新型土壤消毒一体机提高棉隆土壤分布均匀性

方文生，曹坳程✉，王秋霞，颜冬冬，李园，靳茜，赵奇龙，仇耀康，赵宏明

1中国农业科学院植物保护研究所，北京 100193；2中国农业科学院植物保护研究所-保定学院土壤修复联合中心，河北保定 071000；3安徽春晖生态环境科技有限公司，安徽芜湖 241000；4春晖（上海）农业科技发展股份有限公司，上海 200135；5江苏南通施壮化工有限公司，江苏南通 226000

0 引言

【研究意义】熏蒸剂棉隆（dazomet）广泛应用于作物种植前的土壤消毒，它可有效防治土壤有害生物包括病原细菌、真菌、根结线虫等，特别是对杂草的防治效果与溴甲烷相当[1-2]。作为固体微粒剂，棉隆使用简单安全，只需将其撒施到土壤与土拌匀并覆膜即可。目前，棉隆的施用主要靠手撒+旋耕机的方式进行土壤消毒，该方法存在许多局限性，如手撒易导致棉隆颗粒漂移、旋耕机翻土深度有限（15—17 cm）、药剂分散不均匀，而使熏蒸效果下降。研究表明，棉隆田间熏蒸后，对生姜地病原菌如镰孢菌（Fusarium）、疫霉菌（Phytophthora）及根结线虫的防控效果不稳定[3]。特别是我国南方多为黏性土壤，土壤空隙小、药剂穿透性差，导致棉隆熏蒸效果显著下降。基于棉隆施药技术匮乏、熏蒸效果不理想的现实，评估新型土壤消毒一体机增加棉隆施药深度、改善药剂土层分布均匀性的效果，可为我国棉隆高效施药技术的建立提供知识储备。【前人研究进展】设施蔬菜由于常年重茬种植，导致土壤中虫卵和病原细菌、真菌等有害生物大量积累，引发土传病害[4]。据统计，因土传病害导致的作物减产高达60%以上，连作障碍已成为我国保护地农业生产的重大问题[5-6]。如连续多年种植后，土传根腐病、姜瘟病、线虫病发生严重，严重制约我国生姜、三七的种植生产，常需轮作5—10年才能再次种植。目前，在作物种植前采用熏蒸剂对土壤进行熏蒸消毒是控制毁灭性土传病原物（细菌、真菌、线虫等）、解决保护地连作障碍最有效且稳定的方法之一[6-7]。棉隆于20世纪60年代获得登记，用于苗场、温室、果园等防治真菌、线虫、杂草以及地下害虫[2,8-10]。在我国，棉隆已广泛应用于生姜、草莓、三七等高价值作物防治姜瘟病、根腐病、枯萎病[11-12]。棉隆本身没有杀虫活性，活性成分是其分解产物异硫氰酸甲酯（MITC），MITC通过羰基化反应与氨基、羟基、硫醇等亲和位点结合，破坏酶结构达到杀虫杀菌的效果[13]。目前，棉隆已在世界范围内多个国家获得登记，我国主要登记在草莓、番茄、花卉、生姜上防治线虫及茎腐病。研究表明，棉隆在湿润的土壤中可高效率地转化为 MITC，转化率为 90%—98%[14]。但由于棉隆分解成 MITC的过程受环境因素影响很大，如不同湿度、温度条件下，生成MITC的速率不同[15-16]。FANG等研究了棉隆在 7种不同类型土壤中的降解，发现棉隆在碱性土壤中降解速率大于酸性土壤，且棉隆的降解主要以非生物降解为主，受土壤理化性质如温湿度、pH影响大，向土壤中添加鸡粪和尿素均减慢棉隆的降解速度[15]。另外，MITC较低的饱和蒸气压2 799 Pa（20℃）（溴甲烷29 820 Pa（20℃））导致其不易在土壤中迁移扩散，只停留在施药点附近[17]。所以，棉隆的熏蒸效果不仅受土壤环境因素影响，同时与棉隆本身施药的分散均匀性关系很大。【本研究切入点】针对棉隆熏蒸效果不稳定、施药困难等问题，选用一款新型土壤消毒机——3SJG-L135A型土壤消毒一体机，评估该新型土壤消毒一体机进行棉隆施药后，药剂在不同深度土层（0—40 cm）的分布均匀性及对病原菌的防治效果。【拟解决的关键问题】选取安徽、河北、山西3个点作为熏蒸试验地，比较新型施药机与传统手撒+手扶拖拉机两种施药模式下，棉隆在不同深度土层的分布均匀性及其对病原菌（镰孢菌和疫霉菌）防治效果的差异，为进一步研发稳定、高效、安全的棉隆施药器械提供基础数据。

