小麥葉銹菌越夏與氣象因子相關(guān)性初步分析

夏小雙 李泓甫 張芹芹 高利 劉博 陳萬權(quán) 劉太國

摘要 小麥葉銹病是一種嚴(yán)重威脅小麥安全生產(chǎn)、依靠氣流傳播的真菌病害，近年來發(fā)生呈逐年加重趨勢。為明確氣象因子對小麥葉銹菌越夏的影響，本研究通過對全國698個氣象站點7月-8月最熱10 d的日均溫和平均日最高氣溫進(jìn)行回歸分析，對7月-8月0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度進(jìn)行空間插值，提取了93個小麥葉銹菌越夏調(diào)查點的氣象數(shù)據(jù)，再與調(diào)查點小麥葉銹菌能否越夏進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示小麥葉銹菌越夏與7月-8月最熱10 d日均溫和最熱10 d平均日最高氣溫之間存在極顯著相關(guān)性（P < 0.01），與其他氣象因子相關(guān)性不顯著（P > 0.05），結(jié)果為小麥葉銹病的越夏區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 小麥葉銹病;越夏;氣象因子;回歸分析;地理信息系統(tǒng);相關(guān)性分析

中圖分類號： S435.121.43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2021191

Abstract Wheat leaf rust is one of the fungal diseases that spread by air and seriously threaten the safety of wheat production. In recent years， the occurrence of wheat leaf rust is increasing year by year. In this study， the average day-temperature and the average maximum day-temperature of the 10 warmest days from July to August of 698 meteorological stations were analyzed by regression analysis， and the mean values of ground surface temperature， wind speed， precipitation， sunshine time and relative humidity were analyzed by spatial interpolation. The meteorological data of 93 investigation sites of wheat leaf rust were obtained afterwards. Then the correlation analysis was carried out between oversummering and meteorological factors. The results showed that oversummering had a significant correlation with the average day-temperature and average maximum day-temperature of the 10 warmest days from July to August （P<0.01）， but had no significant correlation with other meteorological factors （P>0.05）， which laid a foundation for classification of the oversummering regions of wheat leaf rust.

Key words wheat leaf rust;oversummering;meteorological factors;regression analysis;GIS;correlation analysis

小麥葉銹病是由小麥葉銹菌Puccinia triticina（Pt）引起的一種真菌病害，具有多次侵染和危害性強的特點，在三大小麥銹病中發(fā)生最為普遍和廣泛[1]。小麥葉銹菌主要通過侵染小麥葉片影響植株的光合作用，造成小麥減產(chǎn)，發(fā)生嚴(yán)重時也危害葉鞘，但基本不侵染小麥的莖稈或穗部。

病害的發(fā)生流行不僅需要合適的病原和寄主，環(huán)境因素也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[2]?？諝庵写蟛糠终婢淖幽益咦訑?shù)量與空氣相對濕度、降水量呈顯著相關(guān)，且年平均最高溫度是影響年份間孢子數(shù)量的主要因素[3]。Kulkarni等[4]研究了潛育期、侵染期、氣候等6個因素對小麥葉銹病發(fā)生的重要性，發(fā)現(xiàn)氣候條件對小麥葉銹病的發(fā)生流行十分重要。對于影響小麥葉銹病發(fā)生流行的氣象因子，國內(nèi)外已有許多報道[5-7]。一般認(rèn)為，小麥葉銹病的發(fā)生流行受溫度、降水量、相對濕度等氣象因子的影響，是多種氣象因子綜合作用的結(jié)果。

小麥葉銹菌以夏孢子世代完成周年病害循環(huán)，夏孢子越夏是病害侵染循環(huán)中關(guān)鍵的一環(huán)。有研究表明，在海拔500 m，7月日均溫度25.8℃的成都，小麥葉銹菌夏孢子很少能越夏;在海拔1 900 m左右，6月-8月日均溫19.5℃左右的四川盆地周圍山地，越夏菌量最大[8]。以上僅為個別地點或地區(qū)有關(guān)小麥葉銹菌越夏的報道，缺乏針對小麥葉銹菌越夏與氣象因子相關(guān)性的大尺度、系統(tǒng)性研究。明確影響小麥葉銹菌越夏的關(guān)鍵氣象因子，能為小麥葉銹病的越夏區(qū)劃和越夏區(qū)治理，以及病害在秋季侵染和次年春季流行的嚴(yán)重程度預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。因此，結(jié)合小麥葉銹菌越夏情況與多年氣象數(shù)據(jù)，探明影響小麥葉銹菌越夏的關(guān)鍵氣象因子，對小麥葉銹病的越夏區(qū)劃及持續(xù)有效治理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

