真空/蒸汽植物檢疫技術(shù)及其在處理林木中光肩星天牛的應(yīng)用

陳章景

(弗吉尼亞理工大學(xué)可持續(xù)生物材料系，1650研究中心大道，布萊克斯堡，弗吉尼亞州24060，美國(guó))

由于世界貿(mào)易活動(dòng)的廣泛開(kāi)展，以喬木或灌木為生的400多種外來(lái)昆蟲(chóng)隨貨柜進(jìn)入美國(guó)[1]。通過(guò)進(jìn)口原木、木材和其他木制品而引入的真菌、線蟲(chóng)或昆蟲(chóng)已經(jīng)危害到北美的森林[2]。昆蟲(chóng)鉆進(jìn)樹(shù)根、樹(shù)干和枝葉，導(dǎo)致樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢，甚至使樹(shù)木死亡。森林的減少將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，并導(dǎo)致人類居住地和糧食供應(yīng)發(fā)生變化[2]。引進(jìn)非本地物種對(duì)美國(guó)的森林生產(chǎn)、娛樂(lè)和城市森林資源均造成問(wèn)題[2]。美國(guó)曾有幾種極其嚴(yán)重的外來(lái)害蟲(chóng)入侵事件，例如1904-1955年的栗疫病(Cryphonectriaparasitica)、1920年后的荷蘭榆病(Ophiostomaulmi)和1870年的吉普賽蛾(Lymantriadispar)危害等。近期的例子發(fā)生在20世紀(jì)90年代。1996年光肩星天牛(AnoplophoraglabripennisMotschulsky)在美國(guó)紐約布魯克林的闊葉樹(shù)上被發(fā)現(xiàn)，隨后蔓延到長(zhǎng)島、皇后區(qū)和曼哈頓并向全國(guó)擴(kuò)散。1998年伊利諾伊州芝加哥市郊發(fā)現(xiàn)光肩星天牛；2004年，在新澤西州發(fā)現(xiàn)；2007年，在紐約州史泰登島和普拉爾島上發(fā)現(xiàn)；2008年8月，在馬薩諸塞州伍斯特市發(fā)現(xiàn)[3]。光肩星天牛襲擊了楓樹(shù)、栗子、楊樹(shù)、柳樹(shù)、榆樹(shù)、桑樹(shù)和刺槐等，對(duì)森林構(gòu)成威脅并造成經(jīng)濟(jì)損失，其根除和控制的代價(jià)是巨大的。美國(guó)入侵性有害生物的另一個(gè)例子是白蠟蟲(chóng)(AgrilusplanipennisFairmaire)。白蠟蟲(chóng)通過(guò)實(shí)木包裝材料到達(dá)美國(guó)。2003年俄亥俄州發(fā)現(xiàn)白蠟蟲(chóng)；2004年印第安納州北部發(fā)現(xiàn)；2006年伊利諾伊州北部和馬里蘭州發(fā)現(xiàn)；2007年賓夕法尼亞州西部和西弗吉尼亞州發(fā)現(xiàn)；2008年夏季，威斯康星州、密蘇里州和弗吉尼亞州、明尼蘇達(dá)州均有發(fā)現(xiàn)；2009年肯塔基州發(fā)現(xiàn)；2010年在愛(ài)荷華州和田納西州兩地均發(fā)現(xiàn)白蠟蟲(chóng)[4]。成年白蠟蟲(chóng)蠶食水曲柳的葉子，基本不造成損害。幼蟲(chóng)以水曲柳嫩皮為食，破壞了樹(shù)干運(yùn)送水和養(yǎng)分的能力。白蠟蟲(chóng)已在密歇根州、俄亥俄州和印第安納州殺死了至少2000萬(wàn)棵白蠟樹(shù)。這種蛀蟲(chóng)會(huì)侵害健康的樹(shù)木，并引起很多關(guān)注[4]。減少森林有害生物的擴(kuò)散是各國(guó)普遍關(guān)注的事項(xiàng)。美國(guó)與其他133個(gè)國(guó)家一直在執(zhí)行《國(guó)際植物檢疫措施標(biāo)準(zhǔn)》(ISPM 15標(biāo)準(zhǔn))，其目的是科學(xué)使用實(shí)木包裝材料，減緩木質(zhì)有害生物在全球的擴(kuò)散。ISPM 15要求處理用于出口產(chǎn)品的實(shí)木包裝材料，包括木托盤(pán)和容器。木蜂、枯萎病菌和其他疾病也可以通過(guò)木材運(yùn)輸進(jìn)行傳播。侵入性昆蟲(chóng)和菌類繁殖迅速。當(dāng)前比較常用的處理方法包括使用氣體熏蒸劑(溴甲烷)或在中心溫度至少為56 ℃下保持該溫度30 min的熱處理(ISPM 15標(biāo)準(zhǔn))。溴甲烷是農(nóng)業(yè)和林業(yè)中廣泛使用的熏蒸劑，會(huì)破壞臭氧層。根據(jù)聯(lián)合國(guó)《清潔空氣法》和《蒙特利爾議定書(shū)》，溴甲烷已逐步被淘汰。目前有許多研究針對(duì)確定溴甲烷替代品和減少溴甲烷的使用，其中至關(guān)重要的問(wèn)題是如何迅速發(fā)展和實(shí)施經(jīng)濟(jì)上可行且對(duì)環(huán)境無(wú)害的替代方案。真空/蒸汽技術(shù)可滿足上述要求，一方面它不會(huì)將消耗臭氧的化學(xué)物質(zhì)釋放到大氣中，另一方面它可以避免每年大量使用溴甲烷的情況發(fā)生。

