CC BY
74
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10304 УДК 632.92:632.93
КЛЮЧЕВЫЕ БИОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТЕРЬ УРОЖАЯ КАРТОФЕЛЯ ОТ ФИТОФТОРОЗА*
А. В. ФИЛИППОВ, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: alexey@vniif.ru)
М. А. КУЗНЕЦОВА, кандидат биологических наук, зав. отделом
A. Н. РОГОЖИН, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
B. Н. ДЕМИДОВА, кандидат биологических наук, научный сотрудник
И. А. ДЕНИСЕНКОВ, аспирант
Н. В. СТАЦЮК, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии, ул. Институт, вл. 5, р. п. Большие Вяземы, Одинцовский р-н, Московская обл.,143050, Российская Федерация
Резюме. Более чем 150летфитофтороз картофеля остается одной из самыхопасныхболезней культуры. Минимизация возможныхпо-терь урожая требуетприменения комплекса защитныхмероприятий, включая фунгицидные обработки. Однако активное использование химических препаратов может оказывать негативное влияние на окружающую среду, в связи с чем в последние годы становятся все более востребованными стратегии защиты, предусматривающие оптимизацию количества обработок пестицидами в зависимости от климатическихусловий. На основании данных о развитии фитофто-роза на экспериментальном поле ВНИИ фитопатологии в течение 30 сезонов авторы исследования вычислили площади под кривыми, характеризующими динамику болезни в течение всехвключенных в исследование сезонов, а также соответствующие им потери урожая картофеля (в %), вызванные преждевременным отмиранием ботвы пораженных растений. Расчетные значения потерь урожая были сопоставлены с метеорологическими условиями, зарегистрированными в рассматриваемые сезоны. В результате проведенного анализа были определены ключевые биометеорологические факторы, влияющие на развитие болезни (суммарная частота пятисуточных периодов с метеоусловиями, благоприятнымидля инфекций, и доля частот таких периодов в фазе быстрого роста ботвы относительно общего их количества), и разработана математическая модель для расчета потерь урожая картофеля от фитофтороза. Модель прошла успешную проверку на независимом экспериментальном материале, представляющем собой результаты учета развития фитофтороза на необрабатываемых фунгицидом полях картофеля в окрестностях г. Лелистада (Нидерланды) и Мюнхена (Германии), полученных в рамках программы исследований международного консорциума Euroblight. Отклонение значений расчетных потерь урожая, полученных при использовании математической модели и метеоданных с местпроведенияэкспериментов, отфактическихне превышало 10 %, составив в среднем по 9 экспериментам примерно 4,5 %. Разработанную модель можно применять для картирования картофелеводческих регионов с градацией по уровню ожидаемых потерь (высокие, средние, низкие).
Ключевые слова: картофель, математическая модель, фитофтороз, потери урожая, коэффициент детерминации. Для цитирования: Ключевые биометеорологические факторы для оценки потерь урожая картофеля от фитофтороза / А. В. Филиппов, М. А. Кузнецова, А. Н. Рогожин и др. //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 3. С. 21-23. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10304.
Фитофтороз, вызываемый оомицетом Phytophthora infestans (Mont.) dBy., относится к наиболее опасным болезням картофеля. Несмотря на значительный запас знаний, накопленный относительно этой болезни,
фитофтороз повсеместно продолжает быть главным фактором, ограничивающим производство картофеля. При отсутствии защитных мероприятий потери урожая от этой болезни могут достигать 100 %.
Диапазон метеорологических условий, при которых возможно производство картофеля в нашей стране, шире, чем диапазон метеоусловий, благоприятных для развития фитофтороза. Поэтому экономическое значение болезни в различных регионах РФ - неодинаковое, что, в свою очередь, определяет и разный уровень затрат, необходимых для борьбы с ее возбудителем. Например, в Великобритании потери картофелепроизводства при отсутствии защитных обработок составляют 363 млн фунтов стерлингов в год, а при 10-12-кратном применении фунгицидов - 55 млн фунтов стерлингов [1].
До сих пор информация о вредоносности фитофтороза в российских картофелеводческих регионах остается весьма приблизительной. Анализ отчетов региональных станций защиты растений и созданных позже региональных сельскохозяйственных центров свидетельствует, что фитофтороз наиболее вредоносен в Западном и СевероЗападном регионах, а также в некоторых частях Дальнего Востока, наименьшую вредоносность болезни отмечают в юго-восточных регионах европейской части России и в Сибири. Большинство посадок картофеля расположено в климатической зоне, где частота эпифитотий фитофтороза не превышает 50 %, то есть в зоне чередования сезонов с сильным и слабым развитием болезни. При этом в пределах одного сезона нерегулярно повторяются периоды с благоприятными и неблагоприятными для ее развития условиями. Очевидно, что защитные обработки, проводимые в сезоны или периоды с неблагоприятными для развития фитофтороза условиями, убыточны.
