Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Прогноз крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы

ВАК РФ 06.01.11, Защита растений

Автореферат диссертации по теме "Прогноз крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы"

¡юсснгтя акадг'мия се.<1ьск0х03япстве111!их наук всЕгоссняпиш научно--исследовательский институт фитопатологии

На правах рукописи уда 632.914:58п.2С5:Г>33.II

никифоров Евгений Васильевич

прогноз крупномасштабного распространения • уредоспор возбудителя бурой ржавчиш1 1шеш1цм.

(06.01.11 - защита растений от оредоте.тей и болезной)

Автореферат

диссертации на соискание ученоП степенн кандндатч биологических наук

Польши«* ГЬп--т - и»}";

Работа выполнена во ВНИИ фитопатологии Российской академии сельскохозяйственных наук.

Научный руководитель: кандидат биологических наук С.С.Санин.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

В.И.Терехов, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник В.А.Мостовой.

Ведущее учреждение: Всероссийский научно-исследовательский

институт защита растений, Ленинградская область.

Защита диссертации состоится "¿9,"..155? г. в .^Рчасов на заседании специализированного совета К. 120.66.01 во ВНИИ фитопатологии по адресу: 143050, Московская область, Одинцовский район, п/о Большие Вязема.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВН1ШФ. Автореферат разослан

г.

Ученый гек-р^тярь ГГ- |',*И'ь,ИЧИ|*'Н!>и11ОГ0 СГ.1МТЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Среди большого числа вирусных, грибных и бактериальных заболеваний пшеницы наиболее вредоносным является ржавчина (бурая, стеблевая и желтая).

Предметом нашего внимания служит возбудитель бурой ржавчины

пшеницы- гриб Pucclnia Yecondita Rob.ex.Desm.f.sp■tritiсi . Болезнь, вызываемая этим возбудителем, распространена всюду, где произрастает пшеница, но наибольший вред она приносит на Северном Кавказе, юго-западе Украины, в центральных районах России и 1 в северных областях Казахстана [Наумов H.A.,1939; Степанов K.M.,' 1975; Санин С.С.и др.,1985].

Возникновение эпифнтотш на определенной территории может быть вызвано местной, йз года в год присутствующей здесь инфекцией (знфитотин), или же инфекционным началом, привнесенным из других, часто весьма удаленных районов (зкзофитотии).

С помощью существующих методов прогноза можно сравнительно успешно предсказать уровень развития болезни, затраты на защитные мероприятия и потери урожая зерна при эндемичном происхождении инокулюма.

Сущуствунцая служба сигнализации и прогнозов ориентирована на изучение местных источников инфекции, ее задачи и техническое оснащение таковы, что она не может быть использована для предсказания переноса заразного начала в пределах большой территории одновременно, к примеру, на всей европейской части России. Гораздо больше возможностей получить подобную информацию у ввиабитопатологтг'згких отрядов с помощью прибора ПАРЗ-IM, уста-новлнвееного на самолете АН-2. Однако и они дают сведения по сравнительно ограниченной территории и при этом требуют значи-

£

тельных материальных затрат. Задача и для авиации становится практически неразрешимой, если источник инфекции находится эа пределами бывшего СССР. Поэтому, прогнозирование крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы является проблемой, требующей скорейшего разрешения. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основная цель наших исследования состояла в разработке модели прогноза крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы. Для достижения поставленной цели необходимо:

1. На основе критериев защиты растений и нашими реальными возможностями из числа существующих выбрать наиболее приемлемый методический подход для построения требуемой модели,

2. В пределах выбранного методического подхода определить все факторы, влияющие на крупномасштабное распространение инокулюма,

3. С помощью экспериментальных исследований разработать аналитические выражения относительно!

-подъема уредоспор бурой ржавчины с пораженных болезнью посевов пшеницы и их осаждения вблизи от источника инфекции, -сухого осаждения инокулюма на посевы зерновых, -влажного выведения спор дождем,

-уменьшения жизнеспособности уредоспорами бурой ржавчины за время их нахождения в атмосфере,

4. Осуществить компьютерную реализацию прогноза крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы и проверить точность расчетов на независимом материале,

5. Разработать методику прогноза интенсивности первичного заражения растений бурой ржавчиной с учетом результатов прогноза крупномасштабного распространения данного возбудителя.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА В сравнении с известными отечественными и зарубежными разработками в данной области фитопатологии предлагаемая работа имеет следующие черты новизны:

1) использование наиболее полного набора факторов, определяющих распространение инокулюма в пространстве и времени, что представляет научный и практический интерес как по совокупности факторов, так и в отдельности,

2) все характеристики распределения инфекционного начала в атмосфере и на посевах пшеницы могут быть рассчитаны для различных зерносепцих районов как в России и государствах СНГ, так и в странах Европы, Ближнего Востока и Северной Африки,

3) как результат комбинации крупномасштабного распространения инфекционного начала и 'сопутствующих метеорологических условий прогнозируется степень развития бурой ржавчины пшеницы в районах предполагаемого оседания инокулюма.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Прогноз крупномасштабного распространения уродоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы осуществляется с учетом процесов, имеющих различные масштабы: от нескольких сот изтроз (пшеничное поле, осаждение вблизи от него) до нескольких тысяч километров (крупномасштабные зоны облаков и осадков, воздушные течения, вихри- циклоны, антициклоны) в течении времени от нескольких минут до нескольких дней.

