馬思鵬，靳紅玲，趙亞君，胡紅艷，胡小平

(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 機(jī)械與電子工程學(xué)院,b 植物保護(hù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

土傳病蟲害與頑固性雜草一直是造成作物減產(chǎn)的一個(gè)重要因素，對(duì)農(nóng)作物種植前的土壤進(jìn)行消毒處理是防控病蟲草害的重要手段。目前，針對(duì)土傳病害的防治方法主要有化學(xué)消毒法和物理消毒法等[1-5]?；瘜W(xué)消毒法通常是對(duì)土壤施加化學(xué)藥劑來達(dá)到滅殺土壤病害的效果，但同時(shí)會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境甚至危害人畜安全。物理消毒法主要有太陽(yáng)能法、蒸汽法、高溫火焰法和微波法等。太陽(yáng)能法、蒸汽法和高溫火焰法雖對(duì)環(huán)境友好，但防治效果不如化學(xué)消毒法。微波消毒是利用微波“照射”土壤，由于微波的穿透性、熱效應(yīng)及非熱效應(yīng)等特性，具有作業(yè)效率高、速度快、作用后無污染、操作簡(jiǎn)便等多重優(yōu)點(diǎn)，使得微波消毒在土壤消毒中極具應(yīng)用潛力[6-9]，微波土壤消毒的提出對(duì)增加作物產(chǎn)量和提高作物質(zhì)量、減少作物生產(chǎn)的勞動(dòng)力與耕作成本具有積極意義[10-11]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)利用微波進(jìn)行土壤消毒的研究不斷升溫。在國(guó)內(nèi)，劉洪杰等[12]使用家用微波爐研究了微波輻射抑制草籽的可行性，通過提高功率或延長(zhǎng)微波輻射時(shí)間可較好地抑制種子萌發(fā)；王明友等[13]和徐常青等[14]分別利用設(shè)計(jì)的土壤處理機(jī)研究微波對(duì)土壤中根結(jié)線蟲的滅殺情況。在國(guó)外，Sabry等[15]將家用微波爐改造用于研究微波輻射對(duì)土壤生物組織的破壞情況；Brodie等[16]和Behzadi等[17]分別研制了微波除草機(jī)，后者還仿真分析了微波加熱土壤的溫度分布?？傮w來看，現(xiàn)有關(guān)于微波的土壤消毒研究主要集中在對(duì)雜草種子、根結(jié)線蟲和土壤菌群的滅殺方面。但由于土壤菌群包括有益菌和有害菌，真菌是導(dǎo)致土傳病害的主要原因[18]，因此需研究微波對(duì)真菌的滅殺效果；同時(shí)，微波加熱土壤的數(shù)值仿真研究是優(yōu)化試驗(yàn)裝置參數(shù)，降低裝置開發(fā)周期和成本的重要手段，但國(guó)內(nèi)尚缺乏關(guān)于微波加熱土壤的數(shù)值仿真研究報(bào)道。為此，本研究首先基于COMSOL Multiphysics軟件建立微波加熱土壤的數(shù)值仿真模型，研究土壤溫度隨時(shí)間和空間的分布規(guī)律；其次基于仿真結(jié)果，利用微波試驗(yàn)裝置研究不同含水率土壤中溫度隨時(shí)間的變化情況，同時(shí)驗(yàn)證模型的正確性；最后選用雜草種子和鐮刀菌作為試驗(yàn)樣本，從土壤含水率、病害掩埋深度、微波作用時(shí)間等角度進(jìn)行土壤消毒試驗(yàn)，旨在為利用微波技術(shù)防控土傳病害提供理論依據(jù)。

1 微波加熱土壤溫度仿真研究

1.矩形波導(dǎo)；2.喇叭天線腔體；3.土壤

利用數(shù)值模型模擬計(jì)算微波加熱土壤5 min及保溫30 min土壤溫度的分布。圖2為距土壤上表面4 cm處水平切面的溫度場(chǎng)分布，該深度的溫度分布呈中心高、四周低，溫度最高為96 ℃；等溫線形狀接近于橢圓，且橢圓的長(zhǎng)軸平行于喇叭天線矩形口的短邊。圖3為平行于喇叭天線矩形口長(zhǎng)邊且過加熱中心的垂直切面溫度場(chǎng)分布。由圖3可知，加熱區(qū)域主要分布在微波輻射中心處，離加熱中心線越遠(yuǎn)溫度越低，且隨著深度的增加也逐漸降低。由于微波穿透表層土壤，使熱量多聚集在土層2～4 cm深處，最高溫度為123 ℃。