空間數(shù)據(jù)：省級行政區(qū)圖（1∶400萬）和縣級行政區(qū)圖（1∶400萬），由中國國家基礎(chǔ)地理信息中心提供（http：∥ngcc.sbsm.gov.cn）。

氣象數(shù)據(jù)：全國699個氣象觀測站點2008年、2010年、2012年、2013年和2015年0 cm地溫、風(fēng)速、降水量、氣溫、日照時數(shù)和相對濕度的日值數(shù)據(jù)，由中國國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺提供（http：∥data.cma.cn）。剔除日值數(shù)據(jù)少于5年的氣象觀測站點，剩余698個。

小麥葉銹病越夏調(diào)查數(shù)據(jù)：來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，包括2008年、2010年、2012年、2013年和2015年共93個越夏調(diào)查點。

1.2 方法

1.2.1 溫度與經(jīng)度、緯度和海拔高度的回歸分析

小麥葉銹病從侵染到再次產(chǎn)生夏孢子一般需要10 d，若小麥葉銹菌能夠度過一年中7月-8月最熱的10 d，則可以越夏。選取2008年、2010年、2012年、2013年和2015年每年698個氣象站點7月-8月最熱10 d的日均溫和平均日最高氣溫與對應(yīng)的經(jīng)度、緯度和海拔高度，利用SPSS 21.0的線性回歸工具進(jìn)行回歸分析，通過回歸方程計算越夏調(diào)查點7月-8月最熱10 d的日均溫和平均日最高氣溫。

1.2.2 其他氣象因子的空間插值處理

利用EViews 10.0對2008年、2010年、2012年、2013年和2015年每年698個氣象站點7月-8月的0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度進(jìn)行平穩(wěn)性假設(shè)檢驗，若滿足二階平穩(wěn)（或本征）假設(shè)，則可用普通克里格法[9]。然后利用ArcGIS 10.7的Geostatistical Analyst工具，選擇普通克里格法半變異函數(shù)指數(shù)模型對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，在普通克里格法插值參數(shù)中，塊金值與基臺值的比值（nugget/sill，用C/表示）越小越好[10]，回歸系數(shù)（regression coefficient，R）越大越好，標(biāo)準(zhǔn)平均值（mean standardized，MS）越接近于0越好，均方根（root mean square，RMS）和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（average standard error，ASE）越小越好，標(biāo)準(zhǔn)均方根（root-mean-square standardized，RMSS）越接近于1越好[11-12]。最后利用Spatial Analyst工具提取越夏調(diào)查點7月-8月的0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度的插值。

1.2.3 小麥葉銹菌越夏與氣象因子的相關(guān)性分析

首先將93個越夏調(diào)查點的越夏情況轉(zhuǎn)換為等級資料，即發(fā)生小麥葉銹病，其越夏情況記為1;沒有發(fā)生小麥葉銹病，其越夏情況記為0。利用SPSS 21.0的描述統(tǒng)計分析工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用雙變量相關(guān)分析工具，選擇Spearman系數(shù)分析越夏調(diào)查點越夏情況與7月-8月的最熱10 d日均溫、最熱10 d平均日最高氣溫、0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度與經(jīng)度、緯度和海拔高度的回歸分析

由于2015年7月-8月最熱10 d平均日最高氣溫的回歸方程中緯度的回歸系數(shù)未達(dá)到顯著水平，因此需要剔除該回歸方程中的緯度;其余回歸方程中經(jīng)度、緯度和海拔高度的回歸系數(shù)均達(dá)到極顯著水平（表1～表3）。結(jié)合越夏調(diào)查點的經(jīng)度、緯度和海拔高度數(shù)據(jù)，計算出越夏調(diào)查點7月-8月最熱10 d的日均溫和平均日最高氣溫。

2.2 其他氣象因子的空間插值處理

2.2.1 二階平穩(wěn)性假設(shè)檢驗

利用EViews 10.0單位根檢驗工具進(jìn)行二階平穩(wěn)性假設(shè)檢驗，選擇增廣迪基-福勒檢驗方法（Augmented Dickey-Fuller test， ADF檢驗）。ADF檢驗有水平、一階差分和二階差分3種，在水平上檢驗氣象因子序列在含時間趨勢和截距的檢驗式下的顯著水平（表4），結(jié)果顯示序列是平穩(wěn)的。因此，7月-8月的 0 cm 平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度可以利用普通克里格法進(jìn)行空間插值。

2.2.2 普通克里格法插值

利用普通克里格法半變異函數(shù)指數(shù)模型進(jìn)行空間插值。7月-8月的0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度的插值參數(shù)（表5）顯示，所有C/都小于75%，其余參數(shù)也較為理想，因此適用此模型。利用提取工具，提取越夏調(diào)查點7月-8月的0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度的插值。

