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部分作物病蟲害遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)研究意義及現(xiàn)狀

第1章緒論

1.1研究意義

農(nóng)作物病蟲害一直以來是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)造成較大的影響。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)估計(jì)，世界糧食產(chǎn)量常年因蟲害損失10%，因病害損失14%左右。我國作為一個(gè)地形復(fù)雜、氣候和種植結(jié)構(gòu)多樣的大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到多種重大流行性病害和遷飛性蟲害的影響。特別是近年來，在全球氣候變暖大背景下，伴隨著各類災(zāi)害和異常天氣的頻繁出現(xiàn)，作物病蟲害的分布范圍和流行程度有明顯擴(kuò)大和增強(qiáng)趨勢(shì)，這給病蟲害的預(yù)警和防控工作提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。Piao 等(2010)分析了中國1971~2007年的作物病蟲害發(fā)生面積及對(duì)應(yīng)的農(nóng)藥施用量，發(fā)現(xiàn)病蟲害發(fā)生面積在1971~2007年呈明顯的增加趨勢(shì)，從1971年的約1億ha增加到2007年的約3.45億ha，其中，1986~2007年增加速率較1971~1985年更快。同時(shí)，農(nóng)藥施用量也明顯增加，從1971年的約60萬t增加到了2007年的約130萬t(圖1-1)。另外，全國農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2013年，我國全年生物性災(zāi)害發(fā)生面積達(dá)到73億畝次1畝≈666.7m2。，其中，病蟲害發(fā)生面積高達(dá)55.5億畝，遠(yuǎn)超過鼠害(4.4億畝)和草害(13.5億畝)的發(fā)生面積，成為嚴(yán)重的農(nóng)作物生物性災(zāi)害。

圖1-11971~2007年作物病蟲害發(fā)生面積及農(nóng)藥使用量在作物病蟲害發(fā)生日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，對(duì)病蟲害進(jìn)行大范圍、快速、高精度的監(jiān)測(cè)和預(yù)警是有效防控的關(guān)鍵。目前作物病蟲害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警主要還是依賴植物保護(hù)人員的田間調(diào)查、取樣等方式。這些傳統(tǒng)方法雖然真實(shí)性和性較高，但耗時(shí)、費(fèi)力，且存在代表性、時(shí)效性差和主觀性強(qiáng)等弊端，已難適應(yīng)目前大范圍病蟲害實(shí)時(shí)高效的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我國2013~2015年的"中央一號(hào)文件"均強(qiáng)調(diào)推進(jìn)農(nóng)作物病蟲害專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治，加強(qiáng)重大病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警與聯(lián)防聯(lián)控能力建設(shè)，支持開展病蟲害綠色防控，建立農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展長效機(jī)制的政策導(dǎo)向，這也從國家層面更清晰地提出了關(guān)于農(nóng)業(yè)病蟲害防控問題的需求和解決思路。

在大范圍病蟲害監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方面，遙感技術(shù)是目前能夠在大范圍內(nèi)快速獲取空間連續(xù)地表信息的手段，成為一種農(nóng)情獲取和解析方面不可替代的技術(shù)。近年來，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)在農(nóng)作物估產(chǎn)、品質(zhì)預(yù)報(bào)和農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面有著不同程度的研究和應(yīng)用。隨著遙感傳感器和遙感平臺(tái)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)遙感的諸多研究成果正加快向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的速度，在一定程度上改變了傳統(tǒng)的作業(yè)和管理模式，并推動(dòng)農(nóng)業(yè)朝品質(zhì)、高效、生態(tài)、安全和現(xiàn)代化、信息化的方向發(fā)展。遙感技術(shù)在植物保護(hù)方面的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，農(nóng)業(yè)病蟲害遙感是針對(duì)特定病蟲害的特點(diǎn)通過選擇合適的數(shù)據(jù)，融合遙感、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)據(jù)挖掘等多學(xué)科方法，進(jìn)行病蟲害發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律分析、模型構(gòu)建、制圖和展示。總體而言，由于病蟲害種類、特點(diǎn)的復(fù)雜性和發(fā)生發(fā)展的高度動(dòng)態(tài)性，使這一領(lǐng)域集中了較多的研究，并在理論和方法上形成較鮮明的特點(diǎn)。因此，有必要對(duì)作物病蟲害遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)研究的方法進(jìn)行系統(tǒng)性梳理和歸納，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供參考和借鑒。這方面的探索將有利于減少殺蟲劑和殺菌劑的使用量，減輕糧食因?yàn)椴∠x害造成的損失，保障農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和后續(xù)農(nóng)產(chǎn)品的安全性，同時(shí)，對(duì)保障我國糧食安全和廣大農(nóng)民增產(chǎn)增收將產(chǎn)生重要而深遠(yuǎn)的影響。