1 材料与方法

试验于2020年3—8月在安徽长丰、河北满城和山西运城三地进行棉隆熏蒸消毒，地块均为草莓常年种植地。田间样品收集后于中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室及中国农业科学院植物保护研究所-保定学院土壤修复联合中心完成分析。

1.1 药剂

棉隆：98%微粒剂（隆鑫）由江苏南通施壮化工有限公司提供。标准品：99%异硫氰酸甲酯（MITC）购于Sigma公司。

1.2 施药器械

3SJG-L135A型棉隆土壤消毒一体机（图1）由安徽春晖生态环境科技有限公司提供，消毒机采用全封闭药箱和尾轮驱动、偏心旋耕轴设计，结合高速反转的合金专用刀具和双侧液压油缸，保障了施药量的精确性（药量误差小于1 kg/667 m2），翻土深度达30—40 cm。该新技术具有以下特点：解决人工撒药不均匀、传统旋耕机深度不达标等问题，大幅提高作业效率，减少劳动强度，同时确保了作业人员的安全。

1.3 田间熏蒸及样品收集

安徽长丰熏蒸消毒于2020年4月进行，熏蒸前随机选取5个采样点收集5—40 cm深度土壤用于分析田间病原菌数量及土壤理化性质。根据棉隆田间推荐用量，试验设置棉隆施药剂量为 40 g·m-2。将棉隆装入新型施药机药箱后开始作业，对照为手撒+手扶式拖拉机，具体操作：将棉隆颗粒剂均匀撒施土壤表面，用拖拉机旋耕翻土。施完药后立即开始取样，每个处理区随机选取5个点作为采样点，每个点分为5、10、20、30、40 cm 5个深度土层，每个深度土层各称取两份8 g土壤，装于21 mL顶空瓶并立即密封。样品收集完后，立即用0.04 mm 聚乙烯塑料薄膜覆盖熏蒸地块进行密封熏蒸。顶空瓶样品带回室内培养，28℃培养14 d后进行后续分析。两份土样其中一份用于测定气体MITC溶度及土壤MITC残留量，另一份用于分析对镰孢菌属及疫霉菌属的防治效果（图2）。

山西运城熏蒸消毒于2020年7月16日进行，棉隆施药剂量为40 g·m-2。具体施药方法及样品收集同上。河北满城熏蒸消毒于2020年7月18日进行，棉隆施药剂量分为40和60 g·m-2两个梯度。其他操作同上。

1.4 土壤理化特性分析

土壤含水量采用105℃ 4 h烘干法进行差重计算，pH按土水比1﹕2.5测定，有机质采用重铬酸钾滴定法，全碳、全氮采用元素分析仪测定，土壤铵态氮、硝态氮的测定采用KCl提取-流动分析仪测定，土壤速效钾及有效磷分别采用NH4AC提取-火焰分光光度法及NaHCO3提取-流动分析仪测定（表1）。具体操作参见土壤农化分析[18]。

表1 试验地理化性质Table 1 Physical and chemical properties of experimental plots

1.5 气体MITC溶度检测

样品培养14 d后，其中一份用于顶空进样，测定顶空瓶中棉隆产生的气体 MITC溶度。顶空进样于GC-MS-HS上进行（安捷伦 8890-5977-7697A）。具体色谱参数：顶空进样器炉温 40℃，定量环温度100℃，传输线温度 120℃；气相色谱进样口温度200℃，柱温60℃，柱流速1 mL·min-1，色谱柱为HP-5 MS 30 m×0.32 mm；定性定量离子为75、74、45 m/z。具体方法参见WANG等[19]。

1.6 土壤MITC溶度检测

顶空进样完成后，样品立即于-80℃冻存用于后续土壤MITC提取。冻存样品取出后立即分析，样品提取方法参见WANG等[19-20]：向顶空瓶中加入8 g无水硫酸钠，8 mL乙酸乙酯，密封后涡旋30 s，于2 500 r/min振荡30 min。静置1 h后，取1 mL上清液过0.02 mm有机滤膜于2 mL进样瓶中待分析。MITC溶度于GC-MS气相色谱-质谱联用仪（安捷伦8890-5977）上分析，色谱条件同上。

