滁州市小麥赤霉病與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

郁凌華，陳曦，張?chǎng)瓮?，邢程，夏?mèng)瑾，繆新偉，岳偉

（1.安徽省滁州市氣象局，安徽 滁州 239000；2.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心，合肥 230031；3.安徽省滁州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村技術(shù)推廣中心，安徽 滁州 239000）

赤霉病是小麥生產(chǎn)過程中較為嚴(yán)重的一種病害，具有暴發(fā)性強(qiáng)、抗病育種難度大、防治適期時(shí)效性強(qiáng)、危害損失重等特點(diǎn)［1］。赤霉病從苗期到灌漿期均可造成小麥?zhǔn)芎Γ饕鹈绺?、莖基腐、稈腐和穗腐，其中以穗腐危害最為嚴(yán)重［2］，不僅會(huì)造成小麥嚴(yán)重減產(chǎn)，還會(huì)影響小麥品質(zhì)和引起人畜中毒［3］。2000年以來，中國(guó)小麥赤霉病的流行頻率和發(fā)病面積呈不斷增加和擴(kuò)大的趨勢(shì)［4］，其中2003、2010、2012年為江淮地區(qū)小麥赤霉病大流行年份［5-7］。如2003年赤霉病在安徽省嚴(yán)重流行，發(fā)病面積達(dá)100萬hm2，損失產(chǎn)量達(dá)6億kg［5］。

小麥赤霉病是一種典型的“氣候型”病害，其發(fā)生除受菌源數(shù)量、植株抗性、寄主生育時(shí)期、輪作制度等因素影響外，病菌生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、侵染和流行均與氣象要素密切相關(guān)［8，9］。關(guān)于赤霉病的研究多集中在發(fā)生規(guī)律［10，11］、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)［9，12］、防治技術(shù)［13，14］等方面，其中探討促使病害發(fā)展的影響因子是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。研究表明，赤霉病的發(fā)生與抽穗揚(yáng)花期氣象條件密切相關(guān)，年際間的波動(dòng)取決于該時(shí)期氣象條件的變化情況［8，15］。徐敏等［16］研究表明拔節(jié)期日照、降雨量、濕度和雨日數(shù)以及越冬期氣溫和降雪對(duì)赤霉病均具有前期影響。張潔等［17］指出，揚(yáng)花期至灌漿期的濕度、降雨量和溫度對(duì)赤霉病發(fā)病程度有決定性作用。因此，小麥各生育期的氣象條件對(duì)赤霉病的發(fā)生流行均可能有影響。

滁州市地處江淮之間，常年小麥種植面積約34萬hm2，種植制度以稻茬麥和旱地麥為主。近年來隨著麥田秸稈還田量逐年增多，小麥赤霉病呈連年重發(fā)趨勢(shì)［18］。前人的研究雖然基本上確定了小麥赤霉病發(fā)生關(guān)鍵時(shí)段和主要?dú)庀笠蜃?，但由于區(qū)域間氣候和種植制度的差異，關(guān)鍵期及主要?dú)庀笠蜃拥臉?biāo)準(zhǔn)很難用統(tǒng)一的指標(biāo)來衡量［12］。在氣候變暖背景下，加強(qiáng)適合本地生產(chǎn)現(xiàn)狀的氣象影響指標(biāo)研究將進(jìn)一步提高對(duì)赤霉病防治的針對(duì)性。此外，前人的研究大多只考慮小麥抽穗揚(yáng)花期的氣象條件，抽穗前發(fā)育期及灌漿期考慮較少，這可能導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)差異。在前人研究基礎(chǔ)上，本研究依據(jù)小麥赤霉病菌的循環(huán)規(guī)律，采用相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)分析，明確小麥越冬期到灌漿期各分時(shí)段內(nèi)影響赤霉菌的關(guān)鍵氣象影響因子，找到影響當(dāng)?shù)匦←湷嗝共〉年P(guān)鍵發(fā)育期，為后續(xù)建立當(dāng)?shù)匦←湷嗝共☆A(yù)測(cè)模型打下基礎(chǔ)，也為政府和農(nóng)業(yè)部門宏觀防控決策提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