Поэтому, результатами данной работы для практических целей могут воспользоваться как специалисты районных пунктов сигнализации и прогнозов, так заинтересованные организации общегосударственного и международного уровней.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях "Принципы и метода управления защитой растений

от болезней в условиях интенсивного растениеводства" в г.Ташкент в апреле 1988 г. и "Современные экологически безопасные системы защиты полевых культур от болезней" в г. Анапа в марте 1991 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста и содержит II таблиц, 10 рисунков и 7 текстов прикладных компьютерных программ. Она состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству, списка литературы и приложения. Список литературы включает 241 наименование, из них 145 иностранных.

г: условия проведения работы и методы исследовании

Исследовательская работа была проведена в период с 1981 по 1989 года. Она включала в себя наземные и авиационные эксперименты , камеральную обработку полученных данных, а также работу с метеорологическими и синоптическими материалами Гидрометслуж-бы России.

Наземные наблюдения проводились на опытных полях ВНИИФ и СКНИИФ. Содержание уредоспор ржавчины в приземном слое атмосферы измеряли с помощью приборов ПЛС-71 и СОЗ-АМ. Одновременно с контролем заспоренности атмосферы следили за развитием болезни на растениях и измеряли метеорологические параметры приземного слоя на 8-метровой мачте, установленной в посевах пшеницы. На мачте размещали датчики направления и скорости ветра, температуры и влажности воздуха. Помимо мачты, в посевах пшеницы устанавливали специальный домик для измерения метеорологических характеристик в травостое. Используй автомобильный подъемник и шар-ггилот с высоты 6-25

у

метров производили распыленна инактивированных уредоспор ржавчины. Для оценки величины осаждения спор на поверхность земли, вокруг точки распыла укладывали предметные стекла, смазанные вазелином. В1х?мя достижения видимой частью облака спор поверхности земли фиксировали секундомером.

Авиационные исследования уровней содержания уредоспор ржавчины в атмосфере совершали на самолете АН-2 с прибором ПАРЗ-1М. Параллельно Фиксировали направление и скорость ветра, температуру воздуха, облачность и явление погоды. Авиафнтопатологическио обследования по углубленной программа вели в основных зонах выращивания зерновых культур- на Украине, Северном Кавказе, в Центральном и Центрально-Черноземном районах России, в Поволжье и в Казахстане.

Чтобы выявить возможность заноса инфекционного начала из-за пределов России и государств СНГ, производили контрольные полеты вдоль границ содружества с Афганистаном, Ираном, над Черным морем, а также вдоль всей западной границы от Измаила до Санкт-Петербурга на высоте 200-400 петров на поверхностью земли.

В процессе маршрутных обследований фитосанитарного состояния пограничного слоя атмосферы периодически осуществляли вертикальные зондирования на высотах от 5 до 1500-2500 метров в зависимости от уровня заспоренности воздуха. В случаях значительного содержания инокулша в атмосфере производили посадку самолета АН-2 с целью выяснения состояния посевов в энифитотийно-опасном районо.

С цель» получения дополнительной мотео(юлогнческой и синоптической информации о районе лпнпциошшх -экспериментов, использовали материалы метеослужбы Аэрофита большинства областник цен-

тров Украины, Молдовы и европейской части России, различных организаций Гидрометслужбы России в Москве и Обнинске, а также региональных отделений бывшего Госкомгидромета СССР в городах Ташкент,Одесса и Кишинев.

Гидрометцентр России служил основным источником информации о крупномасштабном распределении составляющих скорости ветра и,у.

Математическую обработку результатов экспериментов и прогнозирование интенсивности первичного заражения растений проводили статистическими методами, зависимость инфскционности уредоспор бурой ржавчины пшеницы от солнечной радиации и непосредственно прогнозирование крупномасштабного распространения данного патогена сделаны численными методами.

Все расчеты выполнены с помощью компьютера 1вм рс/ат-286:

1) простые статистические- с использованием известной процедуры

БТАТСПАРШСБ ,

2) модельные (прогностические)- по специальным программам, написанных автором на языке мб рогсткаы.

0СН0ВНЖ_РГ5УЛЬТАТЫ_РАБО1Ы

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КРУПНОМАСШТАБНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ

УРЕДОСПОР ВОЗБУДИТЕЛЯ БУРОЙ РЖАВЧИНЫ ПШЕНИЦУ. 0оД1-Ш_УКДОспдр_с_поражен^ щеницы_и_1«_осажйение_вбдази_от Для того, чтобы спрогнозировать количество инокулюма, переносимого на большие расстояния, необходимо знать первоначальное число инфекционных частиц, которое образуется в очаге болезни.

Количество образовавшихся »а посевах уредосггор бурой ржавчины пшеницы зависит от:

I) интенсивности поражения растений, 2) размеров пораженной части листьев, 3) типа инфекции растения-хозяина, 4) густоты стеблестоя и 5) размеров очага поражения (Санин С.С, и др.,В печати]:

о0= 24 р*5*р*л*с*10~3. (i)

2

где о0- количество спор, образовавшихся на I м посевов пшеницы, к- площадь листовой поверхности, равная (18.о+о.с ь2) ю~4, ь- высота растений (см), р- густота стеблестоя (1/м2), л- процент пораженных растений, с- степень или интенсивность

развития болезни (%), е- площадь очага поражения (м2). . Подъем спор йитопатогешшх грибов с пораженных ржавчиной посевов зерновых, есть результат взаимодействия комплекса факторов, характеризующих биологические особенности возбудителя боле уни, состояние растения-хозяина и условия внешней среды [Санил С.С. и др.,1980).

