加热消毒设备处理西瓜重茬基质工艺优化及栽培效果.pdf

第35卷 第11期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.11 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 167 加热消毒设备处理西瓜重茬基质工艺优化及栽培效果 宋修超，罗 佳，马 艳，刘新红，周金燕，严少华 （江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014） 摘 要：为解决西瓜重茬基质再生利用障碍问题，降低基质栽培经济成本，该研究设计研发了一台利用导热油夹套加热，高温消毒处理重茬基质的设备。从节能和病原菌杀灭的角度，优化该设备的运行参数，获得重茬基质消毒技术。通过对再生基质栽培后西瓜枯萎病发病情况和尖孢镰刀菌数量的调查，验证该技术在田间尺度上的应用效果。试验结果表明：西瓜基质栽培前后容重和孔隙度变化显著，全氮、速效氮、速效钾显著（P0.05）下降33.0%、40.3%和33.5%，但仍在适宜栽培范围，再次利用需补充养分，而病原菌（尖孢镰刀菌的数量）显著增加是限制重茬基质再利用的主要障碍因子。利用该消毒设备对西瓜重茬基质消毒的最佳运行参数为：单次进料量为3 m³，基质含水率为40%，高温（70 ）消毒2.02.5 h。田间验证试验显示，连茬种植西瓜后，经消毒处理的重茬基质枯萎病发病率与新基质无差异，分析基质中病原菌数量发现，经过高温处理后重茬基质中尖孢镰刀菌数量与新基质处理无差异，均显著低于未经消毒处理。此外，西瓜采收后的生长指标（植株干质量、单果质量和产量）均与新基质无差异。因此，基于导热油外加热的消毒设备处理西瓜重茬基质工艺达到了很好的灭菌效果，满足西瓜生产需求。整个工艺的经济成本为42.2553.50元/m3，可以控制在新基质价格的6%以内。在农业生产中具有很好的应用前景。 关键词：基质；消毒；栽培；西瓜连作；高温灭菌；工艺参数 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.019 中图分类号：S477+.4; S633.304 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-11-0167-08 宋修超，罗 佳，马 艳，刘新红，周金燕，严少华. 加热消毒设备处理西瓜重茬基质工艺优化及栽培效果J. 农业工程学报，2019，35(11)：167174. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.019 http:/www.tcsae.org Song Xiuchao, Luo Jia, Ma Yan, Liu Xinhong, Zhou Jinyan, Yan Shaohua. Parameter optimization of heating disinfection machine handling watermelon continuous cultivation substrate and cultivation effectJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 167174. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.019 http:/www.tcsae.org 0 引 言 当前中国设施农业快速发展，蔬菜种植面积逐年增加，但受制于耕地面积的有限性和栽培结构的约束，高度集约化种植模式引起的土壤连作障碍、酸化、盐渍化问题日益突出1-2。利用无土栽培技术进行集约化种植对于缓解日益紧张的土地资源，防止土壤快速退化，保障农产品质量和安全等方面独具优势3。据统计，中国商业性无土栽培中90%以上是采用基质栽培方式，因此，基质栽培技术逐渐成为设施农业研究开发的热点。 相对于土壤栽培，无土基质栽培不受地域限制，节约水分，防止连作障碍，可充分发挥作物增产潜力，但制约该产业发展的最大问题是基质的一次性投资较高，成本问题突出4。