大棚土壤溫度與黃化曲葉病毒病相關(guān)性研究

李 映，崔 瑤，葛喜珍

(北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023)

番茄黃化曲葉病毒(tomato yellow leaf curl virus，TYLCV)引起的番茄黃化曲葉病毒病(tomato yellow leaf curl disease，TYLCD)是番茄毀滅性病害，被稱之為番茄的癌癥，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)100%，嚴(yán)重威脅番茄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。番茄感染TYLCV，生長停滯，頂部葉片褪綠發(fā)黃、變小，葉片邊緣上卷，葉片增厚、變硬。早期染病植株嚴(yán)重矮縮，不能正常開花結(jié)果。生長發(fā)育后期染病植株結(jié)果減少，果實(shí)小，果實(shí)著色不均勻，出現(xiàn)“ 半邊臉”，失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。在大棚番茄種植過程中，5—10 月是TYLCV的高發(fā)時(shí)段。自然條件下，TYLCV主要通過煙粉虱以持久方式傳播[2]。煙粉虱繁殖能力強(qiáng)，傳毒效率高，早期預(yù)防煙粉虱是防治TYLCV的前提。

煙粉虱的防治主要采用化學(xué)農(nóng)藥的方法，如使用撲虱靈、吡蟲啉等抗蟲藥物，然而該類藥物殘留多，對(duì)人和環(huán)境危害較大[3]。相比之下，生物農(nóng)藥在抗蟲方面表現(xiàn)出良好的前景。目前已有多種抗蟲的生物農(nóng)藥用于煙粉虱等害蟲的防治，如綠僵菌、桉油精等。相比之下，生物農(nóng)藥環(huán)境友好，但有效作用時(shí)間較短，因此成本偏高[4]。然而對(duì)于因煙粉虱造成的TYLCD，化學(xué)農(nóng)藥目前沒有任何辦法予以防控和治療，只有植物免疫蛋白可以進(jìn)行一定程度的預(yù)防和治療，即通過蛋白質(zhì)刺激植物產(chǎn)生類似的應(yīng)激，促進(jìn)植物對(duì)病害的抵抗力[5-6]。因此，建立煙粉虱和TYLCD的預(yù)警模型，且在高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳镛r(nóng)藥干預(yù)，是預(yù)防這2種病蟲害的關(guān)鍵。筆者采用大棚氣象條件檢測(cè)系統(tǒng)記錄了大棚番茄種植季節(jié)環(huán)境溫度的變化，統(tǒng)計(jì)了不同指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，并針對(duì)番茄黃化曲葉病毒病的發(fā)病規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)性研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況試驗(yàn)設(shè)在河北省隆堯縣千戶營鄉(xiāng)東毛爾寨村，114°92′E，37°40′N，日光溫室大棚，土質(zhì)為壤土，有機(jī)種植用地，8年內(nèi)未使用化肥和化學(xué)農(nóng)藥，僅使用農(nóng)家肥、沼液和生物農(nóng)藥，土壤肥力中等，地勢(shì)平坦，排灌方便。

1.2 試驗(yàn)藥劑6%寡糖·鏈蛋白可濕性粉劑(3%氨基寡糖素，3%極細(xì)鏈格孢激活蛋白質(zhì))由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所研制；醚菌酯250 g/L懸浮液，上虞穎泰精細(xì)化工有限公司；200 g/L 吡蟲啉可溶液劑，拜耳股份公司；10%小檗堿可濕性粉劑，楊凌馥稷生物科技有限公司；枯草芽孢桿菌1 000億孢子/g，山東魯抗生物農(nóng)藥有限責(zé)任公司；綠僵菌80億孢子/g可濕性粉劑，重慶聚立信生物工程有限公司；5%桉油精可溶液劑，北京亞戈農(nóng)生物藥業(yè)有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與檢測(cè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由石家莊圣啟科技有限公司提供，空氣溫度測(cè)量范圍-20～70 ℃，精度±0.1 ℃；空氣濕度(RH)測(cè)量范圍0～100%，精度±2%；采集番茄種植地土壤和空氣資料，主要包括空氣溫度、濕度、光照和CO2濃度，土壤溫度、濕度和土壤電導(dǎo)率，檢驗(yàn)環(huán)境因素與煙粉虱及番茄黃化曲葉病毒病的相關(guān)性。1 hm2掛450片黃板，色板底部高于植株上部葉片20 cm，誘捕煙粉虱成蟲，監(jiān)測(cè)其發(fā)生動(dòng)態(tài)。在前期檢測(cè)大棚資料的基礎(chǔ)上(2014—2018)，檢驗(yàn)煙粉虱與番茄黃化曲葉病毒病的相關(guān)性，根據(jù)預(yù)警防治。

