植物病害监测预警新技术研究进展

摘要

植物病害监测预警对病害防治和管理具有重要的意义，本文综述了“3S”技术、孢子捕捉技术、轨迹分析技术、分子生物学技术等在植物病害监测预警研究中的应用，同时探讨了本研究领域的发展方向。

关键词

植物病害；监测预警；“3S”技术；孢子捕捉；分子生物学

中图分类号：

S 431.9

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.05291542.2016.03.001

Abstract

Plant disease monitoring and forecasting are very important for disease management. This paper summarized the progress of the application of “3S” technologies （remote sensing， geographic information system and global positioning system）， spore trap technology， trajectory analysis and molecular technologies in plant disease monitoring and forecasting. The strategies of future study for monitoring and forecasting of plant diseases were also discussed.

Key words

plant disease；monitoring and forecasting；“3S” technologies；spore trap；molecular technologies

植物病害监测预警是制定病害防治措施的前提和基础，传统的植物病害监测方法主要依靠田间人工调查获取数据，预测预报多采用数理统计、综合分析方法等，近些年来“3S”技术（遥感技术、地理信息系统、全球定位系统）、分子生物学技术以及一些相关学科如空气生物学、生物气象学的快速发展，极大地促进了植物病害监测预警技术的研究发展。

1“3S”技术在植物病害监测预警中的应用研究

1.1遥感技术在植物病害监测预警中的应用

遥感技术（RS）通过处理和解释接受目标物辐射或反射的电磁波，能够准确而快速地提供被测目标物的相关信息[1]。由于遥感技术能感受到人类肉眼看不到的光，可利用的电磁波波长为0.3 μm～3 m，同时这种技术还具有监测面积大，获得资料快速、规范，数据能直接输入电脑等优点，已广泛应用于军事、气象、地质、农业等领域。植物病害的遥感监测开始于20世纪30年代早期，将近红外航空图像应用于马铃薯和烟草病毒病的监测[2]。当植物受到病害危害后，叶片会出现颜色改变、结构破坏或外形变化等症状，其反射光谱曲线会发生明显改变。一般在蓝光和红光波段，发病植物的反射率比健康植物的大，而近红外波段，发病植物的反射率比健康植物的小[3]。据此可以利用遥感技术进行病害诊断和监测等研究，即当病害发生后，从遥感图像上提取植被的相关信息，快速、准确地判断出病害发生的位置、面积和程度，从而采取针对性的点、片防治措施。

根据平台可将遥感分为近地遥感、航空遥感和卫星遥感。近地遥感主要是通过利用光谱仪在实验室及田间测量农作物叶片及冠层受病害危害后的光谱反射率，它具有操作简单、信息量大、数据易处理分析等优点，是目前植物病害遥感监测中研究最多的。国内外已有关于利用近地遥感监测玉米矮花叶病和小斑病[4]、马铃薯晚疫病[5]、甜菜褐斑病、白粉病和锈病[6]、稻瘟病[78]、小麦条锈病[913]、甜菜丛根病[14]、小麦黄斑叶枯病[15]、小麦叶枯病[16]、小麦全蚀病[17]、芹菜菌核病[18]、小麦赤霉病[19]、棉花黄萎病[2021]等在内的多种植物病害的研究报道。Cao等利用高光谱仪对2个抗感性不同的品种、2种不同种植密度下受白粉病危害后的小麦冠层光谱反射率进行了研究，获得了可用于小麦白粉病监测的敏感光谱参数和时期，建立了病害监测模型，发现品种和密度对利用高光谱遥感监测小麦白粉病无显著影响[2223]。但是地面遥感获取的面积比较小，与农作物大面积种植相比，其应用还受到一定的限制。航空遥感一般以无人机、气球等航空飞行器为平台，与地面高光谱遥感相比，虽然信息量减少，但一次可监测的面积大、数据获取快捷。目前已有其在栗樹疫病[24]、马铃薯晚疫病[25]、小麦叶枯病[26]、水稻白叶枯病[27]、柑橘黄龙病[28]、小麦条锈病[13]、月桂枯萎病[29]等病害上的研究报道。随着卫星数量的增多和分辨率的提高，卫星遥感也开始应用于植物病害监测，包括小麦叶锈病[30]、小麦条锈病[31]、小麦线条花叶病[32]、小麦白粉病[33]、柑橘黄龙病[34]等多种植物病害。已有的研究还发现利用遥感技术还可将目标病害与其他病虫害和生理性病害区分开来。Mahlein等[6]研究发现利用光谱植被指数可以区分甜菜褐斑病、锈病和白粉病。采用Fisher线性判别分析（FLDA）和偏最小二乘回归法（PLSR）结合光谱反射率可以将小麦条锈病、白粉病和蚜虫区分开来[35]。因此，利用遥感技术可以用来区分和监测植物病害。

1.2地理信息系统在植物病害监测预警中的应用

地理信息系统（GIS）是一个用于输入、存储、检索、分析和显示空间地理数据的计算机软件平台。将地面调查获取的植物病害的相关信息保存在GIS的数据库中，通过数据处理对同一区域或相邻的区域病害的空间分布和发生程度进行监测。司丽丽等成功地研制出了基于地理信息系统的全国主要粮食作物病虫害实时监测预警系统，利用该系统能够对小麦、玉米、水稻、马铃薯、高粱和谷子6种主要粮食作物的60余种病虫害进行实时监测和预警[36]。同时GIS也能和病害预测模型结合，实现对病害发生情况的预测。Hijmans等应用地理信息系统结合马铃薯晚疫病发生的两个预测模型Blitecast和Simcast，对全球马铃薯晚疫病的发生情况进行了预测，发现晚疫病的高发区主要包括欧洲西部、美国北部、加拿大东部沿海、巴西东南部和中国中南部地区，而病害低发区主要在印度西部平原、中国的中北部地区、美国中西部地区[37]。马占鸿等和李伯宁等利用GIS技术分别对小麦条锈病和白粉病在我国的越夏区进行了区划研究，明确了小麦条锈病和白粉病在我国的越夏范围[3839]。