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即時焦點(diǎn):科學(xué)普及 | 如何從太空觀測稻瘟病發(fā)生的動態(tài)變化過程?

時間:2022-12-09 09:54:55    來源:光明網(wǎng)    

水稻是世界上最主要的糧食作物之一,世界上接近一半的人口,包括整個東亞和東南亞的人口都以稻米為食。水稻也是我國第二大糧食作物,2021年我國水稻種植面積約4.5億畝,其產(chǎn)量約占我國糧食總產(chǎn)三分之一。危害水稻生產(chǎn)的三大主要病害為:稻瘟病、紋枯病和白葉枯病,其中稻瘟?。?em>Magnaporthe oryzae)是流行最廣、威脅全球水稻生產(chǎn)的最具破壞性的真菌病害。稻瘟病孢子可以借助流水、風(fēng)、土壤等多種方式擴(kuò)散。稻瘟病菌可在水稻不同生育時期、不同部位形成危害,據(jù)此,稻瘟病可以分為葉瘟、穗瘟、枝梗瘟等(圖1)。適溫高濕,有雨、霧、露存在條件下有利于發(fā)病。病害的擴(kuò)展靠分生孢子在空氣中傳播,高濕有利分生孢子形成飛散和萌發(fā),而高濕度持續(xù)達(dá)一晝夜以上,則有利于病害發(fā)生流行。陰雨連綿、日照不足或時晴時雨、或早晚有云霧或結(jié)露條件,會加速病情擴(kuò)展迅速?,F(xiàn)有的稻葉瘟發(fā)病信息主要通過田間調(diào)查來獲取,這種方法不僅費(fèi)時費(fèi)力,而且存在以點(diǎn)帶面的代表性差等弊端,難以滿足大范圍稻瘟病高時效高精度監(jiān)測的需求。

水稻不同器官感染稻瘟病后的癥狀稻瘟病幾乎年年都發(fā)生,只是發(fā)病面積大小與危害輕重不同而已。及時有效的大面積水稻病害監(jiān)測,對于提出科學(xué)有效的防治措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。遙感技術(shù)是一種遠(yuǎn)距離、在不直接接觸目標(biāo)地物的情況下,通過接收目標(biāo)物體的反射或輻射電磁波探測地物波譜信息,并獲取目標(biāo)地物的光譜數(shù)據(jù)與圖像的技術(shù)。目前遙感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于作物病蟲害研究領(lǐng)域。遙感衛(wèi)星能夠從太空拍照并且傳回地球,圖片可以顯示出全中國或某個省、市、縣的哪些地方種了水稻、哪些地方發(fā)生了稻瘟病,以及這些地方發(fā)病的嚴(yán)重程度。但圖像數(shù)據(jù)所提供的信息不是直接呈現(xiàn)出來的,而是通過一種或多種圖像上復(fù)雜形式的色調(diào)、結(jié)構(gòu)及它們的變化表現(xiàn)出來,普通人員通常不能直接識別出這些特征,需要專業(yè)人員進(jìn)行“翻譯”。


(相關(guān)資料圖)

衛(wèi)星傳感器對地成像示意圖要“翻譯”衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù),必須要了解稻瘟病菌與水稻“斗智斗勇”的生理過程相關(guān)背景知識。稻瘟病對水稻生長的影響,主要有外部形態(tài)變化和內(nèi)部生理變化2種表現(xiàn)形式。外部形態(tài)變化主要表現(xiàn)在冠層形狀的改變,如落葉、葉片卷曲、植株倒伏等;內(nèi)部生理變化則表現(xiàn)為葉綠素組織遭到破壞后,光合作用、養(yǎng)分與水分吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)等生理生化機(jī)制發(fā)生改變。無論外部形態(tài)或內(nèi)部生理發(fā)生變化,都將不可避免地導(dǎo)致作物光譜特征發(fā)生變化。此外,受到病蟲侵害的植物在表現(xiàn)出明顯的外在癥狀前,比如葉色開始變化前幾天或幾周,會減弱對近紅外光(750~950 nm)的反射能力。利用這個特性,我們不僅可以在稻瘟病發(fā)生之后監(jiān)測病蟲害的發(fā)生與分布情況,還可以在病蟲害癥狀出現(xiàn)前對病蟲害進(jìn)行早期預(yù)測。水稻這種由內(nèi)部病菌侵染造成的外部形態(tài)變化,從衛(wèi)星上觀測到的就是不同的反射光譜(圖2)。而從衛(wèi)星來發(fā)現(xiàn)稻瘟病的本質(zhì),就是要捕捉這種光譜變化,進(jìn)而分析作物是否受到病蟲害侵染、侵染程度以及侵染階段。

