大功率微波防治大棚甜瓜及盆栽黃瓜根結(jié)線蟲研究

徐常青 陳 君* 韓興國 喬海莉 郭 昆 于 晶 魏建健

（1 中國醫(yī)學科學院，北京協(xié)和醫(yī)學院藥用植物研究所，北京 100193；2 中國科學院植物研究所，北京100093；3 北京泰栢陽光科技發(fā)展有限公司，北京 100086）

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構的調(diào)整，我國農(nóng)業(yè)正在向優(yōu)質(zhì)高效和集約化、規(guī)模化方向發(fā)展，保護地栽培技術的推廣及復種指數(shù)的增加使得蔬菜根結(jié)線蟲病的發(fā)生為害逐年加重（彭德良和唐文華，2001），并上升為蔬菜生產(chǎn)上的主要病害，在黑龍江、遼寧、北京、河南、湖北、江蘇、云南和海南等地都有過根結(jié)線蟲病嚴重發(fā)生和流行的報道（于力 等，2006）。長期以來，對根結(jié)線蟲病的防治主要以化學防治為主，尤其以溴甲烷熏蒸最為常用，生物防治以及生物源農(nóng)藥的防治由于線蟲的特殊性，研究進展遲緩，而我國根據(jù)《蒙特利爾議定書》將于2015年完全禁止使用溴甲烷等一大批常規(guī)土壤熏蒸劑，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中根結(jié)線蟲病的防治面臨著前所未有的危機。

微波技術作為一項高新技術在農(nóng)業(yè)上的應用出現(xiàn)得相對較晚，在國外也僅有六十多年的研究歷史，國內(nèi)研究則起步更晚。自從Webber 等（1946）第一次提出微波可以用于殺蟲以來，人們對微波在各個領域的應用進行了很多有益的探索（Shayesteh & Barthakur，1996；Cloutier，2000）。其中主要是利用微波熱效應和生物效應來控制各種病蟲害，盡管目前國內(nèi)外學者對微波是否存在生物學效應存在很多爭議（Vela & Wu，1979；de Pomerai et al.，2002；Riemens，2003）。

微波的選擇性加熱特性在農(nóng)業(yè)中被應用于倉儲害蟲的處理。昆蟲的介電常數(shù)（Dielectric Constant）和介電損失因子（Loss Factor）在小于2 450 MHz范圍內(nèi)遠大于蘋果，微波的選擇性加熱可用于防治蘋果蠹蛾（Ikediala et al.，2001）。用915 MHz 的微波處理出口櫻桃果實，可以有效殺死蘋果蠹蛾（Cydia pomonella）的幼蟲，且對櫻桃質(zhì)量影響不大，可以作為出口櫻桃化學處理的替代方法之一（Ikediala et al.，1999）。用900 W 的微波處理包裝用的干燥硬木材料，只需5 s 即可殺死其中的蛀干害蟲（亞洲長角象甲Anthribidae），而殺死新鮮木材中的蛀干害蟲則需30 s（Fleming et al.，2006）。對貯藏害蟲雜擬谷盜（Tribolium confusum）和印度谷螟（Poldia interpunctella）來說，80℃的高溫足以殺死各個蟲態(tài)，用微波間歇式處理比連續(xù)處理死亡率更高（Shayesteh & Barthakur，1996）。27 MHz 射頻條件下，昆蟲的損失因子（Loss Factor）隨著溫度的升高而呈線性增加，在915 MHz 微波范圍內(nèi)幾乎保持常數(shù)（Wang et al.，2003）。

國內(nèi)微波能研究始于20世紀70年代初，主要用于食品加工、木材干燥等（何丹軍和嚴繼寧，2006）。國內(nèi)對微波殺蟲殺菌的研究比較少，多數(shù)限于綜述性的文章，總結(jié)外文研究資料（蓋志武 等，2007；李景奎和戚大偉，2007）。目前國內(nèi)微波設備主要用于工業(yè)領域，微波在農(nóng)業(yè)領域的應用尚處于概念和實驗室階段，由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的特殊性，農(nóng)用微波設備及其配套工藝的研究還是空白，尚無更多資料可供參考。