1 植物檢疫措施概述

為了減少害蟲(chóng)的傳播，需要對(duì)木質(zhì)材料進(jìn)行消毒。從歷史上看，使用的方法包括化學(xué)、生物學(xué)、輻射和物理處理。物理植物檢疫處理包括機(jī)械、超聲波、真空及冷熱處理。機(jī)械方法包括刷子和噴水[5]。超聲波采用交替的高低壓波，在細(xì)胞水平上引起損傷[6]?；瘜W(xué)處理包括熏蒸劑、浸入液體化學(xué)藥品以及放置在各種氣體中的處理?；瘜W(xué)殺蟲(chóng)劑通常用于控制昆蟲(chóng)，該法已使用了數(shù)十年。隨著消費(fèi)者對(duì)有害化學(xué)殘留物與健康風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的提高，人類已有效降低了對(duì)使用化學(xué)品的依賴[7]。為控制害蟲(chóng)種群而進(jìn)行的生物處理包括使用昆蟲(chóng)天然天敵或微生物制劑[8-9]?；谫が斏渚€和X射線的輻照也可用于消毒某些產(chǎn)品。

化學(xué)處理。目前使用最廣泛的化學(xué)品是溴甲烷[10]，也有采用氮?dú)?、二氧化碳或臭氧的。溴甲烷還廣泛用于干果、堅(jiān)果和加工食品處理等。時(shí)下已研發(fā)成的另一種化學(xué)熏蒸劑是硫酰氟(SF)。它于1961年在美國(guó)首次注冊(cè)為Vikane?氣體熏蒸劑(Dow AgroSciences，印第安納波利斯，印第安納州)，應(yīng)用于建筑物、車輛、建筑材料、家具和非可食用的各種害蟲(chóng)商品[11]?，F(xiàn)已開(kāi)展了用SF對(duì)未經(jīng)干燥處理的木材進(jìn)行檢疫處理的研究，以控制橡樹(shù)枯萎真菌[12]、松木線蟲(chóng)[13]、光肩星天牛[14]和白蠟蟲(chóng)[15]。

真空處理。真空袋的真空處理可以用于木質(zhì)材料處理。由于真空袋是柔性，其低成本引起了人們的興趣。真空處理似乎會(huì)通過(guò)產(chǎn)生低氧氣氛而導(dǎo)致昆蟲(chóng)死亡[16]。相對(duì)濕度低的真空環(huán)境可致昆蟲(chóng)快速脫水[17]。有研究發(fā)現(xiàn)真空和微波相結(jié)合可以快速消滅害蟲(chóng)[18]。Chen等確定真空有殺死木材蛀蟲(chóng)[19]家天牛(Hylotrupesbajulus)、墨天牛(Monochamusspp)等鞘翅目天?？?Cerambycidae)昆蟲(chóng)的功效。處理周期取決于木材的含水率。木材含水率越高，處理周期越長(zhǎng)。他們?cè)谀静暮实陀?4%時(shí)，以真空度2 666 Pa進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)24 h的處理，最后證實(shí)，幼蟲(chóng)死于干燥失重而不是窒息。經(jīng)測(cè)定，光肩星天牛和白蠟蟲(chóng)的總體重?fù)p失的致死百分比約為30%～40%。達(dá)到真空狀態(tài)后，光肩星天牛和白蠟蟲(chóng)幼蟲(chóng)在木材中的失重速率恒定，直至死亡。不同的幼蟲(chóng)表現(xiàn)出不同的失重速率。在相同的真空和溫度條件下，光肩星天牛幼蟲(chóng)的失重速率高于白蠟蟲(chóng)幼蟲(chóng)。失重速率與溫度成正相關(guān)，溫度越高，幼蟲(chóng)的體重下降速度越快[17]。Chen等還發(fā)現(xiàn)，真空還殺死了自然出沒(méi)的松木中的松材線蟲(chóng)[20]。

