Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Эпифитотиология ржавчины зерновых культур

ВАК РФ 06.01.11, Защита растений

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора биологических наук, Санин, Сергей Степанович, Москва

РОССМРКАЯ А(0ЩЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии

На правах рукописи

САНИН Сергей Степанович

ЭПИФИТОТИОЛОГИЯ РЖАВЧИНЫ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР: МОДЕЛИРОВАНИЕ, МОНИТОРИНГ, КОНТРОЛЬ

06.01.11 - защита растений

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора биологических наук

& М К о

¿¿¿-¿и&ги ге-

'гозвления ВАК

'СУ ¿о "V 'п (? >

Москва

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте фитопатологии

Официальные оппоненты:

академик РАСХН, доктор биологических наук, профессор П. И. Сусидко, член-корреслондент РАСХН, доктор биологических наук, профессор М М. Леви" доктор биологических наук, профессор Ю.Т. Дьяков.

гж-

п л-'~< - ^

Ведущая организация: ^

Московская сельскохозяйственная академия им. КА Тимирязева, кафедра сельскохозяйственной фитопатологии

Защита состоится 17 декабря 1998 г. в. на заседании диссертационного совета Д.020.01.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте защиты растений РАСХН по адресу: 189620, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, д.З.

С диссертацией в виде научного доклада можно .знакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательско. +.титута защит растений РАСХН.

Диссертация в виде научного доклада разослана 16 но . . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Г.А. Наседкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Существенные колебания по вегетационным сезонам урожая основных зерновых культур, возделываемых на полях России, влекут за собой нестабильность всего агропромышленного комплекса, вызывают экономическую и социальную напряженность. Важной причиной таких колебаний являются вспышки массового развития возбудителей болезней растений. Среди большого числа грибных, вирусных и бактериальных болезней, поражающих зерновые злаки, наиболее распространенными и вредоносными являются, безусловно, ржавчинные заболевания: бурые листовые ржавчины пшеницы и ржи (Puccinia recóndita Rob. ex Desm; Р. dispersa Eriks et Henn) стеблевая ржавчина пшеницы и ржи (P.graminis Pers. f. sp. tritici Eriks. et Henn; P. graminis Pers. f. sp. secalis Eriks et Henn), желтая ржавчина пшеницы (Р. strii-formis West.). Возбудители этих болезней распространены повсеместно, занимая из года в год "доминирующее" положение в составе патогенных комплексов зерновых культур в большинстве сельскохозяйственных регионов России.

Инфекционное начало (уредоспоры) ржавчинных грибов распространяются воздушными потоками на десятки и сотни километров. При благоприятных для развития болезни погодных условиях массовое поражение зерновых культур может охватывать значительные пространства, принимая характер эпифитотии. Частота эпифитотий зависит от агроэкологических условий и варьирует по регионам страны от 1-2 до 5-6 раз в каждое десятилетие. Ежегодно ржавчина как дань забирает 10.0-15.0 % урожая зерна; в условиях эпифитотий потери урожая могут достигать 30.0-50.0 % {Чумаков, 1964; Степанов, Чумаков, 1967; Степанов, 1975; Егураздова, 1983; Санин и др., 1976, 1996).

В связи с высокой вредоносностью и опасностью частого развития разрушительных эпифитотий возбудители ржавчины зерновых культур отнесены в нашей стране к числу биообъектов федерального значения, наблюдения за которыми осуществляются на всех уровнях функционирования службы защиты растений.

Современная защита растений представляет собой комплексы взаимосвязанных мероприятий, включающих получение фитосанитарной информации,-£. системный анализ агроэкологической информации, постановку прогнозов развития и распространения вредящих биологических объектов, принятие обосно--»энных решений по защите растений, проведение эффективных защитных ме-.. ;;иятий.

" Компьютерная техника и передовые информационные технологии откры-

ь : лэют широкие перспективы для создания в стране современных систем управления защитой растений от опасных фитосанитарных биообъектов и, в частно; сти, возбудителей ржавчинных болезней зерновых культур.

Цель и задачи исследований Целью проведенных исследований являлось научно-теоретическое обоснование, разработка и создание систем моделирования, мониторинга и контроля эпифитотий ржавчинных болезней зерновых культур на территории России.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Исследовать закономерности возникновения и развития эпифитотий ржавчины эндемичного и экзодемичного происхождения; изучить факторы, влияющие на развитие эпифитотий во времени и в пространстве, провести параметризацию этих воздействий, разработать системы математических уравнений, моделирующих эти процессы.

2. Обосновать функциональную и организационную структуры системы мониторинга эпифитотий ржавчины на территории России. Разработать необходимые для проведения мониторинга экспресс-методы диагностики источников инфекции, методы наблюдений (слежения) за развитием и распространением болезни, методы прогноза эпифитотий и последствий их развития. Предложить производству соответствующие методические пособия и рекомендации, обеспечивающие функционирование системы на федеральном, региональном и хозяйственном уровнях.

