用通徑分析方法建立水稻紋枯病氣象等級模型

摘要：基于大量前人研究成果提出水稻紋枯病綜合氣象等級預報模型ＹＤ＝ Cｉ×Ｐｉ；在分析不同氣象因子對水稻紋枯病影響規律基礎上，采用最優分析法，給出每個氣象因子分級標準，得出每個因子在不同量值上對應的氣象等級值Ｐｉ；利用荊州市往年水稻紋枯病發生面積及對應年份５～８月逐日氣象資料，采用通徑分析法，確定每個氣象因子對紋枯病影響權重，從而建立基于逐日氣象要素的水稻紋枯病氣象等級模型，可以用于過去３～５ ｄ（或周、旬）紋枯病氣象條件監測和未來３～５ ｄ（或周、旬）氣象條件對紋枯病發生發展適宜程度預報。經檢驗，預報氣象等級與病蟲害實際發生等級吻合率為６5％，方法簡單可行，易于推廣。

關鍵詞：通徑分析；水稻紋枯病；氣象等級；模型

中圖分類號：Ｑ９６４，Ｓ４３５．１１１．４＋２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）02－0286-04

The Establishment of Meteorological Level Model of Rice Sheath Blight with

Path Analysis Method

ＷAN Ｓｕ-ｑｉｎ１，ＸU Ｒｏｎｇ-ｑｉｎ２，ＬIU Ｚｈｉ-ｘｉｏｎｇ１，ＣHEN Ｃｈｅｎ３

（１． Ｗｕｈａｎ Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ / Meteorological Bureau of Hubei Province，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｐｌａｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ； ３． Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｙｉｃｈａｎｇ Ｃｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００，Ｈｕｂｅi，Ｃｈｉｎａｉ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Bａｓｅｄ ｏｎ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ of ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｐｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ was ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ as ＹＤ＝ Cｉ×Ｐｉ. Furthermore，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ and ｏｐｔｉｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ， the ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ of every meteoralogical factors was given； Aｎｄ Ｐｉ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｆａｃｔｏｒ corresponding to different quantity value was caculated. Ｔｈｅｎ using ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｄａｔａ ｏｆ Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｗｅａｔｈｅｒ ｄａｔａ ｆｒｏｍ Ｍａｙ ｔｏ Ａｕｇｕｓｔ of each year， ｐａｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ was applied ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ Cｉ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｌｉｍａｔｉｃ ｆａｃｔｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄａｉｌｙ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ． Ｉｔ could ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ ３~５ ｄａｙｓ（ｏｒ ｗｅｅｋｓ， ｔｅｎ ｄａｙｓ） ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ ｉｎ the ｎｅｘｔ ３~５ ｄａｙｓ（ｏｒ ｔｅｎ ｄａｙｓ）． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ， ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｗａｓ ６５％． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ be ｕｓｅd ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｅd．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐａｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｒｉｃｅ ｓｈｅａｔｈ ｂｌｉｇｈｔ； ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｇｒａｄｅ； ｍｏｄｅｌ

２０世紀７０年代以來，國外關于氣象條件對病蟲害發生發展的影響研究逐漸增多，特別是在用氣象因子建立病蟲害預報的氣象模型方面，以英國、美國、澳大利亞等國的研究成果相對較多。國內在病蟲害預報的氣象模型研究上，２０世紀８０年代以前，主要以農作物病蟲害發生發展氣象條件為主，用指標法、物候法、統計法等制作短期預報；20世紀８０年代以后，在農作物病蟲害發生發展與氣象條件的關系、氣象預測預報等方面取得了一些進展［１－３］，建立了短期、中期、長期的預測預報模型，但模型也存在預報時效性不強、不利滾動預報等問題。進入２１世紀，基于以經驗為基礎的綜合分析法摸索出多種統計預報方法，實現了病蟲害氣象預測預報的多種統計分析方法并用［４］，先后開展了一些病蟲害氣象條件分析研究工作，并總結出病蟲害發生發展氣象指標［５－８］；毛先達等［９］采用氣象因子綜合判別分析法，以溫度分析為主、其他氣象因子作為訂正，通過對溫度分析得出氣象等級的預報結論，建立柑橘病蟲害氣象條件預報模型；姚渝麗等［１０］立足氣象因子對病菌的影響，應用計算機技術模擬病害發生機理，建立天氣促病指數模型以開展稻葉瘟發病趨勢預測；何永坤等［１１］從稻瘟病發生機理出發，篩選稻瘟病病菌侵入氣象因子及其指標，建立稻瘟病發生的氣象條件促病指數，確立了稻瘟病發生氣象條件預報等級指標；張旭暉等［１２］對小麥赤霉病發生的氣象因子進行統計分析，確定赤霉病致病日，計算赤霉病感病期間逐日誘發修正系數、致病日持續時間誘發修正系數，建立促病指數模型，判別小麥赤霉病氣象條件適宜程度及發生的等級；成兆金等［１３］對關鍵氣象因子進行多元逐步回歸分析，建立各代棉鈴蟲累計卵量、發生程度等的中短期氣象預測模型；郭瑞鴿等［１４］從稻瘟病致病適宜的氣象條件出發，利用氣象因子構建天氣促病指數，并將之劃分為不同級別以反映氣象條件對早稻穗瘟發生的適宜程度。

