脉冲电场对土壤中的线虫、病原体和杂草的场强及频率依赖性影响

《Scientific Reports》：Field strength and frequency-dependent effects of pulsed electric fields on soilborne nematodes, pathogens, and weeds

　　

摘要

脉冲电场（PEF）技术是一种非化学方法，具有控制土壤传播的农业害虫的潜力。PEF通过短时高能量的电脉冲破坏细胞膜。处理效果取决于电场强度、脉冲频率和施用装置的设计。电场强度反映了驱动电穿孔过程的电场强度，而能量密度则表示传递给系统的累积剂量，脉冲频率则决定了该剂量在时间上的分布情况。在本研究中，评估了两种用于土壤处理的PEF施用装置：垂直针状电极（VP）和平行板电极（PP），以研究其对杂草、植物寄生线虫和土壤传播病原体的抑制效果。数值模拟表明，平行板电极配置产生的电场分布比垂直针状电极更均匀。与这些预测一致，平行板电极在目标生物体上表现出更强的生物抑制作用。Cyperus esculentus的生物量随着能量密度的增加而逐渐减少，在能量密度≥100 J cm^?3时显著降低。在能量密度为25 J cm^?3且脉冲频率高于60 Hz的情况下，平行板电极将Meloidogyne chitwoodi的第二阶段幼虫数量减少了100%。在电压为400 V mm^?1时，Pratylenchus neglectus和M. chitwoodi的数量减少了98%以上。杂草对电场处理的反应因物种而异：C. esculentus和Digitaria sanguinalis的生物量在能量密度为100–200 J cm^?3时减少，而Echinochloa crus-galli则需要更高的能量输入才能被控制。土壤传播病原体的敏感性也有所不同：Phytophthora cinnamomi和P. plurivora在中等电场强度（100–200 V mm^?1）下减少了94%，而Verticillium dahliae在电场强度为200–400 V mm^?1且脉冲频率为80 Hz时减少了97%。总体而言，线虫和土壤传播病原体在远低于杂草繁殖体的能量密度（约25 J cm^?3）下就被抑制了，而杂草繁殖体通常需要≥100–200 J cm^?3的能量密度才能有效抑制其生物量。这些结果表明，PEF可以有效地抑制多种土壤传播的害虫。此外，研究结果还强调了施用装置设计和电参数在决定处理效果中的重要性，进一步证明了PEF作为一种可扩展且可持续的土壤消毒技术的潜力。