滁州市小麥赤霉病與氣象因子的灰色關聯分析

郁凌華，陳曦，張鑫童，邢程，夏夢瑾，繆新偉，岳偉

（1.安徽省滁州市氣象局，安徽 滁州 239000；2.安徽省農業氣象中心，合肥 230031；3.安徽省滁州市農業農村技術推廣中心，安徽 滁州 239000）

赤霉病是小麥生產過程中較為嚴重的一種病害，具有暴發性強、抗病育種難度大、防治適期時效性強、危害損失重等特點［1］。赤霉病從苗期到灌漿期均可造成小麥受害，主要引起苗腐、莖基腐、稈腐和穗腐，其中以穗腐危害最為嚴重［2］，不僅會造成小麥嚴重減產，還會影響小麥品質和引起人畜中毒［3］。2000年以來，中國小麥赤霉病的流行頻率和發病面積呈不斷增加和擴大的趨勢［4］，其中2003、2010、2012年為江淮地區小麥赤霉病大流行年份［5-7］。如2003年赤霉病在安徽省嚴重流行，發病面積達100萬hm2，損失產量達6億kg［5］。

小麥赤霉病是一種典型的“氣候型”病害，其發生除受菌源數量、植株抗性、寄主生育時期、輪作制度等因素影響外，病菌生長、發育、繁殖、侵染和流行均與氣象要素密切相關［8，9］。關于赤霉病的研究多集中在發生規律［10，11］、預測預報［9，12］、防治技術［13，14］等方面，其中探討促使病害發展的影響因子是學者們研究的重點。研究表明，赤霉病的發生與抽穗揚花期氣象條件密切相關，年際間的波動取決于該時期氣象條件的變化情況［8，15］。徐敏等［16］研究表明拔節期日照、降雨量、濕度和雨日數以及越冬期氣溫和降雪對赤霉病均具有前期影響。張潔等［17］指出，揚花期至灌漿期的濕度、降雨量和溫度對赤霉病發病程度有決定性作用。因此，小麥各生育期的氣象條件對赤霉病的發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趨勢［18］。前人的研究雖然基本上確定了小麥赤霉病發生關鍵時段和主要氣象因子，但由于區域間氣候和種植制度的差異，關鍵期及主要氣象因子的標準很難用統一的指標來衡量［12］。在氣候變暖背景下，加強適合本地生產現狀的氣象影響指標研究將進一步提高對赤霉病防治的針對性。此外，前人的研究大多只考慮小麥抽穗揚花期的氣象條件，抽穗前發育期及灌漿期考慮較少，這可能導致分析結果與實際情況出現差異。在前人研究基礎上，本研究依據小麥赤霉病菌的循環規律，采用相關分析和灰色關聯分析，明確小麥越冬期到灌漿期各分時段內影響赤霉菌的關鍵氣象影響因子，找到影響當地小麥赤霉病的關鍵發育期，為后續建立當地小麥赤霉病預測模型打下基礎，也為政府和農業部門宏觀防控決策提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 數據資料

研究區域包括滁州市轄南譙區以及來安縣、全椒縣、天長市、定遠縣、鳳陽縣、明光市共7個站點（圖1）。小麥赤霉病資料來源于滁州市農業農村局，主要包括7個站點2005—2020年的小麥赤霉病病穗率和病情指數；對應氣象資料來源于滁州市氣象局，主要包括7個站點2004—2020年逐日平均氣溫（℃）、日照時數（h）、相對濕度（%）、平均風速（m/s）、降雨量（mm）等。

圖1 滁州市氣象站點分布

1.2 小麥赤霉病發生程度分級指標

根據安徽省地方標準《小麥赤霉病測報調查規范》［19］，將赤霉病發生程度劃分為5個等級，即病穗率≤3%為1級，對應赤霉病輕發生；3%＜病穗率≤10%為2級，對應赤霉病偏輕發生；10%＜病穗率≤20%為3級，對應赤霉病中等發生；20%＜病穗率≤30%為4級，對應赤霉病偏重發生；病穗率＞30%為5級，對應赤霉病大流行。

1.3 研究方法

1.3.1 皮爾遜相關系數（Pearson）皮爾遜相關系數［20］是描述2個隨機變量線性相關的統計量。

假設有2個數組X、Y，X=｛x1，x2，x3，…，xn｝，Y=｛y1，y2，y3，…，yn｝，這2個數組的相關系數（r）計算公式如下。

相關系數的取值為-1.0?1.0。當r＞0時，表明兩變量呈正相關；當r＜0時，表明兩變量呈負相關。相關系數的絕對值越接近1，相關性越顯著；當r=0時，2個變量相互獨立。

1.3.2 灰色關聯分析灰色關聯分析［21］是灰色系統理論中的一種重要分析方法，它可彌補傳統數理統計方法中系統分析所導致的缺陷。其不受樣本量多少和有無規律的限制，且該方法計算量小，由灰色關聯分析得到的關聯度，可以量化系統特征行為序列與各相關因素行為序列的關聯程度大小。一般情況下，當2個要素的關聯度≤0.3時，表示2個要素屬于低關聯；當關聯度在（0.3，0.6］時，表示2個要素之間耦合作用中等；當關聯度在（0.6，0.8］時，表示2個要素之間耦合作用較強；當關聯度＞0.8時，表示2個要素之間耦合作用極強。具體計算步驟如下。