Для выяснения количественной стороны вопроса о вовлечении ино-кулгла в воздух были проведены как наземные, так и авиационные Фитопатологические эксперименты на естественном Фоне заспоренно-стп атмосферы. Забор проб для анализа содержания уредоегюр в воздухе осуществляли с подветренной стороны от пораженных ржавчиной посевов ггаеницы на различной высоте над^кяй.'рхностью земли и при разном удалении от края источника инфекции.

Данные эксперимент'з свидетельствуют, что количество инфекционного начала, совлекаемое в ггриземный слой атмосферы с поражен-

сурой ржавчиной посевов пшеницы, зависит от скорости ветра (рис.1)

Regression o-f IST.W1R5 on IST.VhR¿

«c

30

i-. 20

10

0

7Я

• s

77V -

l. ..rí^ít'-'v-:';:.

0

2ч

8

IST.VARó

ist.var s- количество спор (% ), ist.var 6- скорость ВОТр? (м/С). Рис Л. Зависимость количества иноку.шоча, поднимаемого с пораженных ржавчиной посевов пшеницы, от скорости ветра. Данные рисЛ характеризуются уравнением (и s 7 м/с)

,1.92042 -0.07121-13

= и

(2)

среднеквадратическое отклонение а=о.ьтл, коэффициент детерминации Н2-0.709.

При njK>4nx у• ч.-ных метео и агрономических услошдх освобождение спор умсиые-зется на посевах с густотой г 600 стьЛаой на I м". 0cbo0o»:ji>:iiH(! •„•ír-p Boyj»летает при густоте иосеиод » £00 стеблей r:> i м' . M.tKt iifiMj-í.rr нодиими^мгл о в »лоллух ü,; •<., • .т,

».'-'If'-vl •/■¡1.иас:я в С»КаЮ|Ч'МС|(ГдХ, СОСТаПИЛ /¡3-CU при í.bV-¡■■ ''Tti r<-?T-¡ . 7 M'C. Для скоростей bívijvi более 7 м/с справлд'•ni«-• -ш«-

^ _ 0О.309983е3.1645в1 я=0. 128 . я2=0 . 692 . (3)

При и-. ЬОи/с <,„-.88%, при еще большем увеличении скорости ветра процент спор, поднимаемых в воздух, стремится к 90%, что хорошо согласуется с теоретическими представлениями. После того, как патоген был вовлечен в приземный слой атмосферы, начинают работать механизмы осаждения примеси на подстилающую поверхность.

Внутри посевов зерновых и вблизи от них осаждается от 80% до 100% всех спор, поднятых в воздух. Это вполне согласуется с данными Ф.Грегори 11964) о том, что 90% уредоспор ржавчины вовлеченных в приземный слой атмосферы, осаждается в непосредственной близости от источника.'Значит, для дальнего, крупномасштабного распространения инфекционного начала потенциально пригодно - 10» образовавшихся на посевах спор.

Норшруя (I) на время наблюдений и учитывая приведенные рассуждения, получим Формулу для расчета количества инокулима, принн--мащего участие в крупномасштабном распространении:

О = 2-1*1;'*.Ч*Р*А*С*чо*10"",/Т. (4)

Подставляя сюда известные преде ли всех параметров получим, что Ои В.0-700.0 шт/м2с.. Эти значения близки к полученным ¡жснеримо нтпльно: I.0-890.0 шт/м2с (Санин С.С. и др.,Б печати).

Сухое..Урелоспор бурой ржавчину .¡пзепшщ ОИ^'-ШСса Лф¥УНуН:!Гмтабуоро_ ре»гп); остряио нин г Одним из постоянно д<м1стнунчих процессов |-( им и

на поверхность земли является их сухое о'-аадмые- г.01ы:у1Ш;<: н> механизмов, в результате коп^ш ||«х"А>(»1)1вся и ь^дуде -мпш-д

переходят из взвешенного состояния на поверхность твердых- тел или жидкости без воздействия осадков. Пот in примеси размеров, аналогичных спорам ржавчины,« 20 мкм происходят за счет гравитации, инерционного осаждения на препятствия и путем поглощения самой подстилающей поверхностью [Вельтищева Н.С.,1979; Ferrandi-no F.J.,Aylог D.E.,1985,1985].

В полевых условиях осаждение такой примеси, как уредоспоры ржавчины, характеризуется при помощи двух величин: коэффициента осаждения "d" и скорости осаждения "vd" [Грегори Ф.,19641. Учесть сухое осаждение мы можем: I) в виде средних по пространству и времени величин коэффициента осаждения "d"' или скорости осаждения "vd" и 2) путем решения уравнения баланса массы с граничным условием:

3q

к--,ßq =0. • (5)

где к - коэффициент вертикальной диффузии, 'V- концентрация примеси, "/?''- коэффициент, определяющий степень взаимодействия примеси с поверхностью земли, который без существенных ошибок может быть отождествлен СО скоростью осаждения "Vd"[Elia3sen А., 1980; Fisher В.Е.,1983] .

Для количественного исследования величины сухого осаждения уредоспор бурой ржавчины пшеницы были проведены как наземные, так и авиационные эксперименты по распылению инактивировашшх спор на разной высоте над поверхностью земли. При наземных опытах споры распылялись в высоты 6-25 метров. Во время авиационных экспериментов споры вводились в атмосферу на высоте 300-600 метров. Первый путь заключался в вычислении значений "d" для наиболее интересных, с точки зрения-осаждения, нижних точек споровых

облаков (5-300 м). Эти значения заключены в интервале .ы о.оогн-0.0379), что хорошо соответствует данным Ф.Грегори (19641, у которого dbO.0005-0.0500. Второй путь состоял в определении скорости осаждения инокулша "vd". которая является более универсальной и емкой, чем "J", характеристикой данного процесса. Эксперименты показали, что этот параметр имеет довольно тесную связь со скоростью ветра (рис.2):

Regression of VH.VAR2 on VD.WrtRl

2.5

О

1

5

Рис.;

г з

УПЛ'нК!

