《European Journal of Plant Pathology》：Innovations for sustainable crop protection: application of microwaves for stubble and soilborne disease management
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土壤和残茬传播的病害对耕作系统构成重大威胁，尤其是大田作物，导致土壤健康下降和严重产量损失。当前的管理策略，如化学和栽培控制方法，常因其病原体特异性以及有效性与环境足迹之间的权衡而面临局限。这些策略也可能无法同时应对影响作物的多种病原体的复杂性。虽然化学杀菌剂
土壤和残茬传播的病害对耕作系统构成重大威胁，尤其是大田作物，导致土壤健康下降和严重产量损失。当前的管理策略，如化学和栽培控制方法，常因其病原体特异性以及有效性与环境足迹之间的权衡而面临局限。这些策略也可能无法同时应对影响作物的多种病原体的复杂性。虽然化学杀菌剂和栽培措施已被广泛采用，但其长期可持续性因意外后果（如抗药性发展和非靶标生物的不利影响）而受到质疑。热处理法，如土壤太阳能消毒（soil solarisation）、残茬焚烧和蒸汽处理，传统上被用作替代控制措施，而微波处理是一种新兴且日益受到关注的方法。将微波应用于土壤和残茬提供了一种非化学方法，通过靶向土壤表层5-10厘米内的病原体来管理多种作物类型的病害。然而，将该技术整合到大规模耕作系统中面临挑战，包括成本、可扩展性以及不同病原体处理效果的变异性。新兴技术如遥感（remote sensing）、智慧农业（smart farming）和物联网（Internet of Things, IoT），结合人工智能（artificial intelligence）和机器学习（machine learning），为微波处理的靶向和高效应用提供了新途径。这些工具能够实现精确绘图和病害监测，降低投入成本并提高处理精度。本综述探讨了微波在大田作物应用中的当前现状、现有方法的局限性，以及微波技术与数字农业方法整合的潜力。此外，研究人员还提供了微波应用与传统方法相比的社会经济效益概览，强调了大田农户的经济可行性和长期投资回报。
**Introduction**
植物病害继续对全球农业生产构成重大制约，每年导致主要粮食作物约20-30%的产量损失。保护性农业（如少耕或免耕及残茬保留）虽然有利于土壤水分保存和侵蚀防控，但加剧了土壤和残茬传播病害的挑战，影响作物产量和品质。化学杀菌剂虽广泛使用，但因其对人类健康、生物多样性和环境的负面影响，以及抗药性发展，长期可持续性受到质疑。热处理法（如土壤太阳能消毒（soil solarisation）、残茬焚烧和蒸汽处理）作为替代方法，其中微波处理（microwave treatment）作为一种新兴非化学方法，通过靶向土壤表层5-10厘米病原体，展示出潜力，但整合到大规模系统仍面临成本、可扩展性等问题。本综述聚焦微波在大田作物中的应用现状、现有方法局限，以及与数字农业结合的前景，同时对比传统方法的社会经济效益。
**Importance of soil and stubble-borne diseases**
土壤和残茬传播病害对全球作物生产构成严峻挑战，尤其在保护性农业系统中。病原体如镰刀菌属（Fusarium spp.）、油菜茎基溃疡病菌（Leptosphaeria maculans）、立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）、腐霉菌属（Pythium spp.）和核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）在土壤和残茬中持久存活，形成孢子、菌核等繁殖体。残茬保留为病原体提供生存基质，例如禾谷镰刀菌（F. pseudograminearum）可在感染残茬中存活三年，小麦叶枯病菌（L. maculans）子囊孢子存活18个月。多种病原体共感染会加剧病害严重度，如尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum f. sp. medicaginis）与立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）共感染紫花苜蓿时显著增加病害。此外，非生物胁迫（如干旱）会放大症状。因此，需综合管理策略应对多重病原体。
**Current management strategies and their limitations**
当前策略包括作物轮作、杀菌剂应用、生物防治和热处理等，但各自存在局限。作物轮作和栽培控制依赖时间降低接种体，但所需时间高度可变，且种植者常因短期利益提前种植易感作物。杀菌剂对叶部病害有效，但对冠部和根部病原体效果有限，新型杀菌剂如cyclobutrifluram虽能减少镰刀菌冠腐病（Fusarium crown rot, FCR）产量损失，但干燥季节仍存在显著损失。生物防治在实验室条件下有效，但田间应用需高湿度，不适合低降雨区。热处理如土壤太阳能消毒需长时（6-12周）且资源密集，残茬焚烧虽有效但造成环境负面效应。综合病害管理（integrated disease management, IDM）结合多种策略，但难以完全控制地下病原体。
