第35卷 第11期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.35 No.11 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 167 加熱消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)工藝優(yōu)化及栽培效果 宋修超，羅 佳，馬 艷，劉新紅，周金燕，嚴少華 （江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014） 摘 要：為解決西瓜重茬基質(zhì)再生利用障礙問題，降低基質(zhì)栽培經(jīng)濟成本，該研究設(shè)計研發(fā)了一臺利用導(dǎo)熱油夾套加熱，高溫消毒處理重茬基質(zhì)的設(shè)備。從節(jié)能和病原菌殺滅的角度，優(yōu)化該設(shè)備的運行參數(shù)，獲得重茬基質(zhì)消毒技術(shù)。通過對再生基質(zhì)栽培后西瓜枯萎病發(fā)病情況和尖孢鐮刀菌數(shù)量的調(diào)查，驗證該技術(shù)在田間尺度上的應(yīng)用效果。試驗結(jié)果表明：西瓜基質(zhì)栽培前后容重和孔隙度變化顯著，全氮、速效氮、速效鉀顯著（P0.05）下降33.0%、40.3%和33.5%，但仍在適宜栽培范圍，再次利用需補充養(yǎng)分，而病原菌（尖孢鐮刀菌的數(shù)量）顯著增加是限制重茬基質(zhì)再利用的主要障礙因子。利用該消毒設(shè)備對西瓜重茬基質(zhì)消毒的最佳運行參數(shù)為：單次進料量為3 m³，基質(zhì)含水率為40%，高溫（70 ）消毒2.02.5 h。田間驗證試驗顯示，連茬種植西瓜后，經(jīng)消毒處理的重茬基質(zhì)枯萎病發(fā)病率與新基質(zhì)無差異，分析基質(zhì)中病原菌數(shù)量發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫處理后重茬基質(zhì)中尖孢鐮刀菌數(shù)量與新基質(zhì)處理無差異，均顯著低于未經(jīng)消毒處理。此外，西瓜采收后的生長指標（植株干質(zhì)量、單果質(zhì)量和產(chǎn)量）均與新基質(zhì)無差異。因此，基于導(dǎo)熱油外加熱的消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)工藝達到了很好的滅菌效果，滿足西瓜生產(chǎn)需求。整個工藝的經(jīng)濟成本為42.2553.50元/m3，可以控制在新基質(zhì)價格的6%以內(nèi)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有很好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：基質(zhì)；消毒；栽培；西瓜連作；高溫滅菌；工藝參數(shù) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.019 中圖分類號：S477+.4; S633.304 文獻標志碼：A 文章編號：1002-6819(2019)-11-0167-08 宋修超，羅 佳，馬 艷，劉新紅，周金燕，嚴少華. 加熱消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)工藝優(yōu)化及栽培效果J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，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 當前中國設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，蔬菜種植面積逐年增加，但受制于耕地面積的有限性和栽培結(jié)構(gòu)的約束，高度集約化種植模式引起的土壤連作障礙、酸化、鹽漬化問題日益突出1-2。利用無土栽培技術(shù)進行集約化種植對于緩解日益緊張的土地資源，防止土壤快速退化，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全等方面獨具優(yōu)勢3。據(jù)統(tǒng)計，中國商業(yè)性無土栽培中90%以上是采用基質(zhì)栽培方式，因此，基質(zhì)栽培技術(shù)逐漸成為設(shè)施農(nóng)業(yè)研究開發(fā)的熱點。 相對于土壤栽培，無土基質(zhì)栽培不受地域限制，節(jié)約水分，防止連作障礙，可充分發(fā)揮作物增產(chǎn)潛力，但制約該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大問題是基質(zhì)的一次性投資較高，成本問題突出4。本課題組前期試驗結(jié)果顯示基質(zhì)栽培茄果類可連茬種植23茬，并沒有發(fā)生嚴重的連作障礙，而種植西瓜后，第二茬西瓜枯萎病發(fā)病率達40%左右5。