加熱消毒設備處理西瓜重茬基質工藝優化及栽培效果

宋修超，羅 佳，馬 艷，劉新紅，周金燕，嚴少華

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加熱消毒設備處理西瓜重茬基質工藝優化及栽培效果

宋修超，羅 佳，馬 艷※，劉新紅，周金燕，嚴少華

（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014）

為解決西瓜重茬基質再生利用障礙問題，降低基質栽培經濟成本，該研究設計研發了一臺利用導熱油夾套加熱，高溫消毒處理重茬基質的設備。從節能和病原菌殺滅的角度，優化該設備的運行參數，獲得重茬基質消毒技術。通過對再生基質栽培后西瓜枯萎病發病情況和尖孢鐮刀菌數量的調查，驗證該技術在田間尺度上的應用效果。試驗結果表明：西瓜基質栽培前后容重和孔隙度變化顯著，全氮、速效氮、速效鉀顯著（＜0.05）下降33.0%、40.3%和33.5%，但仍在適宜栽培范圍，再次利用需補充養分，而病原菌（尖孢鐮刀菌的數量）顯著增加是限制重茬基質再利用的主要障礙因子。利用該消毒設備對西瓜重茬基質消毒的最佳運行參數為：單次進料量為3 m3，基質含水率為40%，高溫（70 ℃）消毒2.0～2.5 h。田間驗證試驗顯示，連茬種植西瓜后，經消毒處理的重茬基質枯萎病發病率與新基質無差異，分析基質中病原菌數量發現，經過高溫處理后重茬基質中尖孢鐮刀菌數量與新基質處理無差異，均顯著低于未經消毒處理。此外，西瓜采收后的生長指標（植株干質量、單果質量和產量）均與新基質無差異。因此，基于導熱油外加熱的消毒設備處理西瓜重茬基質工藝達到了很好的滅菌效果，滿足西瓜生產需求。整個工藝的經濟成本為42.25～53.50元/m3，可以控制在新基質價格的6%以內。在農業生產中具有很好的應用前景。

基質；消毒；栽培；西瓜連作；高溫滅菌；工藝參數

0 引 言

當前中國設施農業快速發展，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構的約束，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，保障農產品質量和安全等方面獨具優勢[3]。據統計，中國商業性無土栽培中90%以上是采用基質栽培方式，因此，基質栽培技術逐漸成為設施農業研究開發的熱點。

相對于土壤栽培，無土基質栽培不受地域限制，節約水分，防止連作障礙，可充分發揮作物增產潛力，但制約該產業發展的最大問題是基質的一次性投資較高，成本問題突出[4]。本課題組前期試驗結果顯示基質栽培茄果類可連茬種植2～3茬，并沒有發生嚴重的連作障礙，而種植西瓜后，第二茬西瓜枯萎病發病率達40%左右[5]。因此，從降低成本的角度考慮，重茬基質再生利用是必須解決的技術難題。

目前對于重茬基質的再生處理方式主要是進行消毒處理，殺滅重茬基質中有害病原菌、蟲卵，進而防止病蟲害的滋生與擴散，改善栽培基質狀態。主要的基質消毒方法包括化學藥劑消毒、太陽能消毒及蒸汽消毒[6]。而當前在實際生產中應用最廣泛的是藥劑消毒，常用的化學藥劑包括甲基溴、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栽培中應用較普遍的一種消毒方法，利用太陽能聚光集熱技術加熱空氣進而高溫消毒[7-8]，陳志杰等發現利用壟溝式覆蓋，可通過提高地溫，有效殺滅根結線蟲[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，其原理是向基質中通入180～200 ℃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雜、作業效率相對較低等弊端。

