(chǎn)生分生孢子,進(jìn)行再侵染[14],同時(shí)寄主組織表面的水膜是導(dǎo)致病菌孢子萌發(fā)以及侵染的必要條件[10]。以上研究表明,秋播區(qū)蠶豆赤斑病在11月至12月間完成初侵染,并形成極少數(shù)病斑,再侵染過程持續(xù)至2月下旬,逐漸形成明顯病害。而重慶地區(qū)秋冬季田間常產(chǎn)生大量露點(diǎn),天然地為赤斑病孢子的萌發(fā)和侵染提供了有利條件。

本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明,11月至2月的相對(duì)濕度與病情指數(shù)呈顯著正相關(guān),而1月平均風(fēng)速與病情指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。有研究表明相對(duì)濕度與露點(diǎn)蒸發(fā)速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而風(fēng)速與露點(diǎn)蒸發(fā)速率呈正相關(guān)關(guān)系[15]。因此,重慶地區(qū)11月至2月的相對(duì)濕度與1月平均風(fēng)速通過影響植株組織表面水膜的蒸發(fā)速率,對(duì)赤斑病分生孢子的初侵染及再侵染產(chǎn)生顯著影響。

通徑分析及回歸分析結(jié)果表明,1月相對(duì)濕度、1月平均風(fēng)速、3月降水量、3月相對(duì)濕度在蠶豆赤斑病的發(fā)生過程中起主導(dǎo)作用。而12月平均氣溫通過與1月相對(duì)濕度產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),加重了赤斑病的病情發(fā)展,這表明重慶地區(qū)蠶豆赤斑病菌菌核萌發(fā)并產(chǎn)生分生孢子的時(shí)間在12月,且發(fā)生初侵染的時(shí)間應(yīng)在1月,因此,重慶地區(qū)的菌核萌發(fā)及初侵染時(shí)間較俞大紱等的研究結(jié)果晚。進(jìn)入3月后,植株葉片表面產(chǎn)生大量病斑,因此3月相對(duì)濕度主要影響病斑的擴(kuò)展,從而影響病情指數(shù)的發(fā)展。此外,3月降水量通過1月相對(duì)濕度對(duì)病情發(fā)展產(chǎn)生著負(fù)向效應(yīng),然而直接通徑系數(shù)顯示3月降水量對(duì)病情發(fā)展產(chǎn)生著正向效應(yīng)。由此推斷,在實(shí)際發(fā)病過程中,3月降水量對(duì)病情發(fā)展產(chǎn)生的效應(yīng),受其他非氣象因子的干擾較重。

在預(yù)測(cè)模型中的最優(yōu)自變量主要為平均風(fēng)速和相對(duì)濕度這兩種類型的指標(biāo),這表明準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)平均風(fēng)速和相對(duì)濕度是做好蠶豆赤斑病病情預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。同時(shí),今后對(duì)預(yù)測(cè)模型不斷完善的過程中,平均風(fēng)速和相對(duì)濕度均應(yīng)成為重點(diǎn)檢測(cè)的指標(biāo)。

本研究中調(diào)查的蠶豆品種均為農(nóng)戶自留種,未將商品種納入調(diào)查,盡最大可能降低品種間抗性差異給結(jié)果帶來的影響,且兩年均對(duì)調(diào)查品種做了比對(duì),保證2019年各調(diào)查點(diǎn)的品種與2018年保持一致。為排除其他因素對(duì)田間發(fā)病率的影響,田間調(diào)查田塊選擇海拔在500 m以下,平地、凈作、未施用藥劑且面積不小于50 m2。然而,田間管理水平的高低,與田間病情指數(shù)同樣存在密切聯(lián)系[16],在后期建立蠶豆赤斑病預(yù)警模型的工作中,應(yīng)統(tǒng)一各調(diào)查點(diǎn)的管理水平,且在品種、地形、耕作方式等因素的控制上保持一致。