信陽(yáng)水稻稻瘟病發(fā)生規(guī)律及基于灰色預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

寧萬(wàn)光 謝瑛 史洪中 陳利軍

摘要：河南省信陽(yáng)市地理環(huán)境適合水稻栽培，氣候條件適宜稻瘟病的發(fā)生與流行，在信陽(yáng)地區(qū)每年發(fā)生面積 6.67萬(wàn)～11.33萬(wàn)hm2，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)信陽(yáng)市水稻稻瘟病的發(fā)生規(guī)律，分析了信陽(yáng)市2004—2013年稻瘟病發(fā)生面積，在無(wú)偏GM（1，1）模型基礎(chǔ)上采用五點(diǎn)滑動(dòng)法優(yōu)化原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型，根據(jù)無(wú)偏GM（1，1）模型和五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際發(fā)病情況的對(duì)比，可知利用五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型針對(duì)信陽(yáng)市近10年來(lái)的稻瘟病發(fā)生情況可以較好地進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果，可以指導(dǎo)性采取有效的綜合防治方法減輕稻瘟病帶來(lái)的危害。

關(guān)鍵詞：河南信陽(yáng)；稻瘟?。话l(fā)生規(guī)律；灰色模型；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

中圖分類(lèi)號(hào)： S435.111.4+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）06-0102-03

收稿日期：2014-01-25

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：112102110060）。

作者簡(jiǎn)介：寧萬(wàn)光（1978—），男，河南汝州人，講師，主要從事植物保護(hù)教學(xué)和科研工作。E-mail：nwg668@sina.com。河南省信陽(yáng)市位于北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡區(qū)，夏季光照足、氣溫高、降水多、雨熱同步，具有發(fā)展水稻生產(chǎn)的優(yōu)越區(qū)位和自然條件。信陽(yáng)地區(qū)水稻（秈稻）年種植面積30萬(wàn)hm2以上，占信陽(yáng)糧食播種面積的50%，總產(chǎn)量占全省70%左右[1-2]。稻瘟病又名稻熱病，是水稻主要病害之一，一般使水稻減產(chǎn)10%～20%，嚴(yán)重時(shí)減產(chǎn)40%～50%，甚至顆粒無(wú)收[3-4]。該病在信陽(yáng)地區(qū)每年發(fā)生面積6.67萬(wàn)～11.33萬(wàn)hm2，造成很大的損失，如果能提前預(yù)測(cè)其發(fā)生趨勢(shì)和流行程度，則對(duì)稻瘟病的綜合防治和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決策管理具有非常重要的意義。自從20世紀(jì)80年代初鄧聚龍教授創(chuàng)立了灰色系統(tǒng)理論以來(lái)，灰色系統(tǒng)理論得到了較普遍的應(yīng)用和廣泛的重視，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、能源、交通、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，灰色系統(tǒng)理論在預(yù)測(cè)方面取得了令人矚目的成就。筆者針對(duì)信陽(yáng)市水稻稻瘟病的發(fā)生規(guī)律，分析信陽(yáng)市2004—2013年稻瘟病的發(fā)生面積，在無(wú)偏GM（1，1）模型基礎(chǔ)上采用五點(diǎn)滑動(dòng)法優(yōu)化原始數(shù)據(jù)，采用五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏 GM（1，1） 模型，并將其與無(wú)偏 GM（1，1）模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，建立信陽(yáng)市稻瘟病的預(yù)測(cè)模型，結(jié)合預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)信陽(yáng)市稻瘟病的防治提出指導(dǎo)性建議。

1稻瘟病發(fā)生規(guī)律

1.1病原

生物學(xué)特性：菌絲體發(fā)育溫度8～37 ℃，適溫 26～28 ℃。分生孢子形成溫度 10～35 ℃，適溫 25～28 ℃。孢子萌發(fā)溫度與孢子形成相同，附著胞形成適溫24 ℃，28 ℃以上不能形成。病菌入侵適溫 24～30 ℃。孢子在有水膜或水滴和飽和濕度下才能萌發(fā)良好，其臨界相對(duì)濕度為92%～96%[5-6]。

