新型土壤消毒一體機提高棉隆土壤分布均勻性

方文生，曹坳程?，王秋霞，顏冬冬，李園，靳茜，趙奇龍，仇耀康，趙宏明

1中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193；2中國農業科學院植物保護研究所-保定學院土壤修復聯合中心，河北保定 071000；3安徽春暉生態環境科技有限公司，安徽蕪湖 241000；4春暉（上海）農業科技發展股份有限公司，上海 200135；5江蘇南通施壯化工有限公司，江蘇南通 226000

0 引言

【研究意義】熏蒸劑棉?。╠azomet）廣泛應用于作物種植前的土壤消毒，它可有效防治土壤有害生物包括病原細菌、真菌、根結線蟲等，特別是對雜草的防治效果與溴甲烷相當[1-2]。作為固體微粒劑，棉隆使用簡單安全，只需將其撒施到土壤與土拌勻并覆膜即可。目前，棉隆的施用主要靠手撒+旋耕機的方式進行土壤消毒，該方法存在許多局限性，如手撒易導致棉隆顆粒漂移、旋耕機翻土深度有限（15—17 cm）、藥劑分散不均勻，而使熏蒸效果下降。研究表明，棉隆田間熏蒸后，對生姜地病原菌如鐮孢菌（Fusarium）、疫霉菌（Phytophthora）及根結線蟲的防控效果不穩定[3]。特別是我國南方多為黏性土壤，土壤空隙小、藥劑穿透性差，導致棉隆熏蒸效果顯著下降?；诿蘼∈┧幖夹g匱乏、熏蒸效果不理想的現實，評估新型土壤消毒一體機增加棉隆施藥深度、改善藥劑土層分布均勻性的效果，可為我國棉隆高效施藥技術的建立提供知識儲備?！厩叭搜芯窟M展】設施蔬菜由于常年重茬種植，導致土壤中蟲卵和病原細菌、真菌等有害生物大量積累，引發土傳病害[4]。據統計，因土傳病害導致的作物減產高達60%以上，連作障礙已成為我國保護地農業生產的重大問題[5-6]。如連續多年種植后，土傳根腐病、姜瘟病、線蟲病發生嚴重，嚴重制約我國生姜、三七的種植生產，常需輪作5—10年才能再次種植。目前，在作物種植前采用熏蒸劑對土壤進行熏蒸消毒是控制毀滅性土傳病原物（細菌、真菌、線蟲等）、解決保護地連作障礙最有效且穩定的方法之一[6-7]。棉隆于20世紀60年代獲得登記，用于苗場、溫室、果園等防治真菌、線蟲、雜草以及地下害蟲[2,8-10]。在我國，棉隆已廣泛應用于生姜、草莓、三七等高價值作物防治姜瘟病、根腐病、枯萎病[11-12]。棉隆本身沒有殺蟲活性，活性成分是其分解產物異硫氰酸甲酯（MITC），MITC通過羰基化反應與氨基、羥基、硫醇等親和位點結合，破壞酶結構達到殺蟲殺菌的效果[13]。目前，棉隆已在世界范圍內多個國家獲得登記，我國主要登記在草莓、番茄、花卉、生姜上防治線蟲及莖腐病。研究表明，棉隆在濕潤的土壤中可高效率地轉化為 MITC，轉化率為 90%—98%[14]。但由于棉隆分解成 MITC的過程受環境因素影響很大，如不同濕度、溫度條件下，生成MITC的速率不同[15-16]。FANG等研究了棉隆在 7種不同類型土壤中的降解，發現棉隆在堿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為主，受土壤理化性質如溫濕度、pH影響大，向土壤中添加雞糞和尿素均減慢棉隆的降解速度[15]。另外，MITC較低的飽和蒸氣壓2 799 Pa（20℃）（溴甲烷29 820 Pa（20℃））導致其不易在土壤中遷移擴散，只停留在施藥點附近[17]。所以，棉隆的熏蒸效果不僅受土壤環境因素影響，同時與棉隆本身施藥的分散均勻性關系很大?！颈狙芯壳腥朦c】針對棉隆熏蒸效果不穩定、施藥困難等問題，選用一款新型土壤消毒機——3SJG-L135A型土壤消毒一體機，評估該新型土壤消毒一體機進行棉隆施藥后，藥劑在不同深度土層（0—40 cm）的分布均勻性及對病原菌的防治效果?！緮M解決的關鍵問題】選取安徽、河北、山西3個點作為熏蒸試驗地，比較新型施藥機與傳統手撒+手扶拖拉機兩種施藥模式下，棉隆在不同深度土層的分布均勻性及其對病原菌（鐮孢菌和疫霉菌）防治效果的差異，為進一步研發穩定、高效、安全的棉隆施藥器械提供基礎數據。

