柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验研究

张建桃，陈 鸿，文 晟，李晟华，邓小玲，兰玉彬



柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验研究

张建桃1，陈 鸿1，文 晟2※，李晟华3，邓小玲4，兰玉彬3

（1. 华南农业大学数学与信息学院，广州510642；2. 华南农业大学工程基础教学与训练中心，广州510642；3. 华南农业大学工程学院，广州510642；4. 华南农业大学电子工程学院，广州 510642）

针对柑橘黄龙病自然热罩热处理存在的处理周期长、效率低、对自然条件依赖大、处理罩内温差过大等不足，提出了一种柑橘黄龙病热空气快速处理方法。为解决热空气快速处理时罩内温差过大的问题，搭建了柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验平台，研究了有无回风道、风速、热空气入口位置、热空气出口位置、入风口热空气温度对处理罩内温度场分布的影响。试验结果表明：风速、热空气入口位置、热空气出口位置、入风口热空气温度对处理罩内各截面温度场均有显著影响（<0.05）；回风道不仅能使处理罩内温度场更均匀，而且能够降低能耗。通过试验得出柑橘黄龙病快速热空气处理的优选参数为：有回风道，风速14.5 m/s，热空气入口位于处理罩下层，热空气出口位于处理罩上层，且与入口呈90°，入风口热空气温度90℃。在该优选参数下，处理罩内温度从32 ℃上升到48 ℃，耗时约为9 min，处理罩内的温度极差为3.9℃，比非优选参数下罩内的温度极差相比下降了14.1 ℃。并在此参数下对柑橘黄龙病进行快速热空气处理田间试验，处理后病菌浓度平均降低80.28%。研究结果为黄龙病热空气规模化处理设备的优化设计提供参考。

病害防治；热处理；温度；均匀性；黄龙病

0 引 言

1956年，华南农业大学林孔湘教授根据中国广东潮汕地区农民对柑橘黄龙病的俗称，称其为黄龙病，1995年“huanglongbing-HLB”被正式确定为该病的英文名称[1-2]。黄龙病(HLB)是由属于韧皮部杆菌属的病原菌引起的毁灭性疾病[3]，根据特点及发现地域的不同，分为Candidatus Liberibacter asiaticus（CaLas）、Candidatus Liberibacter africanus（CaLaf）和Candidatus Liberibacter americanus（CaLam）3种类型[4-5]。其中， CaLaf和 CaLam为热敏感型[6]，仅在30～32 ℃的凉爽地带传播，CaLas为耐热型，耐热温度达到30 ℃以上[7]。患有黄龙病的柑橘树表现为植株矮化，结果变少，果实变小畸形，且着色不均匀[8-10]。通常新树患病后1～2 a内死亡，老树患病后3～5 a内死亡或丧失结果能力，严重时可造成毁园[11]。目前，亚洲、非洲、大洋洲、北美洲和南美洲近50个国家和地区已经出现黄龙病，中国19个柑橘生产省（自治区、市）中有11个已受到该病危害。据估计柑橘黄龙病已经造成全世界上亿株柑橘树染病或死亡[12-14]，截至2016年，美国的佛罗里达州超过80%的柑橘树已感染黄龙病[15]。由于黄龙病的存在，2011年佛罗里达州的柑橘产量大约为1.5亿箱，预计20 a后将保持在该值；若没有黄龙病，20 a后产量预计达到2.25亿箱[16]。如果黄龙病出现在巴西的巴伊亚州，那么未来20 a黄龙病将给该州造成巨大损失；如果不对该病进行控制，不对病树进行治疗，那么造成的损失将达8.9亿元[17]。

100多年前，热治疗就已开始在植物上应用，后来用于除去柑橘等多年生植物体中通过嫁接传染的病原菌[18]。Fan等[19]将感染黄龙病的柑橘树置于受控的温室环境中，让其在45和48 ℃的环境下接受4 h处理，8周之后黄龙病症状明显减轻。在温室环境中处理盆栽柑橘树幼苗可以消除黄龙病症状，并且至少可以维持2 a[20]。Hoffman等[21]将感染了CaLas病菌的柑橘树置于40～42 ℃温度可控的温室环境中，连续处理48 h，可有效减少或消除感染了黄龙病苗木中的CaLas病菌；该方法可以用于处理生长于苗圃或温室环境中，且受到CaLas病菌感染的柑橘幼苗。但用该种方法在田间处理带病柑橘树3～10 d，结论却不相同，这可能与试验使用的便携式温室中温度波动和土壤温度低有关[22]。邓晓玲利用自然热罩，将染病柑橘树置于45～52 ℃环境下持续处理2～5 h，连续处理3～4周，能大大减少或消除病树中的病原菌含量[23-25]。范国成采用自然热罩方法，利用夏秋季强光照处理带病柑橘树7 h（10:00-17:00），间歇处理3次，90 d后田间柑橘黄龙病树症状明显减轻，黄龙病菌浓度也显著降低[26-27]。利用自然热罩处理带病柑橘树时，树冠顶部温度处于50～53 ℃范围内，而树冠底部仅有36～43 ℃[28]，且树冠顶部容易因为处理罩内顶部温度过高而灼伤[29]。林孔湘教授通过利用48 ℃湿热空气处理带病柑橘苗木可使其恢复健康，但空气温度不均匀会使电烘箱内植株实际所受的温度低于预设的处理温度，进而对处理结果产生影响[30]。

