Эпифитотиология ржавчины зерновых культур: Моделирование, мониторинг, контроль
Санин С. С., Соколова Е. А., Стрижекозин Ю. А. Фитосанитарная экспертная система (ФЭС) для оптимизации химической защиты озимой и яровой пшеницы. Сб. трудов к 110-летию Н И Вавилова «Защита растений от вредителей и болезней». Саратов, 1997, с. 3−8. Санин С. С., Пыжикова Г. В., Лебедев С. А., Ибрагимов Т. З. Компьютерные системы управления защитой пшеницы от бурой ржавчины и септориоза. Тез. докл… Читать ещё >
Содержание
- ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Изучены закономерности возникновения и развития эпифитотий ржавчинных болезней зерновых культур экзодемичного и эндемичного происхождения, обозначены свойственные каждому из этих типов фазы развития эпифитотий и факторы, определяющие их развитие. Развитие эпифитотий во времени и в пространстве состоит из постоянно повторяющихся биологических (эпифитотиологических) циклов, число и масштабность которых определяют складывающиеся агроэкологические условия.
2. Эпифитотиологические циклы ржавчинных инфекций включают 6 основных, последовательно протекающих этапов: 1) накопление инфекционного начала в очагах поражения- 2) эмиссию спор в воздух с пораженных посевов- 3) перенос споровых масс воздушными потоками- 4) оседание инфекционного начала на посеве- 5) осуществление «первичной» инфекции растений- 6) развитие болезни во времени на зараженных посевах. Изучены особенности течения агробиологических, аэрологических, физических и других процессов, происходящих на каждом этапе эпифитотиологического цикла, и проведено их математическое моделирование.
3. Предложен метод контроля репродуктивной способности фитопа-тогенных грибов in vivo непосредственно в поле при изменяющихся условиях внешней среды. С использованием этого метода изучена динамика накопления инфекционного начала ржавчинных грибов в очагах поражения и факторы, влияющие на этот процесс. Разработана система математических уравнений, позволяющая оценивать количество уредоспор ржавчины, образующихся на зараженных растениях. Экспериментально показано, что на одном гектаре пораженных посевов восприимчивого сорта может формироваться за одни сутки в зависимости от вида ржавчины и интенсивности развития болезни от 3.0 х Ю, 0до 2.4×1013 штук уредоспор.
4. Изучены механизмы и условия эмиссии инфекционного начала ржавчины в воздух с пораженных посевов. Агроэкологическими факторами, оказывающими наибольшие влияние на освобождение уредоспор и их вовлечении в приземный фрикционный поток, являются: интегральный уровень развития болезни, плотность стеблестоя пшеницы, скорость ветра, влажность воздуха, дефицит испарения. Установлены три типа суточной периодичности содержания уредоспор в воздухе над зараженными посевами, свойственные разным синоптическим условиям: антициклонический, промежуточный, циклонический. По данным 142 экспериментальных полетов над зараженными посевами показано, что основная масса спор (от 55,2 до 99,7%) остается (поглощается) в очагах поражения. За пределы очагов в зависимости от вида ржавчины и агроэкологических условий выносится от 0,3 до 44,8% уредоспор. Предложена система математических уравнений и номограмма для параметризации очагов поражения пшеницы ржавчиной как источников инфекционного аэрозоля.
5. Перенос споровых масс воздушными течениями в зависимости от складывающихся метеорологических условий может осуществляться в микро-, мезо- и макромасштабах. Определены метеорологические факторы и их параметры, определяющие перенос споровых масс (облаков) на разные расстояния от источника.
С помощью самолета — лаборатории, оснащенного слороулавливающим прибором и метеорологическим оборудованием, изучены закономерности формирования споровых облаков, их вертикальная и горизонтальная структуры, высота переноса споровых масс. Показана роль приземных и приподнятых инверсий, кучевых и слоистых облаков в распространении спор фитопатогенных грибов. Эти системы аккумулируют споры и способствуют их переносу на большие расстояния.