針對上述生產實際問題，本研究探索西瓜重茬基質再生利用的主要障礙因子，并利用自主研發的一臺基質殺菌消毒設備，實現重茬基質的殺菌、消毒效果，達到再生利用的目的。基于該設備，開展其運行參數優化，并在田間尺度上對西瓜重茬基質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：以腐熟的秸稈發酵床養豬墊料為主要原料，與蛭石、珍珠巖和泥炭等其他輔料按一定比例復配而成，由江蘇省農業科學院六合動物生產基地有機肥廠生產。

供試西瓜：品種為蘇蜜8號，西瓜種苗由江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所提供。

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展有限公司。

1.2 基質消毒設備簡介

基質消毒設備（圖1）的基本原理是通過高溫滅菌快速消毒前茬基質中積累的植物病原菌、害蟲（卵）等有害生物，實現基質再生利用。該設備主體包括臥式罐體、控制電柜、自動上料系統。其設計是采用外層夾套、功率可調式導熱油加熱、高溫消毒的方式，通過6只電加熱管，實現目標溫度自動控制，同時，通過履帶輸送機和內置攪拌系統實現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 基質消毒設備示意圖

Fig.1 Structure diagram of substrate disinfection machine

該設備技術參數包括：內筒尺寸為1 460 mm× 3 660 mm× 1 230 mm×4 mm，保溫厚度60 mm，總高2 589 mm，罐體質量約4 000 kg，最大容積為5 000 L，加熱電阻為20～100 kW逐級可變，紅外傳感測溫。攪拌器電機功率為7.5 kW，轉速設定為10 r/min。履帶輸送機電機功率為7.5 kW，轉速設定為20 r/min。設備額定電壓為380 V。

1.3 試驗設計

1.3.1 栽培西瓜前后基質物理、化學、生物學性狀測定

西瓜（蘇蜜8號）種植于2017年9－12月在江蘇省農業科學院六合動物生產基地標準塑料大棚中進行，種植方式為槽式栽培，供試基質槽為本課題組專利產品，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個基質樣品，每個樣品取樣點8個。測定基質主要的物理、化學指標以及細菌、真菌和西瓜枯萎病菌的數量。

1.3.2 裝料量和重茬基質初始含水率對罐體中基質升溫過程的影響

前期預試驗發現，消毒罐裝料量（基質壓實度）和基質的含水率是影響消毒過程中基質升溫的最主要因子，鑒于此，為獲得最佳的裝料量（R）和重茬基質的初始含水率（W），共設置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，重茬基質初始含水率分別為30%、40%和50%。獲得基質升溫曲線，試驗中將物料裝入罐體后，在導熱油溫為140 ℃（是由導熱油基本性質決定）情況下，每30 min記錄罐體中基質的溫度。

表1 消毒工藝優化試驗設計

1.3.3 不同消毒時間對重茬基質中主要微生物的殺滅效果的影響

基于1.3.2節試驗結果，為進一步得到基質消毒設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處各采集基質樣品500 g，同時采用傳統平板培養和實時定量PCR 2種方法測定細菌、真菌和尖孢鐮刀菌的數量。

1.3.4 消毒后重茬基質在西瓜種植上的栽培效果試驗

試驗共設3個處理：1）新基質種植（NS），2）消毒的重茬基質種植（DS），3）重茬基質機械混勻后直接種植（CS），每個處理設置3個重復，每個重復采用磚砌基質槽栽培，基質槽長5 m，寬0.8 m，深0.25 m，底面和側身用塑料薄膜遮住，形成獨立試驗小區。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，基質用量為15 L/株。重茬基質和消毒的重茬基質均以新基質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，在江蘇省農業科學院六合動物生產基地溫室大棚內進行。采用統一水肥一體化管理，在移栽后15、30、45和60 d調查西瓜枯萎病發病率，在第30天時統計西瓜植株株高和莖粗，在西瓜采收后，統計西瓜產量，計算平均單果質量，并隨機選擇5株植株，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量，采集基質樣品分析真菌和病原菌數量。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 基質理化性質測定