低溫處理，特別是冷藏，在許多商業(yè)運(yùn)作中均有實(shí)際應(yīng)用[21]，例如減慢昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)，但是使用低溫處理很難殺死昆蟲(chóng)。

熱處理。為有效消除有害生物，熱處理需在給定的時(shí)間內(nèi)將原木的內(nèi)部溫度升高到指定溫度。熱力學(xué)中描述了從系統(tǒng)釋放能量的過(guò)程，通常以熱的形式，也可以光、電或聲音的形式釋放。熱處理已被更多的人接受可用于處理進(jìn)入美國(guó)和州際運(yùn)輸?shù)纳唐穂22]。自古以來(lái)，太陽(yáng)熱或火熱一直被用來(lái)控制害蟲(chóng)。例如利用太陽(yáng)的熱量殺死儲(chǔ)存谷物中的害蟲(chóng)[23]，以及在商代中國(guó)人就會(huì)利用燃燒篝火的方法擊退蝗蟲(chóng)。近現(xiàn)代，熱處理具有更廣泛的應(yīng)用。它既可以控制谷物中的昆蟲(chóng)，還可以殺死木制品中的昆蟲(chóng)。在熱處理中，可以通過(guò)化學(xué)氧化、燃燒、電阻和電磁輻射等多種方式產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生熱量的各種形式都會(huì)影響產(chǎn)品及有害生物。給定處理的成功與否取決于其控制昆蟲(chóng)而不損害產(chǎn)品的能力。熱處理技術(shù)包括使用蒸汽、熱水、窯爐、微波能或任何其他將原木中心溫度至少升高到71℃并保持60 min的方法?？梢酝ㄟ^(guò)使用熱電偶來(lái)監(jiān)控核心溫度。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理對(duì)木材質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生重大不利影響[2]。用溫度82.2 ℃加熱1 h，對(duì)木材的性能沒(méi)有明顯影響[2]。但這種影響與木材的類型和大小有關(guān)，一些木材可能出現(xiàn)表面開(kāi)裂。在美國(guó)，專家建議使用熱處理控制臭蟲(chóng)和蝗蟲(chóng)。目前美國(guó)農(nóng)牧場(chǎng)仍有不少研究團(tuán)隊(duì)致力于此類研究。

熱水處理。用溫度高于40 ℃的熱水浸浴是最簡(jiǎn)單的熱處理形式。以水作為介質(zhì)能使能量快速傳遞。用熱水進(jìn)行檢疫處理，已被批準(zhǔn)用于熱帶和亞熱帶水果中的果蠅處理[24]。Couey和Hayes綜合使用二溴乙烷熏蒸和熱水浴來(lái)控制夏威夷木瓜中的果蠅[25-26]，并探究了熱水對(duì)木材的植物檢疫作用。Slahor等研究了使用熱水作為傳熱介質(zhì)，對(duì)紅、白橡樹(shù)和黃楊托盤(pán)材料進(jìn)行熱水處理[27]，認(rèn)為熱水系統(tǒng)非常節(jié)省時(shí)間。

水蒸氣熱處理。使用水分來(lái)傳遞熱能。它是Baker因柑橘處理而開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目[28]，現(xiàn)已廣泛用于木瓜、菠蘿、甜椒、茄子、番茄和西葫蘆等[22]。Seo等評(píng)估了該技術(shù)用于控制亞洲果蠅的成效[29]。在佛羅里達(dá)，McCoy等研究了富勒玫瑰甲蟲(chóng)Asynonychusgodmani(鞘翅目Curculionidae)卵的蒸氣熱處理方法[30]。