3. Обосновать концепцию управления защитой растений при контроле эпифитотий ржавчинных болезней зерновых культур. Разработать принципы регионального позицирования (районирования) средств и методов контроля эпифитотий; научно обосновать методологию и методы рационального применения фунгицидов, разработать и предложить производству высокопроизводительные технологии защиты растений при угрозе развития эпифитотий.

Научная новизна Решение поставленных рассматриваемой проблемой задач требовало в ряде случаев поиска неординарных методологических, методических и технологических решений. Были разработаны оригинальные методы определения количества инфекционного начала, образующегося в очагах поражения и поднимаемого в воздух с пораженных участков. С использованием этих методов было проведено параметрирование посевов пшеницы, зараженных ржавчиной, как источников фитосанитарно опасного биологического аэрозоля. Впервые с использованием самолетов - лабораторий были исследованы закономерности формирования споровых облаков в пограничном слое атмосферы, их вертикальная и горизонтальная структуры, высота и дальность переноса споровых масс. Изучены факторы, воздействующие на жизнеспособность спор при их переносе с воздушными массами. Показано наличие цикличности радиационных повреждений и пострадиационных восстановлений жизнеспособности спор.

Впервые на основе большого числа аэробиологических экспериментов разработана система математических уравнений, моделирующих все этапы распространения спор в приземном и пограничном слоях атмосферы: накопление инфекций на посевах, эмиссию спор в воздух, их распространение в микро-, мезо-, и макромасштабах, оседание спор, "влажное" выведение инокулю-ма из атмосферы и др.

Изучены факторы и условия, определяющие развитие эпифитотий во времени после оседания инфекционного начала на посевы. Предложены системы математических уравнений, моделирующих сохранение спор на посевах до момента заражения, первичное заражение растений, развитие болезни во времени на зараженных посевах, вредоносное воздействие заболевания на растения.

На примере широкомасштабных эпифитотий бурой ржавчины пшеницы, имевших место на территории СССР в 1982,1983 и 1985 годах, впервые экспериментально изучен процесс распространения болезни в пространстве. Показан волнообразный характер пространственного распространения эпифитотий, определена скорость распространения эпифитотий, которая в этих случаях составляла от 20.0 до 35.0 км в сутки.

Обоснована структура системы мониторинга эпифитотий на территории России, включающей три основных функциональных блока: диагностику источников инфекции, наблюдения (слежение) за развитием и распространением болезни, прогноз эпифитотий и последствий их развития. Разработаны методы диагностики инфекционного начала в пограничном (до 3.5-4.0 тыс. м) и в приземном слоях воздуха, экспресс-методы оценки жизнеспособности и инфекционной способности обнаруживаемых в воздухе спор, экспресс-метод оценки патогенных свойств инокулюма с использованием математических моделей. Экспресс-метод оценки инфекционной способности инокулюма защищен авторским свидетельством на изобретение (№ 331088).

Разработан, прошел Государственные испытания и изготовлен в заводском исполнении прибор ПЛС-71 - "Простейшая ловушка спор". Прибор защищен авторским свидетельством на промышленный образец, Он демонстрировался на международной выставке "Plant protection - 75" Москва, 1975г..

Приборы ПЛС-71 применяются на специализированных пунктах сигнализации и прогнозов для проведения наблюдений за содержанием спор и других инфекционных частиц в приземном слое воздуха.

Обоснована, разработана, обеспечена необходимыми методами, инструкциями, компьютерными программами и базами данных принципиально новая система слежения (наблюдений) за развитием эпифитотий экзодемичного происхождения. Она включает наблюдения за трансграничным заносом спор на территорию России и слежение за их межтерриториальным распространением. Оценена опасность сопредельных территорий как источников ржавчинных ин-

фекций, определены траектории и повторяемость вторжений воздушных масс, способных переносить инокулюм ржавчинных грибов. Впервые экспериментально доказан трансграничный занос спор из Болгарии, Румынии, Турции, Греции и других стран в эпифитотийно опасных концентрациях; определены показатели их жизнеспособности, инфекционности и вирулентности к сортам, районированным на территории страны.

Разработана концепция и обоснована технологическая цепочка геоинформационной фитосанитарной системы (ГИФС) как элемента общей системы мониторинга эпифитотий ржавчины. Разработаны новые формы регистрации фитосанитарных наблюдений и методы их анализа на региональном и федеральном уровнях, удовлетворяющие требованиям ГИФС.

Научно обоснованы, разработаны, прошли адаптацию на станциях защиты растений и пунктах сигнализации и прогнозов системы краткосрочного и долгосрочного прогнозирования эпифитотий. Предлагаемые прогнозы отличаются от известных использованием новых показателей (предикторов) более высокой точностью (оправдываемостью), возможностью реализации в системах компьютерного фитосанитарного мониторинга.

Сложившаяся в настоящее время практика формирования региональных ассортиментов химических средств защиты растений не отвечает современным требованиям. Разработаны принципы и предложены объективные' показатели для обоснованного позицирования (районирования) пестицидов с учетом агроклиматических и хозяйственно-экономических условий разных регионов России.

Научно обоснована методология оптимизации применения фунгицидов на основе фитосанитарных диагностических систем (ФДС), позволяющая учитывать при принятии управленческих решений комплексы агроэкологических, фитосанитарных, экономических и других факторов, складывающихся на каждое защищаемом поле.

