降雨对田间小麦锈病孢子日周期的干扰效应：解析机制与提升预测模型的关键

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《Agricultural and Forest Meteorology》：Disruptive effect of rainfalls on the diurnal periodicity of airborne wheat rust spore under field conditions

【字体：大中小】 时间：2025年04月09日 来源：Agricultural and Forest Meteorology 5.6

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　　在小麦生产中，条锈病（Puccinia striiformis f. sp. tritici，Pst）和叶锈病（Puccinia triticina，Pt）威胁巨大。为深入了解孢子传播机制，研究人员开展相关研究。他们发现降雨对孢子浓度影响复杂，有 “雨 puff”“wash - out” 等效应，该结果有助于完善预测模型。

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　　小麦锈病是全球小麦种植区面临的重大威胁，条锈病由 Puccinia striiformis f. sp. tritici（Pst）引起，叶锈病由 Puccinia triticina（Pt）引起，严重影响小麦产量。目前对于锈病孢子传播机制的研究存在不足，许多研究要么仅用田间数据进行相关性分析，未考虑物理机制；要么在控制环境下研究少数机制或因素，缺乏整体的田间研究。而风、雨等因素在自然环境中对孢子传播起着关键作用，因此，深入研究这些因素对孢子传播的影响至关重要。
法国国家农业、食品与环境研究院（INRAE）的研究人员针对这一问题展开研究。他们通过两个月多的时间，将 Burkard 孢子捕捉器每两小时收集的孢子数量与详细气象数据相结合，分析了降雨、湿度、风等因素对小麦冠层上空孢子浓度的影响。研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，设置两个小麦试验田，种植不同品种小麦并接种 Pst 和 Pt 启动锈病流行。其次，利用 Burkard 孢子捕捉器监测空气中孢子浓度，每周收集捕捉带并在显微镜下计数。同时，使用自动气象站收集气象数据，并通过特定模型量化气象变量对孢子浓度的影响。此外，对降雨事件进行分类，分析其对孢子浓度的影响。
研究结果如下：

疾病动态：Pst 接种四周后，“Victo” 地块出现多个次生发病中心，条锈病疫情迅速发展；“Soissons” 地块在 6 月 1 日出现叶锈病症状，疫情从接种点扩散。通过逻辑模型拟合，揭示了疾病的经典进展速率，当空气中孢子浓度超过约 40,000 sp.m^-3.day^-1时达到拐点。
空气孢子浓度动态：Pst 和 Pt 的空气孢子浓度每日变化大，但总体趋势相似，先上升后下降。Pst 的最大两小时孢子浓度在 5 月 19 日 11 时达到，最大日浓度在 5 月 17 日；Pt 的最大两小时浓度在 6 月 17 日 11 时达到，最大日浓度在 6 月 20 日。且两种锈病在一天中近 80% 的孢子在 8 时 - 20 时释放，Pst 孢子最大扩散时间在 13 时 - 15 时，Pt 在 9 时 - 13 时。
气象变量对空气孢子浓度的总体影响：OLS 模型表明，风速（WV）和降雨（R）与空气孢子浓度增加相关，是较好的预测指标；相对湿度（RH）和温度（T）的影响更具可变性。T 对 Pt 有正向影响，对 Pst 无显著影响；RH 对 Pst 有负向影响，对 Pt 无显著影响；WV 对 Pt 影响显著，对 Pst 不显著；R 对 Pt 和 Pst 均有显著正向影响。
降雨事件对空气孢子浓度的影响：前驱雨通常导致孢子浓度增加，大幅降雨或长时间干旱后的小雨都能引发这种上升。后续雨一般使孢子浓度降低，但在 2 - 4 小时干燥间隔后的后续雨，其影响因降雨强度而异。长时间降雨会严重破坏孢子浓度的日周期，使浓度大幅降低超 24 小时，且最后显著的浓度峰值常出现在降雨事件中。
湿度和风速对空气孢子浓度的影响：阵风强度（GI）大于 3.5 m.s^-1时，孢子浓度比小于 1.5 m.s^-1时高十倍。风速与孢子浓度关系呈上升趋势，但有阈值效应，Pt 的阈值在 2.5 - 3 m.s^-1，Pst 在 3 - 3.5 m.s^-1。相对湿度在 50% - 65% 时，两种锈病的平均空气孢子浓度达到峰值，超过 85% 时浓度很低。
湿度和风速对传播单元大小的影响：随着相对湿度增加，Pst 传播单元大小减小，90% RH 时，超 70% 的传播单元为单个孢子，低于 60% 时不到 35% 。风速增加时，Pst 传播单元大小增大，小于 1 m.s^-1时，超 80% 为单个孢子，超过 3 m.s^-1时不到 50% 。Pt 受这两个气象变量影响趋势相同，但不太明显。
研究结论和讨论部分指出，叶锈病流行比条锈病晚约一个月，与孢子浓度动态变化一致。多种气象变量影响空气孢子浓度的日周期，其中风速和降雨对孢子去除机制有正向影响，湿度有负向影响，温度影响不明显。湿度和风速对 Pst 和 Pt 的影响存在差异，可能与传播单元大小有关。降雨对孢子浓度日周期的影响具有破坏性、异步性和拮抗性，前驱雨和后续雨的影响不同，且存在多种雨驱动的孢子扩散机制。该研究成果有助于理解粒子在植物冠层内的传输物理过程，为预测模型提供了更准确的依据，强调了基于机制驱动假设进行研究的重要性，避免变量间不合理的相关性分析。同时，研究也指出了当前研究的局限性，如采样高度和气象数据精度等问题，为后续研究提供了方向。