本课题组前期试验结果显示基质栽培茄果类可连茬种植23茬，并没有发生严重的连作障碍，而种植西瓜后，第二茬西瓜枯萎病发病率达40%左右5。收稿日期：2018-11-06 修订日期：2019-05-25 基金项目：江苏省科技厅重点项目（BE2017379），国家自然科学基金（41601264），江苏省农业科技自主创新基金CX(18)3064 作者简介：宋修超，博士，助理研究员，研究方向为农业废弃物肥料化与基质化利用。Email：xiuchao103163.com 通信作者：马 艳，博士，研究员，研究方向为障碍土壤修复与设施蔬菜营养与施肥。Email：myjaassina.com 因此，从降低成本的角度考虑，重茬基质再生利用是必须解决的技术难题。 目前对于重茬基质的再生处理方式主要是进行消毒处理，杀灭重茬基质中有害病原菌、虫卵，进而防止病虫害的滋生与扩散，改善栽培基质状态。主要的基质消毒方法包括化学药剂消毒、太阳能消毒及蒸汽消毒6。而当前在实际生产中应用最广泛的是药剂消毒，常用的化学药剂包括甲基溴、威百亩、棉隆等。但药剂消毒的方法不易杀灭杂草种子，且制毒药剂存在环境污染风险和食品安全隐患，此类方法也将逐渐被禁止。太阳能消毒是近年来基质栽培中应用较普遍的一种消毒方法，利用太阳能聚光集热技术加热空气进而高温消毒7-8，陈志杰等发现利用垄沟式覆盖，可通过提高地温，有效杀灭根结线虫9。但不容忽视的是，太阳能消毒周期相对较长，且易受气候、阳光等自然条件限制。此外，蒸汽消毒的方法是当前的研究热点，其原理是向基质中通入180200 的热蒸汽来杀灭杂草和细菌、真菌、病毒等病原微生物10。Peruzzi等11通过基质蒸汽消毒机，并配合放热化合物（CaO和KOH）及覆膜，可杀灭存在于基质中的有害病原菌。但是，蒸汽消毒成本较高，且对消毒物料性质要求严格，需疏松、干燥，透气性好，否则蒸汽难以到达，造成消毒不完全，同时存在工艺流程复杂、作业效率相对较低等弊端。 ·农业生物环境与能源工程· 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 168 针对上述生产实际问题，本研究探索西瓜重茬基质再生利用的主要障碍因子，并利用自主研发的一台基质杀菌消毒设备，实现重茬基质的杀菌、消毒效果，达到再生利用的目的。基于该设备，开展其运行参数优化，并在田间尺度上对西瓜重茬基质的消毒效果进行研究。 1 材料与方法 1.1 供试材料 供试基质：以腐熟的秸秆发酵床养猪垫料为主要原料，与蛭石、珍珠岩和泥炭等其他辅料按一定比例复配而成，由江苏省农业科学院六合动物生产基地有机肥厂生产。 供试西瓜：品种为苏蜜8号，西瓜种苗由江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所提供。 供试肥料：康晶水溶性肥料（N-P2O5-K2O：17-17-17）和康晶水溶性肥（N-P2O5-K2O：11-11-35），购自淮安中园园艺发展有限公司。 1.2 基质消毒设备简介 基质消毒设备（图1）的基本原理是通过高温灭菌快速消毒前茬基质中积累的植物病原菌、害虫（卵）等有害生物，实现基质再生利用。该设备主体包括卧式罐体、控制电柜、自动上料系统。其设计是采用外层夹套、功率可调式导热油加热、高温消毒的方式，通过6只电加热管，实现目标温度自动控制，同时，通过履带输送机和内置搅拌系统实现自动进料和自动出料。 1.电机 2.消毒罐体 3.进料口 4.搅拌齿轮与刮板 5.出料口 6.加热电阻 7.支架 8.夹套导热油 1.Motor 2.Disinfection tank 3.Feeding hole 4.Gear and scraper 5.Discharge hole 6.Heating resistor 7.Holder 8.Heat transfer oils 图1 基质消毒设备示意图 Fig.1 Structure diagram of substrate disinfection machine 该设备技术参数包括：内筒尺寸为1 460 mm× 3 660 mm× 1 230 mm×4 mm，保温厚度60 mm，总高2 589 mm，罐体质量约4 000 kg，最大容积为5 000 L，加热电阻为20100 kW逐级可变，红外传感测温。