尹新明等（2006）以板栗作為研究試材，發(fā)現(xiàn)微波處理可以有效防止板栗病害發(fā)生且對板栗品質(zhì)影響不大。頻率在10～100 MHz范圍內(nèi)昆蟲的介電損耗要比糧食大的多，在室溫24℃時，用頻率39 MHz 的射頻照射含水量13.3%的冬小麥種子3 s，處理后小麥種子表面溫度不到40℃，但7 d后，小麥中的米象100%死亡（吳鼎，1992）。以高溫法殺滅倉庫害蟲，60℃高溫需要持續(xù)2～6 h，70℃高溫則需30 min 才能達到滿意效果，而以微波處理貯藏種子，只要種子表面溫度大于61.4℃就可以100%殺死種子內(nèi)的各種貯藏害蟲〔谷象Sitophilus granrius（L.）、谷斑皮蠹Trgooderma granariumEverts、赤擬谷盜Fribolium ferrugineumFabricius〕，微波處理的功率大?。╓）和處理時間（T）的乘積與貯藏害蟲的死亡率之間具有相關性，當微波處理功率和處理時間的乘積在2 100 左右時，殺蟲效果可以達到100%（栗克森和葉炳元，1992）。

微波在植物檢疫方面也獲得了實際應用。微波處理松材，其中心溫度達到50℃以上即可完全殺死其內(nèi)的松材線蟲Bursaphelenchus xylophiluNickel，中心溫度達到52℃以上即可完全殺死松墨天牛Monochamus alternatusHope 的幼蟲（蔣麗雅 等，2006），而木材表面溫度保持68℃是100%殺死松材線蟲的臨界溫度（吾中良 等，2006）。發(fā)射功率15 kW·h-1，頻率900 MHz，保持松木表面溫度50～60℃，微波處理4～6 min 就可以100%殺死厚度2～15 cm 木材中的松褐天牛和松材線蟲，處理效率比常規(guī)熱處理高2個數(shù)量級（沈培垠 等，2004）。采用微波處理感染松材線蟲的疫木可以減少處理成本，提高林區(qū)經(jīng)濟效益（張偉光和張艷婷，2004）。采用微波對包裝材料中的松材線蟲和松墨天牛進行處理，高溫處理2～3 min 再繼續(xù)處理5～6 min則可徹底殺死4～10 cm 厚的包裝材料中的松墨天牛和松材線蟲的成蟲和卵。以功率600 W、頻率為2 450 MHz 的微波直接輻射天牛的幼蟲，3 ～10 s 即可殺死幼蟲及蛹，3～6 s 即可殺死成蟲。以功率400 W、頻率為 915 MHz 的微波輻照樹干6～8 s 即可殺死樹干內(nèi)的天牛幼蟲。天牛的致死溫度 ≥ 50℃，柳樹細胞耐高溫臨界值為55～60℃，高于天牛致死溫度5～10℃，因此可以采用微波有效殺死樹干內(nèi)的天牛。殺滅淺表害蟲以2 450 MHz 波段較好，深層害蟲以915 MHz波段較好（蔣三登 等，1991）。大功率微波輻射處理舞毒蛾Lymantria Dispar（L.）的卵和幼蟲，可以降低舞毒蛾卵的孵化率，提高幼蟲的死亡率（李景奎和戚大偉，2007）。

綜上所述，國內(nèi)外關于微波對根結(jié)線蟲的作用尚了解得不多，為探索微波對大田根結(jié)線蟲的作用，筆者研制了大功率微波土壤處理機，并在田間測試了其防治根結(jié)線蟲效果。

1 大功率微波土壤處理機的研制

試驗裝置的設計由微波殺蟲課題組根據(jù)試驗要求提出具體指標，與國內(nèi)相關生產(chǎn)廠家進行磋商，經(jīng)過技術能力考核進行委托加工。微波設備委托南京杰全微波設備公司進行加工。根據(jù)一般蔬菜大棚電力承載，確定設備的有效輸出功率為20 kW。由于土壤有害生物多集中于土表下5～15 cm，為確保微波穿透深度，選定工作頻率為915 MHz 的磁控管作為微波源。機器采用分體式設計，體積和質(zhì)量比較大的變壓器、電源控制部件等與需要在大田移動的微波輻射器部分分離，二者之間通過電纜相連。土壤微波處理裝置的結(jié)構見圖1。

圖1 土壤微波處理裝置結(jié)構示意圖

土壤微波處理裝置的工作方式如下：電網(wǎng)首先給變壓器（20）提供電能，經(jīng)過整流器（18）和調(diào)壓器（19），通過饋電線（15）給微波輻射器部分饋電。變壓器（20）、整流器（18）和調(diào)壓器（19）以及給這些部件散熱的裝置等組成固定部分，置于電源機箱（17）內(nèi)，工作時這些部件通常放在工作場地附近，不隨微波輻射器一起移動。經(jīng)過饋電線（15）傳來的電能通過磁控管（8）轉(zhuǎn)化為微波能，通過諧振腔（9）、環(huán)流器（10）、耦合器（3）和喇叭天線（1），將微波能定向輻射到土壤。