上述研究结果表明，热处理对于柑橘黄龙病的防治是有效的。虽然自然热罩处理对柑橘园地面情况要求不高，但是严重依赖天气条件，且处理罩内温差大，处理周期长，不利于推广应用。本文针对自然热罩处理周期长、效率低、对自然条件依赖大、处理罩内温差大等不足，提出了柑橘黄龙病热空气快速处理方法，并为解决热空气处理时罩内温差过大的问题，搭建了柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验平台。通过研究有无回风道、风速、热空气入口位置、出口位置、入风口热空气温度对热空气处理温度场分布的影响，为处理罩的结构优化设计提供可靠的依据。

1 试验装置及方法

1.1 热空气快速处理方法

热空气快速处理方法，利用处理罩罩住染病柑橘树，并向其中通入热空气，使罩内温度快速达到均匀状态，各个位置快速达到处理所需温度，以缩短处理时间。该方法使用热处理杀死树体中的病原菌，无需使用农药、抗生素等化学物质，经济环保。与自然热罩相比，不受天气条件影响，即使是在秋冬低温季节，也可用该方法处理带病树体。

1.2 试验平台

柑橘黄龙病热空气处理温度场分布特性试验平台如图1所示。此试验平台配置有HLJT-3380-TX20A工业热风机（浙江嘉兴航林机电设备有限公司），温控方式为PID/SSR，电热功率为20 kW，风机功率为0.75 kW，风机频率为50 Hz，风压为1 210 Pa，最大风量为1 200 m3/h。处理罩由PVC双面涂塑防水布制成，开口位置在图1a中标出，共12个，1号位置对面为3号位置，4号位置对面为2号位置。无纸记录仪（杭州盘古自动化系统有限公司），型号为VX8140R，具有40路输入端口，连接PT100温度传感器，量程为–200～650 ℃。12通道温度记录仪（台湾路昌电子企业股份有限公司），型号为BTM-4208SD，K型探头分辨率为0.1 ℃，量程为–50.0～999.9 ℃，精度为±（0.4%+0.5）℃。工作空间共布置52个温度测试点，其中第52个测试点测试入风口热空气温度，其余51个测试点分布在处理罩内部。树冠层树叶密度由上到下逐层降低，布置测温探头时数量由上到下逐渐减少。第1层和第2层各布置17个测试点，第3层布置9个测试点，第4层布置8个测试点，温度探头分布位置如图1b所示。试验装置见图1c，工业热风机经处理罩上的通风口向其内部通入热风，由无纸记录仪和12通道温度记录仪同时记录各测点温度，本文试验时室内平均温度为30 ℃。

a. 试验平台原理图

a. Schematic diagram of experimental platform

b. 测温探头分布

b. Temperature measuring probe distribution

c. 试验平台实物图

c. Physical diagram of experimental platform

1. 温度传感器（a1～a52为测温探头） 2. 通风口（1–1～3–4为各通风口标号）3. 处理罩 4. 工业热风机 5. 12通道温度记录仪 6. 无纸记录仪 7. 柑橘树 8. 处理罩

1. Temperature sensor (from a1to a52are temperature measuring probes) 2. Air vent(1–1 to 3–4 for each vent label) 3. Heat treatment enclosure 4. Industrial hot air blower 5. 12 channels temperature recorder 6. Paperless recorder 7. Citrus tree 8. Heat treatment enclosure

图1 温度场分布特性试验平台

Fig.1 Experimental platform of temperature field distribution characteristics

1.3 试验方法

试验选取1棵3年生柑橘树（高1.86 m，树冠最大直径1.2 m），考虑柑橘树形状以及高度对试验结果的影响，并根据前期试验结果，选取有无回风道、风速、热空气入口位置、出口位置、入风口热空气温度5个影响因素，以及相应的水平，如表1所示。然后将柑橘树置于处理罩（直径1.2 m，高度1.9 m）内，通过对5个影响因素进行单因素试验研究，分析这些因素对柑橘黄龙病快速热空气处理温度场均匀性的影响，得出相应的较佳参数。