搅拌器电机功率为7.5 kW，转速设定为10 r/min。履带输送机电机功率为7.5 kW，转速设定为20 r/min。设备额定电压为380 V。 1.3 试验设计 1.3.1 栽培西瓜前后基质物理、化学、生物学性状测定 西瓜（苏蜜8号）种植于2017年912月在江苏省农业科学院六合动物生产基地标准塑料大棚中进行，种植方式为槽式栽培，供试基质槽为本课题组专利产品，用聚苯乙烯压塑成型，长宽高分别为1.2 m×0.25 m×0.30 m。基质使用量为15 L/株，进行水肥一体化管理，分别在苗期、伸蔓期和结果期3次追施康晶水溶性肥，苗期和伸蔓期施用量为单株西瓜8 g康晶水溶性肥（N-P2O5-K2O： 17-17-17），结果期施用量为单株西瓜12 g康晶水溶性肥（N-P2O5-K2O：11-11-35）。西瓜移栽前和采收后采集4个基质样品，每个样品取样点8个。测定基质主要的物理、化学指标以及细菌、真菌和西瓜枯萎病菌的数量。 1.3.2 装料量和重茬基质初始含水率对罐体中基质升温过程的影响 前期预试验发现，消毒罐装料量（基质压实度）和基质的含水率是影响消毒过程中基质升温的最主要因子，鉴于此，为获得最佳的装料量（R）和重茬基质的初始含水率（W），共设置2因子共9组试验处理，具体如表1，消毒罐装料量分别为2.5、3和3.5 m3，重茬基质初始含水率分别为30%、40%和50%。获得基质升温曲线，试验中将物料装入罐体后，在导热油温为140 （是由导热油基本性质决定）情况下，每30 min记录罐体中基质的温度。 表1 消毒工艺优化试验设计 Table 1 Design of disinfection parameter optimization experiment 装料量Total tray capacity/ m3 含水率 Moisture content/% 2.5 (R1) 3 (R2) 3.5 (R3) 30(W1) W1R1 W1R2 W1R3 40(W2) W2R1 W2R2 W2R3 50(W3) W3R1 W3R2 W3R3 1.3.3 不同消毒时间对重茬基质中主要微生物的杀灭效果的影响 基于1.3.2节试验结果，为进一步得到基质消毒设备对病原菌的最佳杀灭时间，以西瓜枯萎病菌为检测指示菌，待导热油温达到140 后，分别在0、1、1.5、2、2.5、3和3.5 h，从消毒罐的前、中、后3处各采集基质样品500 g，同时采用传统平板培养和实时定量PCR 2种方法测定细菌、真菌和尖孢镰刀菌的数量。 1.3.4 消毒后重茬基质在西瓜种植上的栽培效果试验 试验共设3个处理：1）新基质种植（NS），2）消毒的重茬基质种植（DS），3）重茬基质机械混匀后直接种植（CS），每个处理设置3个重复，每个重复采用砖砌基质槽栽培，基质槽长5 m，宽0.8 m，深0.25 m，底面和侧身用塑料薄膜遮住，形成独立试验小区。西瓜品种为苏蜜8号，两叶一心期开始移栽，每槽种植2行西瓜，共24株，基质用量为15 L/株。重茬基质和消毒的重茬基质均以新基质的总氮磷钾含量为基准，用尿素、过磷酸钙和氯化钾补齐，混匀后移栽西瓜。试验于2018年4月至2018年7月，在江苏省农业科学院六合动物生产基地温室大棚内进行。采用统一水肥一体化管理，在移栽后15、30、45和60 d调查西瓜枯萎病发病率，在第30天时统计西瓜植株株高和茎粗，在西瓜采收后，统计西瓜产量，计算平均单果质量，并随机选择5株植株，第11期 宋修超等：加热消毒设备处理西瓜重茬基质工艺优化及栽培效果 169 收集完整植株（包括地上部和地下部），带回实验室测定烘干质量，采集基质样品分析真菌和病原菌数量。 1.4 测定指标与方法 1.4.1 基质理化性质测定 基质体积质量和总孔隙度测定参考郭世荣无土栽培学12。取一已知体积（V）的容器，称质量（W1），装满自然风干的待测基质，称质量（W2），将装有基质的容器浸泡在水中24 h后，称质量（W3）；体积质量= (W2W1)/V；总孔隙度（%）=(W3W2)/V×100（质量单位为g，体积单位为cm3）。 基质养分测定参考鲍士旦土壤农化分析13。