大功率微波防治大棚甜瓜及盆栽黄瓜根结线虫研究

徐常青 陈 君* 韩兴国 乔海莉 郭 昆 于 晶 魏建健

（1 中国医学科学院，北京协和医学院药用植物研究所，北京 100193；2 中国科学院植物研究所，北京100093；3 北京泰栢阳光科技发展有限公司，北京 100086）

随着农业产业结构的调整，我国农业正在向优质高效和集约化、规模化方向发展，保护地栽培技术的推广及复种指数的增加使得蔬菜根结线虫病的发生为害逐年加重（彭德良和唐文华，2001），并上升为蔬菜生产上的主要病害，在黑龙江、辽宁、北京、河南、湖北、江苏、云南和海南等地都有过根结线虫病严重发生和流行的报道（于力 等，2006）。长期以来，对根结线虫病的防治主要以化学防治为主，尤其以溴甲烷熏蒸最为常用，生物防治以及生物源农药的防治由于线虫的特殊性，研究进展迟缓，而我国根据《蒙特利尔议定书》将于2015年完全禁止使用溴甲烷等一大批常规土壤熏蒸剂，因此农业生产中根结线虫病的防治面临着前所未有的危机。

微波技术作为一项高新技术在农业上的应用出现得相对较晚，在国外也仅有六十多年的研究历史，国内研究则起步更晚。自从Webber 等（1946）第一次提出微波可以用于杀虫以来，人们对微波在各个领域的应用进行了很多有益的探索（Shayesteh & Barthakur，1996；Cloutier，2000）。其中主要是利用微波热效应和生物效应来控制各种病虫害，尽管目前国内外学者对微波是否存在生物学效应存在很多争议（Vela & Wu，1979；de Pomerai et al.，2002；Riemens，2003）。

微波的选择性加热特性在农业中被应用于仓储害虫的处理。昆虫的介电常数（Dielectric Constant）和介电损失因子（Loss Factor）在小于2 450 MHz范围内远大于苹果，微波的选择性加热可用于防治苹果蠹蛾（Ikediala et al.，2001）。用915 MHz 的微波处理出口樱桃果实，可以有效杀死苹果蠹蛾（Cydia pomonella）的幼虫，且对樱桃质量影响不大，可以作为出口樱桃化学处理的替代方法之一（Ikediala et al.，1999）。用900 W 的微波处理包装用的干燥硬木材料，只需5 s 即可杀死其中的蛀干害虫（亚洲长角象甲Anthribidae），而杀死新鲜木材中的蛀干害虫则需30 s（Fleming et al.，2006）。对贮藏害虫杂拟谷盗（Tribolium confusum）和印度谷螟（Poldia interpunctella）来说，80℃的高温足以杀死各个虫态，用微波间歇式处理比连续处理死亡率更高（Shayesteh & Barthakur，1996）。27 MHz 射频条件下，昆虫的损失因子（Loss Factor）随着温度的升高而呈线性增加，在915 MHz 微波范围内几乎保持常数（Wang et al.，2003）。

国内微波能研究始于20世纪70年代初，主要用于食品加工、木材干燥等（何丹军和严继宁，2006）。国内对微波杀虫杀菌的研究比较少，多数限于综述性的文章，总结外文研究资料（盖志武 等，2007；李景奎和戚大伟，2007）。目前国内微波设备主要用于工业领域，微波在农业领域的应用尚处于概念和实验室阶段，由于农业产业的特殊性，农用微波设备及其配套工艺的研究还是空白，尚无更多资料可供参考。

尹新明等（2006）以板栗作为研究试材，发现微波处理可以有效防止板栗病害发生且对板栗品质影响不大。频率在10～100 MHz范围内昆虫的介电损耗要比粮食大的多，在室温24℃时，用频率39 MHz 的射频照射含水量13.3%的冬小麦种子3 s，处理后小麦种子表面温度不到40℃，但7 d后，小麦中的米象100%死亡（吴鼎，1992）。以高温法杀灭仓库害虫，60℃高温需要持续2～6 h，70℃高温则需30 min 才能达到满意效果，而以微波处理贮藏种子，只要种子表面温度大于61.4℃就可以100%杀死种子内的各种贮藏害虫〔谷象Sitophilus granrius（L.）、谷斑皮蠹Trgooderma granariumEverts、赤拟谷盗Fribolium ferrugineumFabricius〕，微波处理的功率大小（W）和处理时间（T）的乘积与贮藏害虫的死亡率之间具有相关性，当微波处理功率和处理时间的乘积在2 100 左右时，杀虫效果可以达到100%（栗克森和叶炳元，1992）。