表1 试验因素水平值

回风道（长度为4 m）为连接处理罩热空气出口和工业热风机进风口的耐高温管道（=89 mm），作用在于将处理罩出口处温度较高的空气直接导入到工业热风机进风口。每次试验只设置一个热空气入口位置和一个热空气出口位置，其余的通风口用扎带封闭。在选取热空气入口、出口位置时，入口位置和出口位置不位于同一层。试验开始前，调节工业热风机的加热温度，使第52个温度探头测得的温度稳定在某一特定的值，然后在此加热温度下进行试验，每次试验进行10 min，每组试验重复进行3次，进行重复试验时根据室温使处理罩内温度降至32 ℃时开始下一次试验。

1.4 数据处理方法

温度场分布特性是指处理罩内温度分布的均衡性，以温度标准差和温度极差来表示。试验时，由无纸记录仪和12通道温度记录仪实时采集各测点的温度，每秒采集一次。分析计算每次试验时各测点的稳定温度值，即在1 min内温度波动小于0.5 ℃时，该时间段内最高温度值与最低温度值的平均值，并计算每组试验重复3次后各测点稳定温度的平均值。计算不同参数下各截面的温度标准差，通过SPSS数据处理软件分析试验因素对第1层、第2层、第3层、第4层、纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度场均匀性影响的显著性。分别计算处理罩内温度场达到稳定状态后，非优选参数和优选参数下各测试点之间的温度极差，分析试验效果。

2 结果与分析

2.1 非优选参数下处理罩内温度分布

选取无回风道、风速17 m/s、热空气入口位置2-1、出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃进行试验，分析处理罩内各测试点温度分布情况。试验重复进行3次，各测试点温度在9 min后趋于稳定，稳定温度值及试验分析结果如表2所示。从表2可知，第1层的温度极差为4.8 ℃，第2层的温度极差为14.6 ℃，第3层的温度极差为9.2 ℃，第4层的温度极差为6.5 ℃。根据表2中各测试点温度值，计算出纵截面Ⅰ的温度平均值为58.8 ℃，温度极差为18 ℃，纵截面Ⅱ的温度平均值为57.4 ℃，温度极差为13.5℃。

表2 非优选参数下温度分布

注：无回风道、风速17 m·s–1、热空气入口位置2-1、热空气出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃。

Note: No air return duct, wind speed is 17 m·s–1, hot air inlet position is 2-1, hot air outlet position is 3-1, and inlet hot air temperature is 90 ℃.

从以上计算结果可以看出，第2层的温度平均值最高，第4层的温度平均值最低，第2层的温度平均值比第4层高6 ℃。整个处理罩内的温度极差为18 ℃，各截面中，纵截面Ⅰ的温度极差最大，这与第2层温度值较高而第4层温度值较低有关。第2层的温度极差为14.6 ℃，由于第2层所在位置分布着大量树叶，过大的温差容易导致一部分树叶因为过热而出现干枯的现象，另一部分树叶因为热不足出现治疗效果不佳的现象。针对温差过大问题，接下来将对各影响因素进行逐一优选，最后对优选参数进行组合试验，以期减小处理罩内温差，并将优选参数结果与该非优选参数结果进行比较。

2.2 回风道对处理罩内温度场的影响

由于在参数无回风道、风速17 m/s、热空气入口位置1-1、出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃下，处理罩内温差较非优选参数下有所降低，为了得到更优的参数组合，接下来对该参数组合依次进行轮换，分析有回风道和无回风道对处理罩内第1层至第4层、纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度场均匀性的影响。试验重复进行3次，各测点温度在9 min后趋于稳定，稳定温度平均值及第1、2、3、4层试验分析结果如表3所示。从表3可知，有回风道时，第1、2、3、4层的平均温度依次为50.2、50.8、50.6、52.5 ℃；无回风道时，第1、2、3、4层的平均温度依次为53.4、53.8、52.2、51.8 ℃。根据表3中各点温度值分析计算纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ在有、无回风道条件下的温度平均值、标准差和显著性。有、无回风道时，纵截面Ⅰ的温度平均值依次为50.6、51.8 ℃，标准差依次为1.8、1.8 ℃，显著性=0.05；纵截面Ⅱ的平均值依次为50.8、52.6 ℃，标准差依次为1.8、1.7 ℃，显著性=0.00。

表3 回风道对处理罩内第1、2、3、4层温度场的影响

注：风速17 m·s–1、热空气入口位置1-1、热空气出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃。

Note: wind speed is 17 m·s–1, hot air inlet position is 1-1, hot air outlet position is 3-1, and inlet hot air temperature is 90 ℃.