1）確定母序列和因素序列。設母序列為x0（t），

共有m個數據，即1，2，…，m；特征序列為xi（t），有n個子序列，即

2）數據標準化處理。因數據間量綱和大小的差異，需要對原始數據進行變換。本研究采用均值化方法對數據進行標準化處理，即先分別求出各序列的平均值和標準差，再將原始數據減去平均值后除以標準差，得到的新序列即為標準化序列。

3）求關聯系數和關聯度。

①關聯系數計算公式如下。

②關聯度計算公式如下。

式中，ri為母序列與因子序列的關聯度；為母序列與因子序列的關聯系數；n為比較序列的數據個數，i=1，2，…，n。

2 結果與分析

2.1 滁州市小麥赤霉病發生概況與趨勢分析

滁州市小麥種植面積總體呈北多南少的分布趨勢，北部沿淮麥區種植品種主要以煙農、淮麥、洛麥、濟麥等半冬性品種為主，大部分為小麥赤霉病高感品種；南部麥區以揚麥、寧麥、鎮麥等春性品種為主，對赤霉病的抗性表現為中感至中抗。近年來，隨著秸稈還田數量的增加，田間環境菌源總量增加，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，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年小麥赤霉病大發生年，平均病穗率達35%，平均病情指數為15.7，是近年來發病最嚴重的一年。2018年也是小麥赤霉病大發生年，自然條件下小麥赤霉病病穗率達24.3%（圖2），但因各級政府和農業部門高度重視，提前做好防治前各項準備工作，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

2.2 滁州市小麥赤霉病與氣象因子的相關性分析

小麥不同生育期的氣象條件對赤霉病均可產生影響。在前人研究［22］基礎上，結合滁州市農業生產實際［23］，將小麥赤霉病氣象影響時段擴展為4個階段。第一個階段為越冬期（上年12月至當年2月），第二階段為拔節期至孕穗期（3月上旬至4月上旬），第三階段為抽穗揚花期（4月中、下旬），第四個時段為灌漿期（5月上旬、中旬）。越冬期、拔節期至孕穗期氣象條件對小麥赤霉病發生與否有重要前期效應，抽穗揚花期是赤霉病菌侵染的關鍵期，灌漿期則是小麥赤霉病顯癥的關鍵期。赤霉病菌的存活、生長、繁衍、侵害、流行始終伴隨著小麥生長期的多個過程。

為確定對赤霉病有重要影響的氣象因子，初步選出各階段對赤霉病有影響且符合生物學意義的氣象因子較為關鍵，主要依據已有研究結果進行初步篩選。抽穗期至灌漿期是赤霉病菌侵染、發病的關鍵期，主要影響因子是溫度、濕度、降水、光照和風［12］。拔節期至孕穗期、越冬期對赤霉病具有前期影響，其中拔節期至孕穗期影響赤霉病菌的主要氣象因子是氣溫、降水、濕度和光照［24，25］；越冬期影響赤霉病菌的主要氣象因子是氣溫［26］。不同發育期的氣象要素如表1所示。

表1 小麥不同發育期影響赤霉病的主要氣象因子

將表1中的氣象因子按發育時段進行統計，利用Pearson相關系數法分析各發育階段氣象因子與小麥赤霉病發生等級的相關性。各發育期氣象因子與赤霉病發生程度的相關系數見表2。由表2可知，在越冬期，平均氣溫與南譙區、來安縣、全椒縣各縣（市、區）小麥赤霉病發生等級呈顯著負相關，最高氣溫與來安縣、全椒縣、天長市各縣（市、區）小麥赤霉病發生等級呈顯著負相關，最低氣溫與南譙區小麥赤霉病發生等級呈顯著負相關。在拔節期至孕穗期，各縣（市、區）的平均氣溫與小麥赤霉病發生程度的相關性不顯著；降雨量、雨日數與赤霉病發生等級呈正相關，部分地區相關性顯著；相對濕度與赤霉病相關性略差，只有南譙區、明光市達到顯著正相關；日照時數與赤霉病發生等級呈負相關，其中定遠縣、明光市相關性顯著。在抽穗揚花期，除平均氣溫、降雨量外，雨日數、相對濕度、日照時數、平均風速與赤霉病均有一定相關性，部分站點達顯著性水平；雨日數、相對濕度與赤霉病發生程度呈正相關，南譙區的相關性顯著；日照時數與赤霉病呈負相關，其中全椒縣達顯著性水平；大部分站點平均風速與赤霉病發生程度呈正相關，其中明光市呈顯著正相關，而定遠縣、鳳陽縣的平均風速與赤霉病發生程度呈負相關。在灌漿期，各氣象因子與赤霉病的相關性明顯高于其余各發育期，明光市的平均氣溫與赤霉病呈顯著負相關；全市各縣（市、區）降雨量、雨日數、相對濕度與赤霉病呈正相關，其中雨日數相關性顯著，明光市相對濕度與赤霉病呈極顯著正相關；各站日照時數與赤霉病呈負相關，其中鳳陽縣、明光市達極顯著水平；平均風速與赤霉病發生程度的相關性除明光市為顯著正相關外，其余各縣（市、區）相關性均不大。