Учитывая масштабность эпифитотий ржавчинных болезней зерновых культур и большую скорость их развития во времени и в пространстве, обоснованы, разработаны, испытаны новые высокопроизводительные технологии применения фунгицидов: метод широкозахватного аэрозольного нанесения фунгицидов и метод секторных блокирующих обработок (метод "Зебра").

Обоснована концепция и разработаны системы управления защитой растений от наиболее опасных биообъектов на федеральном (межрегиональном), региональном и внутрихозяйственном уровнях. Практическая реализация этих предложений позволит сделать такое важное звено сельскохозяйственного производства как защита растений эффективным, высокорентабельным, максимально безопасным для человека и окружающей среды.

Научные положения, представленные к защите На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

б

1. Новые методы фитопатологических, аэробиологических и агроэколо-гических исследований и наблюдений.

2. Экспериментально установленные явления, закономерности и процессы, характеризующие влияние биотических и абиотических факторов на развитие эпифитотий ржавчинных заболеваний зерновых культур во времени и в пространстве.

3. Системы математических и логических моделей, описывающих развитие и территориальное распространение эпифитотий ржавчины эндемичного и экзодемичного происхождения.

4. Комплексная система мониторинга эпифитотий ржавчины, включающая диагностику источников инфекции, наблюдения за трансграничным заносом инокулюма из сопредельных территорий, слежение за межрегиональным переносом инфекционного начала на территории страны, наблюдения за развитием и распространением болезни.

5. Комплексная система краткосрочных и долгосрочных прогнозов развития и распространения эпифитотий.

6. Фитосанитарные диагностические системы (ФДС) для принятия экологически и экономически обоснованных решений о применении химических средств защиты растений и выбора оптимальных технологий проведения химзащитных мероприятий.

7. Новые рецептуры и высокопроизводительные методы (технологии) применения фунгицидов для защиты зерновых культур при угрозе развития эпифитотий ржавчинных заболеваний: метод широкозахватного аэрозольного нанесения и метод секторных блокирующих обработок.

8. Системы компьютерного мониторинга и управления защитой растений от эпифитотийно опасных биообъектов на федеральном (межрегиональном), региональном и внутрихозяйственном уровнях.

Практическая ценность работы. Экспериментальные и аналитические работы по изучению закономерностей развития во времени и в пространстве ржавчинных болезней зерновых культур позволили теоретически обосновать, создать и оснастить необходимыми методами и технологиями систему комплексного мониторинга эпифитотий этих заболеваний на территории России.

В практических работах по проведению мониторинга в разные годы участвовало от 60 до 300 учреждений и организаций (научно-исследовательские институты, республиканские, областные (краевые) станции защиты растений, специализированные пункты сигнализации и прогнозов). Протяженность маршрутов авиационных фитопатологических наблюдений ежегодно составляла от 160 до 250 тыс. км, площади фитосанитарных обследований посевов - от 260 до 300 тыс. га.

По результатам мониторинга было составлено и направлено заинтересованным организациям и ведомствам более 150 сигнальных информаций и более 60 фитосанитарных прогнозов.

Разработана, прошла Государственные испытания и внедрена на специализированных пунктах сигнализации и прогнозов "Простейшая ловушка спор ПЛС-71". Обоснованы, разработаны, испытаны и предложены практической службе защиты растений новые методы наблюдений и фитосанитарных анализов,' методические пособия по постановке прогнозов, методы и технологии по защите зерновых культур от ржавчины. Указанные разработки одобрены Главным управлением защиты растений, Научно-техническим или соответствующими экспертными советами Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской федерации (ранее МСХ СССР), ответственными за внедрение достижений науки в производство. Рекомендации по проведению фитосанитарных наблюдений, постановке прогнозов и защите растений изданы Министерством сельского хозяйства общим тиражом в 129,4 тыс. экземпляров и направлены на республиканские, областные (краевые) станции защиты растений и пункты сигнализации и прогнозов для использования в практической деятельности.

Реализация научных исследований. Основные положения и результаты исследований послужили основой для разработки методических указаний и рекомендаций: "Рекомендации по химической защите пшеницы и ржи от эпи-фитотий стеблевой ржавчины" (Москва, 1970); "Прогноз стеблевой ржавчины пшеницы" (Краснодар, 1972); "Простейшая ловушка спор ПЛС-71" (Москва, 1975); "Рекомендации по химической защите зерновых культур от ржавчины" (Москва, 1976); "Методические указания по определению заслоренности воздуха и посевов" (Москва, 1977); "Методические указания по составлению прогноза стеблевой ржавчины пшеницы" (Москва, 1982); "Составление сезонных и краткосрочных прогнозов стеблевой ржавчины ржи" (Москва, 1986); "Методика определения экономических порогов рентабельности химической защиты пшеницы от стеблевой ржавчины" (Большие Вяземы, 1986); "Практические рекомендации по диагностике, учету и защите пшеницы от бурой ржавчины, септориоза и мучнистой росы" (Москва, 1988); "Химическая защита пшеницы от бурой ржавчины при интенсивной те