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部分作物病蟲害遙感監測與預測研究意義及現狀

第1章緒論

1.1研究意義

農作物病蟲害一直以來是制約農業生產的重要因素，對作物的產量和品質造成較大的影響。據聯合國糧農組織(FAO)估計，世界糧食產量常年因蟲害損失10%，因病害損失14%左右。我國作為一個地形復雜、氣候和種植結構多樣的大國，農業生產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，伴隨著各類災害和異常天氣的頻繁出現，作物病蟲害的分布范圍和流行程度有明顯擴大和增強趨勢，這給病蟲害的預警和防控工作提出了更加嚴峻的挑戰。Piao 等(2010)分析了中國1971~2007年的作物病蟲害發生面積及對應的農藥施用量，發現病蟲害發生面積在1971~2007年呈明顯的增加趨勢，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，農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，全國農作物病蟲害監測網數據顯示，2013年，我國全年生物性災害發生面積達到73億畝次1畝≈666.7m2。，其中，病蟲害發生面積高達55.5億畝，遠超過鼠害(4.4億畝)和草害(13.5億畝)的發生面積，成為嚴重的農作物生物性災害。

圖1-11971~2007年作物病蟲害發生面積及農藥使用量在作物病蟲害發生日益嚴峻的形勢下，對病蟲害進行大范圍、快速、高精度的監測和預警是有效防控的關鍵。目前作物病蟲害的監測和預警主要還是依賴植物保護人員的田間調查、取樣等方式。這些傳統方法雖然真實性和性較高，但耗時、費力，且存在代表性、時效性差和主觀性強等弊端，已難適應目前大范圍病蟲害實時高效的監測和預報需求。針對這一現狀，我國2013~2015年的"中央一號文件"均強調推進農作物病蟲害專業化統防統治，加強重大病蟲害監測預警與聯防聯控能力建設，支持開展病蟲害綠色防控，建立農業可持續發展長效機制的政策導向，這也從國家層面更清晰地提出了關于農業病蟲害防控問題的需求和解決思路。

在大范圍病蟲害監測和預報方面，遙感技術是目前能夠在大范圍內快速獲取空間連續地表信息的手段，成為一種農情獲取和解析方面不可替代的技術。近年來，農業遙感技術在農作物估產、品質預報和農業災害監測等多個方面有著不同程度的研究和應用。隨著遙感傳感器和遙感平臺的快速發展，農業遙感的諸多研究成果正加快向應用轉化的速度，在一定程度上改變了傳統的作業和管理模式，并推動農業朝品質、高效、生態、安全和現代化、信息化的方向發展。遙感技術在植物保護方面的應用是農業遙感應用領域的一個重要分支，農業病蟲害遙感是針對特定病蟲害的特點通過選擇合適的數據，融合遙感、模式識別、計算機視覺、數據挖掘等多學科方法，進行病蟲害發生和發展的規律分析、模型構建、制圖和展示。總體而言，由于病蟲害種類、特點的復雜性和發生發展的高度動態性，使這一領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。因此，有必要對作物病蟲害遙感監測和預報研究的方法進行系統性梳理和歸納，為進一步研究和應用轉化提供參考和借鑒。這方面的探索將有利于減少殺蟲劑和殺菌劑的使用量，減輕糧食因為病蟲害造成的損失，保障農田生態環境和后續農產品的安全性，同時，對保障我國糧食安全和廣大農民增產增收將產生重要而深遠的影響。

1.2作物主要病蟲害危害與特點

作物病蟲害是我國主要農業災害類型之一，具有種類多、影響大且時常暴發成災的特點，其發生范圍和嚴重程度對我國國民經濟，特別是農業生產造成了重大損失。病蟲害的流行嚴重影響了我國農業生產，亟需對這些病蟲害的發生、發展加以控制，以保障糧食安全生產。遙感技術目前在作物病蟲害監測領域的研究和應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開展病蟲害監測與預測研究。首先，介紹上述病蟲害的主要危害與發病特征。

1.2.1小麥條銹病危害與特點

小麥條銹病是小麥銹病的一種，是大區流行性病害。從環境偏好上看，該病屬于低溫、高濕、強光型真菌性病害，孢子通過空氣傳播，具有發病廣、流行性強、發病概率高的特點，是我國乃至全世界發生廣、危害的病害之一。小麥受害后，可導致葉片早枯，成穗數降低，千粒重下降，一般可減產5%~10%，重病田減產達20%以上。我國境內在河北、河南、陜西、山東、山西、甘肅、四川、湖北、云南、青海、新疆等地均有暴發記錄，對小麥生產造成了極大的損失。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的產量損失。近年來，隨著新的生理小種和其他致病類型的出現和發展，小麥條銹病危害一直呈加劇態勢。

小麥條銹病病原屬擔子菌亞門真菌。菌絲絲狀，有分隔，生長在寄主細胞間隙中，用吸器吸取小麥細胞內養料，在病部產生孢子堆。小麥條銹病的典型癥狀主要發生在葉片上，其次是葉鞘和莖稈，穗部、穎殼及芒上。苗期染病，幼苗葉片上產生多層輪狀排列的鮮黃色夏孢子堆。成株葉片初發病時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，出現銹被色粉狀物；小麥近成熟時，葉鞘上出現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，穿透葉片角質層，侵入表皮細胞，形成初生吸器，并向寄主體外長出菌絲，后在菌絲叢中產生分生孢子梗和分生孢子，成熟后脫落，隨氣流傳播蔓延，進行多次再侵染。病菌在發育后期進行有性繁殖，在菌叢上形成閉囊殼。

