微波加熱土壤仿真模型的建立及其除草消毒效果研究

馬思鵬，靳紅玲，趙亞君，胡紅艷，胡小平

(西北農(nóng)林科技大學 a 機械與電子工程學院,b 植物保護學院，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)的一個重要因素，對農(nóng)作物種植前的土壤進行消毒處理是防控病蟲草害的重要手段。目前，針對土傳病害的防治方法主要有化學消毒法和物理消毒法等[1-5]?；瘜W消毒法通常是對土壤施加化學藥劑來達到滅殺土壤病害的效果，但同時會嚴重污染生態(tài)環(huán)境甚至危害人畜安全。物理消毒法主要有太陽能法、蒸汽法、高溫火焰法和微波法等。太陽能法、蒸汽法和高溫火焰法雖對環(huán)境友好，但防治效果不如化學消毒法。微波消毒是利用微波“照射”土壤，由于微波的穿透性、熱效應及非熱效應等特性，具有作業(yè)效率高、速度快、作用后無污染、操作簡便等多重優(yōu)點，使得微波消毒在土壤消毒中極具應用潛力[6-9]，微波土壤消毒的提出對增加作物產(chǎn)量和提高作物質(zhì)量、減少作物生產(chǎn)的勞動力與耕作成本具有積極意義[10-11]。近年來，國內(nèi)外對利用微波進行土壤消毒的研究不斷升溫。在國內(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微波輻射時間可較好地抑制種子萌發(fā)；王明友等[13]和徐常青等[14]分別利用設計的土壤處理機研究微波對土壤中根結(jié)線蟲的滅殺情況。在國外，Sabry等[15]將家用微波爐改造用于研究微波輻射對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，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，真菌是導致土傳病害的主要原因[18]，因此需研究微波對真菌的滅殺效果；同時，微波加熱土壤的數(shù)值仿真研究是優(yōu)化試驗裝置參數(shù)，降低裝置開發(fā)周期和成本的重要手段，但國內(nèi)尚缺乏關(guān)于微波加熱土壤的數(shù)值仿真研究報道。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，利用微波試驗裝置研究不同含水率土壤中溫度隨時間的變化情況，同時驗證模型的正確性；最后選用雜草種子和鐮刀菌作為試驗樣本，從土壤含水率、病害掩埋深度、微波作用時間等角度進行土壤消毒試驗，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；2.喇叭天線腔體；3.土壤

利用數(shù)值模型模擬計算微波加熱土壤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邊且過加熱中心的垂直切面溫度場分布。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到病害致死溫度[22]的區(qū)域范圍，對土壤中不同位置的具體溫度分布情況進行分析，如圖4所示，提取4和8 cm 2個水平截面，每個截面取3個測溫點，其中4 cm截面上對應點1～3，8 cm截面上對應點4～6，點3(4)、點5(6)距離輻射中心點1(2)分別為6,4 cm。圖5為各測溫點溫度隨時間的變化情況。由圖5可知，隨著微波加熱時間延長，土壤中各測溫點溫度逐漸增加。當微波輻射5 min后，由于上層土壤溫度更高，熱量傳導至下層，使這6個點的溫度在保溫階段均呈上升趨勢，不同測溫點到達最高溫度的時間不同，點1與點2溫度在8 min時達到最高，其他4個點在10 min左右達到最高；加熱中心線附近的溫度高于周圍溫度，離中心線越遠，溫度越低；點3和點5處(點4和點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間延長下降較為明顯外，四周溫度變化均相對較為緩慢，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 測溫點1～6在土壤模型中的位置