1 材料與方法

試驗于2020年3—8月在安徽長豐、河北滿城和山西運城三地進行棉隆熏蒸消毒，地塊均為草莓常年種植地。田間樣品收集后于中國農業科學院植物保護研究所植物病蟲害生物學國家重點實驗室及中國農業科學院植物保護研究所-保定學院土壤修復聯合中心完成分析。

1.1 藥劑

棉?。?8%微粒劑（隆鑫）由江蘇南通施壯化工有限公司提供。標準品：99%異硫氰酸甲酯（MITC）購于Sigma公司。

1.2 施藥器械

3SJG-L135A型棉隆土壤消毒一體機（圖1）由安徽春暉生態環境科技有限公司提供，消毒機采用全封閉藥箱和尾輪驅動、偏心旋耕軸設計，結合高速反轉的合金專用刀具和雙側液壓油缸，保障了施藥量的精確性（藥量誤差小于1 kg/667 m2），翻土深度達30—40 cm。該新技術具有以下特點：解決人工撒藥不均勻、傳統旋耕機深度不達標等問題，大幅提高作業效率，減少勞動強度，同時確保了作業人員的安全。

1.3 田間熏蒸及樣品收集

安徽長豐熏蒸消毒于2020年4月進行，熏蒸前隨機選取5個采樣點收集5—40 cm深度土壤用于分析田間病原菌數量及土壤理化性質。根據棉隆田間推薦用量，試驗設置棉隆施藥劑量為 40 g·m-2。將棉隆裝入新型施藥機藥箱后開始作業，對照為手撒+手扶式拖拉機，具體操作：將棉隆顆粒劑均勻撒施土壤表面，用拖拉機旋耕翻土。施完藥后立即開始取樣，每個處理區隨機選取5個點作為采樣點，每個點分為5、10、20、30、40 cm 5個深度土層，每個深度土層各稱取兩份8 g土壤，裝于21 mL頂空瓶并立即密封。樣品收集完后，立即用0.04 mm 聚乙烯塑料薄膜覆蓋熏蒸地塊進行密封熏蒸。頂空瓶樣品帶回室內培養，28℃培養14 d后進行后續分析。兩份土樣其中一份用于測定氣體MITC溶度及土壤MITC殘留量，另一份用于分析對鐮孢菌屬及疫霉菌屬的防治效果（圖2）。

山西運城熏蒸消毒于2020年7月16日進行，棉隆施藥劑量為40 g·m-2。具體施藥方法及樣品收集同上。河北滿城熏蒸消毒于2020年7月18日進行，棉隆施藥劑量分為40和60 g·m-2兩個梯度。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烘干法進行差重計算，pH按土水比1﹕2.5測定，有機質采用重鉻酸鉀滴定法，全碳、全氮采用元素分析儀測定，土壤銨態氮、硝態氮的測定采用KCl提取-流動分析儀測定，土壤速效鉀及有效磷分別采用NH4AC提取-火焰分光光度法及NaHCO3提取-流動分析儀測定（表1）。具體操作參見土壤農化分析[18]。

表1 試驗地理化性質Table 1 Physical and chemical properties of experimental plots

1.5 氣體MITC溶度檢測

樣品培養14 d后，其中一份用于頂空進樣，測定頂空瓶中棉隆產生的氣體 MITC溶度。頂空進樣于GC-MS-HS上進行（安捷倫 8890-5977-7697A）。具體色譜參數：頂空進樣器爐溫 40℃，定量環溫度100℃，傳輸線溫度 120℃；氣相色譜進樣口溫度200℃，柱溫60℃，柱流速1 mL·min-1，色譜柱為HP-5 MS 30 m×0.32 mm；定性定量離子為75、74、45 m/z。具體方法參見WANG等[19]。

1.6 土壤MITC溶度檢測

頂空進樣完成后，樣品立即于-80℃凍存用于后續土壤MITC提取。凍存樣品取出后立即分析，樣品提取方法參見WANG等[19-20]：向頂空瓶中加入8 g無水硫酸鈉，8 mL乙酸乙酯，密封后渦旋30 s，于2 500 r/min振蕩30 min。靜置1 h后，取1 mL上清液過0.02 mm有機濾膜于2 mL進樣瓶中待分析。MITC溶度于GC-MS氣相色譜-質譜聯用儀（安捷倫8890-5977）上分析，色譜條件同上。