熱空氣處理。強(qiáng)制熱空氣處理可使用烤箱或窯爐。溫度和濕度監(jiān)測(cè)以及空氣輸送的改進(jìn)大大推進(jìn)了強(qiáng)制熱空氣處理[31]進(jìn)程。強(qiáng)制熱空氣處理是處理木質(zhì)包裝材料的流行方法，在ISPM 15中被視為標(biāo)準(zhǔn)程序。

微波處理。電磁頻譜的微波(MW)區(qū)域?yàn)?～100 GHz。微波已應(yīng)用于土壤、博物館文物和各類新鮮水果。當(dāng)前的兆瓦技術(shù)(MWs)主要用于控制谷物和儲(chǔ)藏食品中的害蟲(chóng)[32]。人們已經(jīng)在處理木材和木制品過(guò)程中，探索了兆瓦級(jí)能[33]。Fleming等發(fā)現(xiàn)MWs可在5 min內(nèi)將木材加熱到60 ℃的控制溫度[34]，而常規(guī)加熱則為123 min，并建議進(jìn)行MWs處理以根除實(shí)木包裝材料中的光肩星天牛。但是，使用微波很難控制溫度梯度和分布[35]。IPPC技術(shù)委員會(huì)正在考慮在ISPM 15的未來(lái)修訂版中采用微波處理。

真空/蒸汽。真空可用于降低木材內(nèi)部的壓力。添加蒸汽時(shí)，蒸汽壓力高于木材內(nèi)部的壓力。根據(jù)達(dá)西定律，由于總壓差，蒸氣迅速轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移的水分量與滲透率成正比。在真空/蒸汽處理過(guò)程中，水蒸氣凝結(jié)并變成液態(tài)水。大量的熱量釋放到木材上，這迅速增加了木材的溫度。

2 真空/蒸汽處理的熱力學(xué)原理

真空/蒸汽處理與傳統(tǒng)的加熱爐處理在加熱介質(zhì)上有根本不同。在真空/蒸汽處理中，水蒸氣被用作交換熱量的介質(zhì)，而不是傳統(tǒng)窯爐中使用的空氣，因此，真空/蒸汽處理具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，水蒸氣能攜帶更多的熱量，并通過(guò)冷凝放熱的方式快速地進(jìn)行熱傳遞。其次，使用水蒸氣做介質(zhì)，其傳導(dǎo)中的能量損失比使用空氣做介質(zhì)少得多，且用時(shí)更短。第三，熱空氣介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致材料中水分蒸發(fā)，且熱空氣的吸熱過(guò)程需要額外的能量。另外，傳統(tǒng)的加熱窯還必須將空氣加熱到高于56 ℃，并排放到大氣中。使用飽和蒸汽，則不會(huì)導(dǎo)致材料中水分的蒸發(fā)。第四，所處理的木材質(zhì)量好。由于容器內(nèi)的氧氣較少，木材經(jīng)過(guò)處理后顏色不會(huì)變化，也不會(huì)開(kāi)裂。在常規(guī)的熱風(fēng)窯中，由于處理室內(nèi)的相對(duì)濕度低，木材將在處理的初始階段斷面處會(huì)迅速脫水，產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致木材開(kāi)裂產(chǎn)生裂痕。蒸汽處理開(kāi)始后，木材表面溫度的升高速度比中心溫度快。在真空/蒸汽處理過(guò)程中，中心溫度緩慢升高并變得更加穩(wěn)定。這與常規(guī)熱處理相同，但是不同于高頻加熱。在高頻加熱期間，木材中心的溫度可能更高，溫度以恒定速率上升。

加熱材料時(shí)，分子中的動(dòng)能會(huì)添加，通常材料的溫度也隨之升高。唯一的例外是材料達(dá)到溶點(diǎn)或沸點(diǎn)時(shí)，熱能用于改變水的狀態(tài)，但其溫度將保持不變，這意味著液態(tài)水的溫度將保持在100 ℃，直到所有液態(tài)水均蒸發(fā)，所有水的狀態(tài)均發(fā)生改變?yōu)橹?。其原因是必須使用能量將水的狀態(tài)從固體更改為液體，或從液體更改為氣體。所需的能量是凍結(jié)或沸騰的潛熱。潛熱是指在不改變其溫度的狀態(tài)變化過(guò)程中，化學(xué)物質(zhì)釋放或吸收的能量的數(shù)量。這意味著相變。例如冰的融化或水的沸騰(表1)。水的狀態(tài)改變后，溫度會(huì)隨著熱量的增加而再次升高。不同材料存儲(chǔ)熱能的能力各不相同。鐵等金屬材料的加熱速度將比水或木材快得多。將單位質(zhì)量物質(zhì)的溫度改變1 ℃所需要熱量的度量稱為比熱(表2)。水的比熱較大，將水加熱1 ℃所需的熱量約為相同質(zhì)量的冰或蒸汽加熱1 ℃所需熱量的兩倍。