1.7 病原菌分离及计数

土壤中镰孢菌属及疫霉菌属采用选择性培养基进行分离计数，参见文献[21-22]。具体分离步骤：将顶空瓶中8 g土样加入到95 mL 0.7%的灭菌琼脂水中，在摇床上振荡30 min（200 r/min），配置得到土壤悬浮液。在47.5 mL培养基A成分内先加入培养基B成分2.5 mL，再加入土壤悬浮液1 mL，摇匀后均分到3个培养皿内，于28℃培养3 d后计数镰孢菌属或疫霉菌属的菌落生长情况。

A成分配置如下（以2 L为例）：镰孢菌属：KH2PO42 g；KCl 1 g；MgSO41 g；L-天冬碱 4 g；D-半乳糖40 g；琼脂30 g。疫霉菌属：琼脂34 g；葡萄糖40 g。

B成分配置如下（以100 mL为例）：镰孢菌属：Fe-Na EDTA 0.02 g；Na2B4O7·10H2O 2 g；牛胆汁粉1 g；硫酸链霉素1 g；C6H2ClF2NO21.5 g。疫霉菌属：C6H2ClF2NO20.15 g；氨苄青霉素0.03 g；利福平 0.02 g。

1.8 数据统计与分析

样本间差异分析采用秩和t检验（Welch’st-test），差异可视化用Stamp（Statistical Analysis of Metagenomic Profiles）软件实现，其他分析采用SPSS 19.0及Origin 9.0完成。

2 结果

2.1 MITC气体溶度分布均匀性

ANVOA方差分析显示两种施药方式（手撒和机施）不同深度土壤中气体MITC溶度均存在显著差异（P＜0.05）（图3）。棉隆手撒处理组只在5及10 cm深度土层检测到高溶度MITC，安徽、河北两地20—40 cm深度土层气体MITC溶度为0，山西土壤中低于0.16 μg/g土，表明手撒施药模式下棉隆主要分布在0—20 cm以上土层。安徽、河北、山西三地机施处理5—40 cm深度土层均检测到MITC，MITC气体溶度在1.46—3.02 μg/g土（40 g·m-2用量下平均值），且各深度土层间MITC溶度无显著差异（P＞0.05，图4-a），表明机施模式下棉隆均匀分布于0—40 cm深度土层。但棉隆手撒处理组5—10 cm深度土层中气体MITC溶度显著高于机施处理组，2.58—4.69 vs 1.46—3.02 μg/g土（P＜0.05）。当棉隆用量增加到60 g·m-2，手撒处理组20—40 cm深度土层仍未检测到气体MITC（图3-d），但5—10 cm深度土层MITC溶度（6.88—8.32 μg/g土）显著高于40 g·m-2用量对应深度MITC溶度（4.69—5.64 μg/g土），表明提高棉隆施药量并不能增加20—40 cm深度土层药剂含量，但显著增加5—10 cm深度土层药剂溶度。同时，棉隆60 g·m-2用量下机施处理组5—40 cm深度土层气体MITC溶度为4.38—4.92 μg/g土，显著高于40 g·m-2用量下各深度土层MITC溶度（1.46—3.02 μg/g土）（P＜0.05，图4-a）。手撒施药模式下，由于旋耕机翻土深度受限（最大深度20 cm），大量棉隆颗粒只能混合在0—20 cm以内深度土层，因此棉隆在浅表层土中累积，导致手撒处理组5—10 cm深度土层气体MITC溶度显著高于机施处理。