1.2作物主要病蟲害危害與特點(diǎn)

作物病蟲害是我國主要農(nóng)業(yè)災(zāi)害類型之一，具有種類多、影響大且時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)的特點(diǎn)，其發(fā)生范圍和嚴(yán)重程度對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了重大損失。病蟲害的流行嚴(yán)重影響了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，亟需對(duì)這些病蟲害的發(fā)生、發(fā)展加以控制，以保障糧食安全生產(chǎn)。遙感技術(shù)目前在作物病蟲害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用范圍已涵蓋了多種不同的作物和病害類型，包括小麥條銹病、小麥葉銹病、小麥白粉病、小麥蚜蟲、棉花黃萎病、棉花根腐病、棉花棉蚜蟲、水稻胡麻葉斑病、水稻稻瘟病、水稻干尖線蟲病、水稻稻縱卷葉螟、水稻稻飛虱、西紅柿早疫病、西紅柿晚疫病、蠶豆細(xì)菌疫病、蠶豆赤斑病、花生銹病、大豆黃萎病、大豆菌核病、甜菜蛇眼病、甘蔗橘銹病、芹菜核菌病及玉米蚜蟲等。本書主要以小麥、玉米和棉花等作物的主要病蟲害類型為例，包括小麥條銹病、小麥白粉病、小麥蚜蟲，水稻胡麻葉斑病、水稻稻縱卷葉螟，棉花黃萎病，以及玉米黏蟲等作物主要病蟲害類型，探討如何利用遙感技術(shù)開展病蟲害監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)研究。首先，介紹上述病蟲害的主要危害與發(fā)病特征。

1.2.1小麥條銹病危害與特點(diǎn)

小麥條銹病是小麥銹病的一種，是大區(qū)流行性病害。從環(huán)境偏好上看，該病屬于低溫、高濕、強(qiáng)光型真菌性病害，孢子通過空氣傳播，具有發(fā)病廣、流行性強(qiáng)、發(fā)病概率高的特點(diǎn)，是我國乃至全世界發(fā)生廣、危害的病害之一。小麥?zhǔn)芎螅蓪?dǎo)致葉片早枯，成穗數(shù)降低，千粒重下降，一般可減產(chǎn)5%~10%，重病田減產(chǎn)達(dá)20%以上。我國境內(nèi)在河北、河南、陜西、山東、山西、甘肅、四川、湖北、云南、青海、新疆等地均有暴發(fā)記錄，對(duì)小麥生產(chǎn)造成了極大的損失。1950年、1964年、1990年、2002年全國4次大流行小麥條銹病，分別造成了約60億kg、30億kg、26億kg、10億kg的產(chǎn)量損失。近年來，隨著新的生理小種和其他致病類型的出現(xiàn)和發(fā)展，小麥條銹病危害一直呈加劇態(tài)勢(shì)。

小麥條銹病病原屬擔(dān)子菌亞門真菌。菌絲絲狀，有分隔，生長在寄主細(xì)胞間隙中，用吸器吸取小麥細(xì)胞內(nèi)養(yǎng)料，在病部產(chǎn)生孢子堆。小麥條銹病的典型癥狀主要發(fā)生在葉片上，其次是葉鞘和莖稈，穗部、穎殼及芒上。苗期染病，幼苗葉片上產(chǎn)生多層輪狀排列的鮮黃色夏孢子堆。成株葉片初發(fā)病時(shí)夏孢子堆為小長條狀，鮮黃色，橢圓形，與葉脈平行，且排列成行，呈虛線狀，后期表皮破裂，出現(xiàn)銹被色粉狀物；小麥近成熟時(shí)，葉鞘上出現(xiàn)圓形至卵圓形黑褐色夏孢子堆，散出鮮黃色粉末，即夏孢子。病菌靠分生孢子或子囊孢子借氣流傳播到感病小麥葉片上，若溫濕度條件適宜，病菌萌發(fā)長出芽管，芽管前端膨大形成附著胞和侵入線，穿透葉片角質(zhì)層，侵入表皮細(xì)胞，形成初生吸器，并向寄主體外長出菌絲，后在菌絲叢中產(chǎn)生分生孢子梗和分生孢子，成熟后脫落，隨氣流傳播蔓延，進(jìn)行多次再侵染。病菌在發(fā)育后期進(jìn)行有性繁殖，在菌叢上形成閉囊殼。

1.2.2小麥白粉病危害與特點(diǎn)