速效氮采用KCl 浸提，流动分析仪测定；有效磷采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4Ac浸提，火焰光度法测定；全碳和全氮测定采用碳氮元素分析仪；全磷测定采用钼锑抗比色法；全钾测定采用火焰光度计法。电导率（EC）和pH值是将风干基质与去离子水以1:5比例混合振荡，静置后取上清，分别用电导率仪和pH计测定。 采用梯度稀释涂平板法测定基质的可培养细菌、真菌，选择性培养基分别是牛肉膏蛋白胨培养基和马丁氏培养基，测定尖孢镰刀菌数量采用Komada选择性培养基14。 1.4.2 基质总DNA提取 称取0.3 g基质样品，按照MPbio DNA提取试剂盒（FastDNA SPIN Kit for Soil）操作说明书提取基质样品总DNA，20 冰箱保存备用。 1.4.3 基质总细菌和真菌数量测定 基质总细菌和真菌的数量利用实时荧光定量PCR（Real-Time PCR）测定15。真菌定量扩增采用引物NS1/Fungi（5'-GTAGTCATATGCTTGTCTC-3'/5'-ATTCC- CCGTTACCCGTTG-3'），细菌定量扩增采用引物347F/531R（5'-GGAGGCAGCAGTRRGGAAT-3'/5'-CTN- YGTMTTACCGCGGCTGC-3'）。尖孢镰刀菌定量扩增采用引物 ITS1F/AFP308（5'-CTTGGTCATTTAGAGG- AAGTAA-3'/5'-CGAATTAACGCGAGTCCCAAC-3'）16。定量扩增采用ABI 7500荧光定量PCR仪进行，扩增条件为：10 µL SYBR Premix Ex Taq，0.4 µL上游引物和下游引物，0.4 µL ROX Reference Dye ，2 µL模板DNA和6.8 µL无菌水。扩增程序为：95 预变性30 s；95 预变性5 s，60 延伸34 s，循环40次。根据各样品Ct值计算每克基质所含的拷贝数。 1.5 数据分析 试验数据经Excel 2010处理后应用SPSS 22.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析比较处理间差异的显著性水平，用Origin 9.0进行作图。 2 结果与分析 2.1 栽种西瓜前后基质物理、化学和生物学特性变化 如表2所示，西瓜栽培前后，基质的物理化学性质发生了显著变化，其中，容重显著增大，孔隙度相应显著降低（P0.05）；EC值显著降低，减少50.3%，pH值略有升高，但差异不显著；全量养分中，仅全氮含量下降33.0%，达显著水平（P0.05）；速效养分中，速效氮和速效钾含量下降显著（P0.05），分别下降40.3%和33.5%。 表2 栽种西瓜前后基质物理和化学性状 Table 2 Physical and chemical properties of substrate before and after cultivation of watermelon 基质 Substrate 容重Bulk density/( g·cm-3) 孔隙度 Porosity/% pH值 pH value 电导率Electrical conductivity/ (mS·cm-1) 全氮 Total N/% 全磷 Total P/% 全钾 Total K/% 速效氮 Available N/ (g·kg-1) 速效磷 Available P/( g·kg-1) 速效钾 Available K/( g·kg-1) 栽种前 Before transplant 0.19 b 63.4 a 6.72 a 4.69 a 0.91 a 1.10 a 1.70 a 1.96 a 2.01 a 2.75 a 栽种后 After harvest 0.33 a 58.6 b 7.18 a 2.33 b 0.61 b 0.99 a 1.45 a 1.17 b 1.62 a 1.83 b 注：同列不同小写字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)，下同。 