表2 小麥赤霉病發生等級與各發育期氣象因子的相關系數

2.3 氣象要素對小麥赤霉病影響程度的灰色關聯分析

綜合考慮滁州市全市小麥赤霉病氣象影響因子，根據表2分析結果，將相關性顯著的拔節期至孕穗期降雨量（A1）、雨日數（A2）、相對濕度（A3）、日照時數（A4），抽穗揚花期雨日數（B1）、相對濕度（B2）、日照時數（B3）、平均風速（B4），灌漿期平均氣溫（C1）、降雨量（C2）、雨日數（C3）、相對濕度（C4）、日照時數（C5）、平均風速（C6）這14個氣象因子選入灰色關聯模型進行赤霉病發生程度與氣象因子的關聯度分析。

將影響指標因子與赤霉病發生等級數據進行標準化處理并代入式（2），得到關聯系數如表3所示。對各縣（市、區）關聯系數求平均值，得到14個氣象指標因子與滁州市小麥赤霉病發生程度間的關聯度（表4）。根據關聯度等級劃分標準，小麥赤霉病發生程度與氣象因子的關聯度均在0.6以上，屬于較高關聯，表明各氣象指標因子對赤霉病發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聯度排序表現為C3＞A1＞C4＞B1＞A2＞B2＞A3＞C6＞B4＞C1＞A4＞B3＞C2＞C5。可 以 看出，灌漿期雨日數是赤霉病最為密切的氣象因素，其次是拔節至孕穗期降雨量和灌漿期相對濕度，排在最后的則為灌漿期日照時數。

表3 滁州市各縣（市、區）小麥赤霉病與氣象因子的灰色關聯系數矩陣

表4 滁州市小麥赤霉病與氣象影響因子間的關聯度

3 小結與討論

本研究基于灰色關聯分析法，利用常規氣象觀測數據與小麥病穗率等相關資料，對滁州市小麥赤霉病發生等級與氣象因子間的相關性及影響情況進行了分析，結論如下。

1）滁州市近16年小麥赤霉病呈增加的趨勢，尤其是近10年，這與當前中國赤霉病發生總體趨勢一致。分析赤霉病高發原因主要有3個［3］：一是氣候變暖。在春季，當氣溫達7℃，土壤含水量達50%時，赤霉病菌形成子囊殼，當氣溫超過12℃時釋放出子囊孢子。因全球變暖趨勢明顯，目前春季的平均氣溫達到了赤霉病病菌子囊殼萌發的氣溫條件。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，播期不統一，播期持續時間長，導致小麥生育期參差不齊，赤霉病關鍵期與高濕高溫天氣重合時間增多，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相關，這與霍治國等［26］研究結論不同。一般認為，冬季高溫易使病菌安全越冬，一定程度上會增加小麥赤霉病風險程度。本研究表明，冬季高溫并不是小麥赤霉病高發的必要條件。除氣溫外，拔節期至孕穗期氣象條件與赤霉病相關性顯著。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，本研究與之結論一致。抽穗揚花期的氣溫、降雨量與赤霉病相關性并不顯著，這與馬延慶等［28］指出的氣溫不是決定病害流行強度變化的主要因素結論一致。灌漿期各氣象因子與赤霉病的相關性明顯高于其余各發育期，且部分站點達顯著水平。灌漿期氣溫與赤霉病呈負相關，這與羅貴東等［29］結論一致。需要指出的是，風的影響較為復雜，一般認為風速加大有利于赤霉病病菌傳播。但風的大小和方向也會影響局部環流，引起溫度和濕度等的改變，風力增大可加快水分蒸發，從而引起田間相對濕度的降低，故而不利于小麥赤霉病發病［30］。

3）經灰色關聯分析，小麥赤霉病發生程度與氣象因子的關聯度數值均在0.6以上，屬于較高關聯，表明各氣象指標因子對赤霉病發生程度具有重要影響。各氣象因子的灰色關聯度排序表現為C3＞A1＞

C4＞B1＞A2＞B2＞A3＞C6＞B4＞C1＞A4＞B3＞C2＞C5。可以看出，灌漿期雨日數是赤霉病最為密切的氣象因素，其次是拔節至孕穗期降雨量，灌漿期相對濕度位列第三，最后為灌漿期日照時數。

以往研究多以抽穗揚花期為主要研究時段，忽略了前期和后期發育時段氣象因子對赤霉病最終發生情況的影響。經關聯分析發現，影響滁州市小麥赤霉病的關鍵發育期除了抽穗揚花期，灌漿期和拔節期至孕穗期的氣象條件也十分重要。下一步將根據本研究結果分別建立各站點小麥赤霉病氣象等級預測模型，為當地農業植保部門赤霉病氣象預測提供依據。