Цель нашего исследования - районирование территории страны по степени угрозы развития эпифитотий, основанной на измерении величии потерь урожая от этой болезни. Для ее достижения необходимо было найти ключевые параметры, с помощью которых можно рассчитывать потери урожая картофеля от фитофтороза.
Условия, материалы и методы. В исследовании использовали данные о развитии фитофтороза картофеля на естественном инфекционном фоне на экспериментальном полевом участке ВНИИ фитопатологии, расположенном в Московской области, полученные в течение 30 сезонов в период 1972-2017 гг., и данные по сложившимся в указанные сезоны метеорологическим условиям, зафиксированные на стационарной метеостанции. В качестве показателя интенсивности развития фитофтороза использовали величины потерь урожая, рассчитанные для незащищенных (необработанных) растений картофеля. Потери урожая в каждом сезоне вычисляли на основании последовательных учетов пораженности ботвы (6-10 раз за сезон). Степень по-раженности ботвы определяли с использованием шкалы Британского микологического общества [2]. Для расчета потерь урожая, связанных с преждевременным отмира-
* Работа выполнена в рамках раздела КПНИ «Развитие селекции и семеноводства картофеля», направление №8 «Мониторинг и изучение болезней и вредителей картофеля, разработка методов диагностики».
нием инфицированных листьев, использовали гипотезу Ван дер Планка о том, что они пропорциональны площади под кривой, описывающей динамику болезни.
Потери урожая картофеля от фитофтороза вычисляли по номограмме [3] на основе следующей зависимости:
А1ЮРС
Таблица 1. Исходные данные для определения зависимости вредоносности фитофтороза картофеля от метеорологических условий
СО
•100,
где Ю - потери, вызванные преждевременным отмиранием листовой поверхности растений, %; AUDPC -площадь под кривой, описывающая динамику развития болезни (усл. ед.); q - число дней от фазы бутонизации растений до отмирания неинфицированных листьев (среднее значение q для ранних, средних и среднепоздних сортов картофеля 46, 52 и 84 дня, соответственно, если листья отмерли в результате мороза или других причин, не связанных с болезнью, то q принимали равным числу дней от фазы бутонизации до гибели листьев).
Рассчитанные для каждого года потери урожая картофеля от фитофтороза сопоставляли с метеорологическими условиями.
В качестве предикторов использовали повторяемость и распределение в течение сезона комплекса метеоусловий благоприятных для реинфекций растений возбудителем фитофтороза. Вычисления проводили с использованием математической модели VNIIFBlight [4, 5], которая идентифицирует типы погоды благоприятной или неблагоприятной для реинфекции [6]. Реинфекции диагностируются при исследовании метеоданных пяти суточных периодов с помощью двух уравнений:
Y = -32,474 + 0,750x1 + 0,412x2 + 0,410x3 + 0,278x4 + 0,740x5+ 0,309x6 -0,076x7 + 0,168x8+ 0,065x9 + 0,004x10 +
' 5' 6' 7 ' 8' 9' 10
2,881x11 + 1,985x12+ 1,988x13 + 1,792x14 + 0,538x15 и
Y2 = -31,342 + 0,639x1 + 0,372x2 + 0,497x3 + 0,220x4 + 0,655x5 + 0,241x6- 0,066x7 - 0,150x8 - 0,135x9 + 0,152x1C1 + 4,881x11 + 3,553x12 + 3,343x13 + 2,509x14 + 2,297x15,
где x1 2345 и x678 9 10 - максимальная и минимальная температуры в 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й дни прогноза соответственно, °С; x1112131415 - факт выпадения осадков в 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й дни соответственно (1 - осадки ожидаются,
0 - осадки не ожидаются).
Если Y1 < Y2, то ожидается реинфекция растений и, следовательно, вспышка в динамике заболевания.
Ранее проведенные исследования показали, что успешность определения реинфекций на независимой выборке с использованием указанного уравнения равна 85,7 % [4].
Для выбора лучшего варианта определяли значения коэффициентов корреляции между потерями урожая и частотой периодов благоприятных для реинфекций. При этом расчеты проводили отдельно для трех временных периодов развития вегетационной массы картофеля:
1 период - 15 июня - 4 июля (до смыкания ботвы в рядке);
II период - 5 июля - 24 июля (смыкание ботвы - цветение);
III период - 25 июля - 15 августа (после цветения).
Результаты и обсуждение. Согласно использованным для анализа данным, в течение 30-летнего периода потери урожая картофеля от фитофтороза колебались от1до 66 %, а суммы пятисуточныхпериодов с условиями погоды, благоприятными для реинфекции, - от 1 до 32 (табл. 1).