基質體積質量和總孔隙度測定參考郭世榮《無土栽培學》[12]。取一已知體積（）的容器，稱質量（1），裝滿自然風干的待測基質，稱質量（2），將裝有基質的容器浸泡在水中24 h后，稱質量（3）；體積質量= (2?1)/；總孔隙度（%）=(3?2)/×100（質量單位為g，體積單位為cm3）。

基質養分測定參考鮑士旦《土壤農化分析》[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。電導率（EC）和pH值是將風干基質與去離子水以1:5比例混合振蕩，靜置后取上清，分別用電導率儀和pH計測定。

采用梯度稀釋涂平板法測定基質的可培養細菌、真菌，選擇性培養基分別是牛肉膏蛋白胨培養基和馬丁氏培養基，測定尖孢鐮刀菌數量采用Komada選擇性培養基[14]。

1.4.2 基質總DNA提取

稱取0.3 g基質樣品，按照MPbio DNA提取試劑盒（FastDNA SPIN Kit for Soil）操作說明書提取基質樣品總DNA，?20 ℃冰箱保存備用。

1.4.3 基質總細菌和真菌數量測定

基質總細菌和真菌的數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：10L SYBR Premix Ex Taq，0.4L上游引物和下游引物，0.4L ROX Reference Dye Ⅱ，2L模板DNA和6.8L無菌水。擴增程序為：95 ℃預變性30 s；95 ℃預變性5 s，60 ℃延伸34 s，循環40次。根據各樣品值計算每克基質所含的拷貝數。

1.5 數據分析

試驗數據經Excel 2010處理后應用SPSS 22.0軟件進行統計分析，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 結果與分析

2.1 栽種西瓜前后基質物理、化學和生物學特性變化

如表2所示，西瓜栽培前后，基質的物理化學性質發生了顯著變化，其中，容重顯著增大，孔隙度相應顯著降低（＜0.05）；EC值顯著降低，減少50.3%，pH值略有升高，但差異不顯著；全量養分中，僅全氮含量下降33.0%，達顯著水平（＜0.05）；速效養分中，速效氮和速效鉀含量下降顯著（＜0.05），分別下降40.3%和33.5%。

表2 栽種西瓜前后基質物理和化學性狀

注：同列不同小寫字母表示處理間差異達顯著水平(<0.05)，下同。

Note: Different small letters in the same column indicate significant difference at 0.05 levels, the same below.

同時采用平板計數法和實時熒光定量PCR法測定種植西瓜前后基質中微生物數量變化情況，結果如表3所示，可培養細菌和真菌的數量在種植前后變化不顯著，但定量PCR數據與平板計數略有不同，真菌拷貝數在西瓜采收后顯著高于種植前（＜0.05）而細菌拷貝數差異不顯著；基質栽培后，對西瓜枯萎病發病起主要作用的尖孢鐮刀菌數量變化較大，平板計數的方法顯示病原菌從無到有，而定量PCR的拷貝數增加近20倍（＜0.05）。

表3 栽種西瓜前后基質中主要微生物數量

綜合分析栽培西瓜前后基質物理、化學、生物學性質變化發現：重茬基質的物理性質仍然在西瓜生長適宜范圍內；氮磷鉀養分略有降低，減少的養分可以通過后期追肥補充調控，但真菌，尤其是病原真菌（尖孢鐮刀菌）的激增是影響基質繼續種植西瓜的主要限制因子。

注：W3R3處理由于含水率過高，物料質量超重，消毒設備的電機超負荷，因此沒有獲得相關數據。

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 裝料量和重茬基質初始含水率對罐體中基質升溫過程的影響

根據2.1節研究結果發現，限制西瓜重茬基質再利用的主要因子是病原真菌數量急劇積累。因此，本研究利用外源加熱消毒設備對重茬基質中病原菌進行高溫殺滅，為盡可能達到降低成本，節約能源（單次消毒量多、升溫快）的目的，獲得最佳的消毒工藝參數。