Note: Different small letters in the same column indicate significant difference at 0.05 levels, the same below. 同时采用平板计数法和实时荧光定量PCR法测定种植西瓜前后基质中微生物数量变化情况，结果如表3所示，可培养细菌和真菌的数量在种植前后变化不显著，但定量PCR数据与平板计数略有不同，真菌拷贝数在西瓜采收后显著高于种植前（P0.05）而细菌拷贝数差异不显著；基质栽培后，对西瓜枯萎病发病起主要作用的尖孢镰刀菌数量变化较大，平板计数的方法显示病原菌从无到有，而定量PCR的拷贝数增加近20倍（P0.05）。 表3 栽种西瓜前后基质中主要微生物数量 Table 3 Biological properties of substrate before and after cultivation of watermelon 细菌Bacteria 真菌 Fungi 尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum 基质 Substrate 数量Quantity/( cfu·g-1) 拷贝数 Copy/ (copies·g-1) 数量Quantity/( cfu·g-1) 拷贝数 Copy / (copies·g-1) 数量 Quantity /(cfu·g-1) 拷贝数 Copy / (copies·g-1) 栽种前Before transplant 2.63×108 a 1.84×1015 a 6.63×104 a 1.69×109 b 0 b 7.3×108 a 栽种后After harvest 3.10×10 8 a 2.65×1015 a 7.23×104 a 1.03×1010 a 5.3 ×103 a 1.33×1010 b 综合分析栽培西瓜前后基质物理、化学、生物学性质变化发现：重茬基质的物理性质仍然在西瓜生长适宜范围内；氮磷钾养分略有降低，减少的养分可以通过后期追肥补充调控，但真菌，尤其是病原真菌（尖孢镰刀菌）的激增是影响基质继续种植西瓜的主要限制因子。 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 170 注：W3R3处理由于含水率过高，物料质量超重，消毒设备的电机超负荷，因此没有获得相关数据。 Note: There was no relevant data in W3R3 treatment with high moisture content, due to the overload of equipment. 图2 不同处理下基质温度变化特征 Fig.2 Change of substrate temperature in different treatments 2.2 装料量和重茬基质初始含水率对罐体中基质升温过程的影响 根据2.1节研究结果发现，限制西瓜重茬基质再利用的主要因子是病原真菌数量急剧积累。因此，本研究利用外源加热消毒设备对重茬基质中病原菌进行高温杀灭，为尽可能达到降低成本，节约能源（单次消毒量多、升温快）的目的，获得最佳的消毒工艺参数。 Macgregor等17认为，有机肥制作中好氧堆肥维持堆温在70 一定时间对病原微生物的灭杀效果最好，故本研究以基质温度到达70 为目标温度。考虑到夹套中导热油的目标温度为恒定值（140 ），且当基质温度达到目标温度后，维持此温度所需电阻同为20 kW即可，因此本研究通过物料达到70 所需时间来判断设备的消毒效率。试验结果如图2所示：基质初始含水率对温度升高影响较大，含水率在30%时，升温较差，各处理的基质3.5 h仍然达不到60 ；含水率在40%时，单次进料量为2.5和3 m³时，升温较快，1.7 h左右可达70 ，但随着进料量的增加，物料在罐体内的压实度会更高，热传导效率变差，单次进料超过3.5 m³，需2.5 h左右才能达到70 ；当基质含水率超过50%后，升温情况受进料量影响较大，当进料量超3.5 m³时，消毒设备超负荷运行，搅拌系统运转困难，未获得相关数据，进料量3 m³时，虽然设备运转正常但升温较慢，而进料量2.5 m³时，升温 情况较好，需1.8 h可达70 。 