**Potential for microwave radiation in broadacre disease control**
**Technologies on the electromagnetic spectrum**
电磁频谱技术（如微波、红外和冷等离子体）提供非选择性热处理机会，可同时作用于昆虫、杂草和病害。微波辐射频率300 MHz-300 GHz，波长1 mm-30 cm，可穿透并内部加热，比红外或冷等离子体更具优势。早期研究认为商业应用不切实际，但近年田间微波原型机（如用于杂草控制）的发展使其可行。微波消毒原理基于体加热，需计算能量吸收以确定致死剂量，建议未来研究采用标准化能量计量。
**What pathogens/diseases/systems will suit the broadacre application of microwave radiation?**
微波辐射最适合靶向土壤表层（0-5 cm）病原体，如核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）菌核（位于土表2-3 cm），以及移动性较弱的病原体。不同微生物对微波敏感性不同，如禾谷镰刀菌（F. pseudograminearum）所需能量几乎是镰刀菌属（F. culmorum）的两倍。残茬中的病原体（如小麦叶枯病菌（Pyrenophora tritici-repentis）和麦类网斑病菌（Pyrenophora teres））更易靶向，因其位于地表。对残茬中病原体的研究显示，微波可有效杀灭菌丝和分生孢子。此外，微波处理可用于消除抗药性种群，延长化学药剂寿命，并应用于生物安全情境。
**Challenges and considerations to the practical adoption of broadacre-applied microwave radiation**
**Managing variability such as weather and crop or cultivar selection**
微波加热效率受土壤和残茬水分含量（moisture content, MC）影响，因水是极性分子，但高土壤MC可能反射微波，降低吸收。理想MC可能较低，如干燥表层可增强微波穿透。不同作物残茬（如小麦与大麦）的介电性能（dielectric properties）因组织密度差异而异，需不同能量输入。高生物量作物（如向日葵、玉米）可能需更高能量。田间环境（如气候、土壤类型）的变异需通过建模和测试来优化。
**Flow-on system effects of microwaving soil or crop residues**
微波处理可能产生系统效应，如增加土壤硝化效率，使小麦产量提高137%；同时可减少杂草种子萌发（温度>65°C约2分钟）。但加热可能导致氮挥发（如焚烧处理），改变残茬碳氮比，影响微生物定殖和分解。微波处理可能使残茬结构破裂，加速水分渗透，但短期可能使残茬干燥。加热土壤还可间接降低土壤接种体负荷，需进一步田间实验评估。
**Economic advantages of microwave application**
微波技术相比传统方法具有直接经济优势，如减少化学投入（杀菌剂、劳动力、机械）成本，单次处理可长期抑制病原体，降低重复施用。间接效益包括规避因病原体导致的贸易限制、减少化学残留和抗药性管理成本。尽管初始投资可能较高，但结合投入节约、产量提升和环境合规，长期投资回报（return on investment, ROI）可观。技术进步和规模效应可降低设备成本，农户也可选择租赁服务。
**Targeted microwave application enabled by remote sensing technologies**
遥感（remote sensing）和精准农业技术（如多光谱、高光谱成像）已成功用于检测多种病害（如棉花根腐病、小麦条锈病）。类似方法可应用于微波处理，通过无人机（unmanned aerial vehicle, UAV）或卫星图像识别病害热点，结合物联网（Internet of Things, IoT）传感器监测土壤参数，再经人工智能（artificial intelligence, AI）和机器学习（machine learning, ML）算法预测高风险区域，实现精准定位和高效能量使用，减少非靶区处理。
**Conclusion and future prospects**
微波处理作为可持续替代方案，通过热能非化学地靶向病原体，保留残茬和土壤健康。但可扩展性、能源成本和不同土壤类型的效力差异仍是障碍。整合精准工具（如遥感、AI、IoT）可优化靶向应用。未来需开发经济高效的微波系统，验证长期土壤健康影响，并促进研究、农户和政策制定者合作，与抗病品种和农业生态实践结合，构建韧性农业系统。