2.3 小麥葉銹菌越夏與氣象因子的相關(guān)性分析

越夏調(diào)查點小麥葉銹菌越夏情況與7月-8月的最熱10 d日均溫、最熱10 d平均日最高氣溫、0 cm平均地溫、平均風(fēng)速、平均降水量、平均日照時數(shù)和平均相對濕度之間的相關(guān)性分析（表6）顯示，小麥葉銹菌越夏與7月-8月最熱10 d日均溫和最熱10 d平均日最高氣溫之間存在極顯著相關(guān)性，P值均小于0.01;與其他氣象因子的相關(guān)性不顯著，P值均大于0.05。

3 討論

小麥葉銹病的發(fā)生流行受多種氣象因子綜合作用，然而，影響小麥葉銹菌越夏的氣象因子目前尚未見報道。本研究通過參考其他麥類真菌病害的研究經(jīng)驗，認(rèn)為溫度是影響小麥葉銹菌越夏的關(guān)鍵氣象因子。

盡管小麥葉銹菌對溫度的耐受性較高，但溫度仍然是制約小麥葉銹菌生長的重要因素。關(guān)于我國小麥葉銹菌的越夏調(diào)查報道較少，據(jù)記載，我國小麥葉銹菌主要在四川、貴州、云南等地區(qū)的山地和高原越夏，這些地區(qū)夏季溫度普遍不高。1951年-2000年西南地區(qū)7月日均溫不高于23.7℃，7月平均日最高氣溫不高于29.1℃[13]，適合小麥葉銹菌越夏。與此同時，1951年-2007年山東和河南6月-8月日均溫在26℃以上[14]，1961年-2006年中南和華東地區(qū)6月-8月日均溫在27℃左右[15]，這些地區(qū)小麥葉銹菌不能越夏，或者僅能在海拔較高的山區(qū)越夏。這在一定程度上支持了本研究的結(jié)論。

越夏是小麥葉銹病周年病害循環(huán)中最困難、最重要的環(huán)節(jié)，越夏存活的葉銹菌量對秋季小麥葉銹菌侵染和次年春季該病害的流行都有著舉足輕重的影響。同時，越夏也與我國小麥品種抗病性的喪失和病菌新小種的產(chǎn)生息息相關(guān)[16]。因此，對小麥葉銹菌進(jìn)行越夏區(qū)劃，進(jìn)而為越夏區(qū)治理提供指導(dǎo)是很有必要的。對于其他麥類真菌病害，例如小麥條銹病和小麥白粉病，普遍認(rèn)為溫度是影響病原菌越夏的決定因素[18-19]，有學(xué)者以溫度作為界限指標(biāo)對它們進(jìn)行了越夏區(qū)劃[11，17]。目前小麥葉銹病的越夏區(qū)劃存在兩個主要問題：以什么氣象因子作為區(qū)劃指標(biāo)，該氣象因子的病害終止閾值是多少。為了解決上述問題，本研究通過分析小麥葉銹菌越夏與氣象因子的相關(guān)性，在理論上證明了溫度是影響小麥葉銹菌越夏的關(guān)鍵氣象因子，從而為我國小麥葉銹菌的越夏區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)。

我國幅員遼闊，經(jīng)、緯度跨越較廣，并且存在復(fù)雜的地形地貌，因此形成了多種多樣的氣候條件。本研究初步探明了影響小麥葉銹菌越夏的關(guān)鍵氣象因子，有助于了解不同氣候條件下小麥葉銹菌的越夏情況，一方面能夠為越夏與氣象因子關(guān)系模型的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)，從而預(yù)測病害在秋季侵染和次年春季流行的嚴(yán)重程度;另一方面能夠為小麥葉銹菌的越夏區(qū)劃和越夏區(qū)治理提供理論基礎(chǔ)。越夏區(qū)治理可以有效控制秋季菌源的數(shù)量，降低小麥葉銹病的流行強度，進(jìn)而減少病害造成的小麥產(chǎn)量損失和經(jīng)濟(jì)損失。本研究存在兩個尚未解決的問題，一是越夏調(diào)查點較少，難以構(gòu)建精準(zhǔn)的預(yù)測模型;二是小麥葉銹病的病害終止溫度閾值尚不明確，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的越夏區(qū)劃。因此，在今后的研究中，一是需要增加越夏調(diào)查的頻次，擴大越夏調(diào)查的范圍，再結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建出小麥葉銹菌越夏與氣象因子的關(guān)系模型;二是需要開展小麥葉銹菌群體溫度敏感性研究，獲得小麥葉銹病的病害終止溫度閾值，為越夏區(qū)劃提供界限指標(biāo)。這樣不僅能為小麥葉銹菌的越夏區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)，也對小麥葉銹病的預(yù)測預(yù)報、防控防治等研究具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：楊明麗）