1.4 預(yù)警和回歸方法使用上述設(shè)備自主檢測(cè)獲得試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，取樣時(shí)間為4月至次年4月，覆蓋番茄種植整個(gè)周期。數(shù)據(jù)獲取后使用python進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與回歸分析。將全天空氣溫度、土壤溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度等計(jì)算平均值，得每天的數(shù)據(jù)點(diǎn)。使用t檢驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，檢測(cè)高發(fā)和低發(fā)病率環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)的顯著性。

回歸分析采用python中的numpy工具包。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，刪除數(shù)據(jù)超過前后14 d內(nèi)2倍的中位數(shù)絕對(duì)偏差值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊。處理完成后針對(duì)上述數(shù)據(jù)，使用兩兩對(duì)比的回歸分析。選用指數(shù)回歸、傅里葉回歸、高斯回歸、線性回歸、多項(xiàng)式回歸共5種方式進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)選取合適的回歸形式及回歸方程。選取發(fā)病率檢測(cè)指標(biāo)后，使用scatterplot函數(shù)繪制預(yù)警散點(diǎn)圖，并將其中數(shù)據(jù)點(diǎn)使用熱圖，加入發(fā)病率數(shù)據(jù)，得最終預(yù)警曲線。

1.5 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫室長60.0 m，寬7.5 m，金棚8號(hào)B型番茄，株距0.40 m，行距0.70 m。選擇病毒病發(fā)生嚴(yán)重的冬茬番茄(9月27日定植)，澆足定植水。根據(jù)預(yù)警，在煙粉虱發(fā)生前10 d，以醚菌酯+吡蟲啉為對(duì)照，設(shè)計(jì)不同的生物農(nóng)藥防治。設(shè)11個(gè)處理，每個(gè)處理30株，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。其中 CK(清水)；處理①化學(xué)農(nóng)藥(醚菌酯懸浮液1 g/1 500 mL+吡蟲啉1 g/1 500 mL)；處理②小檗堿可濕性粉劑(1 g/1 500 mL)；③寡糖·鏈蛋白可濕性粉劑(1 g/1 500 mL)；④枯草芽孢桿菌(3.5 g/1 500 mL)；⑤綠僵菌可濕性粉劑(1 g/1 500 mL)；⑥桉油精可溶液劑(2 mL/1 500 mL)；⑦小檗堿1 g/1 500 mL+免疫蛋白1 g/1 500 mL；⑧小檗堿1 g/1 500 mL+免疫蛋白1 g/1 500 mL+綠僵菌1 g/1 500 mL；⑨小檗堿1 g/1 500 mL+免疫蛋白1 g/1 500 mL+綠僵菌1 g/1 500 mL+桉油精2 mL/1 500 mL；⑩枯草芽孢桿菌1 g/1 500 mL+免疫蛋白1 g/1 500 mL。根據(jù)2014—2018年回歸和預(yù)警規(guī)律，預(yù)防試驗(yàn)在煙粉虱發(fā)生前10 d用藥，治療試驗(yàn)在黃化曲葉病毒出現(xiàn)當(dāng)天用藥。

1.6 預(yù)防和防治施藥時(shí)間根據(jù)2016—2018年土壤和空氣資料，預(yù)防試驗(yàn)于2019年9月28日(煙粉虱出現(xiàn)前10 d)，10月8日、18日 、28日，11月8日、18日17：00后噴藥，共6次噴藥，12月1日計(jì)數(shù)觀察。治療試驗(yàn)分別于2019年10月8日(首次觀察到粉虱)、18日、28日，11月8日、18日、28日17：00后噴藥，共6次噴藥，12月1日計(jì)數(shù)觀察。各處理嚴(yán)格按試驗(yàn)設(shè)計(jì)用藥量折算，控制用藥量和時(shí)間，其他管理措施同大棚。