ув^ап 1- скорость ветра (м/с), \'п.\'лп 2- скорость осаждения спор (м/с) Зависимость скорости опаждупнн уредоспор бу/юй рвдвчнны пшеницы на поверхность зеити от скорости вотра. На ?*>* уровне значимости эти данный удовлетглряш' с по дутому уравнении:

_ ! 1 г, к ; пиг л i 'i

где vd- ско|*"|':гь огп*.ц»нии, и - < к> i, u-ij >,

Наличие двух характеристик сухого осаждения инокулюма предоставляет паи более широкие возможности При пр верке работоспособности модели крупномасштабного распространения инокулюма и соответствия расчетов независимым данным.

Златаое_вывеаение_уредоспоЕ_возбу®теля

Вымывание осадками или влажное выведение является основным процессом, способствующим удалению, примеси из атмосферы [Метеорология И атомная энергия,1971; Na«ara.ian S.et al., 1977 ,1978; Elias-sen а.,19йо]. Оно является основным фактором, влекущим за собой развитие ЭПИфИТОТИИ [May F.О.,1958; McDonald J.Е.,1962; Rowell J.В. .Rorai« R.W. ,1966). •

Исследование количественной стороны данного явления основано на результатах авиационных экспериментов по улавливанию инокулюма в кучевообразных и слоистообразных облаках, как в случае випадения осадков, так и без них.

При подъеме к нижней кромге данных облаков, концентрация юю-кулюма повсеместно увеличивалась иногда более, чем на порядок. Даже на сравнительно больших высотах (более 2000 м над поверхностью земли) инфекционное начало содержалось в количествах от 3.7 шт/м3 до 8.8 шт/м3. При этом, вне облачности уредосгюры ржавчины практически отсутствовали. Облака, таким образом, являются своеобразными резервуарами болезнетворной примеси.

В случае выпадения осадков, накопленное в облаке количество инфекционного начала захватывается дождевыми каплями и с ними очень бистро достигает поверхности земли. В зависимости от про-дппжительности дождя, уровень содержания инфекционного начала

в атмосфере может уменьшаться более чем в 10 раз. Для того, чтобы оценить величину коэффициента вымывания "о", мы воспользовались агробиологическими данными тех случаев, когда исследовательский самолет попадал в зону осадков. Статистическая обработка экспериментальных данных-показала, что коэффициент вымывания "о" зависит от продолжительности выпадения осадков "1":

в = 1.3451*10~4 + 0,906417/1, и2=0.673, 0=0.218. (7)

где измеряется в секундах.

Расчеты, проведенные по формуле (7) показали, что значения "о" закличет в интервале от 3.1 Ю-4 до П.О Ю-4 1/с при среднем значении =6.3 Ю-4 1/си вполне соответствует литературным сведениям о величине данного параметра.

Убыль концентрации патогена вычисляется из обобщенного степенного закона для значений "о", даваемых формулой (7):

Ч = (В)

где концентрация уредоспор ржавчины после выпадения дождя, продолжительностью 'М.", п0- концентрация спор до выпадения осадков.

Потери^н^екционпоста^ ^авчины

Основным биологическим показателем, опроделянцим потенц;ыш, нуп опасность для посевов зерновых подносимого вет|юм инокулю ма, является его способность заражать зп'^онн^ растения. Показателями биологической активности у|«чйос11..р шмЛуцмгняей

ржавчинных заболеваний зерновых культур, наиболее часто употребляемыми в Фитолатологических исследованиях, служат прорастае-мость и иифекционность [Павлова Т.В.,Санин С.С.,1982; Eversmey-

er M.G,.BurleiKh J.П.,1968; KhiRht J.К.,Lucas J,А.,1980,1981).

Хорошо известно, что не все споры, способные к прорастанию, могут внедряться в здоровое растение [Степанов K.M.,1961]. Поэтому прорастаемость, как характеристика биологической агрессивности "воздушного" инокулюма, не является надежным критерием его потенциальной опасности для зерновых'культур. Для этой цели наиболее пригоден такой показатель, как иифекционность инокулюма, то есть его способность заражать здоровью растения.

Павлова Т.В.,Санин С,С.[1982] показали, что прорастаемость спор бурой ржавчины пшеницы при облучении прямой солнечной радиацией е течении 10-12 часов ежедневно, уменьшалась за 1-ый день на 18%, за 2-ovt день- на 58%, а после 3-его дня- на 79%. При этом иифекционность патогена снижалась быстрее прорастаемость: после 1-ого дня- на 36%, после 2-ого- на 73% и после 3-его- на 90%. В пасмурную погоду инфекциочность спор за данный период времени существенно не менялась или же имела тенденцию к увеличению. При определенных погодных условиях, а также в сумерки и, в некоторых случаях, в ночной период, происходило частичное восстановление инфекционных свойств растительных патогенов. У ржавчинных грибов, как следует из работы Павловой * .В.,Санина С.С.[1982], устранение фотоповреждений происходит, главным образом, по пути темповой репарации. В соответствии с этим, постепенное уменьшение инфекционной способности уредоспор бурой ржайчины пшеницы, в случае их крупномасштабного распространения, имеет вид волнообразно затухающей кривой (рис.З):

0 20 40 60 30 100 120

1нгек.