圖5 土壤模型中6個測溫點溫度的變化

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

為驗證數(shù)值模型的正確性，搭建微波土壤加熱試驗裝置如圖6所示。該裝置主要由土壤、微波發(fā)生器、測溫裝置組成。試驗所用土壤取自楊凌職業(yè)技術(shù)學院草莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范基地，經(jīng)晾曬干燥后用烘干法測得土壤含水率為2%，計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端口面逐漸擴大形成的，具有功率容量大、加熱面積大、輻射效率高等優(yōu)點。利用微波爐定時器設定加熱時間，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。對于微波加熱時土壤內(nèi)部溫度的測量，需要選擇接觸式溫度傳感器。相較于傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶等電信號測溫方式，光纖傳感器能檢測和傳輸光信號，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。試驗測溫裝置選用6通道熒光式光纖測溫儀[23](北京東方銳擇科技有限公司)，量程范圍為-40～200 ℃，精度±1 ℃，由光纖測溫探頭、信號解調(diào)器、顯示屏、上位機軟件組成。為測量不同位置的土壤溫度，將6個傳感器編號為1～6，對應于圖4中仿真試驗所選擇的6個測溫點位置，用扎帶將傳感器探頭緊固在箱子內(nèi)布置的尼龍繩上，測溫時由光纖測溫儀的探頭將光信號傳至信號解調(diào)器中，解調(diào)成溫度數(shù)值后傳輸?shù)絻x器顯示屏和上位機軟件，實現(xiàn)溫度數(shù)值的實時顯示和記錄。

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

2.2 微波加熱土壤試驗

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

2.3 微波除草消毒試驗

為探究微波輻射時間、土壤含水率對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、鐮刀菌作為樣本進行除草消毒試驗。其中黑麥草和狗尾草均屬于生命力較強的禾谷類雜草，且黑麥草抗除草劑藥性較強[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 準備含水率為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個測溫傳感器對應的位置。每種含水率土壤下的試驗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濾紙的培養(yǎng)皿中萌發(fā)，3 d后統(tǒng)計種子萌發(fā)結(jié)果。

2.3.2 真菌滅殺試驗 鐮刀菌孢子懸浮液由西北農(nóng)林科技大學植保學院提供。準備含水率為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，埋放在測溫傳感器布置點位，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，同時設置未進行輻射處理的鐮刀菌孢子懸浮液混合土樣為空白對照，試驗結(jié)束后將所有樣品送至西北農(nóng)林科技大學植保學院，在超凈工作臺的無塵無菌環(huán)境中進行處理效果檢測。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)計菌落數(shù)，計算樣品中鐮刀菌孢子存活率。

3 結(jié)果與分析

3.1 微波對3種濕度土壤的加熱效果

3種含水率土壤不同測溫點溫度隨微波加熱時間的變化曲線見圖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深處的測溫點最低溫度依次為52，92，72 ℃，8 cm深處的測溫點溫度依次為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到99和94 ℃；保溫階段，隨著時間推移，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 測溫點3處3種含水率土壤溫度的變化

為進一步驗證數(shù)值模型的正確性，表1給出了含水率2%土壤不同測試點仿真和試驗溫度的對比。由表1可知，6個測溫點的試驗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與仿真試驗溫度的比較

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后測溫點2位置處和對照黑麥草、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.對照

不同時間微波處理對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，微波對供試2種雜草種子的滅殺效果受土壤含水率、微波輻射時間、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 不同時間微波處理對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)率最高達到100%；微波輻射5 min時，均能顯著減少4 cm深處的鐮刀菌孢子萌發(fā)率，而8 cm土壤深處除中心測溫點外，其余測溫點鐮刀菌的滅活效果均隨著含水率的增大而變差。這是因為土壤含水率越高，深層土壤溫度較表層越低，當土壤溫度低于50 ℃時，微波處理對鐮刀菌孢子萌發(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63%。欲使深層土壤的鐮刀菌孢子萌發(fā)率降低，應增加微波處理時間，以使深層土壤達到鐮刀菌致死溫度。

表3 不同時間微波處理對3種含水率土壤中鐮刀菌孢子萌發(fā)的影響

4 結(jié) 論

為探究微波對不同含水率土壤的加熱效果及草病害的滅殺效果，本試驗結(jié)合微波加熱溫度場仿真分析，采用喇叭天線定向輻射的方式對土壤進行加熱及消毒處理，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-傳熱物理場耦合仿真模型，并利用微波爐改裝的微波土壤加熱試驗裝置研究土壤溫度隨時間和空間的變化規(guī)律，驗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樣本進行土壤除草消毒試驗，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)的設計提供了試驗依據(jù)。

3)進一步的試驗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病蟲草害的滅殺效果。