圖2 微波加熱后土壤4 cm深處截面的溫度分布

為探究微波加熱土壤后可達(dá)到病害致死溫度[22]的區(qū)域范圍，對(duì)土壤中不同位置的具體溫度分布情況進(jìn)行分析，如圖4所示，提取4和8 cm 2個(gè)水平截面，每個(gè)截面取3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中4 cm截面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)1～3，8 cm截面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)4～6，點(diǎn)3(4)、點(diǎn)5(6)距離輻射中心點(diǎn)1(2)分別為6,4 cm。圖5為各測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況。由圖5可知，隨著微波加熱時(shí)間延長(zhǎng)，土壤中各測(cè)溫點(diǎn)溫度逐漸增加。當(dāng)微波輻射5 min后，由于上層土壤溫度更高，熱量傳導(dǎo)至下層，使這6個(gè)點(diǎn)的溫度在保溫階段均呈上升趨勢(shì)，不同測(cè)溫點(diǎn)到達(dá)最高溫度的時(shí)間不同，點(diǎn)1與點(diǎn)2溫度在8 min時(shí)達(dá)到最高，其他4個(gè)點(diǎn)在10 min左右達(dá)到最高；加熱中心線附近的溫度高于周圍溫度，離中心線越遠(yuǎn)，溫度越低；點(diǎn)3和點(diǎn)5處(點(diǎn)4和點(diǎn)6處)的溫度曲線接近，說明微波加熱等溫線趨于橢圓；保溫階段,除中心線附近溫度隨時(shí)間延長(zhǎng)下降較為明顯外，四周溫度變化均相對(duì)較為緩慢，證明土壤具有良好的保溫性能，有利于土壤除草消毒作業(yè)。

圖4 測(cè)溫點(diǎn)1～6在土壤模型中的位置

圖5 土壤模型中6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度的變化

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，搭建微波土壤加熱試驗(yàn)裝置如圖6所示。該裝置主要由土壤、微波發(fā)生器、測(cè)溫裝置組成。試驗(yàn)所用土壤取自楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院草莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范基地，經(jīng)晾曬干燥后用烘干法測(cè)得土壤含水率為2%，計(jì)算加水量后配制含水率10%和20%的土壤，在塑料箱中密封放置12 h使其溫濕度均勻。微波發(fā)生器是將微波爐(美的M1-L213B，工作頻率為2 450 MHz，功率700 W)的磁控管與不銹鋼材質(zhì)角錐喇叭天線連接改裝制成，其中角錐喇叭天線是將矩形波導(dǎo)端口面逐漸擴(kuò)大形成的，具有功率容量大、加熱面積大、輻射效率高等優(yōu)點(diǎn)。利用微波爐定時(shí)器設(shè)定加熱時(shí)間，磁控管產(chǎn)生微波能后經(jīng)過角錐喇叭天線發(fā)射至土壤中提升土壤溫度。對(duì)于微波加熱時(shí)土壤內(nèi)部溫度的測(cè)量，需要選擇接觸式溫度傳感器。相較于傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶等電信號(hào)測(cè)溫方式，光纖傳感器能檢測(cè)和傳輸光信號(hào)，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)測(cè)溫裝置選用6通道熒光式光纖測(cè)溫儀[23](北京東方銳擇科技有限公司)，量程范圍為-40～200 ℃，精度±1 ℃，由光纖測(cè)溫探頭、信號(hào)解調(diào)器、顯示屏、上位機(jī)軟件組成。為測(cè)量不同位置的土壤溫度，將6個(gè)傳感器編號(hào)為1～6，對(duì)應(yīng)于圖4中仿真試驗(yàn)所選擇的6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位置，用扎帶將傳感器探頭緊固在箱子內(nèi)布置的尼龍繩上，測(cè)溫時(shí)由光纖測(cè)溫儀的探頭將光信號(hào)傳至信號(hào)解調(diào)器中，解調(diào)成溫度數(shù)值后傳輸?shù)絻x器顯示屏和上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示和記錄。