гнгкк.уаг1- продолжительность облучения прямой

солнечной радиацией (час), 1Н1'Ек.уаг2- коэффициент инфекционности (%).

Рис.3. Зависимость инфекционности уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы от продолжительности облучения прямой солнечной радиацией.

Для того, чтобы использовать показатель инфекционности шшку ■ люма в модели его крупномасштабного распространсчшя, необходимо получить аналитический вид связи, представленный на рис.3. Очевидно, что такую криву» нельзя подставить какой- либо ялемен • тарной Функцией без риска получить ошибочный результат. При аппроксимации зависимости инфекционности уредоспор возбудителя бу рой ржавчины пшеницы от продолжительности облучения примой сол печной радиацией с учетом темповой [»шарицни, щмчалн Сипи при монена интерполяция, а зятем сглаживание кубическим сипяйн м;

s<*> o (9)

XF [xi,xi+l)' 1 = s " C2[a,b).

s- минимизирует Функционал:

b N

I|f) = ([f'(x)]2dx + ¿ P_1tf(x.) - y.]2 i = l 1 a (10)

I(s) = rain I(f)

где p- параметр сглаживания.

После ряда преобразований (9) и (10) сводятся к системе линейных алгебраических уравнений с пятидиагональной матрицей, решаемой методом факторизации (Марчук Г.И.,1977] (программа smspl). . В результате мы находим значения сглаживающего сплайна (К инфек-ционности) в узловых точках, соответствующих времени фиксирования в экспериментах продолжительности облучения спор прямой солнечной радиацией: 0,12,24,36,48,60,7?- и 84 часа. При этом параметр сглаживания "р" не должен быть меньше величины 12.0.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ УРЕДООПОР ВОЗБУДИТЕЛЯ БУЮЛ Р,*.и".'!Ш1П ПШЕНИЦЫ.

Дяя оценки ожидаемого уровня концентр чии спор при их переносе ни расстояния до 1000 км и более, мм имоом все необходимые

Общая система прохождения ИН-Ф рмации при прогнозировании кру!и(омасштабного распространения инокул^ма подставлена на рио.4.

Математическая^^

реализация..

Исходное уравнение для расчета содержания уредос-пор возбуди-

г:: о возбудителе бурой ржавчины пшеницы 1—1

!' ¡1

С-:.\-:■ ссахденне II I Блажное выведение II I ИнФекпионность II -------— ,1 |, 1|

1.

Модельные расчеты концентрации,

осаждения и инфекционности инокулюма по большой территории

Т

1- II '/'■:." э-гковых Прогноз интенсивности

!1 ¡1 ; ь--- •л л-' :-.а растениях первичного заражения растений

,."ноз возможности развития эпиФитотии

рис. 1 структура модели прогноза крупномасштабного распространения уред.сп.:? возбудителя сурой ржавчины пшеницы и ее место в обшей системе Фитопатологических прогнозов.

It

телч бурой ржавчины пшеницы в приземном слое атмосферы может быть представлено в виде:

rlq aq aq aq —= -(u(x,y,z,t)—+ v(x,y,z,t)—+ w(x,y,z,t)-) +

fit ax йу az

a2q a2q a2q

(7T + 7T> + К2ГТ + F " R

ax ay az

(II)

4=0 на г=0, ч=0 на г=1Ц (II.I)

с|(х,у,г,0)=ч0(х,у,2) ; (11.2)

ач

ч = о на г=1., к--рч - о. (II.3)

где ч~ концентрация инокулюма в атмосфере (шт/м3), »,V- горизонтальные составлящпе скорости ветра (м/с),

вертикальная скорость (м/с), кккоэффициенты соответственно горизонтальной и вертикальной диффузии, к- дополнительной поступление' патогена в атмосферу, н- потери инокулюма за счет влажного выведения, я- "потери" за счет уменьшения инфек-ционности, н- высота верхней границы переноса споровых облаков, коэффициент седиментации, имеющий размерность скорости. Непосредственная привязка результатов наыих исследований к данной задаче выглядит следующим образом:

а) верхней границей переноса уредоспор ржавчины является уровень 1.5 км (Сашш С.С..Чуприна В.П.,1986,1988), на ней концентрация патогена ч-о (11,1), (II.3),

б) положение боковых границ выбирается в соответствии с данными о рнсщ>еделении концентрации патогена и составляющих скорости ветра "ч.у",

и) сухое осуждение спор на поверхность земли учитывается двумя способами- путем применения выражении для коэффициента осаждения

е

"d": d = (3.805 10~2*h0,142',2i )/<h*0 . 7-12979-0. 8Я33891

или в граничной условии на поверхности земли (II.3),

где коэффициент седиментации "р" равен скорости осаждения "v^".

вычисляемой по формуле: v, = • 1808и1•00503,

г) начальное поле концентрации уредоспор ржавчины должно быть измерено накануне периода расчетов. Если этого по какой-либо причине сделать не удается, то в начальный момент времени содержание инокулша определяется по Формуле производительности источника : Q = 24 F*S*P*A*C*ci0'»10"'1/T.

Эта же формула используется и' для расчета дополнительного поступления спор в атмосферу, то есть f=q в формуле (II). Если же нет 1шкакой информации о начальном распределении "q", то тогда • полагаем, что q=0;

д) влажное выведение уредоспор'ржавчины осадками вычисляется из обобщенного степенного закона:

е) "потери" жизнеспособности (снижение инфекционности) спорами после облучения солнечной радиацией определяются с помощью программы SMSPL,

Для базовых расчетов нами был использован крупномасштабный эксперимент по исследованию распространения уредоспор ржавчины на большие расстояния, проведенный силами 3-ех лабораторий,аяробио-логии- ВЯИН1>, СКНИИФ и НИСХИ в период с 10 по ГЗ шиш 1969 года. Расчеты проводились на основе данных объективного анализа состава яндих скорости ветра "m,v", полученных наш в Гидрометцентре Foceiiii.