研究區(qū)域包括滁州市轄南譙區(qū)以及來安縣、全椒縣、天長(zhǎng)市、定遠(yuǎn)縣、鳳陽縣、明光市共7個(gè)站點(diǎn)（圖1）。小麥赤霉病資料來源于滁州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，主要包括7個(gè)站點(diǎn)2005—2020年的小麥赤霉病病穗率和病情指數(shù)；對(duì)應(yīng)氣象資料來源于滁州市氣象局，主要包括7個(gè)站點(diǎn)2004—2020年逐日平均氣溫（℃）、日照時(shí)數(shù)（h）、相對(duì)濕度（%）、平均風(fēng)速（m/s）、降雨量（mm）等。

圖1 滁州市氣象站點(diǎn)分布

1.2 小麥赤霉病發(fā)生程度分級(jí)指標(biāo)

根據(jù)安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《小麥赤霉病測(cè)報(bào)調(diào)查規(guī)范》［19］，將赤霉病發(fā)生程度劃分為5個(gè)等級(jí)，即病穗率≤3%為1級(jí)，對(duì)應(yīng)赤霉病輕發(fā)生；3%＜病穗率≤10%為2級(jí)，對(duì)應(yīng)赤霉病偏輕發(fā)生；10%＜病穗率≤20%為3級(jí)，對(duì)應(yīng)赤霉病中等發(fā)生；20%＜病穗率≤30%為4級(jí)，對(duì)應(yīng)赤霉病偏重發(fā)生；病穗率＞30%為5級(jí)，對(duì)應(yīng)赤霉病大流行。

1.3 研究方法

1.3.1 皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson）皮爾遜相關(guān)系數(shù)［20］是描述2個(gè)隨機(jī)變量線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量。

假設(shè)有2個(gè)數(shù)組X、Y，X=｛x1，x2，x3，…，xn｝，Y=｛y1，y2，y3，…，yn｝，這2個(gè)數(shù)組的相關(guān)系數(shù)（r）計(jì)算公式如下。

相關(guān)系數(shù)的取值為-1.0?1.0。當(dāng)r＞0時(shí)，表明兩變量呈正相關(guān)；當(dāng)r＜0時(shí)，表明兩變量呈負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1，相關(guān)性越顯著；當(dāng)r=0時(shí)，2個(gè)變量相互獨(dú)立。

1.3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析灰色關(guān)聯(lián)分析［21］是灰色系統(tǒng)理論中的一種重要分析方法，它可彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法中系統(tǒng)分析所導(dǎo)致的缺陷。其不受樣本量多少和有無規(guī)律的限制，且該方法計(jì)算量小，由灰色關(guān)聯(lián)分析得到的關(guān)聯(lián)度，可以量化系統(tǒng)特征行為序列與各相關(guān)因素行為序列的關(guān)聯(lián)程度大小。一般情況下，當(dāng)2個(gè)要素的關(guān)聯(lián)度≤0.3時(shí)，表示2個(gè)要素屬于低關(guān)聯(lián)；當(dāng)關(guān)聯(lián)度在（0.3，0.6］時(shí)，表示2個(gè)要素之間耦合作用中等；當(dāng)關(guān)聯(lián)度在（0.6，0.8］時(shí)，表示2個(gè)要素之間耦合作用較強(qiáng)；當(dāng)關(guān)聯(lián)度＞0.8時(shí)，表示2個(gè)要素之間耦合作用極強(qiáng)。具體計(jì)算步驟如下。

1）確定母序列和因素序列。設(shè)母序列為x0（t），

共有m個(gè)數(shù)據(jù)，即1，2，…，m；特征序列為xi（t），有n個(gè)子序列，即

2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。因數(shù)據(jù)間量綱和大小的差異，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變換。本研究采用均值化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即先分別求出各序列的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，再將原始數(shù)據(jù)減去平均值后除以標(biāo)準(zhǔn)差，得到的新序列即為標(biāo)準(zhǔn)化序列。

3）求關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。

①關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式如下。

②關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下。

式中，ri為母序列與因子序列的關(guān)聯(lián)度；為母序列與因子序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)；n為比較序列的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，i=1，2，…，n。