水稻紋枯病是一種高溫高濕條件下由立枯絲核菌引起的真菌病害，從秧苗期至穗期均可發生，以抽穗前后最盛。在品種和栽培條件大致相同時，不同年份病害發生輕重主要受溫度、濕度綜合影響［１，５－８］。黃珍珠等［１５］從水稻紋枯病發生的生物學原理出發，選取主要影響氣象因子，構建天氣促病指數，實現了對廣東省水稻紋枯病發生的氣象等級監測與預報。近一二十年來，湖北省農作物病蟲災害發生頻率和程度呈上升趨勢，但湖北省對病蟲害發生發展氣象等級預報研究相對滯后。２００７年中國氣象局在省級氣象業務考核中增加了“開展農業病蟲害氣象等級預報的業務和服務”的考核內容，根據這一新增業務與服務的需求，本研究使用１９７９～２００７年荊州市水稻紋枯病發生面積和同期氣象資料，采用最優分析法，將影響湖北省水稻紋枯病的多個氣象因子進行分級，采用通徑分析法確定氣象因子權重，建立水稻紋枯病逐日（逐周）氣象等級模型，并對該模型作試報檢驗。

１ 材料與方法

１．１ 資料來源

1.1.1 水稻紋枯病發生資料 由湖北省植物保護總站提供，包括１９７９～２００７年湖北省荊州市逐年發生面積、２００８年５～８月荊州市水稻紋枯病發生實際等級等。

1.1.2 氣象資料 由荊州氣象站提供，包括１９７９～２００７年５～８月逐日平均氣溫、雨量、平均相對濕度、日照時數等。

１．２ 研究方法

１．２．１ 綜合氣象等級預報模型構建 水稻紋枯病發生受多個氣象因子共同影響，如氣溫、空氣相對濕度、日照時數、雨量。不同氣象因子對紋枯病所起作用不同，對其可用不同權重表示。同一因子，權重量值不同，貢獻不同。因此，給出紋枯病發生發展綜合氣象等級（ＹＤ）的定義式如下：

ＹＤ＝Cｉ×Ｐｉ （１）

式（１）中，ＹＤ表示多個氣象因子對紋枯病的綜合影響程度，共分為５級（表１）；Ｃｉ為某種氣象因子的權重系數，由通徑分析［１６－１７］求得；Ｐｉ為氣溫、降水、日照、濕度等氣象因子分級值。根據氣象因子量值大小，將其分為５級，即Ｐｉ∈｛１級，２級，３級，４級，５級｝，ｉ＝１，２，…，ｋ，ｋ為對紋枯病有影響的氣象因子個數，本研究ｋ＝４。

1．２．２ 單個氣象因子等級值Ｐｉ劃分 影響湖北省紋枯病發生發展的主要氣象因子有日平均氣溫、雨量、相對濕度和日照時數。水稻生長期，日平均氣溫２０～３２ ℃、日平均相對濕度≥８０％、日照時數≤４．５ ｈ，日雨量≥５ ｍｍ，對紋枯病發生發展有利［１，５－８］。當某一氣象因子滿足以上條件，則該因子有利于紋枯病發生，但其量值不同，氣象等級也不同。每一氣象因子分為５個級別，含義與表１中ＹＤ相同。Ｐｉ表示單一氣象因子（Ｘｉ）對紋枯病發生發展的適宜等級，不同的氣象因子分級方法不同。將上述各氣象因子（Ｘｉ）在適宜范圍內劃分為４個區間，區間值以δｉ表示：