2.2 MITC土壤溶度分布均匀性

同样地，ANVOA方差分析表明两种施药模式下（手撒和机施）不同深度土壤中MITC溶度具显著差异（P＜0.05）（图5）。安徽、河北、山西三地中，手撒棉隆处理组只在5及10 cm深度土层检测到高溶度MITC，27.81—31.15 μg/g土，20—40 cm深度土层MITC溶度低于2.07 μg/g土，表明手撒施药模式下棉隆主要分布在0—20 cm以上土层。而机施模式下，三地 0—40 cm深度土层均检测到较高溶度MITC，为 18.67—26.27 μg/g 土（40 g·m-2用量下平均值），且各深度土层间MITC溶度无显著差异（P＞0.05，图 4-b），表明机施模式下棉隆均匀分布于 0—40 cm深度土层。但手撒处理组5—10 cm深度土层 MITC溶度显著高于机施处理组相应深度，27.81—31.15 vs 18.67—26.27 μg/g土（P＜0.05）。当棉隆用量增加到60 g·m-2，手撒处理组20—40 cm深度土层仍未检测到MITC（图5-d），但5—10 cm深度土层 MITC溶度（46.54—48.30 μg/g土）显著高于 40 g·m-2用量对应深度（27.81—31.15 μg/g 土），表明提高棉隆施药量并不能增加 20—40 cm深度土层药剂含量，但显著增加5—10 cm深度土层药剂溶度。同时，棉隆60 g·m-2用量下，机施处理组5—40 cm深度土层MITC溶度显著高于40 g·m-2用量下各深度土层 MITC溶度（26.67—31.52 vs 18.67—22.96 μg/g土）（P＜0.05，图4-b）。相比手撒模式下旋耕机翻土深度有限，机施模式下翻土深度可达40 cm，因此棉隆颗粒可在0—40 cm深度土层与土壤均匀混合，棉隆产生的MITC均匀分布于各深度土层。

2.3 对镰孢菌和疫霉菌防治效果

镰孢菌和疫霉菌是两种常见的土传病原菌，可引起多种作物枯萎病及根腐病，表2比较了棉隆手撒和机施施药模式下不同深度土层两种病原菌减退情况。除河北地块，安徽及山西土壤均有镰孢菌危害，其中安徽试验地镰孢菌属数达到 500—1 740 cfu/g土。棉隆熏蒸后，土壤中镰孢菌属丰度急剧降低，特别是机施模式下，0—40 cm土层中镰孢菌数量降至0，减退率达100%。而手撒模式下，20—40 cm深度土层中仍有大量镰孢菌存在，镰孢菌减退率在-65%—43%，表明棉隆手撒施药只对浅表层土中镰孢菌具优良防效，对深层土中镰孢菌防治效果不佳。相反，机施模式下，因棉隆可均匀分散在不同深度土层，对浅表层及深层土壤中镰孢菌的防治效果均表现优异。相对于镰孢菌，疫霉菌在三块试验地中均有大量检出，且浅表层土（0—20 cm）疫霉菌丰度高于深层土壤（20—40 cm），1 520—7 920 vs 660—1 660 cfu/g土。同样地，棉隆熏蒸后土壤疫霉菌属丰度显著降低（P＜0.05），特别是机施模式下，0—40 cm不同深度土层疫霉菌减退率达 90%—100%。棉隆手撒模式下，表层土壤（0—10 cm）疫霉菌减退率达90%—100%，20 cm深度时降至65%—74%，20—40 cm深度只有0—48%，表明随着土壤深度增加（0—40 cm）疫霉菌防治效果显著降低（P＜0.05）。无论是手撒还是机施模式下，棉隆40和 60 g·m-2用量处理下各深度间疫霉菌的减退率无显著差异（表 2）。尽管相比于 40 g·m-2用量，60 g·m-2用量处理显著增加手撒模式 0—10 cm及机施模式各深度MITC溶度，但并未观察到病原物防治效果的显著提高。原因在于，低剂量棉隆处理对疫霉菌已有很好防治效果，如河北试验地中低剂量棉隆处理（40 g·m-2）下 0—10 cm 疫霉菌防治效果已达100%，同样地，机施模式低剂量棉隆处理（40 g·m-2）下20—40 cm疫霉菌防治效果已达90%—92%，因此提高棉隆用量至 60 g·m-2不能提高对疫霉菌的防治效果。

表2 棉隆手撒和机施模式下不同深度土层镰孢菌和疫霉菌计数及减退率Table 2 Count and decrease rate of Fusarium and Phytophthora in different soil depths under dazomet hand-sprinkling and machine application

3 讨论

连作障碍是当前设施蔬菜生产上面临和亟需解决的最大挑战，通常认为长期连作土壤中有害微生物积累引起的土传病害是造成连作障碍发生的主要原因[23-24]。因此，合理有效控制土壤有害病原生物是解决农业生产连作障碍的关键。针对连作土壤中有害病原生物问题，目前主要的措施有化学熏蒸与生物防治，生物防治因其有益菌、拮抗菌在土壤中稳定性不佳，常导致熏蒸效果下降，难以达到大面积防控土传病害的目的。因此，目前仍以化学熏蒸为主，但熏蒸效果较好的熏蒸剂溴甲烷因破坏臭氧层而被全球禁用，我国已于2019年全面禁止在农业上的应用。氯化苦、棉隆、威百亩、二甲基二硫、辣根素、硫酰氟是溴甲烷的优秀替代品[7,25]。