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，故本研究以基質溫度到達70 ℃為目標溫度。考慮到夾套中導熱油的目標溫度為恒定值（140 ℃），且當基質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 ℃所需時間來判斷設備的消毒效率。試驗結果如圖2所示：基質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，物料在罐體內的壓實度會更高，熱傳導效率變差，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，消毒設備超負荷運行，攪拌系統運轉困難，未獲得相關數據，進料量3 m3時，雖然設備運轉正常但升溫較慢，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，基質含水率為40%左右為該設備最佳運行參數。

2.3 不同消毒時間對重茬基質中主要微生物數量的影響

根據2.2節研究結果，選擇單次進料量為3 m3，含水率為40%的運行參數，研究消毒過程中基質的真菌數量和病原真菌（尖孢鐮刀菌）數量變化。通過平板計數和定量PCR測定，結果如圖3所示，可培養真菌數量經高溫70 ℃處理2.5 h可完全殺滅，可培養尖孢鐮刀菌耐受性更低，2 h即可完全殺滅，定量PCR數據的變化趨勢與平板計數一致，2～2.5 h即可把病原菌完全殺滅。

圖3 基質消毒過程中真菌及尖孢鐮刀菌數量動態變化

2.4 消毒后的重茬基質在西瓜種植上的栽培效果研究

重茬基質經過高溫消毒后基質養分指標變化如表4，高溫處理2 h后，全氮質量分數顯著下降29.5%，其中速效氮質量分數下降32.4%；EC值下降達顯著水平，從2.33降到1.05 mS/cm；但全磷的質量分數顯著升高（<0.05），全鉀及速效鉀處理前后差異不顯著。

為消除重茬基質養分的影響，本試驗用化肥對新基質（NS）、消毒基質（DS）和重茬基質（CS）進行NPK養分調平后種植西瓜，記錄西瓜生長情況和各個時期的發病率。試驗結果顯示，西瓜生長前期（移栽30 d以前），3種基質條件下長勢差別不大，株高（圖4a）和徑粗（圖4b）均無顯著差異，但重茬基質栽培西瓜在第15 天的病害調查時，已經出現發病植株，至第30 天發病率達20%，之后枯萎病快速爆發，60 d后重茬基質栽培西瓜發病率達90%。而新基質與消毒基質西瓜枯萎病僅在后期出現個別植株感染現象（圖5）。分析60 d各個基質樣品的真菌和尖孢鐮刀菌數量發現（圖6）：重茬基質不經過消毒處理，連續種植2茬可培養真菌（圖6a）和尖孢鐮刀菌（圖6c）數量急劇增加，且顯著高于新基質和消毒過重茬基質。實時定量PCR（圖6b,d）的結果與平板方法一致。西瓜采收后，西瓜的植株干質量（圖4c）、單果質量（圖4d）和小區產量（圖4e）在新基質與消毒基質間無顯著差異，而重茬基質栽培由于病害嚴重，植株萎蔫，導致各個產量指標顯著下降。

注：NS為新基質，DS為消毒基質，CS為重茬基質，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病率

2.5 外源加熱消毒設備處理西瓜重茬基質運行成本分析

基于前期優化的工藝參數，在最優的溫度控制、基質進料量和消毒時間條件下，分析消毒設備在處理西瓜重茬基質各個環節的運行成本。從表5可以看出，消毒設備處理1 m3重茬基質需經濟成本約為42.25～53.50元（單批次處理3 m3，需126.75～160.50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，由于環境溫差的原因，該工藝中導熱油預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，基質本底溫度較高且導熱油的熱損失較少，耗能較少，而冬季外部氣溫低，基質本底溫度較低，導熱油的熱損失也相應較多，導致耗能有一定增加，但總計來講，新基質1 000元的成本條件下，重茬基質的消毒處理成本可控制在6%以內，屬于可以接受范圍內。