1.7 病原菌分離及計數

土壤中鐮孢菌屬及疫霉菌屬采用選擇性培養基進行分離計數，參見文獻[21-22]。具體分離步驟：將頂空瓶中8 g土樣加入到95 mL 0.7%的滅菌瓊脂水中，在搖床上振蕩30 min（200 r/min），配置得到土壤懸浮液。在47.5 mL培養基A成分內先加入培養基B成分2.5 mL，再加入土壤懸浮液1 mL，搖勻后均分到3個培養皿內，于28℃培養3 d后計數鐮孢菌屬或疫霉菌屬的菌落生長情況。

A成分配置如下（以2 L為例）：鐮孢菌屬：KH2PO42 g；KCl 1 g；MgSO41 g；L-天冬堿 4 g；D-半乳糖40 g；瓊脂30 g。疫霉菌屬：瓊脂34 g；葡萄糖40 g。

B成分配置如下（以100 mL為例）：鐮孢菌屬：Fe-Na EDTA 0.02 g；Na2B4O7·10H2O 2 g；牛膽汁粉1 g；硫酸鏈霉素1 g；C6H2ClF2NO21.5 g。疫霉菌屬：C6H2ClF2NO20.15 g；氨芐青霉素0.03 g；利福平 0.02 g。

1.8 數據統計與分析

樣本間差異分析采用秩和t檢驗（Welch’st-test），差異可視化用Stamp（Statistical Analysis of Metagenomic Profiles）軟件實現，其他分析采用SPSS 19.0及Origin 9.0完成。

2 結果

2.1 MITC氣體溶度分布均勻性

ANVOA方差分析顯示兩種施藥方式（手撒和機施）不同深度土壤中氣體MITC溶度均存在顯著差異（P＜0.05）（圖3）。棉隆手撒處理組只在5及10 cm深度土層檢測到高溶度MITC，安徽、河北兩地20—40 cm深度土層氣體MITC溶度為0，山西土壤中低于0.16 μg/g土，表明手撒施藥模式下棉隆主要分布在0—20 cm以上土層。安徽、河北、山西三地機施處理5—40 cm深度土層均檢測到MITC，MITC氣體溶度在1.46—3.02 μg/g土（40 g·m-2用量下平均值），且各深度土層間MITC溶度無顯著差異（P＞0.05，圖4-a），表明機施模式下棉隆均勻分布于0—40 cm深度土層。但棉隆手撒處理組5—10 cm深度土層中氣體MITC溶度顯著高于機施處理組，2.58—4.69 vs 1.46—3.02 μg/g土（P＜0.05）。當棉隆用量增加到60 g·m-2，手撒處理組20—40 cm深度土層仍未檢測到氣體MITC（圖3-d），但5—10 cm深度土層MITC溶度（6.88—8.32 μg/g土）顯著高于40 g·m-2用量對應深度MITC溶度（4.69—5.64 μg/g土），表明提高棉隆施藥量并不能增加20—40 cm深度土層藥劑含量，但顯著增加5—10 cm深度土層藥劑溶度。同時，棉隆60 g·m-2用量下機施處理組5—40 cm深度土層氣體MITC溶度為4.38—4.92 μg/g土，顯著高于40 g·m-2用量下各深度土層MITC溶度（1.46—3.02 μg/g土）（P＜0.05，圖4-a）。手撒施藥模式下，由于旋耕機翻土深度受限（最大深度20 cm），大量棉隆顆粒只能混合在0—20 cm以內深度土層，因此棉隆在淺表層土中累積，導致手撒處理組5—10 cm深度土層氣體MITC溶度顯著高于機施處理。