從Sentinel-2衛(wèi)星影像提取的健康和不同病情指數(shù)下水稻冠層反射率光譜

與人類流行病的傳播規(guī)律類似,稻瘟病在稻田自然條件下的爆發(fā)也是從發(fā)病中心開始,搭乘風(fēng)和水流的“順風(fēng)車”,逐漸向周圍植株傳播。我們對人類測量體溫,可以初步確定感冒等疾病,通過對遙感圖像的分析,我們也能判斷水稻田里的“熱點(diǎn)”(感染)和正常區(qū)域。感染區(qū)域的像素在遙感圖像上表現(xiàn)為異常值,稻瘟病監(jiān)測最主要的目的,就是準(zhǔn)確地找到這些異常值,以便后續(xù)采取防治措施。具體操作為,借助于衛(wèi)星拍攝的遙感圖片和稻瘟病侵染相關(guān)知識,我們首先從衛(wèi)星觀測農(nóng)田里稻葉瘟集中爆發(fā)在什么位置、不同位置的稻瘟病發(fā)病程度等信息(圖4)。通過一段時間連續(xù)的衛(wèi)星觀測,我們還能知道某個田塊稻瘟病是變得更嚴(yán)重,還是逐漸自愈。在掌握了稻瘟病爆發(fā)的這些規(guī)律之后,我們結(jié)合稻瘟病菌的生活習(xí)性(如溫度、濕度等)就能對稻瘟病的發(fā)生概率進(jìn)行及時預(yù)測。在稻瘟病對水稻形成危害之前,通過及時噴施農(nóng)藥和水肥管理等措施,來阻止稻瘟病的發(fā)生和切斷稻瘟病的傳播。從衛(wèi)星平臺對稻瘟病發(fā)生的準(zhǔn)確“診斷”,對于遏制病害蔓延、病害定損評估、早期病害預(yù)測預(yù)警至關(guān)重要,也為通過衛(wèi)星從太空預(yù)測預(yù)警水稻主產(chǎn)區(qū)稻葉瘟爆發(fā)提供了重要的技術(shù)支撐。

基于衛(wèi)星遙感圖像得到的三個不同試驗(yàn)區(qū)稻瘟病發(fā)生趨勢圖

深紅和深綠分別代表呈現(xiàn)惡化和恢復(fù)趨勢的區(qū)域

黑色點(diǎn)代表實(shí)地調(diào)查呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢的樣方- - - - - -

作者介紹

本文作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)2018級博士研究生田龍,在讀期間圍繞基于反射光譜的稻瘟病早期監(jiān)測課題,構(gòu)建了耦合機(jī)器學(xué)習(xí)與光譜特征選擇的稻葉瘟早期階段高精度監(jiān)測模型;創(chuàng)建了適用于多尺度稻葉瘟病情指數(shù)準(zhǔn)確估算的光譜指數(shù);首次實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星遙感的小農(nóng)戶田塊稻葉瘟?xí)r空動態(tài)變化監(jiān)測。在遙感領(lǐng)域頂級期刊Remote Sensing of Environment發(fā)表稻葉瘟早期監(jiān)測論文2篇?!?●

撰稿人:田龍,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)系博士研究生

審核人:程濤,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)系教授,博士生導(dǎo)師

責(zé)編:謝蕓

標(biāo)簽: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 形態(tài)變化

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