圖6 西瓜移栽60 d后不同處理基質中真菌和尖孢鐮刀菌數量

表5 基質消毒設備單批次(3 m3)處理西瓜重茬基質的各環節運行成本明細

3 討 論

本研究通過分析西瓜基質栽培前后基質的物理、化學、生物學性質變化，找到限制重茬基質再生利用的主要障礙因子，并通過自主研發了一套中試水平的基質消毒設備，基于此設備，開展了殺菌消毒工藝參數的優化，并最終在田間尺度上對重茬基質消毒后再利用進行效果驗證，獲得完整的應用技術規程。

栽培西瓜前后基質物理、化學、生物學性質的變化顯著，容重增大孔隙度減小主要是由于基質中有機物含量較高，經過一茬種植后有機物質不斷礦化、穩定化，顆粒度降低，基質更加緊實[18]。基質養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，這也增強了對基質養分的淋洗作用[19]。關于理想基質的標準前人已有報道[20]：容重在0.1～0.8 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，本研究中重茬基質物理性質仍在適宜范圍內，而氮磷鉀養分雖顯著降低，但減少的養分可以通過后期追肥補充。重茬基質病原真菌（尖孢鐮刀菌）的急劇積累，嚴重制約基質的再生利用，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。

消毒設備的核心是基質的高溫殺菌，如何高效節能的將消毒罐體內基質溫度升高是殺菌消毒的重要前提。國內外學者普遍認為，土壤質地（緊實度）和含水率是影響其導熱性能的最關鍵因子[21-22]，本試驗中的基質與土壤基本類似，而單次進料量可以影響基質在消毒罐體內的緊實度，單位體積內投料過多，緊實度過大，基質升溫變慢。增加物料含水率可以提高其導熱性能，但基質含水率超過50%，經連續攪拌后基質幾乎成粘稠狀，這也會嚴重影響物料升溫。

西瓜重茬基質中尖孢鐮刀菌的數量過多是引起下茬種植中枯萎病發病的主要原因。利用高溫對其進行殺滅是最安全有效的措施。利用本設備外源加熱70 ℃，2.5 h可無死角、完全殺滅基質中尖孢鐮刀菌。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的化學性質產生較大影響，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，尤其是在偏堿性環境條件下[23]。

將重茬基質繼續種植第2茬后，發病率嚴重，尤其是在本研究中試驗小區面積相對較小，后期病原菌傳播較快，最終發病率可達90%以上。而經過高溫殺菌消毒后重茬基質，對西瓜枯萎病控制較好，與新基質沒有差異。基質中病原菌數量的增加是導致重茬基質枯萎病發病嚴重的主要原因，這也驗證西瓜重茬基質必須經過殺菌消毒處理才能連續種植西瓜。

分析利用本技術處理西瓜重茬基質的效果和經濟成本，具有以下特點，處理經濟成本相對低，操作簡單、機械化程度高，并且對病原菌的殺滅效果好，基質再利用時安全性高，且西瓜的產量能夠得到保證。考慮到，新基質的成本投入較高，基質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，保證西瓜產量。與蒸汽消毒和太陽能消毒相比，本技術對病原菌的殺滅效果方面具有明顯優勢，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項技術對西瓜重茬基質處理存在很大的枯萎病爆發隱患。此外，雖然利用嫁接苗栽培同樣能夠保證重茬基質再利用的病害安全性，但通過調研發現，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致西瓜口感差，嫁接苗比自根苗成本要高0.3～0.5元/株左右，核算起來1 m3基質需增加30元左右，這與本技術的處理成本差異不大。

雖然本研究所使用的消毒設備成本較高，這包括研發成本，但是設備量產可以控制在15萬元以內。這對于普通農戶仍然算很高的成本投入，但對于大型農業企業、農場是能夠承受的經濟投入。最佳的推廣模式應該是基質銷售企業購置，增加重茬基質處理業務或者實行基質以舊換新的政策，實現企業與農戶的雙贏目的。