В соответствии с исследованиями Вельтщевой U.C.(1979.19821, пи.ь^г-онци^пьное уравнение (II) аппроксимировалось разностным:

-(0.906417+t 1.34513)

Ч ~ ч0е

3 x J.,3 * n 3 _ „

п (e * - лJv = п (e - - a )pn + I л с v s = l 2s s=l 2® 8=1

+ t (f - r - s) (ie)

где е- единичный оператор, t- шаг по времени, разностный ана-

clq

лог "q". а - разностные аналоги операторов va—, ла- разностные

a2 q Дх в

аналоги операторов кд—^ ,8=1,2,3.

Вертикальная скорость "«" вычислялась на основе тех же данных о составляющих скорости .лтра "u.v" из уравнения неразрывности. Решешю задачи осуществляли методом прогонки. Шаг по горизонтали "лх" задавался равным 150 километрам. Для выбора шага по измени "t" использовалось соотношение tsax/v, где v- характерная скорость ветра, что позволило принять t=I час.

Координаты расчетной сетки объективного анализа составляющих скорости ветра служили основой для привязки на местности данных о засиоренности атмосферы уредоспорами бурой ржавчины пшеницы. Словарь пунктов зондирований с их точными координатами и информацией о фактическом содержании инокулюма в приземном слое атмосферы заключает в себе 122 названия. Расчет полей концентрации, осаждения, вымывания и инфекциошюсти иноку л ша за каждое 24 часа переноса в атмосфере требует 8 минут компьютерного времени.

0Е91евка_модели_прогноза_на_адекватность § с!' q с г гю 1_щ у м __ y q л g вил м. При проведении расчетов за начальный m<wht времени принято . ТО часов МСК 10 имя IS89 года. Из экспериментальных аэробиологических данных были выбраны однотипные сведения, наиболее часто ьстрочавшеся в полетах всех 3-ех авиаотрядов. К таким сведени-

Л" «

ям, как оказалось, относится информация о содержании патогена на высоте 200-400 метров над уровнем земли в 1230-1330 московского времени. Для расчетов, по преимуществу, выбирались те пункты вертикальных зондирований и маршрутных аэробиологических исследодований, данные по которым встречаются более I раза.

Результаты модельных расчетов концентрации уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы при крупномасштабном распространении и их сравнение с фактическими данными представлены в таблице I.

Таблица 1.

соотношение расчетных и Фактических значений концентрации уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы через 13, 37 и 61 час распространения инокулюна в атмосфере на высоте зоо метров.

Район взятия пробы Продолжит. переноса . (час) 3 Концентрация (1/м ) Ошибка

N П/П Расчетные значения Фактические значения расчетов г (г)

1 2 3 4 5 б

1 . Тамбов 13 4. 97 е. ой -37. 76

2. СВ Тамбовск. обл. _ н _ 5, 12 5. 30 -3. 41

3. юв танбовск. обл. _ п _ 5. 53 5.90 -б. го

4. зап. Саратов, обл. — * - 11. 86 7. 10 ' 67.07

5. зап. Пензенск. обл — " - 5. 73 4, 80 19. 40

! У Г - 133.92, Г = 26.76 ср

1. :?ап. Саратов, обл. 37 14. 92 21. 30 -'и. 21

1 с. ¡Пензенская обл. ! 1 .. _ т» _ б. 53 . 5. 90 11. 05

zz

Продолжение таблицы 1.

1 2 3 4 5 6

3. Зап. Саиарск, обл. 37 17, 63 23.60 . -33. 87

ч. Чувашия _ II _ 8. 50 8. 20 3. 58

5. Саратов _ м _ 6. 87 7. 90 -13. 03

6. Ульяновск _ п _ б. 78 И. 50 -41.01

7. Казань _ И _ 6, 97 8, 20 -15,07

8. Самара 19.42 • 14. 20 36, 76

9. Mr Саратов, обл. 25. 33 22, 80 И, 09

to. Уральская обл. 42, 80 31. 70 35. 03

It, Оренбургск, обл. 29, 90 14. 60 104, 82

У Г - 339. 31, Г - 30. 85 ^ CP

1. Самара 61 5. 23 б, 60 -20. 61

г. Вост. Оренбург, об _ н _ 14. 10 25.40 -44, 46

3. юг Оренбург, обл. 10.28 6. 50 58. 11

4. Уральск 33, 73 25, 50 32. 27

1 Вост. Уральск, обл 16. 92 • 15. 20 11. 70

1 Уг - 167.37, г 33,47 CP

Ошибки величиной- более 50 % связаш с недостатком информации в данном пункте зондирования и не являются характерными. Средня;: ..ижЗка р&счэтоз на 1--ый день распространения инокулюма в атмосфера ж пбсодатной величине составляет « 26.8«, на 2-ой день - 30.*«, на 3-мй- 33.5*,.что можно признать хорошим резуль-. тстом для мола лай шшлогичного класса.

Средний по 3-ем дням коэффициент детерминации 1Г=о.72Э, а сред-некиадрятичвскск) отклонение 4=3.71, тогда как аналогичное значе-

нле 'V" для фактических величии концентрации инфекционного начала равняется 8.25.