从计算结果可以看出，在风速为17 m/s、热空气入口位置为1-1、热空气出口位置为3-1、入风口热空气温度为90 ℃的情况下，回风道对处理罩内1、2、3层及纵截面Ⅱ的温度场分布影响显著（<0.05）。综合各截面温度标准差可知，有回风道时，第1、2、3层的温度标准差都明显小于无回风道时，纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度标准差在有、无回风道时接近，即有回风道时，处理罩内温度场均匀性优于无回风道时。这是因为工业热风机通过回风道吸取处理罩内的空气，使处理罩内出风口处形成负压，处理罩内压差增大，内部空气运动加剧，有助于提高内部温度场均匀性。有回风道时，工业热风机吸入的是处理罩内经过加热的热空气，与无回风道时吸入温度为室温的空气相比，加热空气所消耗的能量有所降低。因此，试验结果表明，回风道不仅能使处理罩内的温度场更加均匀，而且能够降低加热空气所需的能耗。

2.3 风速对处理罩内温度场的影响

选取有回风道、热空气入口位置1-1、热空气出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃，分析风速对处理罩内第1层至第4层、纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度场均匀性的影响。风速分别为8.5、14.5、17.0、19.5 m/s。试验重复进行3次，各测试点温度在9 min后趋于稳定，稳定温度平均值如图2所示。根据图2中各数据点的值，计算各截面在不同风速下的温度平均值、标准差和显著性。当风速为8.5、14.5、17.0、19.5 m/s时，第1层的温度平均值依次为44.5、49.2、50.2、54.5 ℃，标准差依次为1.4、0.9、1.3、1.6 ℃，显著性=0.00；第2层的温度平均值依次为44.6、50.1、50.8、55.0 ℃，标准差依次为1.4、0.9、1.4、1.9 ℃，显著性=0.00；第3层的温度平均值依次为44.0、49.4、50.6、55.2 ℃，标准差依次为1.4、0.7、1.3、2.5 ℃，显著性=0.00；第4层的温度平均值依次为45.0、50.5、52.5、55.9 ℃，标准差依次为2.0、0.6、2.4、1.9 ℃，显著性=0.00；纵截面Ⅰ的温度平均值依次为43.8、49.6、50.6、54.8 ℃，标准差依次为1.1、1.0、1.8、1.6 ℃，显著性=0.00；纵截面Ⅱ的温度平均值依次为44.8、50.1、50.9、55.9 ℃，标准差依次为1.5、0.8、1.8、2.2 ℃，显著性=0.00。

从计算结果可以看出，在有回风道、热空气入口位置为1-1、热空气出口位置为3-1、入风口热空气温度为90 ℃的情况下，风速对处理罩内各截面温度场均匀性均有显著影响（<0.05），且风速为14.5 m/s时，各截面温度标准差均小于其他风速时的温度标准差。风速为8.5 m/s时各截面温度平均值均低于其他风速下的温度平均值，风速为19.5 m/s时各截面温度平均值最高。试验结果表明，各截面温度平均值随着风速的增加而增加；当风速为14.5 m/s时，处理罩内各截面温度场均匀性优于其他风速。

2.4 热空气入口位置对处理罩内温度场的影响

选取有回风道、风速14.5 m/s、热空气出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃，分析热空气入口位置对处理罩内第1、2、3、4层、纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度场均匀性的影响。热空气入口位置分别为1-1、2-1。试验重复进行3次，各测点温度在8 min后趋于稳定，稳定温度平均值及第1、2、3、4层试验分析结果如表4所示。从表4可知，热空气入口位置为1-1时，第1、2、3、4层的温度平均值依次为49.2、50.1、49.4、50.5 ℃；热空气入口位置为2-1时，第1、2、3、4层的温度平均值依次为49.8、51.2、52.2、51.9 ℃。根据表4中各点温度值分析计算纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ在不同热空气入口位置下的温度平均值、标准差和显著性。热空气入口位置分别为1-1、2-1时，纵截面Ⅰ的平均值依次为49.6、50.9℃，标准差依次为1.0、1.3 ℃，显著性=0.00；纵截面Ⅱ的平均值依次为50.1、51.1 ℃，标准差依次为0.8、1.3 ℃，显著性=0.01。

注：有回风道、热空气入口位置1-1、热空气出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃。

从计算结果可以看出，在有回风道、风速为14.5 m/s、热空气出口位置为3-1、入风口热空气温度为90℃的情况下，热空气入口位置对处理罩内各截面温度场均匀性影响显著（<0.05）。当热空气入口位置为1-1时，各截面温度平均值接近；当热空气入口位置为2-1时，各截面温度平均值比热空气入口位置为1-1时高，同时各截面的温度标准差也相对较高。因此，综合各截面温度标准差可知，当热空气入口位置为1-1时，处理罩内的温度场分布相对均匀。试验结果表明，热空气入口位于处理罩下层时，处理罩内的温度场均匀性更优。

表4 热空气入口位置对处理罩内第1、2、3、4层温度场的影响

注：有回风道、风速14.5 m·s–1、热空气出口位置3-1、入风口热空气温度90 ℃。

Note: Air return duct, wind speed is 14.5 m·s–1, hot air outlet position is 3-1, and inlet hot air temperature is 90 ℃.