土壤微波處理裝置的樣機實物如圖2所示。

圖2 土壤微波處理裝置車間調(diào)試圖

土壤微波處理裝置主要性能指標，輸入電源：380 V，50 Hz，35 kVA；微波頻率：915 MHz；微波功率：20 kW；冷卻方式：水冷；系統(tǒng)駐波比：額定狀態(tài)下小于3；微波泄漏量：小于1 mW·cm-2；車體長：220 cm，含扶手車體長370 cm；車體寬：70 cm，含輻射器寬120 cm；行走輪間距：93 cm；車體高：100 cm。

2 田間試驗

2.1 試驗處理

試驗采用大棚甜瓜試驗和盆栽黃瓜試驗相結(jié)合的方法。大棚試驗包括3個處理：無微波處理（空白對照）及30、60 s 兩種處理時間進行微波處理。不同處理小區(qū)之間深埋50 cm 的鋁塑板進行隔離，每個處理3次重復，每次重復面積40 m2。大棚甜瓜試驗在山東省壽光市稻田鎮(zhèn)的蔬菜大棚內(nèi)進行，委托當?shù)氐牟宿r(nóng)按照常規(guī)管理方式進行管理。盆栽黃瓜試驗也包括3個處理：挖取大棚表層富含根結(jié)線蟲的土壤，混合均勻后裝入直徑17 cm、深20 cm 的花盆內(nèi)，分別進行無微波處理（對照）及10、15 s 微波處理，每個處理10 盆，合計30 盆，帶回北京在中國科學院植物研究所小紅樓前的空地進行室外栽培觀察。

2.2 根結(jié)數(shù)的調(diào)查

大棚試驗，在甜瓜生長過程中，于生長期和甜瓜采收期分別挖取甜瓜根系，沖洗后在1 000 mL 的燒杯內(nèi)加水，檢查根結(jié)數(shù)。盆栽黃瓜試驗采用同樣的方法，將花盆的土壤沖洗后檢查根系的根結(jié)數(shù)。根據(jù)根結(jié)數(shù)計算根結(jié)指數(shù)。

按Benjamin Detal 的方法進行根結(jié)分級，0級：沒有根結(jié)；1級：每株1～5個根結(jié)；2級：每株6～20個根結(jié)；3級：每株21～50個根結(jié)；4級：每株51 ～200個根結(jié)；5級：每株>200個根結(jié)。根結(jié)指數(shù)的計算公式：

根結(jié)指數(shù)（%）=Σ（各級植株數(shù)×級值）/（調(diào)查總株數(shù)×5）×100%

2.3 株高和根徑調(diào)查

株高和根徑的測量在摘心前進行，株高采用精度為1 mm 的米尺進行測量，根徑值為甜瓜莖稈靠近地面處的直徑，采用游標卡尺進行測量。

2.4 單瓜質(zhì)量的測定

大棚甜瓜試驗，收獲時統(tǒng)一用精度為0.1 g 的電子稱測定單瓜質(zhì)量。

2.5 甜瓜質(zhì)量分析

甜瓜的糖度和硬度以及果形指數(shù)的統(tǒng)計于收獲后第2 天進行。將甜瓜沿陰陽面縱向剖開，采用ITUVI9JL 糖度計測果肉最內(nèi)層約0.5 cm 厚度的果肉汁液的糖度，測試陰陽面的糖度，取平均值。硬度的測定與糖度測定同時進行，采用GY-1 果實硬度計測定果肉中間部位的硬度，測定陰陽面果肉硬度，取平均值。測量取甜瓜剖面的縱、橫徑值，計算果形指數(shù)。

2.6 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS 13.0 單因變量多因素方差分析，進行齊次性檢驗和LSD 多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 微波處理對大棚甜瓜根結(jié)線蟲的影響

大棚甜瓜試驗微波處理時間分別為0、30 s 和60 s 3個水平，和對照相比，微波處理30 s和60 s 均有減少甜瓜根結(jié)數(shù)的趨勢，可以減輕根結(jié)線蟲對甜瓜的為害，且處理60 s 和對照之間差異顯著，處理30 s 與對照差異不顯著（表1）。大棚土壤微波處理對根結(jié)指數(shù)的影響與對根結(jié)數(shù)的影響一致（表1），微波處理時間的增加具有減小根結(jié)指數(shù)的趨勢，且處理60 s 與對照之間差異顯著，處理60 s 與30 s 之間差異不顯著。

