微波加热土壤仿真模型的建立及其除草消毒效果研究

马思鹏，靳红玲，赵亚君，胡红艳，胡小平

(西北农林科技大学 a 机械与电子工程学院,b 植物保护学院，陕西 杨凌 712100)

土传病虫害与顽固性杂草一直是造成作物减产的一个重要因素，对农作物种植前的土壤进行消毒处理是防控病虫草害的重要手段。目前，针对土传病害的防治方法主要有化学消毒法和物理消毒法等[1-5]。化学消毒法通常是对土壤施加化学药剂来达到灭杀土壤病害的效果，但同时会严重污染生态环境甚至危害人畜安全。物理消毒法主要有太阳能法、蒸汽法、高温火焰法和微波法等。太阳能法、蒸汽法和高温火焰法虽对环境友好，但防治效果不如化学消毒法。微波消毒是利用微波“照射”土壤，由于微波的穿透性、热效应及非热效应等特性，具有作业效率高、速度快、作用后无污染、操作简便等多重优点，使得微波消毒在土壤消毒中极具应用潜力[6-9]，微波土壤消毒的提出对增加作物产量和提高作物质量、减少作物生产的劳动力与耕作成本具有积极意义[10-11]。近年来，国内外对利用微波进行土壤消毒的研究不断升温。在国内，刘洪杰等[12]使用家用微波炉研究了微波辐射抑制草籽的可行性，通过提高功率或延长微波辐射时间可较好地抑制种子萌发；王明友等[13]和徐常青等[14]分别利用设计的土壤处理机研究微波对土壤中根结线虫的灭杀情况。在国外，Sabry等[15]将家用微波炉改造用于研究微波辐射对土壤生物组织的破坏情况；Brodie等[16]和Behzadi等[17]分别研制了微波除草机，后者还仿真分析了微波加热土壤的温度分布。总体来看，现有关于微波的土壤消毒研究主要集中在对杂草种子、根结线虫和土壤菌群的灭杀方面。但由于土壤菌群包括有益菌和有害菌，真菌是导致土传病害的主要原因[18]，因此需研究微波对真菌的灭杀效果；同时，微波加热土壤的数值仿真研究是优化试验装置参数，降低装置开发周期和成本的重要手段，但国内尚缺乏关于微波加热土壤的数值仿真研究报道。为此，本研究首先基于COMSOL Multiphysics软件建立微波加热土壤的数值仿真模型，研究土壤温度随时间和空间的分布规律；其次基于仿真结果，利用微波试验装置研究不同含水率土壤中温度随时间的变化情况，同时验证模型的正确性；最后选用杂草种子和镰刀菌作为试验样本，从土壤含水率、病害掩埋深度、微波作用时间等角度进行土壤消毒试验，旨在为利用微波技术防控土传病害提供理论依据。

1 微波加热土壤温度仿真研究

1.矩形波导；2.喇叭天线腔体；3.土壤

利用数值模型模拟计算微波加热土壤5 min及保温30 min土壤温度的分布。图2为距土壤上表面4 cm处水平切面的温度场分布，该深度的温度分布呈中心高、四周低，温度最高为96 ℃；等温线形状接近于椭圆，且椭圆的长轴平行于喇叭天线矩形口的短边。图3为平行于喇叭天线矩形口长边且过加热中心的垂直切面温度场分布。由图3可知，加热区域主要分布在微波辐射中心处，离加热中心线越远温度越低，且随着深度的增加也逐渐降低。由于微波穿透表层土壤，使热量多聚集在土层2～4 cm深处，最高温度为123 ℃。

图2 微波加热后土壤4 cm深处截面的温度分布

为探究微波加热土壤后可达到病害致死温度[22]的区域范围，对土壤中不同位置的具体温度分布情况进行分析，如图4所示，提取4和8 cm 2个水平截面，每个截面取3个测温点，其中4 cm截面上对应点1～3，8 cm截面上对应点4～6，点3(4)、点5(6)距离辐射中心点1(2)分别为6,4 cm。图5为各测温点温度随时间的变化情况。由图5可知，随着微波加热时间延长，土壤中各测温点温度逐渐增加。当微波辐射5 min后，由于上层土壤温度更高，热量传导至下层，使这6个点的温度在保温阶段均呈上升趋势，不同测温点到达最高温度的时间不同，点1与点2温度在8 min时达到最高，其他4个点在10 min左右达到最高；加热中心线附近的温度高于周围温度，离中心线越远，温度越低；点3和点5处(点4和点6处)的温度曲线接近，说明微波加热等温线趋于椭圆；保温阶段,除中心线附近温度随时间延长下降较为明显外，四周温度变化均相对较为缓慢，证明土壤具有良好的保温性能，有利于土壤除草消毒作业。