Исследованы процессы оседания инфекционных частиц из пограничного слоя атмосферы — сухое осаждение биологической воздушной примеси и «влажное» выведение (осаждение) спор осадками из атмосферы.
Предложены системы математических уравнений, моделирующих рассеяние спор фитопатогенных грибов в микро- и мезомасштабах (в 100 км), а также распространение споровых масс на «дальние» расстояния (от 100 до 2400км).
Предложенные модели позволяют оценивать основные параметры, определяющие эпифитотийную опасность переносимого инфекционного начала: концентрацию спор в воздухе на разных расстояниях от источника, площадь «следа» оседания облака спор, количество инфекционных частиц, оседающих на единицу площади посевов.
6. Определены факторы, влияющие на биологические свойства переносимых в воздухе уредоспор и проведена параметризация этих воздействий. Из комплекса воздействующих факторов наиболее существенное влияние оказывают солнечная радиация и температура воздуха. Устойчивость разных видов и рас ржавчинных грибов к этим факторам неодинакова. Уредоспоры возбудителя желтой ржавчины (P.striiformis) более чувствительны к воздействию солнечной радиации и повышенных температур, чем стеблевой (Р. graminis) и бурой (Р. recondita) и менее чувствительны к низким температурам. Расы возбудителей, характеризующиеся меньшим содержанием в спорах каро-тиноидов, сильнее снижают жизнеспособность под воздействием солнечного облучения. Преобладающее инактивирующее воздействие на взвешенные в воздухе споры оказывает ультрафиолетовая часть солнечного спектра.
У возбудителей стеблевой и бурой ржавчины пшеницы отмечены цир-кадные (суточные) ритмы снижения и восстановления всхожести и инфекционной способности спор. Пострадиационное восстановление показателей жизнеспособности ржавчины протекает главным образом по пути темновой репарации. При воздействии прямой солнечной радиации уредоспоры Р. graminis остаются жизнеспособными в течение двух — трех суток, Р. recondita — 1,5−2,5 суток, a P. striiformis — только 8−9 часов. При рассеянной солнечной радиации (в пасмурную погоду, в подоблачных слоях и т. д.) споры всех видов сохраняют высокий инфекционный потенциал в течение 4−5 и более суток.
Предложена система математических уравнений, моделирующих процессы «выживания» спор возбудителей стеблевой, бурой и желтой ржавчины пшеницы при их переносе в пограничном слое атмосферы.
7. Изучены факторы и условия, определяющие развитие болезней во времени при оседании инфекционного начала на посевы. Исследуемый процесс для удобства моделирования классифицирован на 4 этапа: сохранение инокулюма на растениях до момента заражения, первичное заражение растений, развитие болезни во времени на зараженных посевах, вредоносное воздействие заболевания на растение. Первичное заражение растения-хозяина является критическим периодам в развитии заболевания, определяющим возможность возникновения и интенсивность течения эпифитотии. Предложены системы уравнений моделирующих этапы развития ржавчинных болезней при заносе инфекционного начала на ту или иную территорию.
8. Исследованы процессы, определяющие распространение ржавчины зерновых культур в пространстве, Показано, что пространственное распространение эпифитотий включает энфитотийную и экзофитотийную фазы и напоминает по своему характеру движение волны. С каждой новой волной поглощается все новая и новая территория. Направление волны и ее протяженность зависят от направления переноса воздушных масс и складывающихся аэрологических и агроэкологических условий. На примере широкомасштабных эпифитотий бурой ржавчины пшеницы, имевших место в 1982, 1983 и 1985 годах, экспериментально показано, что число таких волн может составлять за вегетационный период от 4 до 8, протяженность каждой волны от 80,0 до 450,0 км, скорость их распространения от 20,0 до 35,0 км/сутки, общая протяженность территории, охваченной эпифитотией — 800−2400 км.