收稿日期：2018-11-06 修訂日期：2019-05-25 基金項目：江蘇省科技廳重點項目（BE2017379），國家自然科學(xué)基金（41601264），江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金CX(18)3064 作者簡介：宋修超，博士，助理研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化與基質(zhì)化利用。Email：xiuchao103163.com 通信作者：馬 艷，博士，研究員，研究方向為障礙土壤修復(fù)與設(shè)施蔬菜營養(yǎng)與施肥。Email：myjaassina.com 因此，從降低成本的角度考慮，重茬基質(zhì)再生利用是必須解決的技術(shù)難題。 目前對于重茬基質(zhì)的再生處理方式主要是進行消毒處理，殺滅重茬基質(zhì)中有害病原菌、蟲卵，進而防止病蟲害的滋生與擴散，改善栽培基質(zhì)狀態(tài)。主要的基質(zhì)消毒方法包括化學(xué)藥劑消毒、太陽能消毒及蒸汽消毒6。而當前在實際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是藥劑消毒，常用的化學(xué)藥劑包括甲基溴、威百畝、棉隆等。但藥劑消毒的方法不易殺滅雜草種子，且制毒藥劑存在環(huán)境污染風險和食品安全隱患，此類方法也將逐漸被禁止。太陽能消毒是近年來基質(zhì)栽培中應(yīng)用較普遍的一種消毒方法，利用太陽能聚光集熱技術(shù)加熱空氣進而高溫消毒7-8，陳志杰等發(fā)現(xiàn)利用壟溝式覆蓋，可通過提高地溫，有效殺滅根結(jié)線蟲9。但不容忽視的是，太陽能消毒周期相對較長，且易受氣候、陽光等自然條件限制。此外，蒸汽消毒的方法是當前的研究熱點，其原理是向基質(zhì)中通入180200 的熱蒸汽來殺滅雜草和細菌、真菌、病毒等病原微生物10。Peruzzi等11通過基質(zhì)蒸汽消毒機，并配合放熱化合物（CaO和KOH）及覆膜，可殺滅存在于基質(zhì)中的有害病原菌。但是，蒸汽消毒成本較高，且對消毒物料性質(zhì)要求嚴格，需疏松、干燥，透氣性好，否則蒸汽難以到達，造成消毒不完全，同時存在工藝流程復(fù)雜、作業(yè)效率相對較低等弊端。 ·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程· 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org） 2019年 168 針對上述生產(chǎn)實際問題，本研究探索西瓜重茬基質(zhì)再生利用的主要障礙因子，并利用自主研發(fā)的一臺基質(zhì)殺菌消毒設(shè)備，實現(xiàn)重茬基質(zhì)的殺菌、消毒效果，達到再生利用的目的。基于該設(shè)備，開展其運行參數(shù)優(yōu)化，并在田間尺度上對西瓜重茬基質(zhì)的消毒效果進行研究。 1 材料與方法 1.1 供試材料 供試基質(zhì)：以腐熟的秸稈發(fā)酵床養(yǎng)豬墊料為主要原料，與蛭石、珍珠巖和泥炭等其他輔料按一定比例復(fù)配而成，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物生產(chǎn)基地有機肥廠生產(chǎn)。 供試西瓜：品種為蘇蜜8號，西瓜種苗由江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。 供試肥料：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），購自淮安中園園藝發(fā)展有限公司。 1.2 基質(zhì)消毒設(shè)備簡介 基質(zhì)消毒設(shè)備（圖1）的基本原理是通過高溫滅菌快速消毒前茬基質(zhì)中積累的植物病原菌、害蟲（卵）等有害生物，實現(xiàn)基質(zhì)再生利用。該設(shè)備主體包括臥式罐體、控制電柜、自動上料系統(tǒng)。其設(shè)計是采用外層夾套、功率可調(diào)式導(dǎo)熱油加熱、高溫消毒的方式，通過6只電加熱管，實現(xiàn)目標溫度自動控制，同時，通過履帶輸送機和內(nèi)置攪拌系統(tǒng)實現(xiàn)自動進料和自動出料。 1.電機 2.消毒罐體 3.進料口 4.攪拌齒輪與刮板 5.出料口 6.加熱電阻 7.支架 8.夾套導(dǎo)熱油 1.Motor 2.Disinfection tank 3.Feeding hole 4.Gear and scraper 5.Discharge hole 6.Heating resistor 7.Holder 8.Heat transfer oils 圖1 基質(zhì)消毒設(shè)備示意圖 Fig.1 Structure diagram of substrate disinfection machine 該設(shè)備技術(shù)參數(shù)包括：內(nèi)筒尺寸為1 460 mm× 3 660 mm× 1 230 mm×4 mm，保溫厚度60 mm，總高2 589 mm，罐體質(zhì)量約4 000 kg，最大容積為5 000 L，加熱電阻為20100 kW逐級可變，紅外傳感測溫。