１）日平均氣溫分級。統計結果表明，氣溫對紋枯病的影響呈二次曲線關系。根據日平均氣溫對紋枯病發生發展的影響程度，將其劃分為４個區間。當日平均氣溫在適宜范圍（２０～３２ ℃）內的平均值（２６ ℃）左右，存在一個最適范圍，對紋枯病發生最為有利，定義為５級；當氣溫下降或升高，紋枯病的發生逐漸減輕，依次定義為４級、３級和２級；當日平均氣溫≤２０ ℃或≥３２ ℃，不利于紋枯病發生，定義為１級。由于氣溫在適宜范圍（２０～３２ ℃）劃分為４個區間，因此δＴ＝３，Ｔ＝２６（氣溫2０～３２ ℃的平均值）。日平均氣溫（Ｔ）的分級（ＰＴ）按式（３）處理：

（3）

２）日平均相對濕度分級。在其他氣象因子一定時，相對濕度越大，對水稻紋枯病發生影響越大，越有利于紋枯病的發生。按式（２）將日平均相對濕度（８０％～１００％）劃分為４個區間，δＲＨ＝５％。日平均相對濕度（ＲＨ）的分級（ＰＲＨ）按式（４）處理：

ＰＲＨ＝５ ８０％＋３δＲＨ≤ＲＨ≤１００％

４ ８０％＋２δＲＨ≤ＲＨ＜８０％＋３δＲＨ

３ ８０％＋δＲＨ≤ＲＨ＜８０％＋２δＲＨ

２ ８０％≤ＲＨ＜８０％＋δＲＨ

１ ＲＨ＜８０％ （4）

３）日雨量的分級。降水因子對水稻紋枯病發生發展的影響規律與相對濕度相似，雨量越大，對紋枯病發生發展越有利。較強降水發生時，容易對水稻產生沖刷造成機械創傷，更加重紋枯病發生程度。參照文獻［５，１４］和從植保方面分析，將日雨量（Ｒ）的分級（ＰＲ）按式（５）處理：

ＰＲ＝５ Ｒ≥５０ ｍｍ

４ ３９ ｍｍ≤Ｒ＜５０ ｍｍ

３ ２５ ｍｍ≤Ｒ＜３９ ｍｍ

２ ５ ｍｍ≤Ｒ＜２５ ｍｍ

１ Ｒ＜５ ｍｍ （5）

４）日照時數分級。與空氣相對濕度對水稻紋枯病影響相反，日照時數對其發生等級的影響為負效應，即在其他氣象因子一定時，日照時數越少對水稻紋枯病發生發展越有利。按式（２），將日照時數（０～４．５ ｈ）劃分為４個區間，δＳ＝１．１２５ ｈ。日照時數（Ｓ）分級（ＰＳ）按式（６）處理：

ＰS＝５ ０≤Ｓ＜δＳ

４ δＳ≤Ｓ＜２δＳ

３ ２δＳ≤Ｓ＜３δＳ

２ ３δＳ≤Ｓ＜４δＳ

１ Ｓ≥４δＳ （6）

根據式（３）－（６），得到平均氣溫、降雨量、相對濕度和日照時數的分級（表２）。

1．２．３ 氣象因子權重Ｃｉ確定方法 水稻紋枯病從水稻秧苗期至穗期均可發生，以抽穗前后盛發，發病越嚴重，發生面積越大。將某年水稻紋枯病實際發生面積與當年水稻種植面積的比值定義為水稻紋枯病面積指數，表示該年份紋枯病實際發生程度。據此，建立荊州市１９７９～２００７年水稻紋枯病面積指數序列，用氣象資料分別建立荊州市１９７９～２００７年逐年５～８月平均氣溫、平均相對濕度、平均日照時數、平均雨量序列，采用通徑分析方法［１６－１７］，計算各氣象因子對紋枯病實際發生等級的直接通徑系數和間接通徑系數，進而確定各氣象因子的影響權重。