小麥白粉病在小麥各生育期均可發(fā)生，是一種為害較重的病害，在我國山東沿海、四川、貴州、云南普遍發(fā)生。近年來該病在東北、華北、西北麥區(qū)，亦有日趨嚴(yán)重之勢(shì)。小麥?zhǔn)芎螅蓪?dǎo)致葉片早枯，成穗數(shù)降低，千粒重下降，一般可減產(chǎn)5%~10%，重病田達(dá)20%以上。

小麥白粉病病原屬子囊菌亞門真菌。菌絲體表寄生，蔓延于寄主表面在寄主表皮細(xì)胞內(nèi)形成吸器吸收寄主營養(yǎng)。在與菌絲垂直的分生孢子梗端，串生10~20個(gè)分生孢子，橢圓形，單胞無色，侵染力持續(xù)3~4天。

病菌靠分生孢子或子囊孢子借氣流傳播到染病小麥葉片上，其后的侵染過程和小麥條銹病類似。病菌越冬方式有兩種：一是以分生孢子形態(tài)越冬；二是以菌線體潛伏在寄主組織內(nèi)越冬。越冬病菌先侵染底部葉片呈水平方向擴(kuò)展，后向中上部葉片發(fā)展，發(fā)病早期發(fā)病中心明顯。冬麥區(qū)春季發(fā)病菌源主要來自當(dāng)?shù)亍４蝴渽^(qū)，除來自當(dāng)?shù)鼐赐猓€來自鄰近發(fā)病早的地區(qū)。當(dāng)植株生長衰弱，施肥管理不當(dāng)時(shí)亦容易加重病情。

1.2.3小麥蚜蟲危害與特點(diǎn)

小麥蚜蟲又叫膩蟲，其分布極廣，幾乎遍及世界各產(chǎn)麥國。在我國為害小麥的蚜蟲有多種，通常包括：麥長管蚜、麥二叉蚜、黍縊管蚜、無網(wǎng)長管蚜。嚴(yán)重危害我國小麥的蚜蟲主要有三種，包括：禾溢管蚜、麥長管蚜和麥二叉蚜，但常年以麥長管蚜和麥二叉蚜發(fā)生數(shù)量多，為害重。一般麥長管蚜無論南北方密度均相當(dāng)大，但偏北方發(fā)生更重。

小麥麥蚜危害主要包括直接為害和間接為害兩個(gè)方面。直接為害主要以成、若蚜吸食幼嫩或開始衰老的葉片、莖稈、嫩頭和嫩穗的汁液，危害小麥正常發(fā)育，苗期受害嚴(yán)重時(shí)小麥會(huì)生長停滯，分蘗減小，危害的同時(shí)蚜蟲會(huì)排出蜜露，附著在葉表面，常使葉面生霉變黑，嚴(yán)重地影響小麥葉片的光合作用，終造成小麥減產(chǎn)。麥長管蚜多在植物上部葉片正面為害，抽穗灌漿后，迅速增殖，集中在穗部為害。間接為害是指麥蚜能在為害的同時(shí)，傳播小麥病毒病，其中以傳播小麥黃矮病為害。前期危害可造成麥苗發(fā)黃，影響生長，后期危害葉片發(fā)生卷曲，植株發(fā)油發(fā)黑，千粒重降低，嚴(yán)重時(shí)麥穗枯白，不能結(jié)實(shí)，甚至整株枯死，嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量。

小麥蚜蟲的生活習(xí)性因種類而異。麥長管蚜喜光耐濕，喜中溫不耐高溫，適濕范圍為相對(duì)濕度40%~80%，適溫范圍為16~25℃。天氣干旱時(shí)，蚜蟲發(fā)生量一般較大。因?yàn)闈穸鹊蜁r(shí)，植物中的含水量相對(duì)較少，而營養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)較多，有利于其生長發(fā)育。因此，干旱期間降雨對(duì)麥長管蚜的繁殖無不利影響，雨后蚜量突增而形成災(zāi)害。但過于干旱會(huì)使得植物過分缺水，會(huì)增加汁液黏滯性，降低細(xì)胞膨壓，造成蚜蟲取食困難，影響其生長發(fā)育。相反，如果夏季多雨，植物含水量過多，酸度就會(huì)增大，從而引起消化不良，造成蚜蟲蚜量死亡。持續(xù)2~3天的中雨對(duì)麥蚜發(fā)生也有明顯的抑制作用，尤其是抽穗期遇到中雨，對(duì)翅蚜在麥穗上生活、繁殖都不利，蚜害偏輕。因此，降雨通過對(duì)大氣濕度的影響而間接影響蚜量消長，特別是大雨對(duì)麥長管蚜的發(fā)生不利，暴風(fēng)雨的機(jī)械沖擊常使蚜量明顯下降。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)一小時(shí)降雨達(dá)到30mm，伴隨大風(fēng)時(shí)，蚜量的下降率達(dá)80%。

