即時(shí)焦點(diǎn)：科學(xué)普及 | 如何從太空觀測(cè)稻瘟病發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程？

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(gè)東亞和東南亞的人口都以稻米為食。水稻也是我國(guó)第二大糧食作物，2021年我國(guó)水稻種植面積約4.5億畝，其產(chǎn)量約占我國(guó)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，其中稻瘟病（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(shí)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(shí)晴時(shí)雨、或早晚有云霧或結(jié)露條件，會(huì)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(guò)田間調(diào)查來(lái)獲取，這種方法不僅費(fèi)時(shí)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(shí)效高精度監(jiān)測(cè)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(shí)有效的大面積水稻病害監(jiān)測(cè)，對(duì)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(guò)接收目標(biāo)物體的反射或輻射電磁波探測(cè)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(chóng)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(guó)或某個(gè)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(lái)的，而是通過(guò)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(lái)，普通人員通常不能直接識(shí)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(duì)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(guò)程相關(guān)背景知識(shí)。稻瘟病對(duì)水稻生長(zhǎng)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(wú)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(chóng)侵害的植物在表現(xiàn)出明顯的外在癥狀前，比如葉色開(kāi)始變化前幾天或幾周，會(huì)減弱對(duì)近紅外光（750~950 nm）的反射能力。利用這個(gè)特性，我們不僅可以在稻瘟病發(fā)生之后監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害的發(fā)生與分布情況，還可以在病蟲(chóng)害癥狀出現(xiàn)前對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行早期預(yù)測(cè)。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(cè)到的就是不同的反射光譜（圖2）。而從衛(wèi)星來(lái)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(chóng)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(lèi)流行病的傳播規(guī)律類(lèi)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(kāi)始，搭乘風(fēng)和水流的“順風(fēng)車(chē)”，逐漸向周?chē)仓陚鞑?。我們?duì)人類(lèi)測(cè)量體溫，可以初步確定感冒等疾病，通過(guò)對(duì)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(cè)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(shí)，我們首先從衛(wèi)星觀測(cè)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(guò)一段時(shí)間連續(xù)的衛(wèi)星觀測(cè)，我們還能知道某個(gè)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(duì)稻瘟病的發(fā)生概率進(jìn)行及時(shí)預(yù)測(cè)。在稻瘟病對(duì)水稻形成危害之前，通過(guò)及時(shí)噴施農(nóng)藥和水肥管理等措施，來(lái)阻止稻瘟病的發(fā)生和切斷稻瘟病的傳播。從衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)稻瘟病發(fā)生的準(zhǔn)確“診斷”，對(duì)于遏制病害蔓延、病害定損評(píng)估、早期病害預(yù)測(cè)預(yù)警至關(guān)重要，也為通過(guò)衛(wèi)星從太空預(yù)測(cè)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(gè)不同試驗(yàn)區(qū)稻瘟病發(fā)生趨勢(shì)圖

深紅和深綠分別代表呈現(xiàn)惡化和恢復(fù)趨勢(shì)的區(qū)域

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

作者介紹

本文作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)2018級(jí)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(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。在遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊Remote Sensing of Environment發(fā)表稻葉瘟早期監(jiān)測(cè)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