攪拌器電機功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 r/min。履帶輸送機電機功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速設(shè)定為20 r/min。設(shè)備額定電壓為380 V。 1.3 試驗設(shè)計 1.3.1 栽培西瓜前后基質(zhì)物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀測定 西瓜（蘇蜜8號）種植于2017年912月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物生產(chǎn)基地標準塑料大棚中進行，種植方式為槽式栽培，供試基質(zhì)槽為本課題組專利產(chǎn)品，用聚苯乙烯壓塑成型，長寬高分別為1.2 m×0.25 m×0.30 m。基質(zhì)使用量為15 L/株，進行水肥一體化管理，分別在苗期、伸蔓期和結(jié)果期3次追施康晶水溶性肥，苗期和伸蔓期施用量為單株西瓜8 g康晶水溶性肥（N-P2O5-K2O： 17-17-17），結(jié)果期施用量為單株西瓜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個基質(zhì)樣品，每個樣品取樣點8個。測定基質(zhì)主要的物理、化學(xué)指標以及細菌、真菌和西瓜枯萎病菌的數(shù)量。 1.3.2 裝料量和重茬基質(zhì)初始含水率對罐體中基質(zhì)升溫過程的影響 前期預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，消毒罐裝料量（基質(zhì)壓實度）和基質(zhì)的含水率是影響消毒過程中基質(zhì)升溫的最主要因子，鑒于此，為獲得最佳的裝料量（R）和重茬基質(zhì)的初始含水率（W），共設(shè)置2因子共9組試驗處理，具體如表1，消毒罐裝料量分別為2.5、3和3.5 m3，重茬基質(zhì)初始含水率分別為30%、40%和50%。獲得基質(zhì)升溫曲線，試驗中將物料裝入罐體后，在導(dǎo)熱油溫為140 （是由導(dǎo)熱油基本性質(zhì)決定）情況下，每30 min記錄罐體中基質(zhì)的溫度。 表1 消毒工藝優(yōu)化試驗設(shè)計 Table 1 Design of disinfection parameter optimization experiment 裝料量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 不同消毒時間對重茬基質(zhì)中主要微生物的殺滅效果的影響 基于1.3.2節(jié)試驗結(jié)果，為進一步得到基質(zhì)消毒設(shè)備對病原菌的最佳殺滅時間，以西瓜枯萎病菌為檢測指示菌，待導(dǎo)熱油溫達到140 后，分別在0、1、1.5、2、2.5、3和3.5 h，從消毒罐的前、中、后3處各采集基質(zhì)樣品500 g，同時采用傳統(tǒng)平板培養(yǎng)和實時定量PCR 2種方法測定細菌、真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量。 1.3.4 消毒后重茬基質(zhì)在西瓜種植上的栽培效果試驗 試驗共設(shè)3個處理：1）新基質(zhì)種植（NS），2）消毒的重茬基質(zhì)種植（DS），3）重茬基質(zhì)機械混勻后直接種植（CS），每個處理設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)采用磚砌基質(zhì)槽栽培，基質(zhì)槽長5 m，寬0.8 m，深0.25 m，底面和側(cè)身用塑料薄膜遮住，形成獨立試驗小區(qū)。西瓜品種為蘇蜜8號，兩葉一心期開始移栽，每槽種植2行西瓜，共24株，基質(zhì)用量為15 L/株。重茬基質(zhì)和消毒的重茬基質(zhì)均以新基質(zhì)的總氮磷鉀含量為基準，用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀補齊，混勻后移栽西瓜。試驗于2018年4月至2018年7月，在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物生產(chǎn)基地溫室大棚內(nèi)進行。采用統(tǒng)一水肥一體化管理，在移栽后15、30、45和60 d調(diào)查西瓜枯萎病發(fā)病率，在第30天時統(tǒng)計西瓜植株株高和莖粗，在西瓜采收后，統(tǒng)計西瓜產(chǎn)量，計算平均單果質(zhì)量，并隨機選擇5株植株，第11期 宋修超等：加熱消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)工藝優(yōu)化及栽培效果 169 收集完整植株（包括地上部和地下部），帶回實驗室測定烘干質(zhì)量，采集基質(zhì)樣品分析真菌和病原菌數(shù)量。 