1.微波爐；2.上位機(jī)軟件；3.信號(hào)解調(diào)器；4.顯示屏；5.光纖測(cè)溫探頭；6.角錐喇叭天線；7.土壤

2.2 微波加熱土壤試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用2%，10%和20% 3種不同含水率土壤，分別進(jìn)行微波輻射5 min后靜置保溫30 min處理，探究含水率對(duì)土壤溫度分布的影響。為減少微波泄漏量并提高對(duì)土壤穿透深度，試驗(yàn)過程中喇叭天線口緊貼于土壤表面。土壤初始溫度為25 ℃，光纖測(cè)溫儀溫度數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)為1 s。

2.3 微波除草消毒試驗(yàn)

為探究微波輻射時(shí)間、土壤含水率對(duì)雜草種子和病原真菌滅殺效果的影響，選用黑麥草種子、狗尾草種子、鐮刀菌作為樣本進(jìn)行除草消毒試驗(yàn)。其中黑麥草和狗尾草均屬于生命力較強(qiáng)的禾谷類雜草，且黑麥草抗除草劑藥性較強(qiáng)[24]。鐮刀菌屬是農(nóng)作物最重要的致病菌之一，其孢子致死溫度為60 ℃以上保溫10 min[25]。

2.3.1 雜草種子滅殺試驗(yàn) 準(zhǔn)備含水率為2%，10%和20%的3種土壤，取黑麥草種子50粒，狗尾草種子80粒裝入樣本袋中，放置于圖4中6個(gè)測(cè)溫傳感器對(duì)應(yīng)的位置。每種含水率土壤下的試驗(yàn)樣本用微波分別加熱3，5 min，在土壤中保溫30 min后取出樣本袋，將樣本袋中的種子及未處理種子放入鋪有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中萌發(fā)，3 d后統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)結(jié)果。

2.3.2 真菌滅殺試驗(yàn) 鐮刀菌孢子懸浮液由西北農(nóng)林科技大學(xué)植保學(xué)院提供。準(zhǔn)備含水率為2%，10%和20%的3種土壤。取1 mL鐮刀菌孢子懸浮液與6 g無菌土壤充分混合裝入樣品袋中，埋放在測(cè)溫傳感器布置點(diǎn)位，用微波分別輻射3，5 min后，在土壤中保溫30 min后取出樣本袋，同時(shí)設(shè)置未進(jìn)行輻射處理的鐮刀菌孢子懸浮液混合土樣為空白對(duì)照，試驗(yàn)結(jié)束后將所有樣品送至西北農(nóng)林科技大學(xué)植保學(xué)院，在超凈工作臺(tái)的無塵無菌環(huán)境中進(jìn)行處理效果檢測(cè)。取處理過的帶菌土壤樣品浸提液20 μL，在馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基上涂板，然后于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d后統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)，計(jì)算樣品中鐮刀菌孢子存活率。

3 結(jié)果與分析

3.1 微波對(duì)3種濕度土壤的加熱效果

3種含水率土壤不同測(cè)溫點(diǎn)溫度隨微波加熱時(shí)間的變化曲線見圖7。由圖7可見，2%含水率土壤溫度的變化與圖5微波仿真處理的溫度變化曲線相近。微波處理5 min，2%，10%和20% 3種含水率土壤4 cm深處的測(cè)溫點(diǎn)最低溫度依次為52，92，72 ℃，8 cm深處的測(cè)溫點(diǎn)溫度依次為44，50和46 ℃；在保溫階段，由于上層土壤熱量的傳導(dǎo)作用，3種不同含水率土壤8 cm深處的溫度分別提升8，11和7 ℃。由圖8可知，加熱階段含水率10%和20%土壤溫度的上升速率較含水率2%土壤快；土壤升溫過程中，2%含水率土壤的最高溫度僅為63 ℃，含水率10%和20%土壤的最高溫度分別達(dá)到99和94 ℃；保溫階段，隨著時(shí)間推移，土壤溫度均有所降低，含水率10%和20%土壤中溫度下降速率更快。分析其原因，是由于加熱過程中土壤含水率越低，微波穿透越深，表層土壤對(duì)微波的吸收效果較差，溫度較低[26]；而在保溫過程中，土壤熱量散失慢，因此具有較好的保溫性。

圖7 3種含水率土壤微波加熱過程中溫度的變化

圖8 測(cè)溫點(diǎn)3處3種含水率土壤溫度的變化

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，表1給出了含水率2%土壤不同測(cè)試點(diǎn)仿真和試驗(yàn)溫度的對(duì)比。由表1可知，6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的試驗(yàn)溫度與仿真溫度相近，最大誤差均在12%以內(nèi)，說明微波加熱土壤仿真模型基本正確。