2 結(jié)果與分析

2.1 滁州市小麥赤霉病發(fā)生概況與趨勢(shì)分析

滁州市小麥種植面積總體呈北多南少的分布趨勢(shì)，北部沿淮麥區(qū)種植品種主要以煙農(nóng)、淮麥、洛麥、濟(jì)麥等半冬性品種為主，大部分為小麥赤霉病高感品種；南部麥區(qū)以揚(yáng)麥、寧麥、鎮(zhèn)麥等春性品種為主，對(duì)赤霉病的抗性表現(xiàn)為中感至中抗。近年來，隨著秸稈還田數(shù)量的增加，田間環(huán)境菌源總量增加，再加上氣候變暖的因素，滁州市小麥赤霉病呈逐年增加的趨勢(shì)，其中，2010、2012、2018年滁州市小麥赤霉病大流行，部分自然條件下的田塊（未防治），田間病穗率均在15%以上。尤其是2012年小麥赤霉病大發(fā)生年，平均病穗率達(dá)35%，平均病情指數(shù)為15.7，是近年來發(fā)病最嚴(yán)重的一年。2018年也是小麥赤霉病大發(fā)生年，自然條件下小麥赤霉病病穗率達(dá)24.3%（圖2），但因各級(jí)政府和農(nóng)業(yè)部門高度重視，提前做好防治前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，防治后下降至2.05%。

圖2 2005—2020年滁州市小麥赤霉病病穗率變化趨勢(shì)

2.2 滁州市小麥赤霉病與氣象因子的相關(guān)性分析

小麥不同生育期的氣象條件對(duì)赤霉病均可產(chǎn)生影響。在前人研究［22］基礎(chǔ)上，結(jié)合滁州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際［23］，將小麥赤霉病氣象影響時(shí)段擴(kuò)展為4個(gè)階段。第一個(gè)階段為越冬期（上年12月至當(dāng)年2月），第二階段為拔節(jié)期至孕穗期（3月上旬至4月上旬），第三階段為抽穗揚(yáng)花期（4月中、下旬），第四個(gè)時(shí)段為灌漿期（5月上旬、中旬）。越冬期、拔節(jié)期至孕穗期氣象條件對(duì)小麥赤霉病發(fā)生與否有重要前期效應(yīng)，抽穗揚(yáng)花期是赤霉病菌侵染的關(guān)鍵期，灌漿期則是小麥赤霉病顯癥的關(guān)鍵期。赤霉病菌的存活、生長(zhǎng)、繁衍、侵害、流行始終伴隨著小麥生長(zhǎng)期的多個(gè)過程。

為確定對(duì)赤霉病有重要影響的氣象因子，初步選出各階段對(duì)赤霉病有影響且符合生物學(xué)意義的氣象因子較為關(guān)鍵，主要依據(jù)已有研究結(jié)果進(jìn)行初步篩選。抽穗期至灌漿期是赤霉病菌侵染、發(fā)病的關(guān)鍵期，主要影響因子是溫度、濕度、降水、光照和風(fēng)［12］。拔節(jié)期至孕穗期、越冬期對(duì)赤霉病具有前期影響，其中拔節(jié)期至孕穗期影響赤霉病菌的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁?、降水、濕度和光照?4，25］；越冬期影響赤霉病菌的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁兀?6］。不同發(fā)育期的氣象要素如表1所示。