1.4 測定指標與方法 1.4.1 基質(zhì)理化性質(zhì)測定 基質(zhì)體積質(zhì)量和總孔隙度測定參考郭世榮無土栽培學(xué)12。取一已知體積（V）的容器，稱質(zhì)量（W1），裝滿自然風干的待測基質(zhì)，稱質(zhì)量（W2），將裝有基質(zhì)的容器浸泡在水中24 h后，稱質(zhì)量（W3）；體積質(zhì)量= (W2W1)/V；總孔隙度（%）=(W3W2)/V×100（質(zhì)量單位為g，體積單位為cm3）。 基質(zhì)養(yǎng)分測定參考鮑士旦土壤農(nóng)化分析13。速效氮采用KCl 浸提，流動分析儀測定；有效磷采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4Ac浸提，火焰光度法測定；全碳和全氮測定采用碳氮元素分析儀；全磷測定采用鉬銻抗比色法；全鉀測定采用火焰光度計法。電導(dǎo)率（EC）和pH值是將風干基質(zhì)與去離子水以1:5比例混合振蕩，靜置后取上清，分別用電導(dǎo)率儀和pH計測定。 采用梯度稀釋涂平板法測定基質(zhì)的可培養(yǎng)細菌、真菌，選擇性培養(yǎng)基分別是牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和馬丁氏培養(yǎng)基，測定尖孢鐮刀菌數(shù)量采用Komada選擇性培養(yǎng)基14。 1.4.2 基質(zhì)總DNA提取 稱取0.3 g基質(zhì)樣品，按照MPbio DNA提取試劑盒（FastDNA SPIN Kit for Soil）操作說明書提取基質(zhì)樣品總DNA，20 冰箱保存?zhèn)溆谩?1.4.3 基質(zhì)總細菌和真菌數(shù)量測定 基質(zhì)總細菌和真菌的數(shù)量利用實時熒光定量PCR（Real-Time PCR）測定15。真菌定量擴增采用引物NS1/Fungi（5'-GTAGTCATATGCTTGTCTC-3'/5'-ATTCC- CCGTTACCCGTTG-3'），細菌定量擴增采用引物347F/531R（5'-GGAGGCAGCAGTRRGGAAT-3'/5'-CTN- YGTMTTACCGCGGCTGC-3'）。尖孢鐮刀菌定量擴增采用引物 ITS1F/AFP308（5'-CTTGGTCATTTAGAGG- AAGTAA-3'/5'-CGAATTAACGCGAGTCCCAAC-3'）16。定量擴增采用ABI 7500熒光定量PCR儀進行，擴增條件為：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無菌水。擴增程序為：95 預(yù)變性30 s；95 預(yù)變性5 s，60 延伸34 s，循環(huán)40次。根據(jù)各樣品Ct值計算每克基質(zhì)所含的拷貝數(shù)。 1.5 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010處理后應(yīng)用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析比較處理間差異的顯著性水平，用Origin 9.0進行作圖。 2 結(jié)果與分析 2.1 栽種西瓜前后基質(zhì)物理、化學(xué)和生物學(xué)特性變化 如表2所示，西瓜栽培前后，基質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，其中，容重顯著增大，孔隙度相應(yīng)顯著降低（P0.05）；EC值顯著降低，減少50.3%，pH值略有升高，但差異不顯著；全量養(yǎng)分中，僅全氮含量下降33.0%，達顯著水平（P0.05）；速效養(yǎng)分中，速效氮和速效鉀含量下降顯著（P0.05），分別下降40.3%和33.5%。 表2 栽種西瓜前后基質(zhì)物理和化學(xué)性狀 Table 2 Physical and chemical properties of substrate before and after cultivation of watermelon 基質(zhì) Substrate 容重Bulk density/( g·cm-3) 孔隙度 Porosity/% pH值 pH value 電導(dǎo)率Electrical conductivity/ (mS·cm-1) 全氮 Total N/% 全磷 Total P/% 全鉀 Total K/% 速效氮 Available N/ (g·kg-1) 速效磷 Available P/( g·kg-1) 速效鉀 Available K/( g·kg-1) 栽種前 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 栽種后 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：同列不同小寫字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)，下同。 