Предложены системы математических моделей и разработаны пакеты прикладных компьютерных программ для расчета параметров пространственного распространения эпифитотий на территории России.
9. Обоснована структура системы мониторинга эпифитотий на территории России. Система включает три основных функциональных блока: диагностики источников инфекции, наблюдений (слежения) за развитием и распространением болезни, прогноза эпифитотий и последствий их развития. Для каждого блока системы разработаны и предложены производству комплекты технических средств, методических указаний и рекомендаций, позволяющих осуществлять мониторинг эпифитотий как во времени (зараженное поле, группа полей), так и в пространстве (регион, группа регионов, федерация).
10. Методологическое и методическое оснащение диагностическою блока включило разработку новых методов диагностики инфекционного начала в пограничном (до 3,5−4,0 тыс. м) и в приземном слоях воздуха, экспресс-методов оценки жизнеспособности и инфекционной способности обнаруживаемых в воздухе спор, методов определения видового состава возбудителей, их расовой принадлежности, концентрации и струкуры генов вирулентности. Предложен экспресс-метод оценки патогенных свойств переносимого воздушными потоками инокулюма с использованием математических моделей.
Разработанные методы прошли апробацию на пунктах сигнализации и прогнозов и в региональных лабораториях (группах) авиационного фитопатоло-гического контроля. Они были опубликованы автономно или вошли в качестве отдельных глав или разделов в соответствующие инструктивно-методические пособия и рекомендации (инструкция по проведению полетов, руководство по авиационному фитопатологическому контролю, методы прогнозирования ржавчинных болезней, методы защиты зерновых культур от ржавчины и другие).
Прибор для анализа содержания спор в приземном слое воздуха ПЛС-71М и экспресс-метод оценки инфекционной способности спор защищены авторскими свидетельствами.
Приборы ПЛС-71М были изготовлены по заказу Министерства сельского хозяйства в заводском исполнении в количестве 5,0 тыс. шт. и с 1975 по 1985 гг. поступали для оснащения специализированных пунктов сигнализации и прогнозов.
11. Обоснована и предложена для производственной эксплуатации системы наблюдений (слежения) за развитием и распространением эпифитотии ржавчины на территории России. Она включает наблюдение за трансграничным заносом спор на контролируемую территорию со стороны сопредельных государств и морских границ, слежение за развитием болезней в разных агро-экологических регионах страны, наблюдение за межтерриториальным распространением аэрогенного инокулюма, геоинформационный фитосанитарный анализ (ГИФС) складывающейся фитосанитарной ситуации. Для каждого этапа разработаны соответствующие методические указания, рекомендации, компьютерные программы, обеспечивающие их эффективное функционирование.
12. В результате аналитических исследований выявлены районы резервации инфекции в странах Средиземноморского, Центральноевропейского и Ближневосточного регионов. Определены траектории переноса воздушных масс и повторяемость их вторжения в основные зернопроизводящие регионы России. Средняя частота поступления воздушных масс в весенне-летний период из стран Западной Европы, Украины и Белоруссии составляет 26.5%, из Балканского региона и Северной Африки 19.7%, из Ближневосточного района
8.5%. Экспериментально доказан трансграничный перенос уредоспор ржавчины из Греции, Болгарии, Румынии, Турции и других стран в концентрациях — от 0.9 до 80.3 шт/м'3, имеющих высокие показатели жизнеспособности, инфекци-онности и вирулентности к районированным на территории страны сортам.
13. В течение 18 лет (с1972 до 1989) велись наблюдения за развитием и распространением ржавчины на территории СССР. За этот период отмечено восемь эпифитотий бурой ржавчины пшеницы разной интенсивности- частота вспышек составляла 5 лет из каждых 10. Пораженные ппощади при эпифито-тийных ситуациях варьировали от 800 тыс. га до 9 млн. 110 тыс. га, интенсивность развития заболевания от 25−30% до 75−80%, потери урожая зерна от 0.5−1.0 млн. т до 4.0−6.0 млн. т.