4 結 論

1）西瓜基質栽培前后物理化學性質變化顯著，容重顯著增大，孔隙度顯著變小，但均在適宜栽培范圍；基質養分顯著減少，但再生利用可通過養分補充來滿足下茬種植需求；病原真菌（尖孢鐮刀菌）數量的顯著增加是限制西瓜重茬基質重復利用的主要障礙因子。

2）利用該消毒設備處理西瓜重茬基質的最佳運行參數為：單次進料量為3 m3，基質含水率為40%，高溫（70 ℃）消毒2～2.5 h。處理成本在約為42.25～53.50元/m3。高溫消毒處理后能夠導致基質氮素損失，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養分。

3）經過高溫消毒處理的重茬基質連茬種植西瓜后，枯萎病發病率與新基質無差異，其主要原因是經過高溫處理后重茬基質中尖孢鐮刀菌數量得到控制，與新基質處理無差異，顯著低于未經消毒處理。

[1] Matson P A, Parton W J, Power A G, et al. Agricultural intensification and ecosystem properties[J]. Science, 1997, 277(25): 504－509.

[2] Cao Z H, Huang J F, Zhang C S, et al. Soil quality evolution after land use change from paddy soil to vegetable land[J]. Environmental Geochemistry & Health, 2004, 26(2): 97－103.

[3] 李萍萍. 設施園藝中的土壤生態問題分析及清潔生產對策[J]. 農業工程學報，2011，27(2)：346－351.

Li Pingping. Soil ecological problem and its resolvent in greenhouse horticulture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 346－351. (in Chinese with English abstract)

[4] 李婷婷，馬蓉麗，成妍，等. 中國蔬菜基質栽培研究新進展[J]. 農學學報，2013，3(4)：30－34.

Li Tingting, Ma Rongli, Cheng Yan, et al. New research progress of substrate cultivation for vegetables in China[J]. Journal of Agriculture, 2013, 3(4): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[5] 張晶，郭德杰，宋修超，等, 棉隆消毒改善發酵床墊料基質連茬栽培西瓜的效果研究[J]. 農業資源與環境學報，2017，34(6)：562－567.

Zhang Jing, Guo Dejie, Song Xiuchao, et al. Effects of dazomet disinfection on watermelon continuous cultivation in deep-litter materials substrate[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2017, 34(6): 562－567. (in Chinese with English abstract)

[6] 楊陸強，趙玉清，朱加繁，等. 栽培基質物理消毒技術研究現狀概述與評析[J]. 中國農機化學報，2017，38(2)：100－107.

Yang Luqiang, Zhao Yuqing, Zhu Jiafan, et al. Review and comment of the research status of physical disinfection technology for cultication matrix[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(2): 100－107. (in Chinese with English abstract)

[7] 張利英，李賀年，翟姍姍，等. 太陽能土壤消毒在草莓保護地栽培中的應用效果[J]. 北方園藝，2010，2(14)：67－68.

Zhang Liying, Li Henian, Zhai Shanshan, et al. Effects of solar soil disinfection technology on strawberry protected planting[J]. Northern Horticulture, 2010, 2(14): 67－68. (in Chinese with English abstract)

[8] 常澤輝，賈檸澤，侯靜，等. 聚光回熱式太陽能土壤滅蟲除菌裝置光熱性能[J]. 農業工程學報，2017，33(9)：211－217.

Chang Zehui, Jia Ningze, Hou Jing, et al. Performance on concentrating regeneration type solar soil deinsectization and sterilization device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 211－217. (in Chinese with English abstract)

[9] 陳志杰，張鋒，張淑蓮，等. 太陽能消毒對溫室土壤環境效應及防治黃瓜根結線蟲病效果[J]. 生態學報，2009，29(12)：6664－6671.