Note: Different small letters in the same column indicate significant difference at 0.05 levels, the same below. 同時采用平板計數(shù)法和實時熒光定量PCR法測定種植西瓜前后基質(zhì)中微生物數(shù)量變化情況，結(jié)果如表3所示，可培養(yǎng)細菌和真菌的數(shù)量在種植前后變化不顯著，但定量PCR數(shù)據(jù)與平板計數(shù)略有不同，真菌拷貝數(shù)在西瓜采收后顯著高于種植前（P0.05）而細菌拷貝數(shù)差異不顯著；基質(zhì)栽培后，對西瓜枯萎病發(fā)病起主要作用的尖孢鐮刀菌數(shù)量變化較大，平板計數(shù)的方法顯示病原菌從無到有，而定量PCR的拷貝數(shù)增加近20倍（P0.05）。 表3 栽種西瓜前后基質(zhì)中主要微生物數(shù)量 Table 3 Biological properties of substrate before and after cultivation of watermelon 細菌Bacteria 真菌 Fungi 尖孢鐮刀菌Fusarium oxysporum 基質(zhì) Substrate 數(shù)量Quantity/( cfu·g-1) 拷貝數(shù) Copy/ (copies·g-1) 數(shù)量Quantity/( cfu·g-1) 拷貝數(shù) Copy / (copies·g-1) 數(shù)量 Quantity /(cfu·g-1) 拷貝數(shù) Copy / (copies·g-1) 栽種前Before transplant 2.63×108 a 1.84×1015 a 6.63×104 a 1.69×109 b 0 b 7.3×108 a 栽種后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 綜合分析栽培西瓜前后基質(zhì)物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)變化發(fā)現(xiàn)：重茬基質(zhì)的物理性質(zhì)仍然在西瓜生長適宜范圍內(nèi)；氮磷鉀養(yǎng)分略有降低，減少的養(yǎng)分可以通過后期追肥補充調(diào)控，但真菌，尤其是病原真菌（尖孢鐮刀菌）的激增是影響基質(zhì)繼續(xù)種植西瓜的主要限制因子。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org） 2019年 170 注：W3R3處理由于含水率過高，物料質(zhì)量超重，消毒設(shè)備的電機超負荷，因此沒有獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。 Note: There was no relevant data in W3R3 treatment with high moisture content, due to the overload of equipment. 圖2 不同處理下基質(zhì)溫度變化特征 Fig.2 Change of substrate temperature in different treatments 2.2 裝料量和重茬基質(zhì)初始含水率對罐體中基質(zhì)升溫過程的影響 根據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，限制西瓜重茬基質(zhì)再利用的主要因子是病原真菌數(shù)量急劇積累。因此，本研究利用外源加熱消毒設(shè)備對重茬基質(zhì)中病原菌進行高溫殺滅，為盡可能達到降低成本，節(jié)約能源（單次消毒量多、升溫快）的目的，獲得最佳的消毒工藝參數(shù)。 Macgregor等17認為，有機肥制作中好氧堆肥維持堆溫在70 一定時間對病原微生物的滅殺效果最好，故本研究以基質(zhì)溫度到達70 為目標溫度?？紤]到夾套中導(dǎo)熱油的目標溫度為恒定值（140 ），且當基質(zhì)溫度達到目標溫度后，維持此溫度所需電阻同為20 kW即可，因此本研究通過物料達到70 所需時間來判斷設(shè)備的消毒效率。試驗結(jié)果如圖2所示：基質(zhì)初始含水率對溫度升高影響較大，含水率在30%時，升溫較差，各處理的基質(zhì)3.5 h仍然達不到60 ；含水率在40%時，單次進料量為2.5和3 m³時，升溫較快，1.7 h左右可達70 ，但隨著進料量的增加，物料在罐體內(nèi)的壓實度會更高，熱傳導(dǎo)效率變差，單次進料超過3.5 m³，需2.5 h左右才能達到70 ；當基質(zhì)含水率超過50%后，升溫情況受進料量影響較大，當進料量超3.5 m³時，消毒設(shè)備超負荷運行，攪拌系統(tǒng)運轉(zhuǎn)困難，未獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，進料量3 m³時，雖然設(shè)備運轉(zhuǎn)正常但升溫較慢，而進料量2.5 m³時，升溫 情況較好，需1.8 h可達70 。 