Исследованы причины и выявлены агроэкологические факторы, способствующие развитию эпифитотий. Проведена классификация эпифитотий по характеру возникновения и развития, определены источники инфекции, расовый состав и вирулентный потенциал возбудителей, оценена скорость развития болезни в пространстве. В процессе осуществления фитосанитарного мониторинга в Министерство сельского хозяйства, а также в областные (краевые) и республиканские управления сельского хозяйства направленно более 150 сигнальных информаций.
14. Проведенные исследования показали, что сложившиеся на данный момент региональные и федеральные системы фитосанитарной информатики не соответствуют требованиям и возможностям современных информационных технологий. Отсутствие научно обоснованной методологии и методов сбора и анализа фитосанитарной информации делают невозможным постановку объективных прогнозов.
Разработана концепция и обоснована технологическая цепочка геоинформационной фитосанитарной системы (ГИФС) как элемента мониторинга эпифитотий ржавчины. Предложены новые формы регистрации фитосанитар-ных наблюдений и методы их анализа на региональном и федеральном уровнях, удовлетворяющие требованиям ГИФС. Начаты работы по адаптации компьютерных геоинформационных программ для целей микро-, мезо- и макрофи-тосанитарного картирования.
15. Научно обоснованы системы прогнозирования эпифитотий ржавчины эндемичного и зкзодемичного происхождения. Предлагаемые прогнозы отличаются по масштабам охватываемой территории, заблаговременности постановки, применяемым предикторам, определяемым показателям и принимаемым решениям. За годы исследований разработано, опубликовано и передано практической службе защиты растений семь методических рекомендаций по постановке прогнозов разного назначения.
16. Система краткосрочных прогнозов предназначена для оперативного предсказания параметров атмосферной диффузии споровых облаков, градиентов эпифитотийно опасных концентраций спор в воздухе, площадей посевов с опасными концентрациями осевших спор, интенсивности первичного проявления заболевания, интенсивности развития болезни на определенные периоды времени, уровней (порогов) допустимой зараженности и других показателей.
Забпаговременность постановки краткосрочных прогнозов от 1 до 30 суток. Постановка прогнозов осуществляется по данным, характеризующим содержание спор в воздухе или интенсивность развития болезни на посевах. Для упрощения вычислений в рекомендациях, предназначенных для практических работников по защите растений, прогностические модели представлены в форме удобных для пользователей номограмм. Предложены компьютерные варианты краткосрочных прогнозов для включения в систему компьютерного фитосанитарного мониторинга.
17. Система долгосрочных прогнозов предназначена для предвидения возможности развития массовых вспышек, оценки масштабности эпифитотий, ожидаемого хозяйственного и экономического ущерба, определения тактики проведения профилактических и защитных мероприятий. Забпаговременность постановки долгосрочных прогнозов от 1 до 10 месяцев. В результате анализа многолетних метеорологических данных для разных агроклиматических зон России рассчитан комплексный агрометеорологический показатель К* - «индекс перезаражения растений», определяющий возможность и интенсивность развития болезни. Этот показатель применяется для постановки долгосрочных прогнозов и районирования территории России по степени подверженности ее отдельных регионов развитию эпифитотий. Проведена классификация эпифитотий ржавчины по уровням ожидаемых потерь урожая зерна, разработаны номограммы и шкалы оценки потерь урожая в зависимости от сроков проявления болезни, устойчивости сортов и агроэкологических факторов.
Практические рекомендации по постановке прогнозов изложены в методических рекомендациях, разработанных как для отдельных регионов России, так и для Российской федерации в целом.
18. Для контроля эпифитотий ржавчинных болезней зерновых культур, которые характеризуются внезапностью проявления, большой скоростью развития и охватывают в течение короткого времени большие пространства, из всего арсенала методов защиты растений наиболее эффективным, а зачастую единственно приемлемым, является химический метод. Разработаны принципы регионального позицирования (районирования) химических средств защиты растений, рекомендуемых для контроля эпифитотий вообще и эпифитотий ржавчины зерновых культур, в частности.