ПРОГНОЗ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЕРВИЧНОГО ЗАРАЖЕНИЯ РАСТЕНИЯ БУРОЙ РЖАВЧИНОИ ПРИ ЗАНОСЕ ИНОКУЛША ВОЗДУШНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ.

Как известно, возникновение эпифитотии при заносе инокулюма В0здуш1шии течениями зависит от уровня первичного заражения растений, который, в свою очередь, определяется количеством инфекционных частиц в воздухе на момент заражения, условиями реализации инокулюма и устойчивостью растений к латотипу возбудителя болезни [Степанов K.M.,1972; Терехов В.И.,1987]. Применение модели' прогноза крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы позволяет вычислить большинство необходимых параметров, чтобы перейти к прогнозу интенсивности первичного заражения пшеницы бурой ржавчиной.

Раэрабо TKa_M0^em_npgrHg3a_LfflTeHCLroH0CTH П§ЕШ1Щ0™_заражешя_расте^ С мелью разработки модели прогноза интенсивности первичного заражения растений от "воздушного" инокулюма на полях ВНИИФ "Ра-менская горка" в 1982-1984 годах был поставлен специальный эксперимент. Опытными участками являлись посевы слабо-, средне- и восприимчивых к бурой ржавчине сортов пшеницы: Степная-135, Кун-цевская-45 и Мироновская-вОЗ соответственно. В процессе получения уравнения регрессии, позволяющего прогнозировать уровень первичного заражения растений бурой ржавчиной, были внесены некоторые коррективы в применение термина "первич-

ное" заражение. Суть изменений состояла в том, чтобы, учитывая растянутость проявления болезни во времени, прогнозировать интенсивность первичного заражения растений еще на несколько дней вперед. Этот период времени выбирается из критерия не превышения суммы среднесуточных температур воздуха величины 187.0°:

т

135.0 s ¡Г (t,-2) s 187.0. (13)

i = l

где г- длительность периода расчетов.

Расчеты, проведении" на основе метода наименьших квадратов, принесли следующие результаты. Для сорта Степная-135:

у = (0.270 + 1.961 10"3q - 3.299 10_5Т2 + 4.789 10~6f°)*

»10.7 - 0.11 (N - N . )/(N. - N )|, 1? =0.870, п*0.259, (14) 1 min 1 ср

Дня сорта Кун'цевская-45:

у = (0.115 + 1.043 10"3q + 6.267 10~4Т2 + 5.063 10_6f6)*

»10.9 - 0.88IN. - N . )/|N. - N II, F? »0.917, <7=0,129, (15) llQlnicp. \ ■» /

Для сорта Мироновская-808:

у (0.435 - 3.743 10_5q - 1.446 10-3T2 + 4.401 10_6f6)* 41.3,- 0.759(Nj - N^l/INj " Ncpll, H?=0.88G, п=0.0Г>4, (16)

где у- интенсивность первичного заражения растений (х), ч- количество спор на рамке прибора [U1C-7I (I/м2), т- среднесуточная температура воздуха за период расчетов, определяемый по формуле (13), г- фаза развития растений по шкало Фиикоса, п.- количество дней от начала вегетации до даты обнаружения первых спор в воздухе, Na.n.^.^-минимальное и среднее значения мг

г" Х- J

Проверкя^игодности^

О?№ичного_заряжония_растрния. ДПя_пряктичес1<ого_и(Л]опьгчпуяния в_случае_применения ^модели крупномас^^

да?Доспор_ж>збудителя .бурой. ржавчины_ цщеницу. Как известно, уровень перничнчй зараженности пшеницы бурой ржавчиной является основой для постановки прогнозов дальнейшего развития болезни, потерь урожая зерня и определения необходимости и сроков проведения защитных мероприятий.

Поскольку ошибка расчетов по мидели крупномасштабного распространения инфекционного начала, как било показано ранее, не превышает 35%, мы провели проверку пригодности модели прогноза первичного заряжения растений при введении дополнительной 35%-ной погрешности в определение количества спор над посевами зерновых. Результаты проверки представлены в таблице 2.

тзблии.а г.

Статистические характеристик!! соотношения расчетных и

•Мистических .'значений интенсивности первичного заражения пвенивы Сурой гчсавчиной при введении 35и-ой ошибки б определение количеств! спор над посевами.

N П/П 1 Гол Средняя ошибка га:чете в 1г") Ко эф. детегишшии л к" Среднеквадр'атич. отклонение

• | ' ' 1 у—"["у 1 ......,1 • - ЗУ'- * 3 ^ ■/

| 1 1 | г-0..: с, 9, 7 В

ПЛ.Н-1 35 С. 40 ......... "Н _____J 0. 9 3? ________ 0. 094 0. 101 -- -

Продолжение таблицы 2.

1 г 3 4 5 6 7 1 8 \—

г. 1933 30. 854 22. 111 0. 751 0. 950 0. 414 0, 168

3. 1934 32. 230 33. 372 0. 779 0. 764 0. 417- 0. 430

Кунцевская 45

4. 1932 24. 072 24. 468 0. 891 0. 832 0, 037 0. 090

б. 1953 19. 352 21. 269 0. 927 0. 944 0. 243 0. 212

Ь. 19в4 24. 932 25. 901 0. 892 0. 884 0. 139 0. 196

Мироновская -303

Т. 1902 25. 493 2 х 486 0. 743 0. 743 0. 0086 0. 0036

9. 1983 7. 131 7. 358 0. 994 0. 994 0. 054 0. 055

9. 1934 1*1. 691 11. 750 0. 974 0. 974 0. 012 0. 012

Из представленных результатов следует, что если использовать формулы (14)-(16) при увеличении погрешности в определении количества спор над посевами на 35%, то ошибка в расчетах интенсивности первичного заражения растений бурой ржавчиной не превышает 33.372% (о=0.430), наимен-чий коэффициент детерминации п2=0.743. Эти статистические параметры близки их значениям без введения в расчеты дополнительной 35% погрешности. Иными словами, увеличение ошибки определения количества спор над посевами на 35% практически не сказывается на точности прогнозирования интенсивное- , ти первичного заражения растений бурой ржавчиной. А это, в свою очередь, дает основание утверждать, что изменчивость в прогнозировании угрозы возникновения эпифитотии также не будет практиче-

ски значимой.