微波在植物检疫方面也获得了实际应用。微波处理松材，其中心温度达到50℃以上即可完全杀死其内的松材线虫Bursaphelenchus xylophiluNickel，中心温度达到52℃以上即可完全杀死松墨天牛Monochamus alternatusHope 的幼虫（蒋丽雅 等，2006），而木材表面温度保持68℃是100%杀死松材线虫的临界温度（吾中良 等，2006）。发射功率15 kW·h-1，频率900 MHz，保持松木表面温度50～60℃，微波处理4～6 min 就可以100%杀死厚度2～15 cm 木材中的松褐天牛和松材线虫，处理效率比常规热处理高2个数量级（沈培垠 等，2004）。采用微波处理感染松材线虫的疫木可以减少处理成本，提高林区经济效益（张伟光和张艳婷，2004）。采用微波对包装材料中的松材线虫和松墨天牛进行处理，高温处理2～3 min 再继续处理5～6 min则可彻底杀死4～10 cm 厚的包装材料中的松墨天牛和松材线虫的成虫和卵。以功率600 W、频率为2 450 MHz 的微波直接辐射天牛的幼虫，3 ～10 s 即可杀死幼虫及蛹，3～6 s 即可杀死成虫。以功率400 W、频率为 915 MHz 的微波辐照树干6～8 s 即可杀死树干内的天牛幼虫。天牛的致死温度 ≥ 50℃，柳树细胞耐高温临界值为55～60℃，高于天牛致死温度5～10℃，因此可以采用微波有效杀死树干内的天牛。杀灭浅表害虫以2 450 MHz 波段较好，深层害虫以915 MHz波段较好（蒋三登 等，1991）。大功率微波辐射处理舞毒蛾Lymantria Dispar（L.）的卵和幼虫，可以降低舞毒蛾卵的孵化率，提高幼虫的死亡率（李景奎和戚大伟，2007）。

综上所述，国内外关于微波对根结线虫的作用尚了解得不多，为探索微波对大田根结线虫的作用，笔者研制了大功率微波土壤处理机，并在田间测试了其防治根结线虫效果。

1 大功率微波土壤处理机的研制

试验装置的设计由微波杀虫课题组根据试验要求提出具体指标，与国内相关生产厂家进行磋商，经过技术能力考核进行委托加工。微波设备委托南京杰全微波设备公司进行加工。根据一般蔬菜大棚电力承载，确定设备的有效输出功率为20 kW。由于土壤有害生物多集中于土表下5～15 cm，为确保微波穿透深度，选定工作频率为915 MHz 的磁控管作为微波源。机器采用分体式设计，体积和质量比较大的变压器、电源控制部件等与需要在大田移动的微波辐射器部分分离，二者之间通过电缆相连。土壤微波处理装置的结构见图1。

图1 土壤微波处理装置结构示意图

土壤微波处理装置的工作方式如下：电网首先给变压器（20）提供电能，经过整流器（18）和调压器（19），通过馈电线（15）给微波辐射器部分馈电。变压器（20）、整流器（18）和调压器（19）以及给这些部件散热的装置等组成固定部分，置于电源机箱（17）内，工作时这些部件通常放在工作场地附近，不随微波辐射器一起移动。经过馈电线（15）传来的电能通过磁控管（8）转化为微波能，通过谐振腔（9）、环流器（10）、耦合器（3）和喇叭天线（1），将微波能定向辐射到土壤。

土壤微波处理装置的样机实物如图2所示。

图2 土壤微波处理装置车间调试图

土壤微波处理装置主要性能指标，输入电源：380 V，50 Hz，35 kVA；微波频率：915 MHz；微波功率：20 kW；冷却方式：水冷；系统驻波比：额定状态下小于3；微波泄漏量：小于1 mW·cm-2；车体长：220 cm，含扶手车体长370 cm；车体宽：70 cm，含辐射器宽120 cm；行走轮间距：93 cm；车体高：100 cm。

2 田间试验

2.1 试验处理

试验采用大棚甜瓜试验和盆栽黄瓜试验相结合的方法。大棚试验包括3个处理：无微波处理（空白对照）及30、60 s 两种处理时间进行微波处理。不同处理小区之间深埋50 cm 的铝塑板进行隔离，每个处理3次重复，每次重复面积40 m2。大棚甜瓜试验在山东省寿光市稻田镇的蔬菜大棚内进行，委托当地的菜农按照常规管理方式进行管理。盆栽黄瓜试验也包括3个处理：挖取大棚表层富含根结线虫的土壤，混合均匀后装入直径17 cm、深20 cm 的花盆内，分别进行无微波处理（对照）及10、15 s 微波处理，每个处理10 盆，合计30 盆，带回北京在中国科学院植物研究所小红楼前的空地进行室外栽培观察。

2.2 根结数的调查

大棚试验，在甜瓜生长过程中，于生长期和甜瓜采收期分别挖取甜瓜根系，冲洗后在1 000 mL 的烧杯内加水，检查根结数。盆栽黄瓜试验采用同样的方法，将花盆的土壤冲洗后检查根系的根结数。根据根结数计算根结指数。

按Benjamin Detal 的方法进行根结分级，0级：没有根结；1级：每株1～5个根结；2级：每株6～20个根结；3级：每株21～50个根结；4级：每株51 ～200个根结；5级：每株>200个根结。根结指数的计算公式：