При позицировании необходимо учитывать составы патогенных комплексов возбудителей, этиологию и особенности развития болезней, эффективность применяемых средств защиты. Показано, что биологическая эффективность препаратов зачастую не коррелирует с хозяйственной и экономической эффективностью. Основанием для районирования (позицирования) пестицидов должны служить, в первую очередь, показатели экономической эффективности и, прежде всего, чистый доход от их применения.
На основании результатов сравнительных испытаний, проведенных в разных агроклиматических зонах страны, предложены региональные ассортименты фунгицидов для защиты зерновых культур от комплекса наиболее опасных болезней. Наилучшую эффективность против ржавчинных болезней показали Альто 400 к.э., Тилт премиум, Тилт 250, Рекс. Разработаны и изданы массовым тиражом методические рекомендации по их применению. 19. Научно обоснована методология оптимизации применения фунгицидов на основе фитосанитарных диагностических систем (ФДС), позвопяющая учитывать при принятии управленческих решений комплексы агроэкологиче-ских, фитосанитарных, экономических и других факторов, складывающихся на каждом защищаемом поле.
ФДС реализованы в виде графических схем, расчетных таблиц, текстовых определителей и компьютерных программ. Опубпикованы в соответствующих методических рекомендациях фитосанитарные диагностические системы для оптимизации защиты озимой и яровой пшеницы от стеблевой ржавчины, бурой ржавчины, септориоза и мучнистой росы- озимой ржи от стеблевой ржавчины, бурой ржавчины, ринхоспориоза- ярового ячменя от темно-бурой и сетчатой пятнистостей.
Пакеты компьютерных программ переданы в Российскую республиканскую лабораторию диагностики и прогнозов, а также на респубпиканские и областные станции защиты растений.
20. Для контроля эпифитоий ржавчины обоснованы, разработаны и предложены производству новые высокопроизводительные технологии применения фунгицидов: метод широкозахватного аэрозольного нанесения и метод секторных блокирующих обработок (метод «Зебра»).
Предложена смесевая рецептурная форма фунгицида Тилт 250 к.э. с адьювантом Актипрон для аэрозольного генератора АГРД, позволяющая вдвое снизить норму расхода препарата и уменьшить расход рабочей жидкости с 300 до 1 л на га посевов. Производительность генератора АГРД при защите зерновых культур от ржавчины с использованием рекомендуемой рецептуры составляла 2500−3000 га в сутки, чистый доход при применении технологии достигал 440−500 руб./га, превышая аналогичный показатель эталонного варианта (штанговое тракторное опрыскивание) в 1.3 раза.
Определены оптимальные размеры и частота обрабатываемых полос при секторных блокирующих опрыскиваниях. Метод позволяет при равных затратах вдвое увеличить обрабатываемую площадь- производительность при его применении возроспа в 2.0 раза, чистый доход в 1.45−1.84 раза.
Предлагаемые высокопроизводительные технологии наиболее перспективны в Северо-Кавказском, Поволжском, Уральском, Западно-Сибирском и Восточно-Сибирским районах.
21. Обоснованы концепция и функциональная структура системы управления защитой растений от наиболее опасных биообъектов на федеральном (межрегиональном), региональном и внутрихозяйственном уровнях. Разработана, испытана и передана производству компьютерная система управления химической защитой зерновых культур при контроле эпифитотий ржавчины.
Система реализована в двух вариантах: консультативном для федерального и регионального уровней и директивном для внутрихозяйственного уровня. Разработаны необходимые алгоритмы (математические модели, экспертные системы и др.), базы данных, пакеты прикладных компьютерных программ.
Применение научно обоснованных систем управления защитой растений позволяет сделать это важное звено сельскохозяйственного производства эффективным, высокорентабельным, безопасным для человека и окружающей среды.