1.2發(fā)生規(guī)律

稻瘟病的發(fā)生流行，主要與品種的抗病性、氣候、栽培技術(shù)等因素有很大關(guān)系。其中氣象因素中，最主要的是溫度和濕度，其次是光和風(fēng)。溫度主要影響水稻和病菌的生長(zhǎng)發(fā)育；濕度則影響病菌孢子的形成、萌發(fā)和侵入。溫度、濕度、降雨、霧露、光照等對(duì)稻瘟菌的繁殖和稻株的抗病性都有很大影響。當(dāng)氣溫在20～30 ℃、相對(duì)濕度在90%以上時(shí)，有利于稻瘟病發(fā)生。在24～28 ℃范圍內(nèi)，濕度越高發(fā)病越重。溫度和病害潛育期的關(guān)系：9～10 ℃為13～18 d，17～18 ℃為8 d，24～25 ℃為5～6 d，26～28 ℃為4～5 d。信陽(yáng)地區(qū)在水稻生長(zhǎng)期平均氣溫25 ℃左右，稻瘟病的流行主要取決于降雨的遲早和降雨量。天氣時(shí)晴時(shí)雨，或早晚常有霧、露時(shí)，最有利于病菌的生長(zhǎng)繁殖。低溫和干旱也有利于發(fā)病，尤其抽穗期忽遇低溫，水稻的生活力削弱，抽穗期延長(zhǎng)，感病機(jī)會(huì)增加，穗頸瘟較重。陽(yáng)光和風(fēng)與發(fā)病關(guān)系也很密切。日光不足時(shí)，稻株光合作用緩慢，淀粉與氨態(tài)氮的比例低，硅化細(xì)胞數(shù)量少，植株柔軟，抗病性下降，加重病害的發(fā)生和蔓延。風(fēng)是傳播病菌的動(dòng)力，病菌孢子借風(fēng)傳播的距離可達(dá)400 m以上，故風(fēng)力和風(fēng)向直接關(guān)系病菌傳播的距離和方向，距病田及初侵染源近的田塊受影響大，發(fā)病重[5-6]。

2基于灰色預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

2.1灰色預(yù)測(cè)模型

灰色系統(tǒng)理論是華中理工大學(xué)鄧聚龍教授1982年首先提出的一種理論，是部分信息已知、部分信息未知的系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)理論能更準(zhǔn)確地描述這些系統(tǒng)的狀態(tài)和行為，研究基于灰色系統(tǒng)理論的灰色預(yù)測(cè)模型，則對(duì)這些系統(tǒng)預(yù)測(cè)具有重要意義?；疑A(yù)測(cè)，是指對(duì)系統(tǒng)行為特征值的發(fā)展變化進(jìn)行的預(yù)測(cè)，對(duì)既含有已知信息又含有不確定信息的系統(tǒng)進(jìn)行的預(yù)測(cè)，也就是對(duì)在一定范圍內(nèi)變化的、與時(shí)間序列有關(guān)的灰過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。盡管灰過(guò)程中所顯示的現(xiàn)象是隨機(jī)的、雜亂無(wú)章的，但畢竟是有序的、有界的，因此得到的數(shù)據(jù)集合具備潛在的規(guī)律?；疑A(yù)測(cè)是利用這種規(guī)律建立灰色模型對(duì)灰色系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

目前使用最廣泛的灰色預(yù)測(cè)模型就是關(guān)于數(shù)列預(yù)測(cè)的一個(gè)變量、一階微分的GM（1，1）模型。它是基于隨機(jī)的原始時(shí)間序列，經(jīng)按時(shí)間累加后所形成的新的時(shí)間序列呈現(xiàn)的規(guī)律可用一階線性微分方程的解來(lái)逼近。經(jīng)證明，經(jīng)一階線性微分方程的解逼近所揭示的原始時(shí)間序列呈指數(shù)變化規(guī)律，因此，當(dāng)原始時(shí)間序列隱含著指數(shù)變化規(guī)律時(shí)，灰色模型 GM（1，1） 的預(yù)測(cè)是非常成功的。

2.2灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型無(wú)偏GM（1，1）

設(shè)有原始數(shù)據(jù)序列：X（0）=（X（0）（1），X（0）（2），…，X（0）（n）），其中，X（0）（k）≥0，k=1，2，…，n。利用該數(shù)據(jù)序列建立GM（1，1）模型步驟如下：