表1 小麥不同發(fā)育期影響赤霉病的主要?dú)庀笠蜃?/p>

將表1中的氣象因子按發(fā)育時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析各發(fā)育階段氣象因子與小麥赤霉病發(fā)生等級(jí)的相關(guān)性。各發(fā)育期氣象因子與赤霉病發(fā)生程度的相關(guān)系數(shù)見表2。由表2可知，在越冬期，平均氣溫與南譙區(qū)、來安縣、全椒縣各縣（市、區(qū)）小麥赤霉病發(fā)生等級(jí)呈顯著負(fù)相關(guān)，最高氣溫與來安縣、全椒縣、天長(zhǎng)市各縣（市、區(qū)）小麥赤霉病發(fā)生等級(jí)呈顯著負(fù)相關(guān)，最低氣溫與南譙區(qū)小麥赤霉病發(fā)生等級(jí)呈顯著負(fù)相關(guān)。在拔節(jié)期至孕穗期，各縣（市、區(qū)）的平均氣溫與小麥赤霉病發(fā)生程度的相關(guān)性不顯著；降雨量、雨日數(shù)與赤霉病發(fā)生等級(jí)呈正相關(guān)，部分地區(qū)相關(guān)性顯著；相對(duì)濕度與赤霉病相關(guān)性略差，只有南譙區(qū)、明光市達(dá)到顯著正相關(guān)；日照時(shí)數(shù)與赤霉病發(fā)生等級(jí)呈負(fù)相關(guān)，其中定遠(yuǎn)縣、明光市相關(guān)性顯著。在抽穗揚(yáng)花期，除平均氣溫、降雨量外，雨日數(shù)、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速與赤霉病均有一定相關(guān)性，部分站點(diǎn)達(dá)顯著性水平；雨日數(shù)、相對(duì)濕度與赤霉病發(fā)生程度呈正相關(guān)，南譙區(qū)的相關(guān)性顯著；日照時(shí)數(shù)與赤霉病呈負(fù)相關(guān)，其中全椒縣達(dá)顯著性水平；大部分站點(diǎn)平均風(fēng)速與赤霉病發(fā)生程度呈正相關(guān)，其中明光市呈顯著正相關(guān)，而定遠(yuǎn)縣、鳳陽縣的平均風(fēng)速與赤霉病發(fā)生程度呈負(fù)相關(guān)。在灌漿期，各氣象因子與赤霉病的相關(guān)性明顯高于其余各發(fā)育期，明光市的平均氣溫與赤霉病呈顯著負(fù)相關(guān)；全市各縣（市、區(qū)）降雨量、雨日數(shù)、相對(duì)濕度與赤霉病呈正相關(guān)，其中雨日數(shù)相關(guān)性顯著，明光市相對(duì)濕度與赤霉病呈極顯著正相關(guān)；各站日照時(shí)數(shù)與赤霉病呈負(fù)相關(guān)，其中鳳陽縣、明光市達(dá)極顯著水平；平均風(fēng)速與赤霉病發(fā)生程度的相關(guān)性除明光市為顯著正相關(guān)外，其余各縣（市、區(qū)）相關(guān)性均不大。

表2 小麥赤霉病發(fā)生等級(jí)與各發(fā)育期氣象因子的相關(guān)系數(shù)

2.3 氣象要素對(duì)小麥赤霉病影響程度的灰色關(guān)聯(lián)分析

綜合考慮滁州市全市小麥赤霉病氣象影響因子，根據(jù)表2分析結(jié)果，將相關(guān)性顯著的拔節(jié)期至孕穗期降雨量（A1）、雨日數(shù)（A2）、相對(duì)濕度（A3）、日照時(shí)數(shù)（A4），抽穗揚(yáng)花期雨日數(shù)（B1）、相對(duì)濕度（B2）、日照時(shí)數(shù)（B3）、平均風(fēng)速（B4），灌漿期平均氣溫（C1）、降雨量（C2）、雨日數(shù)（C3）、相對(duì)濕度（C4）、日照時(shí)數(shù)（C5）、平均風(fēng)速（C6）這14個(gè)氣象因子選入灰色關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行赤霉病發(fā)生程度與氣象因子的關(guān)聯(lián)度分析。

將影響指標(biāo)因子與赤霉病發(fā)生等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并代入式（2），得到關(guān)聯(lián)系數(shù)如表3所示。對(duì)各縣（市、區(qū)）關(guān)聯(lián)系數(shù)求平均值，得到14個(gè)氣象指標(biāo)因子與滁州市小麥赤霉病發(fā)生程度間的關(guān)聯(lián)度（表4）。根據(jù)關(guān)聯(lián)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，小麥赤霉病發(fā)生程度與氣象因子的關(guān)聯(lián)度均在0.6以上，屬于較高關(guān)聯(lián)，表明各氣象指標(biāo)因子對(duì)赤霉病發(fā)生程度具有重要影響，也表明氣象因子選擇較為合理。各氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度排序表現(xiàn)為C3＞A1＞C4＞B1＞A2＞B2＞A3＞C6＞B4＞C1＞A4＞B3＞C2＞C5。可 以 看出，灌漿期雨日數(shù)是赤霉病最為密切的氣象因素，其次是拔節(jié)至孕穗期降雨量和灌漿期相對(duì)濕度，排在最后的則為灌漿期日照時(shí)數(shù)。