棉隆即3,5-二甲基-1,3,5-噻二嗪烷-2-硫酮，在潮湿的土壤中遇水生成异硫氰酸甲酯（MITC），MITC是杀虫杀菌的活性成分，并且 MITC不会破坏臭氧层，对环境友好、操作简单、对人畜低毒、易于贮存，所以棉隆得到广泛应用[26]。我国是棉隆原药主要生产地，番茄、黄瓜、草莓、生姜、中药材、花卉、果树、苗圃上均有广泛应用[7,27]，使用面积不断增加。但施药困难、熏蒸效果不稳定是困扰棉隆应用最大的挑战，3SJG-L135A型棉隆土壤消毒一体机的诞生，填补了国内土壤消毒施撤固体颗粒和微粒药物机械的空白，该机械同时具有秸秆还田、深耕、碎土、施药一体机功效，很好地解决了棉隆熏蒸施药难题。新型施药一体机采用全封闭药箱和尾轮驱动、偏心旋耕轴设计，结合高速反转合金专用刀具和双侧液压油缸，不仅可以安全地控制药量误差小于1 kg/667 m2，而且取土深度达30—40 cm，有效解决了人工撒药不均匀，传统旋耕机深度不达标等问题，大幅提高作业效率，减少劳动强度，同时确保了作业人员的安全。

安徽、河北、山西三地试验均表明，相比传统手撒施药模式，新型土壤消毒一体机可大幅提高棉隆在不同深度土层的分布均匀性，同时显著增加深层土壤（20—40 cm）病原物的防控效果。而手撒施药模式下，因旋耕机翻土深度受限及混土不均问题，棉隆主要集中在0—20 cm深度土层，20—40 cm几乎没有药剂，从而导致20—40 cm深度土层中对镰孢菌及疫霉菌防控效果不理想（病原菌减退率＜43%，表2）。深层土壤中未被杀灭的病原物将成为下茬作物土传病害发生的重要病原物来源，因此棉隆手撒模式下逃逸的病原物将是潜在的重大危害。棉隆机施模式下，20—40 cm深度土层中镰孢菌及疫霉菌减退率高达90%以上（表2），表明新型消毒一体机可将棉隆与20—40 cm深层土充分混匀，深层土壤中镰孢菌及疫霉菌的减少有望防止作物生长期病原物再次暴发。

熏蒸剂不同于其他常规农药，常规农药发挥效果仅限于与药剂接触的靶标，而熏蒸剂因其高挥发性而易扩散，当熏蒸剂作用到土壤后可迅速向四周迁移，如WANG等发现氯化苦、1,3-二氯丙烯、二甲基二硫最大可迁移至40—60 cm深度土层[19,28-29]。本试验中将各深度土壤收集后分别培养，人为阻断了各土层间气体熏蒸剂的自由扩散及迁移，因此具有一定局限性。如实际田间熏蒸状态，棉隆手撒模式下，气体MITC或可扩散至20—30 cm深度土层，同样地，棉隆机施模式下，＞40 cm深度土层亦或可检测到MITC。传统模式下，土壤水平方向棉隆的分布取决于手撒的均匀性及旋耕机的碎土率。相比水平方向，垂直方向是制约棉隆发挥熏蒸效果的最大瓶颈，传统旋耕机最大翻土深度只能到达20 cm，而土壤有害生物可分布在0—60 cm深度土层[30]。新型土壤消毒一体机一方面能够将翻土深度增至40 cm，显著提高药剂的垂直分布深度，另一方面新型消毒机极高碎土率保证药剂与土壤混合更充分，提高药剂在整个土层的分布均匀性。新型消毒机特有的混式刀片及宽轴地轮（1.5 m）结构，翻土、混土、碎土与施药同时进行，可同时提高药剂水平及垂直方向分布均匀性。本研究关注点是药剂不同深度的分布情况，未将水平方向考虑在内，因此在将来的试验中有必要专门设置试验评估新型消毒一体机对棉隆水平分散情况的影响。但毋庸置疑，新型土壤消毒一体机相对于传统手撒施药模式，具更高的混土均匀性和药剂分散度，是土壤消毒领域的一次重大技术革新。

4 结论

相比于传统手撒施药模式，新型土壤消毒一体机可大幅提高棉隆在不同深度土层的分布均匀性，同时显著增加深层土壤（20—40 cm）病原菌的防控效果。