表1 水的溶化和氣化的潛熱

表2 各種水狀態(tài)的比熱

圖1 從-10 ℃冰到110 ℃蒸汽用于加熱水的能量百分比

在絕對(duì)壓力為101 324 Pa的大氣壓下，水在100 ℃時(shí)沸騰。將1 kg水從0 ℃加熱到飽和溫度100 ℃需要能量419 kJ。在100 ℃時(shí)將水蒸發(fā)成100 ℃的蒸汽，蒸發(fā)的潛能為2 257 kJ/kg。這可以通過(guò)顯示將冰變成水然后將水變成蒸汽所需的熱量來(lái)說(shuō)明(圖1)。水的汽化相變的一個(gè)顯著特征是隨之而來(lái)的體積的大變化。水在100 ℃下汽化為蒸汽時(shí)，體積將膨脹1 700倍。

在真空/蒸汽處理期間，水蒸氣比空氣攜帶更多的熱量。原木滲透性很大，并且允許蒸汽在壓力梯度下進(jìn)入木材。當(dāng)蒸汽進(jìn)入木材并接觸溫度低的材料時(shí)，就會(huì)凝結(jié)。冷凝是從蒸汽到液態(tài)的相變，同時(shí)進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。抽真空過(guò)程降低了木材內(nèi)部的壓力。添加蒸汽時(shí)，蒸汽壓力高于木材內(nèi)部的壓力。根據(jù)達(dá)西定律，由于總壓差而轉(zhuǎn)移了蒸汽，轉(zhuǎn)移的水分量與滲透率成正比。在真空/蒸汽處理過(guò)程中，水蒸氣凝結(jié)并變成液態(tài)水。大量的熱量釋放到木材上，提高了木材的溫度。相比之下，木材熱處理和木窯干燥等常規(guī)加熱包括對(duì)流熱從加熱介質(zhì)傳遞到木材表面，然后進(jìn)行傳導(dǎo)，熱從表面向木材中間傳遞，這是相對(duì)緩慢的加熱過(guò)程。

在凝結(jié)理論中[36]，存在三種公認(rèn)的凝結(jié)模式，即均勻冷凝(如在小水滴中形成霧氣)、與冷卻表面直接接觸的冷凝以及與熱交換器冷卻壁直接接觸的冷凝。在真空/蒸汽處理中，發(fā)生第二種冷凝模式。冷凝有兩種類型[36]：薄膜冷凝和水滴冷凝。在膜狀冷凝中，冷凝的液體在表面上形成連續(xù)的液膜(液體潤(rùn)濕表面),傳熱系數(shù)低于水滴模式，但可預(yù)測(cè)且穩(wěn)定。在水滴冷凝中，由于潤(rùn)濕性差(液體不潤(rùn)濕表面)，冷凝的液體在傳熱表面上形成水滴,傳熱系數(shù)高。它可以輕松更改為膠片值。蒸汽中的表面涂層和添加劑可改進(jìn)這種模式。由于材料的濕表面較大，在原木的真空/蒸汽處理過(guò)程中可能發(fā)生膜狀冷凝。冷凝熱傳遞的速率與表面溫度、總體積壓力、表面和液膜特性以及體積速度有關(guān)，取決于真空度，原木表面溫度和蒸汽壓力。

3 真空/蒸汽系統(tǒng)

真空/蒸汽系統(tǒng)由真空源(真空泵)、腔室(剛性或柔性真空)、蒸汽發(fā)生器(鍋爐)、控制和監(jiān)視設(shè)備組成，還包括記錄容器和處理過(guò)的物料中的溫度采集系統(tǒng)(圖2)。

圖2 真空/蒸汽處理系統(tǒng)

真空室可以是普通的鋼結(jié)構(gòu)堅(jiān)固腔室(圖3)，或者是柔性的腔室(圖4)。柔性真空容器可以由高強(qiáng)度的紡織物制成，并用PVC化合物涂覆和浸漬?？梢栽谌嵝匀萜魃习惭b不透氣和不透水的拉鏈，以保證開(kāi)口處密封，物料通過(guò)該開(kāi)口進(jìn)行裝卸。