Наиболее высокая корреляция между потерями урожая и частотой пятисуточных периодов с условиями, благоприятными для реинфекции, была отмечена для периода 5-24 июля (табл. 2), который соответствует фазе быстрого роста растений, когда масса ботвы удваивается каждые 4-5 дней. Поэтому для анализа было решено использовать две переменные:
Год AUDPC, ед Потери урожая от фитофтороза, % Число периодов с условиями, благоприятными для реинфекции (Y1 < Y)
1972 40 1 6
1973 2421 4 3
1977 1376 26 12
1982 1147 22 25
1983 1640 31 21
1984 2580 50 29
1987 1280 24 24
1991 912 10 19
1992 350 5 1
1993 1331 25 25
1994 850 17 20
1995 592 11 18
1996 1341 26 20
1997 46 1 5
1998 686 18 28
2002 82 3 7
2004 3138 62 16
2005 502 2 11
2006 738 10 15
2007 82 13 14
2008 1890 39 23
2009 819 16 19
2010 42 1 1
2011 422 7 8
2012 3176 61 10
2013 3421 66 12
2014 850 16 14
2015 2968 57 14
2016 2815 54 12
2017 3065 59 32
1) суммарная частота пятисуточных периодов с условиями погоды благоприятными для реинфекций (х);
2) доля частот таких периодов в фазе быстрого роста ботвы (5-24 июля) относительно общего их количества за весь период развития растений (г).
В результате проведенного анализа было получено уравнение, с помощью которого можно определить величину потерь урожая от фитофтороза в зависимости от погодных условий сезона. Если сумма пятисуточных периодов с условиями, благоприятными для реинфекции, за весь период развития растений (с15 июня по 25 августа) превышает 8, то расчеты следует проводить по формуле:
О = 2,3752 + 0,4877х + 67г,
где О - потери урожая от фитофтороза, %; х - число пятисуточных периодов с условиями погоды, благоприятными для реинфекции растений; г - доля частот таких периодов в фазе быстрого роста ботвы относительно их суммарного количества.
Если сумма пятисуточных периодов с условиями благоприятными для реинфекции за весь период развития растений меньше или равна 8, то расчеты следует проводить по уравнению:
О = 0,95х + 0,022.
Таблица 2. Коэффициенты корреляции между потерями урожая картофеля от фитофтороза и частотой периодов реинфекций в различные периоды вегетационного сезона
Период развития растений Частота реинфекций
I (15 июня - 4 июля) -0,04
II (5 июля - 24 июля) 0,78
III (25 июля - 15 августа) -0,2
Таблица 3. Сравнение фактических и расчетных потерь урожая картофеля от фитофтороза
Точка сбора данных Год Фактические потери, % Расчетные потери, % Отклонение, %
Мюнхен 2011 41 40 -1
(Германия) 2012 32 42 10
2013 14 8 -6
2014 40 35 -5
2016 20 24 4
Лелистад 2011 49 50 1
(Нидерланды) 2012 35 41 6
2014 26 33 7
2015 42 41 -1
Разработанная на основе указанных данных математическая модель была проверена на независимом материале -результатахучетов развития фитофтороза на незащищенных посадках картофеля в окрестностях г. Лелистада (Нидерланды) и г. Мюнхена (Германия). Такие исследования были проведены в рамках программы консоциума Euroblight (www. euroblight.net). Кроме того, использовали погодные данные, полученные на метеостанциях Леллистада (N52°45', E5053', высота над уровнем моря - 3 м [7]) и Мюнхена (N48°13', E11°55', высота над уровнем моря - 520 м [8]).
Результаты проведенной проверки продемонстрировали удовлетворительную степень совпадения расчетных данных с фактическими: величина отклонений не превысила 10 % (табл. 3), что сравнимо с достижимым уровнем точности при оценке потерь урожая (10-15 %).
Выводы. На основе анализа 30-летних данных по развитию фитофтороза картофеля на незащищенных растениях и соответствующих им метеоданных была разработана математическая модель, описывающая связь вредоносности болезни с метеоусловиями: œ = 2,3752 + 0,4877x + 67z (при x > 8) œ = 0,95x + 0,022 (при x < 8),
где œ - потери урожая от фитофтороза, %; x - число пятисуточных периодов с условиями погоды, благоприятными для реинфекции растений; z - доля частот таких периодов в фазу быстрого роста ботвы относительно их суммарного количества. Вероятность реинфекции растений определяется с использованием двух предикторов - Y1 и Y2, рассчитываемых на основании метеоданных для пятисуточных периодов; если Y1 < Y2, то ожидается реинфекция растений и, следовательно, вспышка в динамике заболевания.