图4 测温点1～6在土壤模型中的位置

图5 土壤模型中6个测温点温度的变化

2 材料与方法

2.1 试验装置

为验证数值模型的正确性，搭建微波土壤加热试验装置如图6所示。该装置主要由土壤、微波发生器、测温装置组成。试验所用土壤取自杨凌职业技术学院草莓产业发展示范基地，经晾晒干燥后用烘干法测得土壤含水率为2%，计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使其温湿度均匀。微波发生器是将微波炉(美的M1-L213B，工作频率为2 450 MHz，功率700 W)的磁控管与不锈钢材质角锥喇叭天线连接改装制成，其中角锥喇叭天线是将矩形波导端口面逐渐扩大形成的，具有功率容量大、加热面积大、辐射效率高等优点。利用微波炉定时器设定加热时间，磁控管产生微波能后经过角锥喇叭天线发射至土壤中提升土壤温度。对于微波加热时土壤内部温度的测量，需要选择接触式温度传感器。相较于传统的热电阻、热电偶等电信号测温方式，光纤传感器能检测和传输光信号，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻等优点。试验测温装置选用6通道荧光式光纤测温仪[23](北京东方锐择科技有限公司)，量程范围为-40～200 ℃，精度±1 ℃，由光纤测温探头、信号解调器、显示屏、上位机软件组成。为测量不同位置的土壤温度，将6个传感器编号为1～6，对应于图4中仿真试验所选择的6个测温点位置，用扎带将传感器探头紧固在箱子内布置的尼龙绳上，测温时由光纤测温仪的探头将光信号传至信号解调器中，解调成温度数值后传输到仪器显示屏和上位机软件，实现温度数值的实时显示和记录。

1.微波炉；2.上位机软件；3.信号解调器；4.显示屏；5.光纤测温探头；6.角锥喇叭天线；7.土壤

2.2 微波加热土壤试验

本试验选用2%，10%和20% 3种不同含水率土壤，分别进行微波辐射5 min后静置保温30 min处理，探究含水率对土壤温度分布的影响。为减少微波泄漏量并提高对土壤穿透深度，试验过程中喇叭天线口紧贴于土壤表面。土壤初始温度为25 ℃，光纤测温仪温度数据采集间隔设为1 s。

2.3 微波除草消毒试验

为探究微波辐射时间、土壤含水率对杂草种子和病原真菌灭杀效果的影响，选用黑麦草种子、狗尾草种子、镰刀菌作为样本进行除草消毒试验。其中黑麦草和狗尾草均属于生命力较强的禾谷类杂草，且黑麦草抗除草剂药性较强[24]。镰刀菌属是农作物最重要的致病菌之一，其孢子致死温度为60 ℃以上保温10 min[25]。

2.3.1 杂草种子灭杀试验 准备含水率为2%，10%和20%的3种土壤，取黑麦草种子50粒，狗尾草种子80粒装入样本袋中，放置于图4中6个测温传感器对应的位置。每种含水率土壤下的试验样本用微波分别加热3，5 min，在土壤中保温30 min后取出样本袋，将样本袋中的种子及未处理种子放入铺有湿润滤纸的培养皿中萌发，3 d后统计种子萌发结果。

2.3.2 真菌灭杀试验 镰刀菌孢子悬浮液由西北农林科技大学植保学院提供。准备含水率为2%，10%和20%的3种土壤。取1 mL镰刀菌孢子悬浮液与6 g无菌土壤充分混合装入样品袋中，埋放在测温传感器布置点位，用微波分别辐射3，5 min后，在土壤中保温30 min后取出样本袋，同时设置未进行辐射处理的镰刀菌孢子悬浮液混合土样为空白对照，试验结束后将所有样品送至西北农林科技大学植保学院，在超净工作台的无尘无菌环境中进行处理效果检测。取处理过的带菌土壤样品浸提液20 μL，在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上涂板，然后于25 ℃培养箱中培养3 d后统计菌落数，计算样品中镰刀菌孢子存活率。