2.5 热空气出口位置对处理罩内温度场的影响

选取有回风道、风速14.5 m/s、热空气入口位置1-1、入风口热空气温度90 ℃，分析热空气出口位置对处理罩内第1、2、3、4层、纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度场均匀性的影响。热空气出口位置分别为2-1、2-2、2-3、2-4、3-1、3-2、3-3、3-4。试验重复进行3次，各测点温度在8 min后趋于稳定，稳定温度平均值及试验分析结果如表5所示。从表5可知，热空气出口位置分别为2-1、2-2、2-3、2-4、3-1、3-2、3-3、3-4时，第1层的温度平均值依次为49.4、49.1、49.0、49.1、49.2、50.9、48.3、47.2 ℃，第2层的温度平均值依次为49.3、50.6、49.2、49.7、50.1、52.0、48.2、46.6 ℃，第3层的温度平均值依次为48.4、49.9、48.3、48.9、49.4、50.5、47.4、45.9 ℃，第4层的温度平均值依次为47.8、49.2、47.8、48.3、50.5、49.6、46.9、46.3 ℃。根据表5中各点温度值分析计算纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ在不同出风口下的平均值、标准差和显著性。热空气出口位置分别为2-1、2-2、2-3、2-4、3-1、3-2、3-3、3-4时，纵截面Ⅰ的平均值依次为48.6、49.2、48.3、48.7、49.6、50.7、47.3、46.3 ℃，标准差依次为1.2、1.3、1.3、1.0、1.0、1.0、1.2、0.7 ℃，显著性=0.00；纵截面Ⅱ的平均值依次为48.5、49.5、48.6、48.8、50.1、50.7、47.7、46.4 ℃，标准差依次为0.9、1.5、1.0、0.8、0.8、1.4、1.0、1.0 ℃，显著性=0.00。

从表5可知，在有回风道、风速为14.5 m/s、热空气入口位置为1-1、入风口热空气温度为90 ℃的情况下，热空气出口位置对处理罩内各截面的温度场均匀性影响显著（<0.05）。对于第1、2、3层，当出风口位于3-4时，温度标准差最小。由于树冠层位于1、2、3层，故对于1、2、3层温度均匀度要求更高。综合各截面温度标准差，可知当热空气出口位于3-4时，处理罩内的温度场均匀性最好。出风口3-2与3-4处于相对位置，均与入风口1-1成90°，故效果应一致，但由于柑橘树长势以及试验误差的影响，使其与3-4效果存在一定差异。因此，试验结果表明，热空气出口位于处理罩上层，且与热空气入口成90°时，处理罩内温度场更均匀。且与一般的下方入风上方出风的设计不同，本设计则重点讨论了不同的出风角度对温度场的影响。

表5 热空气出口位置对处理罩内第1、2、3、4层温度场的影响

注：有回风道、风速14.5 m·s–1、热空气入口位置1-1、入风口热空气温度90 ℃。

Note: Air return duct, wind speed is 14.5 m·s–1, hot air inlet position is 1-1, and inlet hot air temperature is 90 ℃.

2.6 入风口热空气温度对处理罩内温度场的影响

选取有回风道、风速14.5 m/s、热空气入口位置1-1、出口位置3-4，分析入风口热空气温度对处理罩内第1、2、3、4层、纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ的温度场均匀性的影响。入风口热空气温度分别为75、90、105 ℃。试验重复进行3次，各测点温度在8 min后趋于稳定，稳定温度平均值及第1、2、3、4层试验分析结果如表6所示。从表6可知，入风口热空气温度为75 ℃时，第1、2、3、4层的温度平均值分别为45.3、46.0、46.3、47.3 ℃；入风口热空气温度为90 ℃时，第1、2、3、4层的温度平均值分别为47.2、46.6、45.9、46.3 ℃；入风口热空气温度为105 ℃时，第1、2、3、4层的温度平均值分别为54.7、55.4、55.8、57.4 ℃。根据表6中各点温度值分析计算纵截面Ⅰ和纵截面Ⅱ在不同入风口热空气温度下的温度平均值、标准差和显著性。入风口热空气温度为75、90、105 ℃时，纵截面Ⅰ的温度平均值依次为45.8、46.3、55.2 ℃，标准差依次为1.1、0.7、1.4 ℃，显著性=0.00；纵截面Ⅱ的平均值依次为46.4、46.4、56.0 ℃，标准差依次为1.2、1.0、1.7 ℃，显著性=0.00。