根结指数（%）=Σ（各级植株数×级值）/（调查总株数×5）×100%

2.3 株高和根径调查

株高和根径的测量在摘心前进行，株高采用精度为1 mm 的米尺进行测量，根径值为甜瓜茎秆靠近地面处的直径，采用游标卡尺进行测量。

2.4 单瓜质量的测定

大棚甜瓜试验，收获时统一用精度为0.1 g 的电子称测定单瓜质量。

2.5 甜瓜质量分析

甜瓜的糖度和硬度以及果形指数的统计于收获后第2 天进行。将甜瓜沿阴阳面纵向剖开，采用ITUVI9JL 糖度计测果肉最内层约0.5 cm 厚度的果肉汁液的糖度，测试阴阳面的糖度，取平均值。硬度的测定与糖度测定同时进行，采用GY-1 果实硬度计测定果肉中间部位的硬度，测定阴阳面果肉硬度，取平均值。测量取甜瓜剖面的纵、横径值，计算果形指数。

2.6 数据处理

所有试验数据经SPSS 13.0 单因变量多因素方差分析，进行齐次性检验和LSD 多重比较。

3 结果与分析

3.1 微波处理对大棚甜瓜根结线虫的影响

大棚甜瓜试验微波处理时间分别为0、30 s 和60 s 3个水平，和对照相比，微波处理30 s和60 s 均有减少甜瓜根结数的趋势，可以减轻根结线虫对甜瓜的为害，且处理60 s 和对照之间差异显著，处理30 s 与对照差异不显著（表1）。大棚土壤微波处理对根结指数的影响与对根结数的影响一致（表1），微波处理时间的增加具有减小根结指数的趋势，且处理60 s 与对照之间差异显著，处理60 s 与30 s 之间差异不显著。

3.2 微波处理对盆栽黄瓜根结线虫的影响

与对照相比，微波处理能够极显著减少盆栽黄瓜的根结数（表1），但是微波处理10 s 和15 s 之间差异不显著。微波处理对盆栽黄瓜根结指数的影响与对根结数的影响具有相同的趋势（表1），增加微波处理时间具有减小根结指数的趋势，微波处理10、15 s 均与对照有显著差异，但是处理10 s 和15 s 之间差异不显著。

表1 微波处理对大田甜瓜与盆栽黄瓜根结数与根结指数的影响

3.3 微波处理对甜瓜株高和根径的影响

微波处理对甜瓜株高、根径有促进作用（表2），随着微波处理时间的增加，株高、根径有增加的趋势，但是不同处理之间差异不显著。

表2 微波处理对甜瓜生长及品质的影响

3.4 微波处理对甜瓜单瓜质量的影响

大棚试验微波处理30 s 会减小甜瓜单瓜质量（表2），与对照和处理60 s 相比，差异达到极显著水平，这可能是由于大棚土壤短时间微波处理虽能部分降低根结线虫的数量，但同时也促进了一些有害物质的产生，导致单瓜质量降低，具体原因有必要进行更深入的研究。处理60 s和对照之间差异不显著。

3.5 微波处理对甜瓜糖度、硬度和果形指数的影响

由表2可知，与对照相比，增加微波处理时间有增加甜瓜糖度、果形指数及降低硬度的趋势，但不同处理之间甜瓜糖度、硬度和果形指数差异不显著。

4 结论与讨论

大棚土壤采用大功率微波进行热处理，60 s 照射即可显著降低甜瓜的根结数和根结指数。盆栽黄瓜的试验效果远好于大棚甜瓜试验的结果，只需处理10 s 即可显著降低黄瓜根结数，这可能与田间环境条件有关。盆栽试验的土壤虽然取自大棚表层土，根结线虫的数量更多，但是由于土壤混合均匀，土壤结构和土壤含水量均一性更好，采用微波加热处理时效果更彻底，因此表现出较好的处理效果。大棚试验时，由于土壤表层含盐量太高（最高测定 EC值为11 mS·cm-1），导致表层土壤对微波能的吸收过量而致微波迅速衰减，大大降低了微波对土壤的处理深度，表层土壤过度升温，但深层土壤温度不能达到线虫的致死临界温度，不能有效杀死根结线虫各个虫态，因此效果不如盆栽试验那么显著。

另外，本试验采用喇叭天线定向辐射，对微波能的利用效率较低，进一步的试验可以采用谐振腔对根结线虫根系活动层（表层）土壤进行处理，然后将处理过的土壤放回原地（Riemens，2003），而不是采用原位土壤处理的方法。尽管目前关于土壤污染的处理方法也建议采用原位处理法（Abramovitch et al.，2003），但是从处理效率和效果看，采用谐振腔方式更节能，也更有效。

关于微波处理用的频率，采用915 MHz 的微波尽管比2 450 MHz 的波长要长很多，对土壤的穿透也要深得多，但是对于大田原位处理土壤用于杀灭根结线虫来说，这个波长还是太短了，尤其是农田土壤由于经常施肥，土壤次生盐渍化比较明显，再加上土壤含水量较大，微波的穿透深度远小于理论的穿透深度。采用波长更长的波段，如Nelson（2003）所述，采用100 MHz的频率也是值得尝试的，但是该频率的波段是国际无线电委员会禁止农用的波段，如何解决也值得考虑。

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