綜合考慮各處理基質(zhì)的升溫情況，基于升溫盡可能快和進料量盡可能多的原則，選擇單次進料量為3 m3，基質(zhì)含水率為40%左右為該設(shè)備最佳運行參數(shù)。 2.3 不同消毒時間對重茬基質(zhì)中主要微生物數(shù)量的影響 根據(jù)2.2節(jié)研究結(jié)果，選擇單次進料量為3 m³，含水率為40%的運行參數(shù)，研究消毒過程中基質(zhì)的真菌數(shù)量和病原真菌（尖孢鐮刀菌）數(shù)量變化。通過平板計數(shù)和定量PCR測定，結(jié)果如圖3所示，可培養(yǎng)真菌數(shù)量經(jīng)高溫70 處理2.5 h可完全殺滅，可培養(yǎng)尖孢鐮刀菌耐受性更低，2 h即可完全殺滅，定量PCR數(shù)據(jù)的變化趨勢與平板計數(shù)一致，22.5 h即可把病原菌完全殺滅。 圖3 基質(zhì)消毒過程中真菌及尖孢鐮刀菌數(shù)量動態(tài)變化 Fig.3 Population of fungi and Fusarium oxysporum during substrate disinfection process 2.4 消毒后的重茬基質(zhì)在西瓜種植上的栽培效果研究 重茬基質(zhì)經(jīng)過高溫消毒后基質(zhì)養(yǎng)分指標變化如表4，高溫處理2 h后，全氮質(zhì)量分數(shù)顯著下降29.5%，其中速效氮質(zhì)量分數(shù)下降32.4%；EC值下降達顯著水平，從2.33降到1.05 mS/cm；但全磷的質(zhì)量分數(shù)顯著升高（P<0.05），全鉀及速效鉀處理前后差異不顯著。 表4 西瓜重茬基質(zhì)消毒處理前后理化性質(zhì)變化 Table 4 Physical and chemical properties of substrate before and after disinfection 基質(zhì) Substrate pH值 pH value 電導(dǎo)率Electrical conductivity/ (mS·cm-1) 全氮 Total N/% 全磷 Total P/% 全鉀 Total K/% 速效氮 Available N/(g·kg-1) 速效磷 Available P/(g·kg-1) 速效鉀 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 為消除重茬基質(zhì)養(yǎng)分的影響，本試驗用化肥對新基質(zhì)（NS）、消毒基質(zhì)（DS）和重茬基質(zhì)（CS）進行NPK養(yǎng)分調(diào)平后種植西瓜，記錄西瓜生長情況和各個時期的發(fā)病率。試驗結(jié)果顯示，西瓜生長前期（移栽30 d以前），3種基質(zhì)條件下長勢差別不大，株高（圖4a）和徑粗（圖4b）均無顯著差異，但重茬基質(zhì)栽培西瓜在第15 天的病害調(diào)查時，已經(jīng)出現(xiàn)發(fā)病植株，至第30 天發(fā)病率達20%，之后枯萎病快速爆發(fā)，60 d后重茬基質(zhì)栽培西瓜發(fā)病率達90%。而新基質(zhì)與消毒基質(zhì)西瓜枯萎病僅在后期出現(xiàn)個別植株感染現(xiàn)象（圖5）。分析60 d各個基質(zhì)樣品的真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量發(fā)現(xiàn)（圖6）：重茬基質(zhì)不經(jīng)過消毒處理，連續(xù)種植2茬可培養(yǎng)真菌（圖6a）和尖孢鐮刀第11期 宋修超等：加熱消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)工藝優(yōu)化及栽培效果 171 菌（圖6c）數(shù)量急劇增加，且顯著高于新基質(zhì)和消毒過重茬基質(zhì)。實時定量PCR（圖6b,d）的結(jié)果與平板方法一致。西瓜采收后，西瓜的植株干質(zhì)量（圖4c）、單果質(zhì)量（圖4d）和小區(qū)產(chǎn)量（圖4e）在新基質(zhì)與消毒基質(zhì)間無顯著差異，而重茬基質(zhì)栽培由于病害嚴重，植株萎蔫，導(dǎo)致各個產(chǎn)量指標顯著下降。 注：NS為新基質(zhì)，DS為消毒基質(zhì)，CS為重茬基質(zhì)，下同。 Note: NS is new substrate; DS is disinfection substrate; CS is continuous cultivation substrate, the same below. 