表3 滁州市各縣（市、區(qū)）小麥赤霉病與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

表4 滁州市小麥赤霉病與氣象影響因子間的關(guān)聯(lián)度

3 小結(jié)與討論

本研究基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，利用常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與小麥病穗率等相關(guān)資料，對(duì)滁州市小麥赤霉病發(fā)生等級(jí)與氣象因子間的相關(guān)性及影響情況進(jìn)行了分析，結(jié)論如下。

1）滁州市近16年小麥赤霉病呈增加的趨勢(shì)，尤其是近10年，這與當(dāng)前中國(guó)赤霉病發(fā)生總體趨勢(shì)一致。分析赤霉病高發(fā)原因主要有3個(gè)［3］：一是氣候變暖。在春季，當(dāng)氣溫達(dá)7℃，土壤含水量達(dá)50%時(shí)，赤霉病菌形成子囊殼，當(dāng)氣溫超過12℃時(shí)釋放出子囊孢子。因全球變暖趨勢(shì)明顯，目前春季的平均氣溫達(dá)到了赤霉病病菌子囊殼萌發(fā)的氣溫條件。二是秸稈還田。秸稈還田政策雖減少了焚燒秸稈所造成的大氣污染，但也增加了土壤帶菌量。三是品種、播期等種植因素。小麥種植品種多樣，播期不統(tǒng)一，播期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致小麥生育期參差不齊，赤霉病關(guān)鍵期與高濕高溫天氣重合時(shí)間增多，加大了霉菌侵入小麥的概率。

2）滁州市冬季氣溫與小麥赤霉病呈顯著負(fù)相關(guān)，這與霍治國(guó)等［26］研究結(jié)論不同。一般認(rèn)為，冬季高溫易使病菌安全越冬，一定程度上會(huì)增加小麥赤霉病風(fēng)險(xiǎn)程度。本研究表明，冬季高溫并不是小麥赤霉病高發(fā)的必要條件。除氣溫外，拔節(jié)期至孕穗期氣象條件與赤霉病相關(guān)性顯著。任義方等［27］指出小麥抽穗前天氣條件主要影響赤霉病菌子囊和子囊孢子的形成和積累，本研究與之結(jié)論一致。抽穗揚(yáng)花期的氣溫、降雨量與赤霉病相關(guān)性并不顯著，這與馬延慶等［28］指出的氣溫不是決定病害流行強(qiáng)度變化的主要因素結(jié)論一致。灌漿期各氣象因子與赤霉病的相關(guān)性明顯高于其余各發(fā)育期，且部分站點(diǎn)達(dá)顯著水平。灌漿期氣溫與赤霉病呈負(fù)相關(guān)，這與羅貴東等［29］結(jié)論一致。需要指出的是，風(fēng)的影響較為復(fù)雜，一般認(rèn)為風(fēng)速加大有利于赤霉病病菌傳播。但風(fēng)的大小和方向也會(huì)影響局部環(huán)流，引起溫度和濕度等的改變，風(fēng)力增大可加快水分蒸發(fā)，從而引起田間相對(duì)濕度的降低，故而不利于小麥赤霉病發(fā)病［30］。

3）經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)分析，小麥赤霉病發(fā)生程度與氣象因子的關(guān)聯(lián)度數(shù)值均在0.6以上，屬于較高關(guān)聯(lián)，表明各氣象指標(biāo)因子對(duì)赤霉病發(fā)生程度具有重要影響。各氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度排序表現(xiàn)為C3＞A1＞

C4＞B1＞A2＞B2＞A3＞C6＞B4＞C1＞A4＞B3＞C2＞C5?？梢钥闯觯酀{期雨日數(shù)是赤霉病最為密切的氣象因素，其次是拔節(jié)至孕穗期降雨量，灌漿期相對(duì)濕度位列第三，最后為灌漿期日照時(shí)數(shù)。

以往研究多以抽穗揚(yáng)花期為主要研究時(shí)段，忽略了前期和后期發(fā)育時(shí)段氣象因子對(duì)赤霉病最終發(fā)生情況的影響。經(jīng)關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，影響滁州市小麥赤霉病的關(guān)鍵發(fā)育期除了抽穗揚(yáng)花期，灌漿期和拔節(jié)期至孕穗期的氣象條件也十分重要。下一步將根據(jù)本研究結(jié)果分別建立各站點(diǎn)小麥赤霉病氣象等級(jí)預(yù)測(cè)模型，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)植保部門赤霉病氣象預(yù)測(cè)提供依據(jù)。