Chen Zhijie, Zhang Feng, Zhang Shulian, et al. Effects of solarization on the cucumber root knot nematodes and soil environment under solar greenhouse [J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(12): 6664－6671. (in Chinese with English abstract)

[10] 汪小旵，李成光，楊振杰，等. 移動式土壤旋耕蒸汽消毒機的研制[J]. 農業工程學報，2018，34(2)：18－24.

Wang Xiaochan, Li Chengguang, Yang Zhenjie, et al. Development of mobile soil rotary steam disinfection machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 18－24. (in Chinese with English abstract)

[11] Peruzzi A, Raffaelli M, Ginanni M, et al. An innovative self-propelled machine for soil disinfection using steam and chemicals in an exothermic reaction[J]. Biosystems Engineering, 2011, 110(4): 434－442.

[12] 郭世榮. 無土栽培學[M]. 北京：中國農業出版社，2003：423－424.

[13] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 第2版. 北京：農業出版社，1981.

[14] Komada H. Development of a selective medium for quantitative isolation offrom natural soil[J]. Review of Plant Protection Research, 1975(8): 114－124.

[15] Fierer N, Jackson J A, Vilgalys R, et al. Assessment of soil microbial community structure by use of taxon-specific quantitative PCR assays[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71(7): 4117－4120.

[16] Lievens B, Brouwer M, Vanachter A C, et al. Quantitative assessment of phytopathogenic fungi in various substrates using a DNA macroarray[J]. Environmental Microbiology, 2010, 7(11): 1698－1710.

[17] Macgregor S T, Miller C, Psarianos K M, et al. Composting process control based on interaction between microbial heat output and temperature[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1981, 41(6): 1321－1330.

[18] 范如芹，羅佳，劉海琴，等. 淀粉基高吸水性樹脂對基質理化性質及小青菜生長的影響[J]. 南京農業大學學報，2015，38(4)：617－623.

Fan Ruqin, Luo Jia, Liu Haiqin, et al. The effects of a starch-based super absorbent polymer on characteristics of soilless growth media and the growth of Chinese cabbage[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2015, 38(4): 617－623. (in Chinese with English abstract)

[19] 孫玲麗，張民. 控釋肥在基質栽培中的養分淋溶及其對基質理化性質的影響[J]. 水土保持學報，2008，22(2)：151－154.

Sun Lingli, Zhang Min. Nutrient leaching of controlled-release fertilizers in flower medium cultivation and its effects on medium properties[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(2): 151－154. (in Chinese with English abstract)

[20] 曾清華，毛興平，孫錦，等. 小麥秸稈復合基質的理化指標及其對黃瓜幼苗生長和光合參數的影響[J]. 植物資源與環境學報，2011，20(4)：70－75.

Zeng Qinghua, Mao Xingping, Sun Jin, et al. Physicochemical indexes of mixed substrates of wheat () straw and its effect on growth and photosynthetic parameters ofseedling[J]. Journal of Plant Resources and Environment, 2011, 20(4): 70－75. (in Chinese with English abstract)

[21] 蘇李君，王全九，王鑠，等. 基于土壤物理基本參數的土壤導熱率模型[J]. 農業工程學報，2016，32(2)：127－133.

Su Lijun, Wang Quanjiu, Wang Shuo, et al. Soil thermal conductivity model based on soil physical basic parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(2): 127－133. (in Chinese with English abstract)

[22] 李毅，邵明安，王文焰，等. 質地對土壤熱性質的影響研究[J]. 農業工程學報，2003，19(4)：62－65.

Li Yi, Shao Mingan, Wang Wenyan, et al. Influence of soil textures on the thermal properties[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(4): 62－65. (in Chinese with English abstract)

[23] 曹云，黃紅英，錢玉婷，等. 超高溫預處理裝置及其促進雞糞稻秸好氧堆肥腐熟效果[J]. 農業工程學報，2017，33(13)：243－250.