圖4 不同處理條件下西瓜生長與產(chǎn)量指標 Fig.4 Growth and yield parameters of watermelon in different substrates 圖5 不同處理西瓜枯萎病發(fā)病率 Fig.5 Morbidity rate of watermelon Fusarium wilt in different substrates 2.5 外源加熱消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)運行成本分析 基于前期優(yōu)化的工藝參數(shù)，在最優(yōu)的溫度控制、基質(zhì)進料量和消毒時間條件下，分析消毒設(shè)備在處理西瓜重茬基質(zhì)各個環(huán)節(jié)的運行成本。從表5可以看出，消毒設(shè)備處理1 m3重茬基質(zhì)需經(jīng)濟成本約為42.2553.50元（單批次處理3 m3，需126.75160.50元）。此處未考慮人工成本，這主要是整個工藝流程包括進料、出料及整個消毒過程全自動操作，技術(shù)人員僅需對各個階段的處理時間進行把控，操作非常簡單，因此人工成本可以忽略不計。值得注意的是，由于環(huán)境溫差的原因，該工藝中導(dǎo)熱油預(yù)加熱時間和高溫消毒處理時間存在一定變異，在夏季氣溫較高時，基質(zhì)本底溫度較高且導(dǎo)熱油的熱損失較少，耗能較少，而冬季外部氣溫低，基質(zhì)本底溫度較低，導(dǎo)熱油的熱損失也相應(yīng)較多，導(dǎo)致耗能有一定增加，但總計來講，新基質(zhì)1 000元的成本條件下，重茬基質(zhì)的消毒處理成本可控制在6%以內(nèi)，屬于可以接受范圍內(nèi)。 圖6 西瓜移栽60 d后不同處理基質(zhì)中真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量 Fig.6 Population of fungi and Fusarium oxysporum of substrates at 60 d after planting 表5 基質(zhì)消毒設(shè)備單批次(3 m3)處理西瓜重茬基質(zhì)的各環(huán)節(jié)運行成本明細 Table 5 Details of operation cost of disinfection machine handling watermelon continuous cultivation substrate 參數(shù) Parameters 耗能 Energy/kW 時間 Time/min 經(jīng)濟成本 Economic cost/Yuan 進料Feeding 3 10 0.5 預(yù)加熱導(dǎo)熱油 Preheating transfer oil 100 1014 16.6723.33 基質(zhì)升溫階段 Temperature-rise period 40 80100 53.3366.67 基質(zhì)高溫消毒階段 High-temperature disinfection processing 20 120150 40.0050.00 混勻攪拌Stirring 7.5 120150 15.0018.75 出料Discharge 7.5 10 1.25 總成本 Total cost 126.75160.50 3 討 論 本研究通過分析西瓜基質(zhì)栽培前后基質(zhì)的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)變化，找到限制重茬基質(zhì)再生利用的主要障礙因子，并通過自主研發(fā)了一套中試水平的基質(zhì)消毒設(shè)備，基于此設(shè)備，開展了殺菌消毒工藝參數(shù)的優(yōu)化，并最終在田間尺度上對重茬基質(zhì)消毒后再利用進行效果驗證，獲得完整的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。 栽培西瓜前后基質(zhì)物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)的變化農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org） 2019年 172 顯著，容重增大孔隙度減小主要是由于基質(zhì)中有機物含量較高，經(jīng)過一茬種植后有機物質(zhì)不斷礦化、穩(wěn)定化，顆粒度降低，基質(zhì)更加緊實18?；|(zhì)養(yǎng)分減少主要是由于植物吸收和水分的強淋洗作用，較之土壤栽培，基質(zhì)的保水保肥性能相對較差，栽培過程中對水分管理更加嚴格，要求頻繁補水，這也增強了對基質(zhì)養(yǎng)分的淋洗作用19。關(guān)于理想基質(zhì)的標準前人已有報道20：容重在0.10.8 g/cm3范圍，總孔隙度在54%96%范圍，pH 值7.0左右，作物栽培效果較好，本研究中重茬基質(zhì)物理性質(zhì)仍在適宜范圍內(nèi)，而氮磷鉀養(yǎng)分雖顯著降低，但減少的養(yǎng)分可以通過后期追肥補充。重茬基質(zhì)病原真菌（尖孢鐮刀菌）的急劇積累，嚴重制約基質(zhì)的再生利用，這也與西瓜土壤栽培相近，西瓜屬于忌連作作物，病原菌極易繁殖。 消毒設(shè)備的核心是基質(zhì)的高溫殺菌，如何高效節(jié)能的將消毒罐體內(nèi)基質(zhì)溫度升高是殺菌消毒的重要前提。