蒸汽鍋爐。傳統(tǒng)鍋爐是其中裝有加熱元件的儲(chǔ)罐，通過(guò)燃燒氣體或電能產(chǎn)生熱量，如Reimers Electra生產(chǎn)的RX100C3F型電蒸汽鍋爐，配備了100 kW的加熱元件(圖5)。蒸汽鍋爐通常需將水加熱至沸騰并保持在一定的溫度和壓力下。蒸汽是一種輕便、簡(jiǎn)便且安全的熱源。有的鍋爐可以通過(guò)燃燒木材和其他可再生燃料產(chǎn)生蒸汽。蒸汽充當(dāng)熱源和原木之間的傳熱介質(zhì)。蒸汽的溫度很高，因此可攜帶更多的熱量。但是，溫度越高，壓力也越大。鍋爐中較大的壓力會(huì)引起一些安全隱患，從而導(dǎo)致成本和維護(hù)費(fèi)用增加。同樣重要的是，必須有一個(gè)密封良好的腔室，以避免從外部泄漏空氣或從內(nèi)部泄漏蒸汽。足夠的流量意味著蒸汽將均勻地分布到原木或處理材料的表面上。

圖3 剛性真空室 圖4 柔性真空室 圖5 電蒸汽鍋爐(RX100C3F型)

真空泵。真空泵是一種可以從密封容積中抽取空氣或其他氣體，從而產(chǎn)生部分真空的裝置。真空泵與腔室組合成各種真空系統(tǒng)。泵的真空度是推薦的最大真空度。真空泵從密閉系統(tǒng)中排出空氣的效率由其容積效率決定，該效率是衡量真空泵輸送所計(jì)算出的空氣量有多接近的一種度量。

旋轉(zhuǎn)活塞真空泵是工業(yè)用重型泵，可抽到13 Pa的真空度。這些泵可以在高污染環(huán)境中使用。液環(huán)真空泵用于有蒸汽環(huán)境。液環(huán)真空泵的工作真空度會(huì)受限制于4 000 Pa以上。液環(huán)泵可靠，且相對(duì)便宜,但在操作過(guò)程中可能會(huì)消耗大量的水。干式真空泵是在不借助密封液(例如油或水)的情況下壓縮氣體的機(jī)器。它們可用于存在環(huán)境問(wèn)題的極腐蝕狀態(tài)中。Busch公司的Mink真空泵MI-2122是7.5 HP兩級(jí)干式爪泵(圖6)。該泵功率5 148.5 W，容量為56.5 cfm，在大氣壓下可將真空抽至1 066 Pa。Mink真空泵根據(jù)旋轉(zhuǎn)凸角原理工作。當(dāng)葉片不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，水蒸氣和空氣在壓力作用下被吸入、壓縮和排出。

圖6 Busch公司的Mink真空泵

4 以真空/蒸汽處理內(nèi)蒙古柳樹(shù)中的光肩星天牛防治案例

光肩星天牛(圖7)侵害柳樹(shù)(Salixmatsudana)或楊樹(shù)等樹(shù)木。柳樹(shù)為落葉喬木樹(shù)種，生長(zhǎng)迅速，高可達(dá)6～9 m，是重要的風(fēng)景樹(shù)種，廣泛分布于中國(guó)各公園和沿街兩側(cè)。在中國(guó)北方，柳樹(shù)不僅僅用于觀賞，還能減輕沙塵暴。內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國(guó)北部，大部分為寒冷的干旱地區(qū)，冬季長(zhǎng)、寒冷干燥，經(jīng)常有暴風(fēng)雪；其他季節(jié)短暫且常有沙塵暴，夏季炎熱。在內(nèi)蒙古已發(fā)現(xiàn)被該蟲(chóng)侵害的柳樹(shù)。當(dāng)樹(shù)木受到光肩星天牛入侵時(shí)，生長(zhǎng)受到影響。侵害的表征是在樹(shù)根周圍或在樹(shù)枝的交叉部位堆積的排出物(圖8)。先看星天牛成蟲(chóng)從橢圓形的羽化孔飛出(圖9)。

