摘要
2022年和2023年調(diào)查了安徽、江蘇、湖北、河南和陜西共11個縣(市)的小麥赤霉病實際發(fā)生情況,通過與小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果相比較,評價了該系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確度。結(jié)果表明,2022年除江蘇洪澤外,其余地區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度平均為92.5%;2023年除湖北南漳外,其余地區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度平均為97.5%。2022年和2023年水稻小麥輪作冬麥區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度分別為100%和95%,玉米小麥輪作冬麥區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度分別為85%和100%,該系統(tǒng)在水稻小麥和玉米小麥輪作冬麥區(qū)的預(yù)測準(zhǔn)確度分別97.5%和92.5%,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,可有效指導(dǎo)小麥赤霉病的防控工作。
關(guān)鍵詞
小麥赤霉病;"物聯(lián)網(wǎng);"自動監(jiān)測預(yù)警;"準(zhǔn)確度評價
中圖分類號:
S"431.9
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:"A
DOI:"10.16688/j.zwbh.2023666
Evaluation"of"the"application"effect"of"the"automatic"monitoring"and"warning"system"for"Fusarium"head"blight"based"on"the"internet"of"
things"in"2022"and"2023
TIAN"Jing1,"WANG"Qiang1,"ZHOU"Jia1,"HUANG"Weili2,"HU"Xiaoping1*
(1."Key"Laboratory"of"Plant"Protection"Resources"and"Pest"Management,"Ministry"of"Education,"Key"Laboratory"of"
Integrated"Pest"Management"on"Crops"in"Northwestern"Loess"Plateau,"Ministry"of"Agriculture"and"Rural"
Affairs;"College"of"Plant"Protection,"Northwest"A"amp;"F"University,"Yangling"712100,"China;"
2."Xi’an"Huangshi"Biological"Engineering"Co.,"Ltd.,"Xi’an"710065,"China)
Abstract
In"2022"and"2023,"an"investigation"was"conducted"on"the"actual"occurrence"of"Fusarium"head"blight"in"11"counties"(cities)"in"Anhui,"Jiangsu,"Hubei,"Henan,"and"Shaanxi,"and"the"accuracy"of"the"prediction"of"Fusarium"head"blight"automatic"monitoring"and"warning"system"was"evaluated"by"comparing"with"the"prediction"results"of"the"system."The"results"showed"that"in"2022,"except"for"Hongze"in"Jiangsu,"the"average"prediction"accuracy"in"other"areas"was"92.5%."In"2023,"except"for"Nanzhang,"Hubei,"average"the"prediction"accuracy"in"other"regions"was"97.5%."The"accuracy"in"winter"wheat"areas"under"ricewheat"rotation"in"2022"and"2023"was"100%"and"95%,"respectively,"while"that"under"cornwheat"rotation"was"85%"and"100%,"respectively."The"prediction"accuracy"of"the"system"in"the"rice"wheat"and"corn"wheat"rotation"winter"wheat"areas"was"97.5%"and"92.5%,"respectively."The"system"operates"stably,"which"can"effectively"guide"the"prevention"and"control"of"Fusarium"head"blight.
Key"words
Fusarium"head"blight;"internet"of"things;"automatic"monitoring"and"warning"system;"accuracy"evaluation
