农民早就注意到，暴雨与植物病害暴发之间存在相关性。被称为“锈病”的真菌寄生物在降雨后尤其容易迅速蔓延，侵蚀小麦叶片，并可能导致作物减产。
尽管历史天气记录表明，降雨可能会使锈病及其他病原体在植物群体中扩散，但这种现象发生的机制此前一直未得到探究。如今，这一问题终于有了研究。
在发表于 《英国皇家学会界面期刊》 的一篇论文中，来自麻省理工学院（MIT）和比利时列日大学的研究团队展示了高速影像：雨滴落在多种覆有受污染液体的叶片上并溅起水花。高分辨率影像显示，雨滴可以充当传播媒介，有时会将受污染的液滴弹射到远离其叶片源头的地方。
研究人员观察到具有特征性的传播模式，并发现传播范围取决于植物的机械性质，尤其是其顺应性，也就是柔韧性。
麻省理工学院土木与环境工程系埃丝特与哈罗德·E·埃杰顿职业发展助理教授莉迪娅·布鲁伊巴表示，了解植物机械性质与疾病传播之间的关系，或许有助于农民种植更抗病的田地。
“我们可以开始思考如何以巧妙的方式重新设计多作物种植：让不同植物物种交替种植，并使它们在不同生长阶段具有互补的机械性质，”论文资深作者布鲁伊巴说。“如果考察本土文化，多作物种植是一个古老的概念；但这项研究以科学方式表明，在同一块田里交替种植植物，可以通过机械作用和自然方式，在降雨期间缩小病原体的传播范围。”
追踪病害暴发中的流体动力学
在论文中，布鲁伊巴和列日大学的特里斯坦·吉莱首先探讨了一个广为接受的假设：病原体会在叶片上形成一层薄膜。
研究团队对数十种常见植物叶片进行了实验，包括常春藤、竹子、薄荷和香蕉叶。每种叶片都进行了数百次实验，使用了30种真实植物叶片样本和12种人工制成的材料。在初步试验中，研究人员让水流经一个戳有细小孔洞的容器，以模拟降雨。容器悬挂在空中数米高处，足以让水滴达到终端速度——即真实雨滴撞击时的速度。
研究人员以每秒1,000帧的高速摄像记录雨滴撞击每片叶子的过程。从影像中，布鲁伊巴和吉莱注意到，水落下时，叶片无法支撑一层薄膜，水反而会在其表面形成液滴。研究团队由此得出结论：病原体也必定是以液滴而非薄膜的形式停留在叶片表面。
“起初，这似乎只是一个微小差异；但当你观察液体破碎的流体动力学，以及受感染叶片周围随之形成的污染范围时，就会发现这会显著改变相关动力学，也就是病原体被释放出来的机制，”布鲁伊巴说。
为观察这类动力学差异，研究团队先在覆有薄液膜的平面上模拟降雨。水滴撞击该表面时，会溅起冠状的薄膜液体，但大部分飞溅液体仍留在附近。相比之下，研究团队发现，雨滴溅落在覆有液滴而非液膜的叶片上时，会把这些液滴弹射到很远的地方。
从新月形到弹射
为更详细地研究雨滴对表面液滴的影响，研究人员又进行了一轮独立实验，在叶片上点上染色水，以代替病原体。随后，他们搭建装置来模拟单个雨滴，并用激光精确校准水滴落在叶片上的位置。
在这些实验中，布鲁伊巴和吉莱观察到两种主要的传播模式：一种是新月形构型，雨滴撞击时摊平，滑到染色液滴下方并将其向上弹起，形成类似新月的弧线；另一种是惯性脱离，雨滴实际上并未接触染色液滴，而是将叶片压低，使染色液滴向下滑动，随后被弹射出去——这是叶片反弹时惯性作用的结果。
记录了多种叶片上数百次雨滴撞击后，布鲁伊巴和吉莱发现，液滴呈现新月形还是惯性脱离构型，主要取决于一个性质：叶片的顺应性，也就是柔韧性。他们发现，总体而言，叶片越柔软，就越难以将液体弹射成宽阔的弧线或新月形。不过，当柔韧性达到某个程度时，新月形模式会转变为惯性脱离模式；在这种模式下，液体会以比新月形模式所能形成的液滴更大的液滴形态，被抛到离叶片更远的地方。
根据观察结果，研究人员建立了一个理论模型，以定量描述叶片柔韧性、液体破碎及其形成的雨滴诱发传播模式之间的关系。布鲁伊巴表示，该模型最终或可帮助农民设计交替种植不同作物的田地。传统的多作物种植通常通过交替种植对病原体抗性不同的植物来减少疾病传播；布鲁伊巴说，植物自身固有的机械性质——而非生物免疫机制——也可能有助于遏制疾病传播。
“如果能以最佳方式安排，理想情况下就能把传播完全限制在一株相邻植物，病害到那里便会止步，”布鲁伊巴说。“一株植物可以发挥屏障作用并受到污染，但它的机械性质不足以将病原体传播到下一株植物。因此，在有效利用农业用地的同时，我们就能开始降低病害在某一物种中的传播效率。”
康涅狄格农业试验站（位于康涅狄格州纽黑文）的植物病理学与生态学荣休科学家唐·艾洛表示，布鲁伊巴的研究结果或许尤其有助于遏制小规模植物群体中的病害。
“这项研究可能有助于确定小型作物的种植间距，例如通常密集种植的草莓，”未参与这项研究的艾洛说。“农民还必须考虑这类作物常用的塑料地膜上飞溅现象的影响。总而言之，这是一项很好的研究，提出了一些显然值得进一步探究的发现。”
本文由以下机构合作发表： 麻省理工学院新闻。发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：詹妮弗·朱是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：塔斯马尼亚州西北部朗塞斯顿郊外的农田上空可见云层。路透社/大卫·格雷。