1.2.4棉花黃萎病危害與特點(diǎn)

棉花黃萎病是一種危害棉株維管束的土傳病害，其致病菌為大麗輪枝菌，屬半知菌亞門淡色菌科淡色孢科輪枝菌屬。關(guān)于棉花黃萎病病菌的致病機(jī)理目前主要有機(jī)械障礙和毒素作用兩種觀點(diǎn)，大麗輪枝菌侵入棉花根表面后，菌絲體穿透皮層、內(nèi)皮層到達(dá)木質(zhì)部，在木質(zhì)部病原菌不斷產(chǎn)生分生孢子，并刺激鄰近薄壁細(xì)胞產(chǎn)生膠狀物質(zhì)、侵填體從而堵塞導(dǎo)管，使水分和養(yǎng)分運(yùn)輸發(fā)生困難，同時(shí)借助蒸騰作用侵染植物的地上部分。被侵染的棉株表現(xiàn)出葉片萎蔫、褪綠等癥狀，終植株死亡，這被稱為機(jī)械障礙；毒素作用是指病原菌產(chǎn)生的毒素能破壞感病棉花品種的葉片和根組織細(xì)胞膜，改變細(xì)胞膜透性，使細(xì)胞內(nèi)鉀離子大量滲漏而減少，導(dǎo)致棉株萎蔫。

黃萎病在棉花整個(gè)生育期均可發(fā)病。自然條件下幼苗發(fā)病少或很少出現(xiàn)癥狀。一般在3~5片真葉期開始顯癥，生長中后期棉花現(xiàn)蕾后田間大量發(fā)病，初在植株下部葉片上的葉緣和葉脈間出現(xiàn)淺黃色斑塊，后逐漸擴(kuò)展，葉色失綠變淺，主脈及其四周仍保持綠色，病葉出現(xiàn)掌狀斑駁，葉肉變厚，葉緣向下卷曲，葉片由下而上逐漸脫落，僅剩頂部少數(shù)小葉，蕾鈴稀少，棉鈴提前開裂，后期病株基部生出細(xì)小新枝。縱剖病莖，木質(zhì)部上產(chǎn)生淺褐色變色條紋。夏季暴雨后出現(xiàn)急性型萎蔫癥狀，棉株突然萎垂，葉片大量脫落，發(fā)病嚴(yán)重地塊慘不忍睹，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。由于病菌致病力強(qiáng)弱不同，癥狀表現(xiàn)亦不同。主要可分為落葉型、枯斑型和黃斑型。落葉型菌系致病力強(qiáng)，病株葉片葉脈間或葉緣處突然出現(xiàn)褪綠萎蔫狀，病葉由淺黃色迅速變?yōu)辄S褐色，病株主莖頂梢側(cè)枝變褐枯死，病鈴、苞葉變褐干枯，蕾、花、鈴大量脫落，僅經(jīng)10天左右病株成為光稈，縱剖病莖維管束變成黃褐色，嚴(yán)重的延續(xù)到植株頂部。枯斑型棉花葉片癥狀為局部枯斑或掌狀枯斑，枯死后脫落，為中等致病力菌系所致。黃斑型病菌致病力較弱，葉片出現(xiàn)黃色斑塊，后擴(kuò)展為掌狀黃條斑，葉片不脫落。在久旱高溫之后，遇暴雨或大水漫灌，葉部尚未出現(xiàn)癥狀，植株就突然萎蔫，葉片迅速脫落，棉株成為光稈，剖開病莖可見維管束變成淡褐色，這是黃萎病的急性型癥狀。

棉花病株各部位的組織均可帶菌，葉柄、葉脈、葉肉帶菌率分別為20%、13.3%、6.6%，病葉作為病殘?bào)w存在于土壤中是該病傳播重要菌源。棉籽帶菌率很低，卻是遠(yuǎn)距離傳播重要途徑。病菌在土壤中直接侵染根系，病菌穿過皮層細(xì)胞進(jìn)入導(dǎo)管并在其中繁殖，產(chǎn)生的分生孢子及菌絲體堵塞導(dǎo)管，此外病菌產(chǎn)生的輪枝毒素也是致病重要因子，毒素是一種酸性糖蛋白，具有很強(qiáng)的致萎作用。此外，流水和農(nóng)業(yè)操作也會(huì)造成病害蔓延。黃萎病適宜發(fā)病溫度為25~28℃，高于30℃、低于22℃發(fā)