2.2 MITC土壤溶度分布均勻性

同樣地，ANVOA方差分析表明兩種施藥模式下（手撒和機施）不同深度土壤中MITC溶度具顯著差異（P＜0.05）（圖5）。安徽、河北、山西三地中，手撒棉隆處理組只在5及10 cm深度土層檢測到高溶度MITC，27.81—31.15 μg/g土，20—40 cm深度土層MITC溶度低于2.07 μg/g土，表明手撒施藥模式下棉隆主要分布在0—20 cm以上土層。而機施模式下，三地 0—40 cm深度土層均檢測到較高溶度MITC，為 18.67—26.27 μg/g 土（40 g·m-2用量下平均值），且各深度土層間MITC溶度無顯著差異（P＞0.05，圖 4-b），表明機施模式下棉隆均勻分布于 0—40 cm深度土層。但手撒處理組5—10 cm深度土層 MITC溶度顯著高于機施處理組相應深度，27.81—31.15 vs 18.67—26.27 μg/g土（P＜0.05）。當棉隆用量增加到60 g·m-2，手撒處理組20—40 cm深度土層仍未檢測到MITC（圖5-d），但5—10 cm深度土層 MITC溶度（46.54—48.30 μg/g土）顯著高于 40 g·m-2用量對應深度（27.81—31.15 μg/g 土），表明提高棉隆施藥量并不能增加 20—40 cm深度土層藥劑含量，但顯著增加5—10 cm深度土層藥劑溶度。同時，棉隆60 g·m-2用量下，機施處理組5—40 cm深度土層MITC溶度顯著高于40 g·m-2用量下各深度土層 MITC溶度（26.67—31.52 vs 18.67—22.96 μg/g土）（P＜0.05，圖4-b）。相比手撒模式下旋耕機翻土深度有限，機施模式下翻土深度可達40 cm，因此棉隆顆?？稍?—40 cm深度土層與土壤均勻混合，棉隆產生的MITC均勻分布于各深度土層。

2.3 對鐮孢菌和疫霉菌防治效果

鐮孢菌和疫霉菌是兩種常見的土傳病原菌，可引起多種作物枯萎病及根腐病，表2比較了棉隆手撒和機施施藥模式下不同深度土層兩種病原菌減退情況。除河北地塊，安徽及山西土壤均有鐮孢菌危害，其中安徽試驗地鐮孢菌屬數達到 500—1 740 cfu/g土。棉隆熏蒸后，土壤中鐮孢菌屬豐度急劇降低，特別是機施模式下，0—40 cm土層中鐮孢菌數量降至0，減退率達100%。而手撒模式下，20—40 cm深度土層中仍有大量鐮孢菌存在，鐮孢菌減退率在-65%—43%，表明棉隆手撒施藥只對淺表層土中鐮孢菌具優良防效，對深層土中鐮孢菌防治效果不佳。相反，機施模式下，因棉隆可均勻分散在不同深度土層，對淺表層及深層土壤中鐮孢菌的防治效果均表現優異。相對于鐮孢菌，疫霉菌在三塊試驗地中均有大量檢出，且淺表層土（0—20 cm）疫霉菌豐度高于深層土壤（20—40 cm），1 520—7 920 vs 660—1 660 cfu/g土。同樣地，棉隆熏蒸后土壤疫霉菌屬豐度顯著降低（P＜0.05），特別是機施模式下，0—40 cm不同深度土層疫霉菌減退率達 90%—100%。棉隆手撒模式下，表層土壤（0—10 cm）疫霉菌減退率達90%—100%，20 cm深度時降至65%—74%，20—40 cm深度只有0—48%，表明隨著土壤深度增加（0—40 cm）疫霉菌防治效果顯著降低（P＜0.05）。無論是手撒還是機施模式下，棉隆40和 60 g·m-2用量處理下各深度間疫霉菌的減退率無顯著差異（表 2）。盡管相比于 40 g·m-2用量，60 g·m-2用量處理顯著增加手撒模式 0—10 cm及機施模式各深度MITC溶度，但并未觀察到病原物防治效果的顯著提高。原因在于，低劑量棉隆處理對疫霉菌已有很好防治效果，如河北試驗地中低劑量棉隆處理（40 g·m-2）下 0—10 cm 疫霉菌防治效果已達100%，同樣地，機施模式低劑量棉隆處理（40 g·m-2）下20—40 cm疫霉菌防治效果已達90%—92%，因此提高棉隆用量至 60 g·m-2不能提高對疫霉菌的防治效果。

表2 棉隆手撒和機施模式下不同深度土層鐮孢菌和疫霉菌計數及減退率Table 2 Count and decrease rate of Fusarium and Phytophthora in different soil depths under dazomet hand-sprinkling and machine application

3 討論

連作障礙是當前設施蔬菜生產上面臨和亟需解決的最大挑戰，通常認為長期連作土壤中有害微生物積累引起的土傳病害是造成連作障礙發生的主要原因[23-24]。因此，合理有效控制土壤有害病原生物是解決農業生產連作障礙的關鍵。針對連作土壤中有害病原生物問題，目前主要的措施有化學熏蒸與生物防治，生物防治因其有益菌、拮抗菌在土壤中穩定性不佳，常導致熏蒸效果下降，難以達到大面積防控土傳病害的目的。因此，目前仍以化學熏蒸為主，但熏蒸效果較好的熏蒸劑溴甲烷因破壞臭氧層而被全球禁用，我國已于2019年全面禁止在農業上的應用。氯化苦、棉隆、威百畝、二甲基二硫、辣根素、硫酰氟是溴甲烷的優秀替代品[7,25]。