综合考虑各处理基质的升温情况，基于升温尽可能快和进料量尽可能多的原则，选择单次进料量为3 m3，基质含水率为40%左右为该设备最佳运行参数。 2.3 不同消毒时间对重茬基质中主要微生物数量的影响 根据2.2节研究结果，选择单次进料量为3 m³，含水率为40%的运行参数，研究消毒过程中基质的真菌数量和病原真菌（尖孢镰刀菌）数量变化。通过平板计数和定量PCR测定，结果如图3所示，可培养真菌数量经高温70 处理2.5 h可完全杀灭，可培养尖孢镰刀菌耐受性更低，2 h即可完全杀灭，定量PCR数据的变化趋势与平板计数一致，22.5 h即可把病原菌完全杀灭。 图3 基质消毒过程中真菌及尖孢镰刀菌数量动态变化 Fig.3 Population of fungi and Fusarium oxysporum during substrate disinfection process 2.4 消毒后的重茬基质在西瓜种植上的栽培效果研究 重茬基质经过高温消毒后基质养分指标变化如表4，高温处理2 h后，全氮质量分数显著下降29.5%，其中速效氮质量分数下降32.4%；EC值下降达显著水平，从2.33降到1.05 mS/cm；但全磷的质量分数显著升高（P<0.05），全钾及速效钾处理前后差异不显著。 表4 西瓜重茬基质消毒处理前后理化性质变化 Table 4 Physical and chemical properties of substrate before and after disinfection 基质 Substrate pH值 pH value 电导率Electrical conductivity/ (mS·cm-1) 全氮 Total N/% 全磷 Total P/% 全钾 Total K/% 速效氮 Available N/(g·kg-1) 速效磷 Available P/(g·kg-1) 速效钾 Available K/(g·kg-1) 消毒前Before disinfection 7.18 a 2.33 a 0.61 a 0.99 b 1.45 a 1.17 a 1.62 a 1.83 a 消毒后After disinfection 7.41 a 1.05 b 0.43 b 1.25 a 1.61 a 0.79 b 1.29 a 1.66 a 为消除重茬基质养分的影响，本试验用化肥对新基质（NS）、消毒基质（DS）和重茬基质（CS）进行NPK养分调平后种植西瓜，记录西瓜生长情况和各个时期的发病率。试验结果显示，西瓜生长前期（移栽30 d以前），3种基质条件下长势差别不大，株高（图4a）和径粗（图4b）均无显著差异，但重茬基质栽培西瓜在第15 天的病害调查时，已经出现发病植株，至第30 天发病率达20%，之后枯萎病快速爆发，60 d后重茬基质栽培西瓜发病率达90%。而新基质与消毒基质西瓜枯萎病仅在后期出现个别植株感染现象（图5）。分析60 d各个基质样品的真菌和尖孢镰刀菌数量发现（图6）：重茬基质不经过消毒处理，连续种植2茬可培养真菌（图6a）和尖孢镰刀第11期 宋修超等：加热消毒设备处理西瓜重茬基质工艺优化及栽培效果 171 菌（图6c）数量急剧增加，且显著高于新基质和消毒过重茬基质。实时定量PCR（图6b,d）的结果与平板方法一致。西瓜采收后，西瓜的植株干质量（图4c）、单果质量（图4d）和小区产量（图4e）在新基质与消毒基质间无显著差异，而重茬基质栽培由于病害严重，植株萎蔫，导致各个产量指标显著下降。 注：NS为新基质，DS为消毒基质，CS为重茬基质，下同。 Note: NS is new substrate; DS is disinfection substrate; CS is continuous cultivation substrate, the same below. 图4 不同处理条件下西瓜生长与产量指标 Fig.4 Growth and yield parameters of watermelon in different substrates 图5 不同处理西瓜枯萎病发病率 Fig.5 Morbidity rate of watermelon Fusarium wilt in different substrates 2.5 外源加热消毒设备处理西瓜重茬基质运行成本分析 基于前期优化的工艺参数，在最优的温度控制、基质进料量和消毒时间条件下，分析消毒设备在处理西瓜重茬基质各个环节的运行成本。