荊州市１９７９～２００７年水稻紋枯病面積指數序列（ｙｊ）和氣象因子序列（Ｘｉｊ）為：

ｙｊ＝（ｙ１，ｙ２，…，ｙｎ） （７）

Ｘｉｊ＝x11，x12，…，x1nx21，x22，…，x2nx31，x32，…，x3nx41，x42，…，x4n （８）

其中ｉ＝１，２，３，４，分別表示５～８月的平均氣溫、平均雨量、平均相對濕度、平均日照時數；ｊ＝１，２，…，ｎ，ｎ＝２９，表示從１９７９～２００７年。

直接通徑系數是某氣象因子對紋枯病發生程度的直接影響系數，因子Ｘｉ對紋枯病面積指數ｙｊ的直接通徑系數：

Ｅｘｉ → ｙｉ＝ｂｉ （９）

間接通徑系數是該因子通過其他因子對紋枯病等級的影響系數。因子xｉ通過因子xｉ＋１對紋枯病發生等級的間接通徑系數為：

Ｅ ＝ｒｉ（ｉ＋１）Ｅｘ Ｙ （１０）

反過來，因子xｉ＋１通過因子xｉ對紋枯病發生等級的間接通徑系數為：

Ｅ ＝ｒｉ（ｉ＋１）Ｅｘ Ｙ （１１）

式（９）－（１１）中，ｂｉ為偏回歸系數，ｒｉ（ｉ＋１）為ｉ因子與ｉ＋１因子的單相關系數。

根據上述得到的各因子的直接通徑系數，便可求得各因子對紋枯病發生的影響權重（Cｉ，ｉ＝１，２，３…ｎ），其計算方法如下：

Cｉ＝ （１２）

由式（１２），可計算出影響水稻紋枯病的氣溫、雨量、相對濕度、日照時數權重系數分別為０．２８２、０．１９０、０．３６１、０．１５６。

由式（１）和表２以及上述權重系數就可建立基于逐日氣象要素的水稻紋枯病發生發展氣象等級模型，只要代入水稻紋枯病發生期（５～８月）任一日平均氣溫、雨量、平均相對濕度、日照時數，就能計算出該日水稻紋枯病發生的氣象等級。

2 模型應用檢驗

１）用于對過去一段時間水稻紋枯病氣象等級監測。將過去一段時間（１周或１旬）逐日氣象要素實況值代入模型，計算出逐日紋枯病發生氣象等級，進行過去一段時間氣象條件對紋枯病發生發展的影響評價。

２）用于對未來一段時間水稻紋枯病氣象等級預報。將未來（３～５ ｄ或１周）逐日氣象要素預報值代入模型，預報未來幾天氣象條件對紋枯病發生的適宜程度。

監測或預報１周紋枯病氣象等級時，先計算１周內逐日紋枯病發生發展氣象等級，選取其中最大的３ ｄ取平均值，表示該周紋枯病氣象等級；監測或預報１旬紋枯病氣象等級時，選取最大的４ ｄ取平均值，表示該旬紋枯病氣象等級。

用湖北省荊州市２００８年５～８月逐周水稻紋枯病實際發生等級，對模型進行驗證（表３）。對比實際發生等級和預報氣象等級，兩者相符合的有１１次，錯誤有６次，吻合率為６5％。

從表３可以看出，在６次錯誤預報中，相差１個等級的有５次，相差２個等級的有１次。６月中旬前預報氣象等級多大于實際等級，６月中旬后預報氣象等級多小于實際等級，７月２日～８月１３日預報錯誤次數較前期明顯增加。主要是因為隨著紋枯病發展，發病面積、帶菌量達到一定規模時，紋枯病防治難度增大，在相同氣象條件下，后期較前期更容易發生蔓延，因此６月中旬后預報等級小于實際等級，７月２日后預報錯誤次數增加。因此此模型比較適用于春末到夏初紋枯病發生發展氣象等級預報。

３ 小結與討論

３．１ 主要結論

１）提出了水稻紋枯病綜合氣象等級預報模型ＹＤ＝ Ｃｉ×Ｐｉ；采用最優分析法，給出每個氣象因子分級標準，得出每個因子在不同量值上對應的氣象等級值Ｐｉ；采用通徑分析法，確定每個氣象因子對紋枯病影響權重Ｃｉ。

２）經檢驗，預報氣象等級與病害實際發生等級吻合率為６5％，方法簡單可行，易于推廣。此模型比較適用于春末到夏初紋枯病發生發展氣象等級預報，７月后預報準確率下降。

３．２ 存在問題

１）氣象等級與實際發生等級不完全一致。紋枯病氣象等級是表示氣象因子對紋枯病發生發展的適宜程度，實際發生等級和氣象等級并不完全對應，除了受氣象條件影響外，還取決于植株抗病能力、紋枯病病原數量、防治情況和管理水平。紋枯病發生越嚴重，病菌量越大，蔓延速度越快，氣象等級預報越容易小于實際發生等級，因氣象等級預報沒有考慮病原數量。

２）在建立的紋枯病氣象等級模型中，氣溫對紋枯病的影響為二次曲線，雨量、日照、空氣相對濕度對紋枯病的影響考慮為線性關系。實際上，氣象因子與紋枯病發生程度之間的關系復雜，但目前缺乏足夠的試驗數據，預報模型有待在以后工作中完善。

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