1.2.2小麥白粉病危害與特點

小麥白粉病在小麥各生育期均可發生，是一種為害較重的病害，在我國山東沿海、四川、貴州、云南普遍發生。近年來該病在東北、華北、西北麥區，亦有日趨嚴重之勢。小麥受害后，可導致葉片早枯，成穗數降低，千粒重下降，一般可減產5%~10%，重病田達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胞內形成吸器吸收寄主營養。在與菌絲垂直的分生孢子梗端，串生10~20個分生孢子，橢圓形，單胞無色，侵染力持續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越冬；二是以菌線體潛伏在寄主組織內越冬。越冬病菌先侵染底部葉片呈水平方向擴展，后向中上部葉片發展，發病早期發病中心明顯。冬麥區春季發病菌源主要來自當地。春麥區，除來自當地菌源外，還來自鄰近發病早的地區。當植株生長衰弱，施肥管理不當時亦容易加重病情。

1.2.3小麥蚜蟲危害與特點

小麥蚜蟲又叫膩蟲，其分布極廣，幾乎遍及世界各產麥國。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、無網長管蚜。嚴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生數量多，為害重。一般麥長管蚜無論南北方密度均相當大，但偏北方發生更重。

小麥麥蚜危害主要包括直接為害和間接為害兩個方面。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，危害小麥正常發育，苗期受害嚴重時小麥會生長停滯，分蘗減小，危害的同時蚜蟲會排出蜜露，附著在葉表面，常使葉面生霉變黑，嚴重地影響小麥葉片的光合作用，終造成小麥減產。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，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黃，影響生長，后期危害葉片發生卷曲，植株發油發黑，千粒重降低，嚴重時麥穗枯白，不能結實，甚至整株枯死，嚴重影響小麥產量。

小麥蚜蟲的生活習性因種類而異。麥長管蚜喜光耐濕，喜中溫不耐高溫，適濕范圍為相對濕度40%~80%，適溫范圍為16~25℃。天氣干旱時，蚜蟲發生量一般較大。因為濕度低時，植物中的含水量相對較少，而營養物質相對較多，有利于其生長發育。因此，干旱期間降雨對麥長管蚜的繁殖無不利影響，雨后蚜量突增而形成災害。但過于干旱會使得植物過分缺水，會增加汁液黏滯性，降低細胞膨壓，造成蚜蟲取食困難，影響其生長發育。相反，如果夏季多雨，植物含水量過多，酸度就會增大，從而引起消化不良，造成蚜蟲蚜量死亡。持續2~3天的中雨對麥蚜發生也有明顯的抑制作用，尤其是抽穗期遇到中雨，對翅蚜在麥穗上生活、繁殖都不利，蚜害偏輕。因此，降雨通過對大氣濕度的影響而間接影響蚜量消長，特別是大雨對麥長管蚜的發生不利，暴風雨的機械沖擊常使蚜量明顯下降。據文獻報道，當一小時降雨達到30mm，伴隨大風時，蚜量的下降率達80%。

1.2.4棉花黃萎病危害與特點

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。關于棉花黃萎病病菌的致病機理目前主要有機械障礙和毒素作用兩種觀點，大麗輪枝菌侵入棉花根表面后，菌絲體穿透皮層、內皮層到達木質部，在木質部病原菌不斷產生分生孢子，并刺激鄰近薄壁細胞產生膠狀物質、侵填體從而堵塞導管，使水分和養分運輸發生困難，同時借助蒸騰作用侵染植物的地上部分。被侵染的棉株表現出葉片萎蔫、褪綠等癥狀，終植株死亡，這被稱為機械障礙；毒素作用是指病原菌產生的毒素能破壞感病棉花品種的葉片和根組織細胞膜，改變細胞膜透性，使細胞內鉀離子大量滲漏而減少，導致棉株萎蔫。

黃萎病在棉花整個生育期均可發病。自然條件下幼苗發病少或很少出現癥狀。一般在3~5片真葉期開始顯癥，生長中后期棉花現蕾后田間大量發病，初在植株下部葉片上的葉緣和葉脈間出現淺黃色斑塊，后逐漸擴展，葉色失綠變淺，主脈及其四周仍保持綠色，病葉出現掌狀斑駁，葉肉變厚，葉緣向下卷曲，葉片由下而上逐漸脫落，僅剩頂部少數小葉，蕾鈴稀少，棉鈴提前開裂，后期病株基部生出細小新枝。縱剖病莖，木質部上產生淺褐色變色條紋。夏季暴雨后出現急性型萎蔫癥狀，棉株突然萎垂，葉片大量脫落，發病嚴重地塊慘不忍睹，造成嚴重減產。由于病菌致病力強弱不同，癥狀表現亦不同。主要可分為落葉型、枯斑型和黃斑型。落葉型菌系致病力強，病株葉片葉脈間或葉緣處突然出現褪綠萎蔫狀，病葉由淺黃色迅速變為黃褐色，病株主莖頂梢側枝變褐枯死，病鈴、苞葉變褐干枯，蕾、花、鈴大量脫落，僅經10天左右病株成為光稈，縱剖病莖維管束變成黃褐色，嚴重的延續到植株頂部。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，葉片出現黃色斑塊，后擴展為掌狀黃條斑，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%，病葉作為病殘體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，病菌穿過皮層細胞進入導管并在其中繁殖，產生的分生孢子及菌絲體堵塞導管，此外病菌產生的輪枝毒素也是致病重要因子，毒素是一種酸性糖蛋白，具有很強的致萎作用。此外，流水和農業操作也會造成病害蔓延。黃萎病適宜發病溫度為25~28℃，高于30℃、低于22℃發