小麥赤霉病(Fusarium"head"blight)是由多種鐮孢菌引起的一種流行性病害,是麥類作物上最具破壞力的病害之一,被認(rèn)為是限制小麥和大麥生產(chǎn)的最主要原因[12]。20世紀(jì)后,該病害在全球主要小麥產(chǎn)區(qū)如中國、美國、英國、日本、巴西、加拿大、阿根廷和澳大利亞等地均有發(fā)生,給各國的糧食生產(chǎn)造成巨大經(jīng)濟損失[34]。此外,赤霉病菌產(chǎn)生的脫氧雪腐鐮孢菌烯醇(deoxynivalenol,DON)、雪腐鐮孢烯醇(nivalenol,NIV)和玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)等多種真菌毒素對人畜有毒[5]。在我國,赤霉病主要發(fā)生在溫暖濕潤的長江中下游冬麥區(qū),但近年來隨著氣候變化和耕作制度變革,赤霉病已呈現(xiàn)出北擴西移的趨勢,黃淮麥區(qū)已成為我國赤霉病常發(fā)區(qū)。自2000年以來,我國小麥赤霉病于2003年、2010年、2012年、2015年、2016年和2018年6次大流行,造成巨大產(chǎn)量損失[67]。
小麥赤霉病發(fā)病速度快,防治窗口期極短,最佳防治時期是在小麥揚花初期病原菌侵染之前,及時準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報是該病害防控的關(guān)鍵。赤霉病的發(fā)生往往受到初始菌源量、氣候條件、品種特性、栽培方式和耕作制度等多種因素的影響[811]。國內(nèi)外學(xué)者對赤霉病監(jiān)測預(yù)警開展了廣泛的研究,美國、加拿大、意大利、日本等國的學(xué)者根據(jù)溫度、相對濕度、降雨天數(shù)等關(guān)鍵氣象因子分別建立了關(guān)于赤霉病發(fā)生和產(chǎn)生真菌毒素風(fēng)險的預(yù)測模型。Moschini等[12]基于氣象數(shù)據(jù)建立了阿根廷的小麥赤霉病發(fā)病率預(yù)測模型,成功實現(xiàn)了對該地1991年-1993年小麥赤霉病發(fā)病率的局部預(yù)測;意大利學(xué)者Rossi等[13]結(jié)合孢子量和相關(guān)氣象因子建立了小麥赤霉病風(fēng)險分析模型,可較準(zhǔn)確地計算每日感染風(fēng)險;加拿大學(xué)者Hooker等[14]建立了以降雨量≥5"mm的天數(shù)和平均氣溫<10℃的天數(shù)為關(guān)鍵因子的DON含量(μg/g)預(yù)測模型,濃度lt;1.0"μg/g時,DON可被該模型準(zhǔn)確預(yù)測。在我國,商鴻生等[15]根據(jù)氣象因子、地下水位等因素對關(guān)中地區(qū)小麥赤霉病進(jìn)行流行性分區(qū),為小麥赤霉病分區(qū)處理提供了依據(jù);周華月[16]根據(jù)病原菌子囊孢子數(shù)與病穗率的關(guān)系建立了預(yù)測模型,所得預(yù)測結(jié)果和田間實際發(fā)病情況相一致;高崎等[17]依據(jù)抽穗后10"d內(nèi)的降雨量、降雨日期和平均氣溫建立了準(zhǔn)確度較高的病穗率預(yù)測模型;周世明等[18]建立了病原菌孢子數(shù)量與流行程度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)可用孢子數(shù)和流行程度的關(guān)系來預(yù)測赤霉病的發(fā)生情況;張文軍[19]根據(jù)孢子密度、降雨日期及天數(shù)、小麥抽穗和揚花日期,建立了關(guān)中地區(qū)準(zhǔn)確度較高的小麥赤霉病流行動態(tài)模擬模型,但將其投入實際生產(chǎn)難度較大;韓長安等[20]建立了以關(guān)鍵時期的相對濕度、降雨量、相對濕度大于90%天數(shù)和最低溫度平均值等為關(guān)鍵因子的病穗率預(yù)測模型,預(yù)測準(zhǔn)確度達(dá)85.7%。但前人研究多是針對局部地區(qū)建立基于氣象因子的赤霉病預(yù)測模型,對于大范圍不同地區(qū)的預(yù)測模型報道較少。西北農(nóng)林科技大學(xué)作物病害監(jiān)測與治理團(tuán)隊基于菌源和氣象因子構(gòu)建了用于不同地區(qū)的小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[2123]。本研究主要目的是對小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在安徽、湖北、江蘇、河南和陜西5省11個縣(市)的預(yù)測準(zhǔn)確度進(jìn)行評價,以期明確該系統(tǒng)在不同地區(qū)的應(yīng)用效果,為各地區(qū)小麥赤霉病的科學(xué)精準(zhǔn)防控提供參考。
1"材料與方法
1.1"儀器設(shè)備
小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由小麥赤霉病預(yù)報器和預(yù)警軟件平臺系統(tǒng)組成(https:∥www.cebaowang.com/),可實時監(jiān)測并采集溫度、降雨量、相對濕度、葉片表面濕潤時間及日照時長等田間環(huán)境因子數(shù)據(jù),通過GPRS技術(shù)和數(shù)據(jù)自動存儲技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸并保存至分析系統(tǒng)平臺。預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)置的預(yù)測模型對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,在揚花期前1周自動預(yù)測小麥蠟熟期赤霉病發(fā)生程度,若檢測結(jié)果超過防治指標(biāo),平臺會發(fā)出警報,對病害防治工作進(jìn)行及時指導(dǎo)[2123]。