3.2 微波處理對盆栽黃瓜根結(jié)線蟲的影響

與對照相比，微波處理能夠極顯著減少盆栽黃瓜的根結(jié)數(shù)（表1），但是微波處理10 s 和15 s 之間差異不顯著。微波處理對盆栽黃瓜根結(jié)指數(shù)的影響與對根結(jié)數(shù)的影響具有相同的趨勢（表1），增加微波處理時間具有減小根結(jié)指數(shù)的趨勢，微波處理10、15 s 均與對照有顯著差異，但是處理10 s 和15 s 之間差異不顯著。

表1 微波處理對大田甜瓜與盆栽黃瓜根結(jié)數(shù)與根結(jié)指數(shù)的影響

3.3 微波處理對甜瓜株高和根徑的影響

微波處理對甜瓜株高、根徑有促進作用（表2），隨著微波處理時間的增加，株高、根徑有增加的趨勢，但是不同處理之間差異不顯著。

表2 微波處理對甜瓜生長及品質(zhì)的影響

3.4 微波處理對甜瓜單瓜質(zhì)量的影響

大棚試驗微波處理30 s 會減小甜瓜單瓜質(zhì)量（表2），與對照和處理60 s 相比，差異達到極顯著水平，這可能是由于大棚土壤短時間微波處理雖能部分降低根結(jié)線蟲的數(shù)量，但同時也促進了一些有害物質(zhì)的產(chǎn)生，導致單瓜質(zhì)量降低，具體原因有必要進行更深入的研究。處理60 s和對照之間差異不顯著。

3.5 微波處理對甜瓜糖度、硬度和果形指數(shù)的影響

由表2可知，與對照相比，增加微波處理時間有增加甜瓜糖度、果形指數(shù)及降低硬度的趨勢，但不同處理之間甜瓜糖度、硬度和果形指數(shù)差異不顯著。

4 結(jié)論與討論

大棚土壤采用大功率微波進行熱處理，60 s 照射即可顯著降低甜瓜的根結(jié)數(shù)和根結(jié)指數(shù)。盆栽黃瓜的試驗效果遠好于大棚甜瓜試驗的結(jié)果，只需處理10 s 即可顯著降低黃瓜根結(jié)數(shù)，這可能與田間環(huán)境條件有關。盆栽試驗的土壤雖然取自大棚表層土，根結(jié)線蟲的數(shù)量更多，但是由于土壤混合均勻，土壤結(jié)構和土壤含水量均一性更好，采用微波加熱處理時效果更徹底，因此表現(xiàn)出較好的處理效果。大棚試驗時，由于土壤表層含鹽量太高（最高測定 EC值為11 mS·cm-1），導致表層土壤對微波能的吸收過量而致微波迅速衰減，大大降低了微波對土壤的處理深度，表層土壤過度升溫，但深層土壤溫度不能達到線蟲的致死臨界溫度，不能有效殺死根結(jié)線蟲各個蟲態(tài)，因此效果不如盆栽試驗那么顯著。

另外，本試驗采用喇叭天線定向輻射，對微波能的利用效率較低，進一步的試驗可以采用諧振腔對根結(jié)線蟲根系活動層（表層）土壤進行處理，然后將處理過的土壤放回原地（Riemens，2003），而不是采用原位土壤處理的方法。盡管目前關于土壤污染的處理方法也建議采用原位處理法（Abramovitch et al.，2003），但是從處理效率和效果看，采用諧振腔方式更節(jié)能，也更有效。

關于微波處理用的頻率，采用915 MHz 的微波盡管比2 450 MHz 的波長要長很多，對土壤的穿透也要深得多，但是對于大田原位處理土壤用于殺滅根結(jié)線蟲來說，這個波長還是太短了，尤其是農(nóng)田土壤由于經(jīng)常施肥，土壤次生鹽漬化比較明顯，再加上土壤含水量較大，微波的穿透深度遠小于理論的穿透深度。采用波長更長的波段，如Nelson（2003）所述，采用100 MHz的頻率也是值得嘗試的，但是該頻率的波段是國際無線電委員會禁止農(nóng)用的波段，如何解決也值得考慮。

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