（1）對(duì)X（0）進(jìn)行一次累加（1-AGO）生成一次累加序列：

X（1）=（X（1）（1），X（1）（2），…，X（1）（n））

其中

X（1）（k）=∑ki=1X（0）（i）=X（1）（k-1）+X（0）（k）（1）

（2）建立預(yù)測(cè)模型的白化形式方程

dx（1）dt+ax（1）=u（2）

式中：a、u為待估計(jì)參數(shù)，分別稱(chēng)為發(fā)展灰數(shù)和內(nèi)生控制灰數(shù)。設(shè)a^為待估計(jì)參數(shù)向量，則a^=a

u。

按最小二乘法求解，有：

a^=（BTB-1）BTyn（3）

其中

B=-0.5{x（1）（2）+x（1）（1）}1

-0.5{x（1）（3）+x（2）（2）}1

-0.5{x（1）（n）+x（1）（n-1）}1，Yn=x（0）（2）

x（0）（3）

x（0）（n）

白化微分方程的解為：

X^（1）（k+1）=（x（0）（1）-μα）eαk+μα（4）

然后進(jìn)行累減，可以得到預(yù)測(cè)值：

X^（0）（k）=X^（1）（k）-X^（1）（k-1）（5）

2.3五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型

對(duì)原始時(shí)間數(shù)據(jù)序列X（0）=（X（0）（1），X（0）（2），…，X（0）（n）），用五點(diǎn)滑動(dòng)法優(yōu)化后建立的無(wú)偏GM（1，1）模型，稱(chēng)為五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏 GM（1，1）模型。

對(duì)原始時(shí)間數(shù)據(jù)序列X（0）=（X（0）（1），X（0）（2），…，X（0）（n））采用五點(diǎn)滑動(dòng)處理后得到新的數(shù)據(jù)系列：P（0）=[P（0）（1）=x（0）1+x（0）2+x（0）3+x（0）4+x（0）55，P（0）2=x（0）2+x（0）3+x（0）4+x（0）5+x（0）65，…，P（0）n=x（0）n+x（0）n+1+x（0）n+2+x（0）n+3+x（0）n+45]（6）

然后用處理后的公式（6）代替原始數(shù)據(jù)系列建立的新模型即為五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型[7-12]。

2.4模型建立與求解

年份發(fā)病率實(shí)際數(shù)據(jù)五點(diǎn)滑動(dòng)處理無(wú)偏模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差五點(diǎn)滑動(dòng)預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差20040.037 20.142 60.037 20.000 00.142 60.000 020050.097 40.163 40.161 10.655 00.176 40.079 720060.170 00.188 80.166 10.023 20.182 00.036 320070.259 30.203 70.171 10.340 20.187 70.078 620080.148 90.190 70.176 30.184 20.193 60.015 020090.141 30.192 70.181 70.285 80.199 70.036 220100.224 50.187 20.165 920110.244 40.192 90.210 820120.194 40.198 80.022 420130.158 70.204 80.290 8平均相對(duì)誤差0.217 80.041 0

表3預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)等級(jí)參數(shù)

精度等級(jí)相對(duì)誤差小誤差概率均方差比值C優(yōu)<0.01>0.95<0.35合格<0.05>0.80<0.50勉強(qiáng)合格<0.10>0.70<0.65不合格≥0.10≤0.70≥0.65

表4模型預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)誤差和均方差比值

模型平均相對(duì)誤差均方差比值C無(wú)偏GM（1，1）0.217 80.419 1五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）0.041 00.264 7

3結(jié)果和討論

信陽(yáng)市氣候條件適宜稻瘟病的發(fā)生和流行，從2006年以來(lái)發(fā)病面積都在7萬(wàn)hm2左右，受災(zāi)面積較大，給水稻生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。根據(jù)無(wú)偏GM（1，1）模型和五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型預(yù)測(cè)的結(jié)果和實(shí)際發(fā)病情況的對(duì)比，可知利用五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型針對(duì)信陽(yáng)市近10年來(lái)的稻瘟病發(fā)生情況可以較好地進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果，可以指導(dǎo)性采取有效的綜合防治方法減輕稻瘟病帶來(lái)的危害。

但是由于近年來(lái)全球性氣候異常變化，信陽(yáng)市近年來(lái)的氣候比往年也發(fā)生了很大變化，要針對(duì)突然出現(xiàn)的異常性氣候稻瘟病的發(fā)生情況，政府機(jī)關(guān)部門(mén)要加大稻瘟病防治的力度；同時(shí)五點(diǎn)滑動(dòng)優(yōu)化無(wú)偏GM（1，1）模型也需要不斷地進(jìn)行調(diào)整和完善。

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