Сравнение фактических потерь урожая с потерями, рассчитанными с использованием модели и метеоданных с мест проведения экспериментов, показало достаточно хороший уровень соответствия результатов: отклонение расчетных потерь урожая от фактических не превышало 10 %, составив в среднем по 9 экспериментам примерно 4,5 %. Разработанную модель можно применять для картирования картофелеводческих регионов России с градацией по уровню ожидаемых потерь (высокие, средние, низкие) на основании метеоданных, полученных для каждого конкретного региона.
Литература.
1. Pesticide availability for potatoes following revision of Directive 91/414/EEC: Impact assessments and identification of research priorities/S. Twining, J. Clerke, S. Cook, etc. [Электронный ресурс] URL: http://www.potato.org.uk/sites/default/files/publication_ upload/20092_Pesticide_availability_Report_R415_0.pdf (дата обращения: 27.01.2018).
2. Cox A. E., Large E. C. Potato late blight epidemics throughout the world/Agriculture Handbook Series 174. Washington: United States Department of Agriculture, 1960. 234 p.
3. A new approach to measure potato susceptibility to Phytophthora infestans, a causal organism of the late blight/A. V. Filippov, M. A. Kuznetsova, S. Y. Spiglazova, etc. // PPO-Special Report. 2013. No. 16. Рр. 223-231.
4. Стародуб И. Л., Гуревич Б. И. Использование пятидневного прогноза погоды для вычисления вероятности вспышек фитофтороза картофеля //Метеорология и гидрология. 1989. № 7. С. 28-36.
5. Филиппов А. В. Фитофтороз картофеля // Защита и карантин растений. 2012. № 5. C. 64-65.
6. Efficacy of the VNIIFBlight decision support system in the control of potato late blight in Russia/A. V. Filippov, M. A. Kuznetsova, A. N. Rogozhin, eta // PPO-Special Report. 2008. No. 13. Рр. 243-250.
7. Архив погоды в Lelystad// Справочно-информационный портал «Погода и климат». [Электронный ресурс]. URL: http:// www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=06269 (дата обращения: 27.01.2018).
8. Архив погоды в Muenchen-Stadt//Справочно-информационный портал «Погода и климат». [Электронный ресурс]. URL: http://www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=10865 (дата обращения: 27.01.2018).
KEY BIOMETEOROLOGICAL FACTORS FOR ESTIMATING POTATO YIELD LOSSES CAUSED
BY LATE BLIGHT
A. V. Filippov, M. A. Kuznetsova, A. N. Rogozhin, V. N. Demidova, I. A. Denisenkov, N. V. Statsyuk
All-Russian Research Institute of Phytopathology, ul. Institut, vl. 5, r.p. Bol'shie Vyazemy, Odintsovskii r-n, Moskovskaya obl., 143050, Russian Federation
Abstract. Late blight remains one of the most devastating potato diseases for more than 150 years. To minimize yield losses, potato producers apply various protective measures including treatments of fields with fungicides. However, active use of fungicides may have a negative influence on the environment. Due to this fact, protection strategies, able to optimize the number of required fungicidal treatments depending on climatic conditions became popular in recent years. Based on the information about the late blight development on the experimental field of the All-Russian Research Institute of Phytopathology, collected during 30 seasons, the authors calculated AUDPC values characterizing the dynamics of disease development for all these seasons and then determined the corresponding potato losses caused by a premature death of above-ground parts of infected plants. Calculated yield losses were compared with weather conditions registered for the studied seasons. As a result of the analysis, the key meteorological parameters influencing the disease development were determined (the total frequency of 5-day periods favorable for the late blight development and the share of the frequency of such periods falling into the rapid plant growth stage in relation to the total frequency). Based on these parameters, a mathematical model was developed to calculate potato yield losses caused by the late blight. The model was successfully verified using independent experimental data on the late blight development on unprotected potato fields near Lelystad (Netherlands) and Munich (Germany) obtained within the framework of the research program of the international Euroblight consortium. Deviation of the yield loss values calculated using the model and weather data from the above-mentioned geographical points (9 fields) from the real values of yield losses did not exceed 10%; the average deviation was about 4.5%. The developed model can be used for mapping of potato-growing regions with their gradation according to the level of expected losses (high, medium, low). Keywords: potato; mathematical model; late blight; yield losses; determination coefficient.
Author Details: A. V. Filippov, Cand. Sc. (Biol.), leading research fellow (e-mail: alexey@vniif.ru); M. A. Kuznetsova, Cand. Sc. (Biol.), head of division; A. N. Rogozhin, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow; V. N. Demidova, Cand. Sc. (Biol.), research fellow; I. A. Denisenkov, post graduate student; N. V. Statsyuk, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow.
For citation: Filippov A. V., Kuznetsova M. A., Rogozhin A. N., Demidova V. N. Denisenkov I. A., Statsyuk N. V. Key Biometeorological Factors for Estimating Potato Yield Losses Caused by Late Blight. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 3. Pp. 21-23 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10304.