表1 2%含水率土壤微波加熱試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)溫度的比較

3.2 微波的除草消毒效果

3.2.1 除草效果 圖9與圖10分別為10%含水率土壤處理5 min后測(cè)溫點(diǎn)2位置處和對(duì)照黑麥草、狗尾草種子的萌發(fā)情況。由圖9～10可見，微波處理5 min后黑麥草和狗尾草種子的萌發(fā)均受到明顯抑制。

A.微波處理;B.對(duì)照

不同時(shí)間微波處理對(duì)3種含水率土壤中黑麥草和狗尾草種子萌發(fā)的影響結(jié)果見表2。由表2可知，微波對(duì)供試2種雜草種子的滅殺效果受土壤含水率、微波輻射時(shí)間、種子掩埋深度的影響較大。在4 cm土壤深度，含水率10%和20% 2種土壤處理5 min后種子基本都可以滅活，4 cm深處2%含水率土壤中的種子萌發(fā)率最高達(dá)到80%，10%和20% 2種含水率土壤中的種子萌發(fā)率最高為8%。實(shí)際生產(chǎn)中，田間多數(shù)雜草種子萌發(fā)的最適宜土層深度為1～4 cm，超過6 cm基本不可能破土發(fā)芽[27]，因此濕土中微波處理5 min可滿足田間除草需求。

表2 不同時(shí)間微波處理對(duì)3種含水率土壤中黑麥草和狗尾草種子萌發(fā)的影響

3.2.2 殺菌效果 圖11為10%含水率土壤微波輻射5 min處理組與對(duì)照組鐮刀菌孢子的萌發(fā)情況。由圖11可見，微波處理5 min后鐮刀菌萌發(fā)抑制效果明顯。

A.微波處理;B.對(duì)照

由表3可知，在含水率為2%，10%和20%的3種土壤中，3 min微波輻射條件下，3種不同含水率土壤中鐮刀菌孢子萌發(fā)率最高達(dá)到100%；微波輻射5 min時(shí)，均能顯著減少4 cm深處的鐮刀菌孢子萌發(fā)率，而8 cm土壤深處除中心測(cè)溫點(diǎn)外，其余測(cè)溫點(diǎn)鐮刀菌的滅活效果均隨著含水率的增大而變差。這是因?yàn)橥寥篮试礁撸顚油寥罍囟容^表層越低，當(dāng)土壤溫度低于50 ℃時(shí)，微波處理對(duì)鐮刀菌孢子萌發(fā)的抑制效果較弱[25]，致使20%含水率土壤8 cm深處的鐮刀菌萌發(fā)率最高達(dá)63%。欲使深層土壤的鐮刀菌孢子萌發(fā)率降低，應(yīng)增加微波處理時(shí)間，以使深層土壤達(dá)到鐮刀菌致死溫度。

表3 不同時(shí)間微波處理對(duì)3種含水率土壤中鐮刀菌孢子萌發(fā)的影響

4 結(jié) 論

為探究微波對(duì)不同含水率土壤的加熱效果及草病害的滅殺效果，本試驗(yàn)結(jié)合微波加熱溫度場(chǎng)仿真分析，采用喇叭天線定向輻射的方式對(duì)土壤進(jìn)行加熱及消毒處理，得到以下結(jié)論。

1)利用COMSOL Multiphysics軟件建立微波加熱土壤的電磁-傳熱物理場(chǎng)耦合仿真模型，并利用微波爐改裝的微波土壤加熱試驗(yàn)裝置研究土壤溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，驗(yàn)證微波加熱土壤物理模型的正確性。

2)選用常見的黑麥草、狗尾草2種雜草種子和鐮刀菌作為試驗(yàn)樣本進(jìn)行土壤除草消毒試驗(yàn)，結(jié)果表明：微波加熱法能夠抑制雜草種子和病菌的萌發(fā)，其消毒效果受微波輻射時(shí)間、掩埋深度和土壤含水率的影響，這為土壤除草消毒裝備參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

3)進(jìn)一步的試驗(yàn)可以通過提高微波功率，或采用諧振腔的方式將微波能限制在金屬腔內(nèi)，以提高土壤加熱均勻性以及對(duì)病蟲草害的滅殺效果。