圖7 光肩星天牛成蟲(chóng) 圖8 樹(shù)基部發(fā)現(xiàn)的大量排出物 圖9 危害形成的橢圓形羽化孔

在內(nèi)蒙古烏海公園，發(fā)現(xiàn)有多棵受天牛侵害的柳樹(shù)。將受害柳樹(shù)砍下鋸成原木，保存在0 ℃左右的低溫室內(nèi)。這樣天牛就不會(huì)很快羽化，從而可以靈活安排試驗(yàn)日期。測(cè)試中，逐株記錄原木的直徑和重量。用烘箱干燥法測(cè)量原木的水分含量。在做處理時(shí)，原木不剝皮。在原木的不同位置鉆孔測(cè)量溫度?？讖酱笾碌扔跍囟忍筋^直徑。然后將溫度探頭插入孔中，確保每次測(cè)試時(shí)可精確監(jiān)控測(cè)量原木中心的溫度。同時(shí)，還需測(cè)量真空室內(nèi)部的溫度、木材表面溫度和空氣溫度，以及環(huán)境溫度。

在每次測(cè)試中，共有四根原木，其中三根為處理樣品，一根為對(duì)照樣品。將對(duì)照樣品放置在處理的真空袋旁邊，但不進(jìn)行處理。把三根處理原木樣品放進(jìn)真空袋里，然后抽成真空。測(cè)試真空度設(shè)定為46 662 Pa。達(dá)到測(cè)試真空度后，停止運(yùn)行真空泵。然后將蒸汽注入真空袋，以使真空袋內(nèi)部的溫度和原木中心的溫度升高。當(dāng)真空袋內(nèi)溫度達(dá)到80 ℃后，放慢蒸汽注入，將溫度保持在90 ℃以下。當(dāng)原木中心溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，手動(dòng)控制蒸汽進(jìn)氣量，把中心溫度控制在60 ℃，并保持60 min。這樣，就認(rèn)為處理完成。放進(jìn)空氣，打開(kāi)真空袋，將原木劈開(kāi)，尋找幼蟲(chóng)、蛹和成蟲(chóng)。將蟲(chóng)從原木中移出并保持在室溫下(圖10)。如果從處理原木中取出3 h內(nèi)未觀察到蟲(chóng)的蠕動(dòng)，則認(rèn)為蟲(chóng)已經(jīng)死亡。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，從處理過(guò)的木材中取出的所有幼蟲(chóng)均已死亡。然而，從對(duì)照樣品中取出的幼蟲(chóng)約有77%尚處存活狀態(tài)。試驗(yàn)還詳細(xì)記錄了處理過(guò)的樣品和對(duì)照樣品中的幼蟲(chóng)數(shù)量，以及每種測(cè)試的處理持續(xù)時(shí)間(表1)。

圖10 從經(jīng)過(guò)處理的原木中挑出的光肩星天牛幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)

表1 從不同處理材料中找到的天牛數(shù)量及處理時(shí)間

在不同初始溫度下，直徑10～26 cm的原木，處理時(shí)間最長(zhǎng)為500 min。該處理時(shí)間比處理托盤(pán)的時(shí)間長(zhǎng)[37]。這是因?yàn)橥斜P(pán)頂板和縱條比原木小。真空/蒸汽處理時(shí)間還取決于許多因素，比如原木初始起始溫度、原木種類、直徑、熱源大小、含水率和真空容器導(dǎo)熱性能等。

經(jīng)處理后，原木重量將有所增加，平均含水率增加9.1%。含水率的增加值與原木溫度和補(bǔ)償熱量損失所需的能量有關(guān)。直徑22.5 cm的柳樹(shù)原木真空處理的溫度曲線(圖11)可以典型反映這一規(guī)律。真空室內(nèi)介質(zhì)的溫度首先升高，并在處理早期快速升高，其次是木材表面溫度，原木中心的溫度緩慢升高。

圖11 直徑22.5 cm的柳樹(shù)原木真空蒸汽處理的溫度曲線

5 結(jié)語(yǔ)

采用真空/蒸汽技術(shù)在真空水平46 662 Pa和蒸汽溫度90 ℃的情況下，可以在不到500 min的時(shí)間內(nèi)，殺死直徑10～26 cm原木中的所有光肩星天牛。60 ℃保持60 min適中于原木中心，足以殺死所有現(xiàn)存的光肩星天牛幼蟲(chóng)、蛹和成蟲(chóng)。研究還表明，柔性容器真空/蒸汽系統(tǒng)適用于現(xiàn)場(chǎng)熱處理，并且有望成為一種成本低的高效處理系統(tǒng)。