Cao Yun, Huang Hongying, Qian Yuting, et al. Hyperthermophilic pretreatment device and its application on improving decomposition effect for chicken manure and rice straw aerobic composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 243－250. (in Chinese with English abstract)

Parameter optimization of heating disinfection machine handling watermelon continuous cultivation substrate and cultivation effect

Song Xiuchao, Luo Jia, Ma Yan※, Liu Xinhong, Zhou Jinyan, Yan Shaohua

(,,210014)

In china, vegetable acreage was increasing year by year, and the problems of soil nutrient out of balance, soil acidification and salinization were becoming more and more prominent.Soilless substrate cultivation has unique advantages in relieving the increasingly tense land resources, preventing the rapid degradation of soil and ensuring the quality and safety of agricultural products. However, in order to reduce the cost of substrate, the technology of cyclic utilization of cultivation substrate is necessary. Common technologies include chemical disinfection, solar disinfection and steam disinfection, but there are some unsolved vulnerabilities of incomplete killing of pathogenic bacteria due to heat uneven transfer. In order to resolve this problem, a kind of disinfection machine was designed. This machine could disinfect continuous cultivation substrate by means of the jacket heating with heat transfer oil. The maximum volume of this machine was 5000 L, and it realized automatic feeding, automatic mixing, automatic controlling temperature and automatic discharging. In this paper, we studied the main obstacle factors for the utilization of watermelon continuous cultivation substrate, and carried out correlative operating parameter (e.g. total tray capacity, moisture content, disinfection method and time) optimization for this equipment and verify the result of cultivation with disinfected substrate in the field. At the same time, we calculated the economic cost and put forward the promotion suggestions. Results indicated that physical and chemical properties of substrate changed significantly after cultivation of watermelon, and the bulk density increased while the porosity decreased significantly (<0.05). The total nitrogen content, available nitrogen and available potassium decreased by 33.0%, 40.3% and 33.5%, respectively. All the physical and chemical properties of substrate still met the reuse requirement for watermelon cultivation. The pathogenic bacteria population explosion (the population ofchanged from 0 to 5.3 ×103cfu/g) was the main obstacle factor for reusing this substrate. Based on this machine, the optimum disinfection operating parameter of watermelon continuous cultivation substrate were as follows: Input quantity was 3 m3 and substrate water content was about 40%, disinfecting time was 2-2.5 hours at high temperature of 70 ℃. And based on the above parameters, the economic costs were controlled at 42.25-53.50 RMB/m3with this equipment, which was below 6% of the cost of the new substrate.Field experimental results showed that no watermelonwilt broke out in disinfected substrate treatment, because the population ofhad no significant increase as compared to control. Meanwhile, there was no significant difference in watermelon growth parameters (e.g. plant height, stem diameter in middle stage of watermelon growth, plant dry weight, single fruit weight, and plot yield after harvest) between the new substrate and disinfected substrate. Therefore, this machine met the requirements of disinfection continuous cultivation substrate which could be applied well to actual agricultural production. Of course, considering the cost of this equipment, the best promotion mode should be through substrate marketing enterprises, who could conduct business plate of continuous cultivation substrate disinfection or trade in allowance.

substrate; disinfection; cultivation; watermelon continuous cultivation; high temperature disinfection; technologic parameters

2018-11-06

2019-05-25

江蘇省科技廳重點項目（BE2017379），國家自然科學基金（41601264），江蘇省農業科技自主創新基金[CX(18)3064]

宋修超，博士，助理研究員，研究方向為農業廢棄物肥料化與基質化利用。Email：xiuchao103@163.com

馬 艷，博士，研究員，研究方向為障礙土壤修復與設施蔬菜營養與施肥。Email：myjaas@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.019

S477+.4; S633.304

A

1002-6819(2019)-11-0167-08

宋修超，羅 佳，馬 艷，劉新紅，周金燕，嚴少華. 加熱消毒設備處理西瓜重茬基質工藝優化及栽培效果[J]. 農業工程學報，2019，35(11)：167－174. 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 effect[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 167－174. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.019 http://www.tcsae.org