1.7 調(diào)查方法

1.7.1灰飛虱調(diào)查方法。最后一次噴藥24、72 h后，各處理小區(qū)5點(diǎn)法取樣，每采樣點(diǎn)選取10株番茄，每株選取上、中、下各1片葉，統(tǒng)計(jì)成蟲數(shù)量，計(jì)算蟲口減退率。

蟲口減退率=(清水對(duì)照組蟲口數(shù)-處理組蟲口數(shù))/清水對(duì)照組蟲口數(shù)×100%

(1)

1.7.2黃化曲葉病毒調(diào)查方法。番茄感染病毒，葉片畸形、皺縮，植株輕度矮化，失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值，故計(jì)算病株率和防治效果，計(jì)算公式：

病株率=病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù)×100%

(2)

防治效果=( 清水處理區(qū)病株數(shù)-處理區(qū)病株數(shù))/清水處理區(qū)病株數(shù)×100%

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 主要指標(biāo)的分析與篩選在大棚番茄的全年種植季中，將發(fā)病率高和發(fā)病率低2個(gè)季節(jié)的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，比較2個(gè)不同季節(jié)的各項(xiàng)指標(biāo)是否存在明顯差異，結(jié)果見表1。由表1可知，在2個(gè)不同的種植季中，除土壤平均含水量不存在明顯差異外，平均氣溫、平均濕度、平均土壤溫度和平均光照強(qiáng)度均存在較大差別(P<0.001)。其中，土壤平均溫度的差異最為明顯。與此同時(shí)，針對(duì)發(fā)病率較高的種植季，比較了各項(xiàng)參數(shù)之間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果表明，土壤溫度的波動(dòng)最小，是較為穩(wěn)定的大棚環(huán)境參數(shù)，受到外界的影響較小。

表1 不同種植季節(jié)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的差異性檢驗(yàn)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，將不同季節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，探究是否可以用較為穩(wěn)定的土壤溫度作為大棚環(huán)境的表征，探究其與病蟲害之間的關(guān)系(置信區(qū)間95%)。擬合的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，土壤溫度與其他4種環(huán)境因素之間均存在較強(qiáng)的相關(guān)性。在不同種植季節(jié)的土壤溫度變化范圍內(nèi)，大棚內(nèi)平均氣溫、平均濕度、土壤含水量和平均光照強(qiáng)度之間，均可使用多項(xiàng)式進(jìn)行描述，證明上述指標(biāo)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)不同的回歸分析結(jié)果，土壤溫度與其他環(huán)境因素之間存在的關(guān)系方程式：

圖1 土壤溫度與平均氣溫(a)、土壤濕度(b)、土壤含水量(c)和日均光照強(qiáng)度(d)的回歸分析

土壤溫度t與平均氣溫T的回歸曲線:

T=0.04t2-0.48t+12.82

土壤溫度t與濕度H的回歸曲線：

H=-0.39t2+11.55t+5.19

土壤溫度t與土壤含水量W的回歸曲線：

W=-0.014t3+0.653t2-9.69t+64.8

土壤溫度t與光照強(qiáng)度L的回歸曲線：

L=11.32t3-533.5t2-8 295t

由于土壤溫度變化波動(dòng)較小，因此土壤溫度是作為番茄病毒病較為理想的指標(biāo)。

2.2 煙粉虱、TYLCD發(fā)病率與土壤溫度、時(shí)間的三維分析為進(jìn)一步研究環(huán)境因素的變化與煙粉虱、TYLCD發(fā)病率之間的關(guān)系，針對(duì)該2種病害發(fā)生率較高的種植季，對(duì)其土壤溫度、種植時(shí)間和發(fā)病率之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，煙粉虱和TYLCD的發(fā)病率均在土壤溫度較高的環(huán)境下發(fā)生，且TYLCD的發(fā)病速率要慢于煙粉虱的發(fā)病速率，因煙粉虱是傳播TYLCD的關(guān)鍵因素。由此可知，在土壤溫度逐漸上升的種植季，是大棚番茄受到煙粉虱和TYLCD影響較大的時(shí)期。與此同時(shí)，煙粉虱和TYLCD的發(fā)病高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橥寥罍囟确€(wěn)定增長到20 ℃以上，此時(shí)環(huán)境溫度較高、濕度較低，且日均光照時(shí)間較長，適合煙粉虱的生長。在此溫度下，經(jīng)過約10 d的時(shí)間，煙粉虱和TYLCD進(jìn)入暴發(fā)式的增長階段。因此，根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果推斷，在土壤溫度連續(xù)大于20 ℃的情況下，應(yīng)盡早進(jìn)行煙粉虱和TYLCD的生物防控和干預(yù)，且預(yù)防煙粉虱是預(yù)防TYLCD的關(guān)鍵。

圖2 土壤溫度、種植時(shí)間與發(fā)病率之間的相關(guān)性分析

2.3 不同生物農(nóng)藥復(fù)合使用對(duì)煙粉虱的防治效果為研究生物農(nóng)藥對(duì)煙粉虱的防治作用，進(jìn)行了相關(guān)生物農(nóng)藥的配比試驗(yàn)。結(jié)果表明，預(yù)防組用藥24 h后，小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精(19.4%)、桉油精(17.0%)均有不同程度的退蟲作用，蟲口退減率在17%以上，其余各組蟲口退減率較低或出現(xiàn)殘留蟲數(shù)大于對(duì)照組(表2)。在防治組，小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精(22.0%)、桉油精(17.3%)蟲口退減率較高，其余各組蟲口退減率較低或出現(xiàn)殘留蟲數(shù)大于對(duì)照組。預(yù)防組用藥72 h后，小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精蟲口退減率最高(3.3%)，其他各組均非常低。防治組小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精蟲口退減率最高(4.4%)。上述結(jié)果說明，煙粉虱種群活躍，繁殖快，種群恢復(fù)迅速，番茄種植密度等原因決定煙粉虱種群恢復(fù)速度。同一處理各組預(yù)防與防治組間煙粉虱殘留蟲數(shù)和蟲口退減率均無顯著差異；同一處理各組72 h殘留蟲數(shù)和蟲口退減率無顯著差異，說明藥物處理能短期驅(qū)趕或抑制灰飛虱，72 h后灰飛虱種群迅速恢復(fù)。預(yù)防用藥未降低煙粉虱數(shù)量和蟲口退減率，藥劑防治煙粉虱短期有效，長期效果不顯著。

表2 不同處理對(duì)煙粉虱的預(yù)防和治療效果

2.4 不同處理對(duì)TYLCD的防治效果針對(duì)出現(xiàn)的TYLCD進(jìn)行治療試驗(yàn)，番茄出現(xiàn)病毒癥狀時(shí)使用殺菌劑，防效低(表3)，枯草芽孢桿菌防效最高(14.90%)，未達(dá)15%，依次為小檗堿(13.13%)、小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌(11.95%)、小檗堿+免疫蛋白(11.90%)、枯草芽孢桿菌+免疫蛋白(11.80%)、綠僵菌(9.23%)、寡糖·鏈蛋白(9.23%)、醚菌酯+吡蟲啉(9.18%)、小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精(7.85%)和桉油精(5.23%)。預(yù)防效果由高到低表現(xiàn)為小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌(70.59%)>小檗堿+免疫蛋白(57.36%)>寡糖·鏈蛋白(50.00%)>小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精(47.06%)>小檗堿(44.12%)>枯草芽孢桿菌+免疫蛋白(38.24%)>綠僵菌(22.06%)>桉油精(19.12%)>枯草芽孢桿菌(17.65%)>醚菌酯+吡蟲啉(16.18%)。單獨(dú)用藥的免疫蛋白和小檗堿防效高于44%，二者均能提高植物免疫力，通過提高免疫達(dá)到防治作用。預(yù)防試驗(yàn)組，使用殺菌劑對(duì)番茄TYLCD防效明顯高于防治組。