1.2"初始菌源量調(diào)查
初始菌源量調(diào)查以前茬作物為前提。若前茬作物為玉米,于小麥抽穗始期在監(jiān)測點附近隨機選擇5塊麥田(每塊田667"m2以上),采用五點取樣法統(tǒng)計每個樣點(2"m×5"m)的玉米殘稈數(shù)量,并觀察是否有子囊殼,選取每個帶節(jié)長度為5~6"cm的殘稈作為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn),計算每塊麥田的產(chǎn)殼玉米秸稈密度(個/m2)。若前茬作物為水稻,于小麥抽穗始期在監(jiān)測點附近隨機選擇5塊麥田(每塊田667"m2以上),采用五點取樣法統(tǒng)計每個樣點(2"m×2"m)的水稻殘稈數(shù)量,并觀察是否有子囊殼,選取整穴稻樁作為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn),計算每塊麥田的產(chǎn)殼水稻秸稈密度(叢/m2)。
1.3"病穗率調(diào)查及等級劃分
小麥蠟熟期采用隨機取樣法對安徽、江蘇、湖北、河南和陜西等5省主產(chǎn)麥區(qū)赤霉病預(yù)報器周圍的未防治麥田進(jìn)行病穗率調(diào)查(表1)。每個樣點隨機選取麥穗20~60個,記錄調(diào)查小麥穗數(shù)、發(fā)病小麥穗數(shù),計算小麥赤霉病的病穗率。病穗率=(發(fā)病小麥穗數(shù)/調(diào)查小麥穗數(shù))×100%。根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T"157962011小麥赤霉病測報技術(shù)規(guī)范》[24]對實際調(diào)查病穗率進(jìn)行流行等級劃分,病穗率(DF)≤0.1%,0級,不發(fā)生;0.1%<DF≤10%,1級,輕發(fā)生;10%<DF≤20%,2級,偏輕發(fā)生;20%<DF≤30%,3級,中等發(fā)生;30%<DF≤40%,4級,偏重發(fā)生;DF>40%,5級,大發(fā)生。
1.4"預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度評價
比較小麥赤霉病實際流行等級與預(yù)測流行等級,參照肖悅巖[25]的最大誤差參照法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度評價:
R=1n∑ni=11-|Fi-Ai|Mi×100%
式中,R:預(yù)測準(zhǔn)確度;Fi:預(yù)測流行等級;Ai:實際流行等級;Mi:第i次預(yù)測的最大參照誤差,即為實際流行等級值和最高流行等級值(赤霉病流行等級最高值為5)與實際流行等級值之差中較大的值。
2"結(jié)果與分析
2.1"初始菌源量調(diào)查
對安徽、江蘇、湖北、河南以及陜西等5省小麥主產(chǎn)區(qū)麥田進(jìn)行初始菌源量和抽穗日期調(diào)查(表2),結(jié)果表明,2022年在水稻小麥輪作區(qū),江蘇洪澤、江蘇姜堰、湖北天門及湖北南漳初始菌源量分別為8.84、6.10、5.00叢/m2和5.00叢/m2,江蘇張家港為4.50叢/m2,安徽鳳臺為2.60叢/m2;在玉米小麥輪作區(qū),初始菌源量普遍低,均低于1.00個/m2;2023年在水稻小麥輪作區(qū),江蘇姜堰初始菌源量為5.83叢/m2。湖北天門和湖北南漳初始菌源量為5.00叢/m2,其他地區(qū)初始菌源量在1.00~3.20叢/m2之間,玉米小麥輪作區(qū)初始菌源量均低于1.00個/m2。
2.2"病穗率及病害流行等級
小麥蠟熟期時,采用隨機取樣法對赤霉病實際病穗率進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計,并參照國標(biāo)GB/T"157962011[24]對實際病穗率進(jìn)行流行等級劃分,比較預(yù)測的病穗率、流行等級與田間實際病穗率和流行等級的接近程度(表3、表4)。結(jié)果表明,2022年湖北南漳的小麥赤霉病發(fā)生最嚴(yán)重,實際病穗率為26.67%,流行程度為3級,其余地區(qū)的實際病穗率均在0.20%~10.00%之間,流行程度為1級。除江蘇洪澤、陜西武功外,其余地區(qū)預(yù)測病穗率與實際病穗率基本一致。2023年江蘇洪澤、湖北天門、陜西武功實際病穗率分別為42.58%、49.84%和40.27%,流行程度均為5級,湖北南漳病穗率為18.64%,流行程度為2級,其余地區(qū)的病穗率均在10%以下,流行程度為0~1級。除湖北南漳外,其余地區(qū)預(yù)測病穗率與實際病穗率基本一致。
2.3"預(yù)測準(zhǔn)確度評價
根據(jù)肖悅巖[25]的最大誤差參照法,將田間實際調(diào)查流行等級與預(yù)測流行等級代入評價方法計算得到2022年和2023年小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確度均較高,2022年,除江蘇洪澤外,其余地區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度平均為92.5%;2023年,除湖北南漳外,其余地區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度平均為97.5%。在水稻小麥輪作的安徽、江蘇及湖北省和玉米小麥輪作的河南、陜西省,預(yù)測準(zhǔn)確度均較高,2022年和2023年水稻小麥輪作冬麥區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度分別為100%和95%,玉米小麥輪作冬麥區(qū)預(yù)測準(zhǔn)確度分別為85%和100%,該系統(tǒng)在水稻小麥和玉米小麥輪作冬麥區(qū)的預(yù)測準(zhǔn)確度分別97.5%和92.5%。