从表5可以看出，消毒设备处理1 m3重茬基质需经济成本约为42.2553.50元（单批次处理3 m3，需126.75160.50元）。此处未考虑人工成本，这主要是整个工艺流程包括进料、出料及整个消毒过程全自动操作，技术人员仅需对各个阶段的处理时间进行把控，操作非常简单，因此人工成本可以忽略不计。值得注意的是，由于环境温差的原因，该工艺中导热油预加热时间和高温消毒处理时间存在一定变异，在夏季气温较高时，基质本底温度较高且导热油的热损失较少，耗能较少，而冬季外部气温低，基质本底温度较低，导热油的热损失也相应较多，导致耗能有一定增加，但总计来讲，新基质1 000元的成本条件下，重茬基质的消毒处理成本可控制在6%以内，属于可以接受范围内。 图6 西瓜移栽60 d后不同处理基质中真菌和尖孢镰刀菌数量 Fig.6 Population of fungi and Fusarium oxysporum of substrates at 60 d after planting 表5 基质消毒设备单批次(3 m3)处理西瓜重茬基质的各环节运行成本明细 Table 5 Details of operation cost of disinfection machine handling watermelon continuous cultivation substrate 参数 Parameters 耗能 Energy/kW 时间 Time/min 经济成本 Economic cost/Yuan 进料Feeding 3 10 0.5 预加热导热油 Preheating transfer oil 100 1014 16.6723.33 基质升温阶段 Temperature-rise period 40 80100 53.3366.67 基质高温消毒阶段 High-temperature disinfection processing 20 120150 40.0050.00 混匀搅拌Stirring 7.5 120150 15.0018.75 出料Discharge 7.5 10 1.25 总成本 Total cost 126.75160.50 3 讨 论 本研究通过分析西瓜基质栽培前后基质的物理、化学、生物学性质变化，找到限制重茬基质再生利用的主要障碍因子，并通过自主研发了一套中试水平的基质消毒设备，基于此设备，开展了杀菌消毒工艺参数的优化，并最终在田间尺度上对重茬基质消毒后再利用进行效果验证，获得完整的应用技术规程。 栽培西瓜前后基质物理、化学、生物学性质的变化农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 172 显著，容重增大孔隙度减小主要是由于基质中有机物含量较高，经过一茬种植后有机物质不断矿化、稳定化，颗粒度降低，基质更加紧实18。基质养分减少主要是由于植物吸收和水分的强淋洗作用，较之土壤栽培，基质的保水保肥性能相对较差，栽培过程中对水分管理更加严格，要求频繁补水，这也增强了对基质养分的淋洗作用19。关于理想基质的标准前人已有报道20：容重在0.10.8 g/cm3范围，总孔隙度在54%96%范围，pH 值7.0左右，作物栽培效果较好，本研究中重茬基质物理性质仍在适宜范围内，而氮磷钾养分虽显著降低，但减少的养分可以通过后期追肥补充。重茬基质病原真菌（尖孢镰刀菌）的急剧积累，严重制约基质的再生利用，这也与西瓜土壤栽培相近，西瓜属于忌连作作物，病原菌极易繁殖。 消毒设备的核心是基质的高温杀菌，如何高效节能的将消毒罐体内基质温度升高是杀菌消毒的重要前提。国内外学者普遍认为，土壤质地（紧实度）和含水率是影响其导热性能的最关键因子21-22，本试验中的基质与土壤基本类似，而单次进料量可以影响基质在消毒罐体内的紧实度，单位体积内投料过多，紧实度过大，基质升温变慢。增加物料含水率可以提高其导热性能，但基质含水率超过50%，经连续搅拌后基质几乎成粘稠状，这也会严重影响物料升温。 