3 结果与分析

3.1 微波对3种湿度土壤的加热效果

3种含水率土壤不同测温点温度随微波加热时间的变化曲线见图7。由图7可见，2%含水率土壤温度的变化与图5微波仿真处理的温度变化曲线相近。微波处理5 min，2%，10%和20% 3种含水率土壤4 cm深处的测温点最低温度依次为52，92，72 ℃，8 cm深处的测温点温度依次为44，50和46 ℃；在保温阶段，由于上层土壤热量的传导作用，3种不同含水率土壤8 cm深处的温度分别提升8，11和7 ℃。由图8可知，加热阶段含水率10%和20%土壤温度的上升速率较含水率2%土壤快；土壤升温过程中，2%含水率土壤的最高温度仅为63 ℃，含水率10%和20%土壤的最高温度分别达到99和94 ℃；保温阶段，随着时间推移，土壤温度均有所降低，含水率10%和20%土壤中温度下降速率更快。分析其原因，是由于加热过程中土壤含水率越低，微波穿透越深，表层土壤对微波的吸收效果较差，温度较低[26]；而在保温过程中，土壤热量散失慢，因此具有较好的保温性。

图7 3种含水率土壤微波加热过程中温度的变化

图8 测温点3处3种含水率土壤温度的变化

为进一步验证数值模型的正确性，表1给出了含水率2%土壤不同测试点仿真和试验温度的对比。由表1可知，6个测温点的试验温度与仿真温度相近，最大误差均在12%以内，说明微波加热土壤仿真模型基本正确。

表1 2%含水率土壤微波加热试验与仿真试验温度的比较

3.2 微波的除草消毒效果

3.2.1 除草效果 图9与图10分别为10%含水率土壤处理5 min后测温点2位置处和对照黑麦草、狗尾草种子的萌发情况。由图9～10可见，微波处理5 min后黑麦草和狗尾草种子的萌发均受到明显抑制。

A.微波处理;B.对照

不同时间微波处理对3种含水率土壤中黑麦草和狗尾草种子萌发的影响结果见表2。由表2可知，微波对供试2种杂草种子的灭杀效果受土壤含水率、微波辐射时间、种子掩埋深度的影响较大。在4 cm土壤深度，含水率10%和20% 2种土壤处理5 min后种子基本都可以灭活，4 cm深处2%含水率土壤中的种子萌发率最高达到80%，10%和20% 2种含水率土壤中的种子萌发率最高为8%。实际生产中，田间多数杂草种子萌发的最适宜土层深度为1～4 cm，超过6 cm基本不可能破土发芽[27]，因此湿土中微波处理5 min可满足田间除草需求。

表2 不同时间微波处理对3种含水率土壤中黑麦草和狗尾草种子萌发的影响

3.2.2 杀菌效果 图11为10%含水率土壤微波辐射5 min处理组与对照组镰刀菌孢子的萌发情况。由图11可见，微波处理5 min后镰刀菌萌发抑制效果明显。

A.微波处理;B.对照

由表3可知，在含水率为2%，10%和20%的3种土壤中，3 min微波辐射条件下，3种不同含水率土壤中镰刀菌孢子萌发率最高达到100%；微波辐射5 min时，均能显著减少4 cm深处的镰刀菌孢子萌发率，而8 cm土壤深处除中心测温点外，其余测温点镰刀菌的灭活效果均随着含水率的增大而变差。这是因为土壤含水率越高，深层土壤温度较表层越低，当土壤温度低于50 ℃时，微波处理对镰刀菌孢子萌发的抑制效果较弱[25]，致使20%含水率土壤8 cm深处的镰刀菌萌发率最高达63%。欲使深层土壤的镰刀菌孢子萌发率降低，应增加微波处理时间，以使深层土壤达到镰刀菌致死温度。

表3 不同时间微波处理对3种含水率土壤中镰刀菌孢子萌发的影响

4 结 论

为探究微波对不同含水率土壤的加热效果及草病害的灭杀效果，本试验结合微波加热温度场仿真分析，采用喇叭天线定向辐射的方式对土壤进行加热及消毒处理，得到以下结论。

1)利用COMSOL Multiphysics软件建立微波加热土壤的电磁-传热物理场耦合仿真模型，并利用微波炉改装的微波土壤加热试验装置研究土壤温度随时间和空间的变化规律，验证微波加热土壤物理模型的正确性。

2)选用常见的黑麦草、狗尾草2种杂草种子和镰刀菌作为试验样本进行土壤除草消毒试验，结果表明：微波加热法能够抑制杂草种子和病菌的萌发，其消毒效果受微波辐射时间、掩埋深度和土壤含水率的影响，这为土壤除草消毒装备参数的设计提供了试验依据。

3)进一步的试验可以通过提高微波功率，或采用谐振腔的方式将微波能限制在金属腔内，以提高土壤加热均匀性以及对病虫草害的灭杀效果。