3"結(jié)論與討論
小麥赤霉病的發(fā)生給各國糧食生產(chǎn)和食品安全造成巨大威脅,科學(xué)及時的預(yù)測預(yù)報無疑是做好麥類作物赤霉病防控的重要途徑[26]。1979年以來,西北農(nóng)林科技大學(xué)作物病害監(jiān)測與治理團(tuán)隊一直致力于小麥赤霉病流行學(xué)及監(jiān)測預(yù)警研究,2012年該團(tuán)隊研發(fā)了我國首款小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)報器,并利用物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)開發(fā)了小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。
2016年,陜西省植物保護(hù)工作總站對陜西省關(guān)中地區(qū)進(jìn)行了小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的測試,預(yù)測準(zhǔn)確度達(dá)94.4%[6];2017年,陜西省渭南市華州區(qū)植保植檢站及安徽省鳳臺縣植保植檢站評價該系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確度分別為96%和100%[2728];2018年,陜西省商洛市洛南縣植保站、西安市植保站及河南省平輿縣植物保護(hù)植物檢疫站評價該系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確度分別為80%、100%和90.95%[2931];2019年,對安徽、江蘇、湖北、河南等4省的預(yù)報器進(jìn)行了預(yù)測準(zhǔn)確度評價,綜合預(yù)測準(zhǔn)確度為83.3%[32];2019年-2020年,對安徽貴池區(qū)赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確度進(jìn)行了評價,預(yù)測準(zhǔn)確度為100%[33]。本研究調(diào)查統(tǒng)計了2022年-2023年安徽、江蘇、湖北、河南和陜西等5省主產(chǎn)麥區(qū)的赤霉病發(fā)病情況,與系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),預(yù)測準(zhǔn)確度均較高,分別為92.5%和97.5%。綜合分析多年的預(yù)測預(yù)報結(jié)果,可表明該小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運行穩(wěn)定,自動化程度高,預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度高,對開展精準(zhǔn)防控小麥赤霉病工作可起到一定的指導(dǎo)作用。
本研究對2022年、2023年該系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確度做出評價,發(fā)現(xiàn)2022年江蘇洪澤、2023年湖北南漳的實際病穗率均小于預(yù)測病穗率,主要是因為農(nóng)戶在小麥揚花期進(jìn)行了噴藥防治,赤霉病發(fā)生不嚴(yán)重,導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確度均為0%,故無法用于系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確度評價計算。此外,2022年,陜西武功預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確,預(yù)測準(zhǔn)確度均為50%,一方面可能是與菌源量、品種抗性、儀器安放地理位置等因素密切相關(guān);另一方面可能是因為赤霉病病原菌種類多樣且分布廣泛,其侵染循環(huán)過程與氣象因子息息相關(guān),受小氣候影響,導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與病害實際發(fā)生情況不符。
小麥赤霉病是具有地域特性的流行性病害,多年來,許多學(xué)者運用不同的方法建立了小麥赤霉病預(yù)測模型。但因地域特性幾乎都不適用于其他麥區(qū)[12,3435]。在我國以水稻小麥輪作的長江中下游麥區(qū),多名學(xué)者運用不同的氣象因子和統(tǒng)計方法進(jìn)行赤霉病預(yù)測,準(zhǔn)確度較高,但均不適用于以玉米小麥輪作的黃淮海麥區(qū)[3640]。本研究對不同地區(qū)的小麥赤霉病自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確度評價,發(fā)現(xiàn)水稻小麥輪作冬麥區(qū)小麥赤霉病發(fā)生情況預(yù)測準(zhǔn)確度高于玉米小麥輪作冬麥區(qū),分別97.5%和92.5%,這可能與不同地區(qū)降雨量的時空變化有關(guān)。該系統(tǒng)在水稻小麥和玉米小麥輪作冬麥區(qū)的預(yù)測準(zhǔn)確度均較高,表明該系統(tǒng)可對不同地區(qū)的赤霉病發(fā)生情況進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的自動化預(yù)測預(yù)報,為赤霉病科學(xué)、有效的防控提供參考。
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