从计算结果可以看出，在有回风道、风速为14.5 m/s、热空气入口位置为1-1、出口位置为3-4的情况下，入风口热空气温度对处理罩内各截面温度场均匀性影响显著（<0.05）。各截面平均温度随着入风口热空气温度的升高而升高，综合各截面温度标准差可知，入风口热空气温度为105 ℃时，处理罩内各截面标准差最大，且与75、90 ℃相差较大，而入风口热空气温度为75 ℃与90 ℃时，各截面温度标准差相差较小。以第1层中心位置a3点为例，绘制入风口热空气温度为75、90和105 ℃时该点的温度上升曲线，如图3所示。从图3可知，当入风口热空气温度为75 ℃时，a3点温度从32 ℃上升到45 ℃需要8 min，前2 min温度升高9 ℃，2 min后温度上升幅度降低，从41 ℃上升到45 ℃用时高达 6 min，且未能达到48 ℃；当入风口热空气温度为90 ℃时，a3点温度从32 ℃上升到45 ℃，用时比75 ℃时减少了一半，为4 min，且2 min后温度上升速度变缓，从41 ℃上升到45 ℃用时为2 min，上升到48 ℃用时为 9 min；当入风口热空气温度为105 ℃时，a3点从32 ℃上升到45 ℃仅需2 min，上升到48 ℃需3 min，且该阶段为温度快速上升阶段，直到第4 min后该点温度上升速度才变缓。

表6 入风口热空气温度对处理罩内第1、2、3、4层温度场的影响

注：有回风道、风速14.5 m·s–1、热空气入口位置1-1、热空气出口位置3-4。

Note: Air return duct, wind speed is 14.5 m·s–1, hot air inlet position is 1-1, and hot air outlet position is 3-4.

综合计算结果和图3可知，入风口热空气温度为75 ℃时，处理罩内各截面温度场均匀性较105 ℃时好，但温度上升速度慢，耗时长；入风口热空气温度为105 ℃时，温度上升速度比75 ℃和90 ℃时快，但各层温度场均匀性最差，容易出现某些位置过热和某些位置欠热的情况；入风口热空气温度为90 ℃时，各层温度场均匀性最好，且温度上升速度居中。因此，试验结果表明，入风口热空气温度对处理罩内各层温度场的均匀性影响显著；入风口热空气温度越高，处理罩内温度上升越快；入风口热空气温度为90 ℃时，处理罩内温度场均匀性最好，温度上升速度较快。

图3 不同入风口热空气温度下a3点温度上升曲线

2.7 优选参数下处理罩内温度分布

选取优选参数有回风道、风速14.5 m/s、热空气入口位置1-1、热空气出口位置3-4、入风口热空气温度90 ℃，进行3次重复试验，分析处理罩内各测试点温度分布情况。试验重复进行3次，将48 ℃视为参考温度[30]，罩内温度从32 ℃上升到48 ℃耗时约9 min，未出现大量落叶情况。各测试点稳定温度值及试验分析结果如表7所示。从表7可知，第1层的温度极差为2.9 ℃，第2层的温度极差为2.9 ℃，第3层的温度极差为1.6 ℃，第4层的温度极差为3.5 ℃。根据表7中各测试点温度值，计算出纵截面Ⅰ的温度平均值为46.3 ℃，温度极差为3.0 ℃，纵截面Ⅱ的温度平均值为46.4 ℃，温度极差为3.6 ℃。

表7 优选参数下温度分布

注：有回风道、风速14.5 m·s–1、热空气入口位置1-1、热空气出口位置3-4、入风口热空气温度90 ℃。

Note: Air return duct, wind speed is 14.5 m·s–1s, hot air inlet position is 1-1, hot air outlet position is 3-4, and inlet hot air temperature is 90 ℃.

从计算结果可以看出，第1层与第3层的温度平均值相差最大，为1.3 ℃。整个处理罩内的温度极差为3.9 ℃，与非优选参数下整个处理罩内的温度极差（18 ℃）相比下降了14.1 ℃。各截面的温度极差与2.1节中非优选参数下各截面的温度极差相比，第1层下降了1.9 ℃，第2层下降了11.7 ℃，第3层下降了7.6 ℃，第4层下降了3 ℃，纵截面Ⅰ下降了15 ℃，纵截面Ⅱ下降了9.9 ℃。因此，试验结果表明，优选参数组合下处理罩内温度场分布与非优选参数下相比更加均匀，优选参数下罩内各点温度从32 ℃上升到48 ℃耗时约9 min。