西瓜重茬基质中尖孢镰刀菌的数量过多是引起下茬种植中枯萎病发病的主要原因。利用高温对其进行杀灭是最安全有效的措施。利用本设备外源加热70 ，2.5 h可无死角、完全杀灭基质中尖孢镰刀菌。通常情况下，细菌性和真菌性植物病原菌占常见病害致病菌的90%左右，绝大部分经60 的高温会很快失活，但少部分具备子囊壳的病原真菌以及病毒性病原菌，侵染范围却极广，一般需要超过70 才能完全杀灭17。但高温杀菌过程对基质的化学性质产生较大影响，尤其是氮素（全氮、速效氮）损失较大，这主要是由于高温处理有机物料会促进氮素以氨气的形式释放到大气中，尤其是在偏碱性环境条件下23。 将重茬基质继续种植第2茬后，发病率严重，尤其是在本研究中试验小区面积相对较小，后期病原菌传播较快，最终发病率可达90%以上。而经过高温杀菌消毒后重茬基质，对西瓜枯萎病控制较好，与新基质没有差异。基质中病原菌数量的增加是导致重茬基质枯萎病发病严重的主要原因，这也验证西瓜重茬基质必须经过杀菌消毒处理才能连续种植西瓜。 分析利用本技术处理西瓜重茬基质的效果和经济成本，具有以下特点，处理经济成本相对低，操作简单、机械化程度高，并且对病原菌的杀灭效果好，基质再利用时安全性高，且西瓜的产量能够得到保证。考虑到，新基质的成本投入较高，基质的再利用是降低成本的最佳方式，但必须尽可能的降低病害风险，保证西瓜产量。与蒸汽消毒和太阳能消毒相比，本技术对病原菌的杀灭效果方面具有明显优势，由于蒸汽和太阳能的热传递不均匀，物料温度很难均匀达到消毒目标温度，易导致病原菌的杀灭存在死角，而尖孢镰刀菌具有易变异与多型性的特点，并且极易传播和侵染，因此，利用这2项技术对西瓜重茬基质处理存在很大的枯萎病爆发隐患。此外，虽然利用嫁接苗栽培同样能够保证重茬基质再利用的病害安全性，但通过调研发现，市场上对于嫁接苗西瓜的认可度不高，主要是嫁接苗西瓜管理严格，且受砧木类型影响易导致西瓜口感差，嫁接苗比自根苗成本要高0.30.5元/株左右，核算起来1 m3基质需增加30元左右，这与本技术的处理成本差异不大。 虽然本研究所使用的消毒设备成本较高，这包括研发成本，但是设备量产可以控制在15万元以内。这对于普通农户仍然算很高的成本投入，但对于大型农业企业、农场是能够承受的经济投入。最佳的推广模式应该是基质销售企业购置，增加重茬基质处理业务或者实行基质以旧换新的政策，实现企业与农户的双赢目的。 4 结 论 1）西瓜基质栽培前后物理化学性质变化显著，容重显著增大，孔隙度显著变小，但均在适宜栽培范围；基质养分显著减少，但再生利用可通过养分补充来满足下茬种植需求；病原真菌（尖孢镰刀菌）数量的显著增加是限制西瓜重茬基质重复利用的主要障碍因子。 2）利用该消毒设备处理西瓜重茬基质的最佳运行参数为：单次进料量为3 m³，基质含水率为40%，高温（70 ）消毒22.5 h。处理成本在约为42.2553.50元/m3。高温消毒处理后能够导致基质氮素损失，全氮和速效氮均显著降低，但对病原菌杀灭效果很好，再利用时需适当补充化学养分。 3）经过高温消毒处理的重茬基质连茬种植西瓜后，枯萎病发病率与新基质无差异，其主要原因是经过高温处理后重茬基质中尖孢镰刀菌数量得到控制，与新基质处理无差异，显著低于未经消毒处理。 参 考 文 献 1 Matson P A, Parton W J, Power A G, et al. Agricultural intensification and ecosystem propertiesJ. Science, 1997, 277(25): 504509. 2 Cao Z H, Huang J F, Zhang C S, et al. Soil quality evolution after land use change from paddy soil to vegetable landJ. Environmental Geochemistry disinfection; cultivation; watermelon continuous cultivation; high temperature disinfection; technologic parameters