棉隆即3,5-二甲基-1,3,5-噻二嗪烷-2-硫酮，在潮濕的土壤中遇水生成異硫氰酸甲酯（MITC），MITC是殺蟲殺菌的活性成分，并且 MITC不會破壞臭氧層，對環境友好、操作簡單、對人畜低毒、易于貯存，所以棉隆得到廣泛應用[26]。我國是棉隆原藥主要生產地，番茄、黃瓜、草莓、生姜、中藥材、花卉、果樹、苗圃上均有廣泛應用[7,27]，使用面積不斷增加。但施藥困難、熏蒸效果不穩定是困擾棉隆應用最大的挑戰，3SJG-L135A型棉隆土壤消毒一體機的誕生，填補了國內土壤消毒施撤固體顆粒和微粒藥物機械的空白，該機械同時具有秸稈還田、深耕、碎土、施藥一體機功效，很好地解決了棉隆熏蒸施藥難題。新型施藥一體機采用全封閉藥箱和尾輪驅動、偏心旋耕軸設計，結合高速反轉合金專用刀具和雙側液壓油缸，不僅可以安全地控制藥量誤差小于1 kg/667 m2，而且取土深度達30—40 cm，有效解決了人工撒藥不均勻，傳統旋耕機深度不達標等問題，大幅提高作業效率，減少勞動強度，同時確保了作業人員的安全。

安徽、河北、山西三地試驗均表明，相比傳統手撒施藥模式，新型土壤消毒一體機可大幅提高棉隆在不同深度土層的分布均勻性，同時顯著增加深層土壤（20—40 cm）病原物的防控效果。而手撒施藥模式下，因旋耕機翻土深度受限及混土不均問題，棉隆主要集中在0—20 cm深度土層，20—40 cm幾乎沒有藥劑，從而導致20—40 cm深度土層中對鐮孢菌及疫霉菌防控效果不理想（病原菌減退率＜43%，表2）。深層土壤中未被殺滅的病原物將成為下茬作物土傳病害發生的重要病原物來源，因此棉隆手撒模式下逃逸的病原物將是潛在的重大危害。棉隆機施模式下，20—40 cm深度土層中鐮孢菌及疫霉菌減退率高達90%以上（表2），表明新型消毒一體機可將棉隆與20—40 cm深層土充分混勻，深層土壤中鐮孢菌及疫霉菌的減少有望防止作物生長期病原物再次暴發。

熏蒸劑不同于其他常規農藥，常規農藥發揮效果僅限于與藥劑接觸的靶標，而熏蒸劑因其高揮發性而易擴散，當熏蒸劑作用到土壤后可迅速向四周遷移，如WANG等發現氯化苦、1,3-二氯丙烯、二甲基二硫最大可遷移至40—60 cm深度土層[19,28-29]。本試驗中將各深度土壤收集后分別培養，人為阻斷了各土層間氣體熏蒸劑的自由擴散及遷移，因此具有一定局限性。如實際田間熏蒸狀態，棉隆手撒模式下，氣體MITC或可擴散至20—30 cm深度土層，同樣地，棉隆機施模式下，＞40 cm深度土層亦或可檢測到MITC。傳統模式下，土壤水平方向棉隆的分布取決于手撒的均勻性及旋耕機的碎土率。相比水平方向，垂直方向是制約棉隆發揮熏蒸效果的最大瓶頸，傳統旋耕機最大翻土深度只能到達20 cm，而土壤有害生物可分布在0—60 cm深度土層[30]。新型土壤消毒一體機一方面能夠將翻土深度增至40 cm，顯著提高藥劑的垂直分布深度，另一方面新型消毒機極高碎土率保證藥劑與土壤混合更充分，提高藥劑在整個土層的分布均勻性。新型消毒機特有的混式刀片及寬軸地輪（1.5 m）結構，翻土、混土、碎土與施藥同時進行，可同時提高藥劑水平及垂直方向分布均勻性。本研究關注點是藥劑不同深度的分布情況，未將水平方向考慮在內，因此在將來的試驗中有必要專門設置試驗評估新型消毒一體機對棉隆水平分散情況的影響。但毋庸置疑，新型土壤消毒一體機相對于傳統手撒施藥模式，具更高的混土均勻性和藥劑分散度，是土壤消毒領域的一次重大技術革新。

4 結論

相比于傳統手撒施藥模式，新型土壤消毒一體機可大幅提高棉隆在不同深度土層的分布均勻性，同時顯著增加深層土壤（20—40 cm）病原菌的防控效果。