3 处理效果检测

根据以上试验结果，处理田间带病柑橘树，对处理前后柑橘树叶进行实时荧光定量聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）检测，以研究柑橘黄龙病快速热空气处理效果。

试验在华南农业大学柑橘黄龙病研究室的柑橘实验园进行，选取6棵带病柑橘树，分为2组，每组3棵。第一组（hot-1，hot-2，hot-3）采用热空气快速处理方法进行处理，所用参数根据本研究得出的最优参数进行设置，为有回风道，风速14.5 m/s，热空气入口位于处理罩下层，热空气出口位于处理罩上层，且与入口成90°。由于进行该试验时外界温度（20 ℃）较低，根据已有的试验经验以及柑橘树的耐热性[31]，调节入风口热空气温度至100 ℃，加热9 min处理罩内平均温度升至48℃，保持6 min后，关闭加热，自然降温10 min至30 ℃时结束，试验装置布置如图4所示，该试验每周进行一次，连续进行四周。第二组（hot-CK-1，hot-CK-2，hot-CK-3）作为对照组，不进行处理。在第一次试验前，采集来自试验组以及对照组共6棵树的树叶样本，在东西南北4个方位各采集一片，进行实时荧光定量PCR检测，第4次试验结束一个月后，再次采集树叶样本进行检测，检测结果如表8所示。

1. 处理罩 2. 工业热风机 3. 入风道 4. 回风道

表8 样本实时荧光定量PCR检测结果

注：值为4片树叶检测结果的平均值；处理后表示第4次处理结束一个月后；病菌浓度()为每ng总DNA中黄龙病菌拷贝数[26]，计算公式为。

Note:value is the average of four leaves test results; After treatment means one month after the end of the fourth treatment; Bacterial concentration () is the copy number of huanglongbing bacteria in the total DNA of each nanogram, the formula is.

值表示在PCR扩增过程中，扩增产物（荧光信号）到达阈值时（进入指数增长期）所经过的扩增循环次数，当值低于30时，则可认为样本感染了黄龙病[32]。从表8可以看出，所选试验树均感染了黄龙病，处理前实验组的平均值为21.15，病菌平均浓度（）为1.50×109，经过4次处理后，试验组值增加，平均值为23.38，病菌平均浓度变为3.05×108，病菌浓度平均降低率为80.28%。处理前对照组的平均值为20.22，病菌平均浓度为2.53×109，一个月后，对照组平均值降低，为19.74，病菌平均浓度变为4.42×109，一个月后对照组病菌平均浓度比处理前升高了75%。因此，可以认为热空气快速处理对于柑橘黄龙病防治具有一定效果。

4 结 论

研究结果表明：1）回风道对处理罩内第1、2、3层和纵截面Ⅱ有显著影响（<0.05），对第4层和纵截面Ⅰ无显著影响（>0.05）。回风道不仅能使处理罩内的温度场更加均匀，而且能够降低能耗。2）风速对处理罩内各截面的温度场均有显著影响（<0.05）。各截面温度平均值随着风速的增加而增加，当风速为14.5 m/s时，处理罩内各截面温度场均匀性优于其他风速。3）热空气入口位置对处理罩内各截面温度场均有显著影响（<0.05）。热空气入口位于处理罩下层时，处理罩内的温度更均匀。4）热空气出口位置对处理罩内各截面温度场均有显著影响（<0.05）。热空气出口位于处理罩上层，且与热空气入口位置成90°时，处理罩内温度更均匀。5）入风口热空气温度对处理罩内各截面温度场均有显著影响（<0.05）；入风口热空气温度越高，处理罩内温度上升越快；从处理罩内温度场均匀性和温度上升速度两方面考虑，入风口热空气温度为90 ℃时，处理罩内各截面温度场均匀性较其他温度好。6）热空气快速处理方法对于柑橘黄龙病的防治具有一定效果。

通过试验得出柑橘黄龙病快速热空气处理的优选参数为：有回风道，风速为14.5 m/s，热空气入口位于处理罩下层，热空气出口位于处理罩上层，且与入口成90°，入风口热空气温度为90 ℃。在优选参数下，罩内温度从32 ℃上升至48 ℃，加热时间约为9 min，且罩内温度场分布较均匀。处理罩内温度场达到稳定状态后，优选参数下整个处理罩内的温度极差为3.9 ℃，非优选参数下处理罩内的温度极差为18 ℃，与非优选参数相比，优选参数下处理罩内的温度极差下降了14.1 ℃。各截面的温度极差与非优选参数下各截面的温度极差相比，第1层下降了1.9 ℃，第2层下降了11.7 ℃，第3层下降了7.6 ℃，第4层下降了3 ℃，纵截面Ⅰ下降了15 ℃，纵截面Ⅱ下降了9.9 ℃。经过热空气处理后患病柑橘树的病菌浓度下降，平均降低率为80.28%