表3 不同處理對(duì)TYLCD的防治效果

3 討論

外部氣候因素變化直接影響TYLCD的發(fā)生、發(fā)展[7-9]。該研究根據(jù)2014—2018年采集的設(shè)施番茄環(huán)境因素，檢驗(yàn)空氣溫度、濕度、光照和土壤濕度，并與土壤溫度進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，上述指標(biāo)均與TYLCD存在較強(qiáng)的相關(guān)性，其中隨溫度升高TYLCD發(fā)生率明顯增加。2013年，吐魯番地區(qū)溫室晚茬番茄全部感染TYLCD，導(dǎo)致絕收，認(rèn)為氣溫高病毒傳播蔓延快，加上秋冬茬番茄播種早、株間距密、氮肥施用多、管理粗放等，有利煙粉虱危害傳毒[10-11]。由于土壤溫度變化波動(dòng)小，作為番茄病毒病發(fā)生的預(yù)警指標(biāo)，比較穩(wěn)定。根據(jù)回歸，當(dāng)土壤平均溫度高于20 ℃，TYLCD發(fā)生概率增加，需預(yù)防用藥。

傳統(tǒng)關(guān)于煙粉虱田間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，主要用黃板誘集、性信息素誘集和田間調(diào)查統(tǒng)計(jì)等方法，根據(jù)田間蟲態(tài)的發(fā)生發(fā)育進(jìn)度、蟲量及天敵數(shù)量，結(jié)合田間作物生長情況，分析預(yù)測(cè)煙粉虱的發(fā)生趨勢(shì)[12]。利用大數(shù)據(jù)預(yù)警，能及時(shí)、有效地防止病蟲害暴發(fā)[13]。該研究結(jié)果表明，2014—2018年，番茄黃化曲葉病毒病嚴(yán)重發(fā)生期和輕發(fā)生期空氣溫度、空氣濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度等與煙粉虱發(fā)生率的相關(guān)性。若土壤平均溫度高于20 ℃維持10 d以上，即使土壤溫度因天氣原因再次降低，病毒病的發(fā) 病率也無明顯改善。由圖2顏色變化看出，煙粉虱發(fā)病率的增長，相對(duì)于病毒病感染率慢[14]。因此，病毒病的防治，主要以煙粉虱的防治為主。當(dāng)煙粉虱發(fā)病率超過20%，若不能有效控制，則10 d之內(nèi)病毒病的感染率會(huì)快速達(dá)60%以上，造成大棚大面積減產(chǎn)甚至絕收。

該研究結(jié)果表明，對(duì)于煙粉虱防控，預(yù)防用藥比治療用藥防效高，且持續(xù)時(shí)間長。鑒于煙粉虱極強(qiáng)的傳毒和繁殖力，在番茄整個(gè)生命周期，依靠化學(xué)藥劑防效低，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄黃化曲葉病毒病的有效防控。番茄大棚煙粉虱防治困難，故設(shè)施番茄生產(chǎn)過程，應(yīng)密切監(jiān)控?zé)煼凼陌l(fā)生發(fā)展。該研究使用各種生物農(nóng)藥組合，小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌+桉油精組，預(yù)防和治療24 h內(nèi)蟲口退減率可達(dá)19%～22%。隨時(shí)間推移至72 h，蟲口退減率僅為3.3%～4.4%，退蟲效果不明顯。在不同處理對(duì)TYLCD的防治效果中，根據(jù)預(yù)警，提前15 d用藥預(yù)防，TYLCD發(fā)病率明顯降低，小檗堿+免疫蛋白+綠僵菌組防效可達(dá)70.59%。國內(nèi)外關(guān)于TYLCD的防控方案，多推薦葉面噴施殺蟲劑殺滅傳毒昆蟲煙粉虱為主，在生產(chǎn)實(shí)踐中，菜農(nóng)在防治番茄TYLCD時(shí)多噴藥防治，但實(shí)際防治效果差，甚至無效果[15]。因此，在預(yù)警基礎(chǔ)上如提前施藥免疫蛋白+小檗堿，可提高植株免疫力，從而提高植物對(duì)TYLCD的抵抗力。