《AgriEngineering》：Inactivation of Weedy Rice Using 915 MHz Microwaves with Soil Physicochemical Property and Microbiome Retention
Kaushik Luthra,
Devisree Chukkapalli,
Bindu Regonda,
Chris Isbell,
Akshita Mishra and
Griffiths Atungulu
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本文针对有机及旱作农业中杂草稻（weedy rice）难以防控的问题，评估了915 MHz微波加热作为一种非化学除草方法的潜力。研究发现，在受控条件下，该技术可显著抑制杂草稻萌发，且对土壤理化性质影响甚微，氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的数量有所减少。该研究为开发可持续、低成本的杂草管理技术提供了新思路。
在当今的农业生产中，杂草尤其是与栽培稻“亲缘”相近的杂草稻（weedy rice），是困扰全球稻农的一大难题。这种杂草不仅与水稻争夺养分和空间，其极强的适应性还使其难以被常规的除草剂有效防除，导致严重的产量损失和经济代价。以美国阿肯色州为例，在中等程度的杂草稻侵染情况下，每年可造成约570万吨的稻谷损失，经济影响高达4.57亿美元。更棘手的是，随着水稻种植模式逐渐从传统的水稻移栽向节水的旱直播稻（aerobic rice culture）转变，以及杂草稻对主流除草剂（如Clearfield?）产生抗性，寻找一种高效、可持续且对环境友好的杂草管理新方法变得尤为迫切。
针对这一挑战，阿肯色大学的科研团队在《AgriEngineering》期刊上发表了一项研究，他们另辟蹊径，将目光投向了工业微波加热技术。他们设想，能否利用微波产生的热量，在不破坏土壤健康的前提下，精准“消灭”深藏于土壤中的杂草稻种子库？为此，他们开展了一项严谨的实验室研究。研究结果显示，915 MHz的微波加热能够显著抑制杂草稻的萌发，其抑制效果与微波功率呈正相关，与土壤深度呈负相关。尤为重要的是，这种处理对土壤的理化性质影响甚微，对土壤中细菌总量的影响不显著，但会暂时降低氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）和氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）的数量。这项研究为未来的田间杂草非化学防控，特别是面向有机农业，提供了一种极具潜力的物理解决方案。
为了评估915 MHz微波处理对杂草稻的实际效果，研究人员采用了几个关键技术方法。首先，他们从杂草稻侵扰的农田中采集了佩里黏土（Perry clay）样品，并在实验室条件下将其湿度调节至约35%（湿基），以模拟水稻播种时的田间条件。其次，他们使用了一台工业微波隧道干燥系统（915 MHz），在设定的功率和时间内对装在不同深度（2.5、8.9、15.2厘米）土壤托盘中的样品进行处理。在微波处理过程中，他们通过光纤温度数据记录仪和热成像相机监测土壤内部及表面的温度变化。在完成处理后，研究人员在温室内进行了为期14天的杂草萌发测试，并使用总发芽指数（Total Germinability Index, TGI）来量化处理效果。TGI的计算公式为：(Gi- Gmin) / (Gmax- Gmin)，其中Gi是第i个样品发芽的总种子数，Gmin和Gmax分别是所有样品中发芽总数的最小值和最大值。最后，为了全面评估微波处理的影响，他们还将处理后的土壤样品送往实验室，分别分析了其理化性质（如pH、电导率、养分含量等）和特定微生物（总细菌、AOA、AOB）的丰度变化。
1. 微波能量对土壤温度的影响
研究发现，在30秒的处理时间内，土壤温度随微波功率的增加而升高，随土壤深度的增加而降低。例如，在2.5厘米深处，功率从10 kW增加到30 kW，土壤温度从77.5 °C上升到95.5 °C。这表明更高的能量输入和更浅的处理深度能产生更显著的热效应。热成像也显示，土壤表面温度变化趋势与此一致。这表明微波加热在土壤中产生了温度梯度，浅层受热更明显，从而影响了位于不同深度种子的萌发。
2. 微波能量对总发芽指数（TGI）的影响
微波功率和土壤深度对TGI有显著影响。TGI值范围从0.84（10 kW, 15.2厘米）到0（20 kW, 2.5厘米 或 30 kW, 8.9厘米），即完全抑制萌发。TGI随着土壤深度增加而增加，随功率降低而增加。对于8.9厘米深的土壤，176至265 kJ/kg的能量水平可实现80-100%的萌发抑制。在15.2厘米深度，30 kW处理30秒（对应188 kJ/kg）可将TGI降低约80%，发芽数减少64%。这证明微波处理能有效抑制杂草稻萌发，其有效性取决于能量输入深度。
3. 微波能量对土壤理化性质的影响
尽管某些参数（如pH、电导率、钾、锰）在统计学上显示出显著性变化，但其变化的绝对幅度很小，并且保持在农学可接受的范围内，没有观察到一致的、表明土壤性质退化的趋势。大部分理化性质，如磷、钙、镁、硫、钠、铁、锌、铜、硼、有机质损失、全氮和全碳等，与未经处理的土壤相比没有显著变化。这表明短时间的微波处理对土壤的基本化学性质影响有限。
4. 微波能量对土壤微生物的影响
微波处理对土壤中总细菌的数量没有显著影响。然而，氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的数量在处理后有所减少。对于AOA，除了10 kW处理30秒外，其他处理组的数值均显著低于对照组。对于AOB，所有处理后的土壤样品均显示出显著降低。由于AOA和AOB在氮循环的硝化作用中扮演关键角色，这种数量的暂时性减少值得关注，但以往研究表明土壤微生物群落在扰动后可能会自然恢复。
这项研究的主要结论是，在受控实验室条件下，915 MHz微波加热能够通过热效应有效抑制杂草稻的萌发，抑制效果与微波能量密度和处理深度密切相关。土壤的绝大多数理化性质在短期内未受到实质性影响，但氨氧化微生物（AOA和AOB）的数量有所下降。研究证实，微波处理作为一种非化学方法，在控制顽固性杂草如杂草稻方面具有显著潜力，特别是对于那些追求有机和可持续生产的农业系统而言，提供了一种有前景的替代方案。不过，研究者也指出了研究的局限性，包括实验重复次数较少、缺乏深度匹配的对照样品、温度空间测量有限等。因此，未来需要进行田间规模的研究，以验证其在真实农业环境下的性能、优化能量需求，并评估其对土壤的长期影响。这项工作为开发下一代环境友好的杂草管理技术奠定了重要的科学基础。