國內(nèi)外學(xué)者普遍認為，土壤質(zhì)地（緊實度）和含水率是影響其導(dǎo)熱性能的最關(guān)鍵因子21-22，本試驗中的基質(zhì)與土壤基本類似，而單次進料量可以影響基質(zhì)在消毒罐體內(nèi)的緊實度，單位體積內(nèi)投料過多，緊實度過大，基質(zhì)升溫變慢。增加物料含水率可以提高其導(dǎo)熱性能，但基質(zhì)含水率超過50%，經(jīng)連續(xù)攪拌后基質(zhì)幾乎成粘稠狀，這也會嚴重影響物料升溫。 西瓜重茬基質(zhì)中尖孢鐮刀菌的數(shù)量過多是引起下茬種植中枯萎病發(fā)病的主要原因。利用高溫對其進行殺滅是最安全有效的措施。利用本設(shè)備外源加熱70 ，2.5 h可無死角、完全殺滅基質(zhì)中尖孢鐮刀菌。通常情況下，細菌性和真菌性植物病原菌占常見病害致病菌的90%左右，絕大部分經(jīng)60 的高溫會很快失活，但少部分具備子囊殼的病原真菌以及病毒性病原菌，侵染范圍卻極廣，一般需要超過70 才能完全殺滅17。但高溫殺菌過程對基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，尤其是氮素（全氮、速效氮）損失較大，這主要是由于高溫處理有機物料會促進氮素以氨氣的形式釋放到大氣中，尤其是在偏堿性環(huán)境條件下23。 將重茬基質(zhì)繼續(xù)種植第2茬后，發(fā)病率嚴重，尤其是在本研究中試驗小區(qū)面積相對較小，后期病原菌傳播較快，最終發(fā)病率可達90%以上。而經(jīng)過高溫殺菌消毒后重茬基質(zhì)，對西瓜枯萎病控制較好，與新基質(zhì)沒有差異?；|(zhì)中病原菌數(shù)量的增加是導(dǎo)致重茬基質(zhì)枯萎病發(fā)病嚴重的主要原因，這也驗證西瓜重茬基質(zhì)必須經(jīng)過殺菌消毒處理才能連續(xù)種植西瓜。 分析利用本技術(shù)處理西瓜重茬基質(zhì)的效果和經(jīng)濟成本，具有以下特點，處理經(jīng)濟成本相對低，操作簡單、機械化程度高，并且對病原菌的殺滅效果好，基質(zhì)再利用時安全性高，且西瓜的產(chǎn)量能夠得到保證?？紤]到，新基質(zhì)的成本投入較高，基質(zhì)的再利用是降低成本的最佳方式，但必須盡可能的降低病害風險，保證西瓜產(chǎn)量。與蒸汽消毒和太陽能消毒相比，本技術(shù)對病原菌的殺滅效果方面具有明顯優(yōu)勢，由于蒸汽和太陽能的熱傳遞不均勻，物料溫度很難均勻達到消毒目標溫度，易導(dǎo)致病原菌的殺滅存在死角，而尖孢鐮刀菌具有易變異與多型性的特點，并且極易傳播和侵染，因此，利用這2項技術(shù)對西瓜重茬基質(zhì)處理存在很大的枯萎病爆發(fā)隱患。此外，雖然利用嫁接苗栽培同樣能夠保證重茬基質(zhì)再利用的病害安全性，但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上對于嫁接苗西瓜的認可度不高，主要是嫁接苗西瓜管理嚴格，且受砧木類型影響易導(dǎo)致西瓜口感差，嫁接苗比自根苗成本要高0.30.5元/株左右，核算起來1 m3基質(zhì)需增加30元左右，這與本技術(shù)的處理成本差異不大。 雖然本研究所使用的消毒設(shè)備成本較高，這包括研發(fā)成本，但是設(shè)備量產(chǎn)可以控制在15萬元以內(nèi)。這對于普通農(nóng)戶仍然算很高的成本投入，但對于大型農(nóng)業(yè)企業(yè)、農(nóng)場是能夠承受的經(jīng)濟投入。最佳的推廣模式應(yīng)該是基質(zhì)銷售企業(yè)購置，增加重茬基質(zhì)處理業(yè)務(wù)或者實行基質(zhì)以舊換新的政策，實現(xiàn)企業(yè)與農(nóng)戶的雙贏目的。 4 結(jié) 論 1）西瓜基質(zhì)栽培前后物理化學(xué)性質(zhì)變化顯著，容重顯著增大，孔隙度顯著變小，但均在適宜栽培范圍；基質(zhì)養(yǎng)分顯著減少，但再生利用可通過養(yǎng)分補充來滿足下茬種植需求；病原真菌（尖孢鐮刀菌）數(shù)量的顯著增加是限制西瓜重茬基質(zhì)重復(fù)利用的主要障礙因子。 2）利用該消毒設(shè)備處理西瓜重茬基質(zhì)的最佳運行參數(shù)為：單次進料量為3 m³，基質(zhì)含水率為40%，高溫（70 ）消毒22.5 h。處理成本在約為42.2553.50元/m3。高溫消毒處理后能夠?qū)е禄|(zhì)氮素損失，全氮和速效氮均顯著降低，但對病原菌殺滅效果很好，再利用時需適當補充化學(xué)養(yǎng)分。 3）經(jīng)過高溫消毒處理的重茬基質(zhì)連茬種植西瓜后，枯萎病發(fā)病率與新基質(zhì)無差異，其主要原因是經(jīng)過高溫處理后重茬基質(zhì)中尖孢鐮刀菌數(shù)量得到控制，與新基質(zhì)處理無差異，顯著低于未經(jīng)消毒處理。 參 考 文 獻 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