ВНЕОДН.

1. Для адекватного воспроизведения естественных условий при моделировании крупномасштабного рлгпространения инфекционного начала в приземном слое атмосферы- необходимо учитывать:

а) перенос инокулгма ветром,

б) сухое осаждение уредоспор на поверхность земли,

в) влажное выведение патогенов осадками,

г) потери жизнеспособности спорами под влиянием солнечной радиации .

2. Количество поднимаемого в воздух и переносимого в атмосфере инокулгма определяется скоростью ветра и состоянием посевов пшеницы- густотой стеблестоя, высотой растений и уровнем развития болезни. Максимальная величина подъема патогена в атмосферу ограничена скоростью ветра и составляет « 80х от числа спор, образовавшихся в очаге заболевания.

3. На растояниях от источника до 120-150 метров осаждается « 90% всех спор, отчленяемых с пораженных болезнь» растений пшеницы. В дальнем переносе участвует не более 10% всех'спор, образовавшихся на пораженных ржавчиной посевах пиеницы.

4. Сухое осаждение инфекционного начала при его крупномасштабном распространении может быть учтено двумя способами:

а) путем введения в расчеты эмпирического коэффициента осаждения

б) путем расчета скорости осаждения, зависящей от скорости гетра

5. (М.пк.ч н облачные системы являются естественными накопителями икосу мл, способствуя их дальнему переносу и предохраняя от гуси нытго г,»йствия прямой-солнечной радиации.

я?

Вымывание уредоспор бурой ржавчины из атмосферы происходит по экспоненте ь зависимости от продолжительности выпадения осадков

~А -

при значениях коэффициента вымывания и=3.1*Г0 -1.1*10 Г/с. fi. Улынь жизнеспособности патогена под влиянием прямой солнечной радиации с. учетом темповой репарации происходит волнообразно. После 3-ех дней облучения инфекциониость спор снижается на 90 х. Вычисление характеристик агрессивности инокулюма может быть успешно осуществлено путем сглаживания кубическим сплайном, что подставлено в виде программы smspl.

V. Модель крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы адекватно естественным условиям воспроизводит основные особенности переноса инфекционного начала в пограничном слое атмосферы. Проверка соответствия расчетных и Фактических значений концентрации спор друг другу показала, что с]к;дня>1 ошибка'расчетов в 1-ый день распространения составляет « 26.8х, во ?.-ой « 30.9% и в 3-ий « 33.5*.

8. Прогноз интенсивности первичного заражения растений осуществляется на дату первичного проявления плюс, еще 3-5 дней в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха. Наименьшая теснота связи кг-0.870 <«=0.259). Ошибка в расчетах количества спор над посевами зерновых гтущ крупномасштабном распространении инокулша [фактически не сказывается при постановке прогноза интенсивности первичного заражения растений и при оценке угрозы возникновения эпнЮТотии.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ. I. Всероссийскому научно-исследовательскому институту чрезвычайных ситуаций щкздложено использовать модель крупномасштабного

распространения для гцтгноза опасности массового поряжония пшениц» 0урой ржавчиной на территории России при занося иноку л» мя воздушными потоками.

2. Лаборатории фитосанитярнчго мониторинга Северо- Кавказского научно-исследовательского института фитопатологии и 1 сктору «ни лиза и ситуационных прогнозов развития эпифитотий Всероссийского научно-исследовательского института фитопатологии в связи с су щественным сокращением работ по авиационному контролю содержания спор в пограничном слое атмосферы, рекомендовано осуществлять прогностический мониторинг межрегионального перенося бурой ржавчины на основе представленной в диссертации модели крупномасштабного распространения инфекционного начал«.

3. Система уравнений по математическому моделированию крупномасштабного распространения уредоспор возбудителя бурой ржавчины пшеницы может быть предложена областным СТАЗР, лабораториям фитопатологии и защиты растений научно-исследовательских институтов и другим организациям, располагающим вычислительной техникой и заинтересованным в осуществлении мониторинга данного заболевания .

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.Никифоров Е.В..Санин С.С. Методические предпосылки моделировании крупномасштабного распространения спор фитопатогенннх мик-хюрганизмов. Деп. в ВИНИТИ 30.08.89, м5630-В89.26 с.

2.Никифоров Е.В..Санин С.С. Моделирование крупномасштабного юспространения уредоспор бурой ржавчины пшеницы. В сб."Эпифито-рии сельскохозяйственных культур, их прогноз и профилактика. IV', \Hiim. 1991.169-173.

3.Никифоров Е.В.,Санин С.С. Использование кубического сплайна для сглаживания экспериментальных данных о зависимости инфекционное™ уредоспор'ржавчины пшеницы от продолжительности облучения прямой солнечной радиацией. В сб."Эгтфитотии сельскохозяйственных культур, их прогноз и профилактика.iv", Анапа,199Г,213-217.