此次试验虽然说明了热空气处理对柑橘黄龙病的防治具有一定的效果，但是未能考虑各影响因素之间的交互作用，除此之外，利用热空气处理方式防治柑橘黄龙病需要对病树进行处理的次数、相邻两次处理的时间间隔、每次处理的时间以及处理温度等对柑橘黄龙病处理效果的影响，以及如何提高处理效果，还需进行进一步的研究。

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Experiment on temperature field distribution characteristics of citrus huanglongbing hot air rapid treatment

Zhang Jiantao1, Chen Hong1, Wen Sheng2※, Li Shenghua3, Deng Xiaoling4, Lan Yubin3

(1.510642,; 2.510642,; 3.510642,;510642,)

For the weak points of citrus huanglongbing (HLB) heat treatment by sunlight, such as long treatment period, low efficiency, serious dependence on natural condition, and large temperature difference in treatment enclosure, one citrus HLB hot air rapid treatment method was proposed. To solve the problem of large temperature difference in the heat treatment enclosure, an experimental platform was set up for analyzing the temperature field distribution characteristics of HLB hot air rapid treatment, which consisted of heat treatment enclosure, industrial hot air blower, paperless recorder and 12-channel temperature recorder. And the influence of air return duct existence or not, wind speed, hot air inlet position, outlet position, and inlet hot air temperature on the temperature field distribution of hot air treatment were investigated. The results showed that: (a) Return air duct had a significant impact on the cross section of middle and upper layer and the longitudinal section where the hot air inlet position existed in the enclosure, but had no significant effect on the cross section of lower layer and the longitudinal section where the hot air outlet position existed. When there was a air return duct, not only the uniformity was better in the enclosure, but also the energy consumption was lower than the condition without it. (b) Wind speed had a significant impact on each section in the heat treatment enclosure, and the average temperature of each section increased with the increase of wind speed. When the wind speed was 14.5 m/s, the uniformity of each section was better. (c) Hot air inlet position had a significant impact on each section in the heat treatment enclosure, and the uniformity of each section was better when the hot air inlet position was located at the lower layer of the enclosure. (d) Hot air outlet position had a significant impact on each section in the heat treatment enclosure, and the uniformity of each section was better when the hot air outlet position was located at the upper layer of the enclosure, which had a 90° angle with the inlet position. (e) Inlet hot air temperature had a significant impact on each section in the heat treatment enclosure, and the higher the inlet temperature, the faster the temperature rising in the heat treatment enclosure. When the uniformity and the rising speed of temperature in the enclosure were taken into consideration, 90 ℃ was the best temperature of inlet hot air. (f) The optimal parameters were that there was a return air duct, the wind speed was 14.5 m/s, the hot air inlet position was located at the lower layer of the enclosure, the hot air outlet position was located at the upper layer of the enclosure, which had a 90° angle with the inlet position, and the inlet hot air temperature was 90℃. Under the optimal parameters, the temperature in the treatment enclosure rising from 32 to 48 ℃took about 9 min, and the temperature range of the whole enclosure was 3.9 ℃, which dropped by 14.1 ℃compared to that under non-optimal parameters; and the temperature range of each section under the optimal parameters was also decreased. Under the optimal parameters, the effectiveness of rapid hot air treatment on the control of citrus HLB was proved, and the average reduction rate of bacteria concentration after treatment was 80.28%. The results provide a reference for the optimization design of large-scale HLB hot air treatment equipment.

disease control; heat treatment; temperature; uniformity; Huanglongbing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.036

S121

A

1002-6819(2017)-08-0267-11

2016-06-24

2017-03-29

国家自然科学基金项目（61675003）；广东省科技计划项目（2016A020210092，2016A020210100）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20134404120020）；广东省自然科学基金（2015A030310182）

张建桃，男，湖南双峰人，博士，副教授，主要从事精细农业和压电器件方面的研究。广州 华南农业大学数学与信息学院，510642。 Email：zhangjiantao@yeah.net

文 晟，男，湖南长沙人，博士，副教授，主要从事植保机械和精准喷雾技术的研究。广州 华南农业大学工程基础教学与训练中心，510642。Email: vincen@scau.edu.cn

张建桃，陈 鸿，文 晟，李晟华，邓小玲，兰玉彬. 柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验研究[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：267－277. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.036 http://www.tcsae.org

Zhang Jiantao, Chen Hong, Wen Sheng, Li Shenghua, Deng Xiaoling, Lan Yubin. Experiment on temperature field distribution characteristics of citrus huanglongbing hot air rapid treatment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 267－277. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.036 http://www.tcsae.org