入侵性日本虎杖的控制和处置 Reynoutria japonica Houtt。使用微波处理

摘要

该协议提供了一种在田间微波控制日本虎杖和在实验室条件下处理挖出的根茎的方法。讨论了这两种方法的优缺点。还提出了未来的研究方向，以优化微波控制日本虎杖的使用。

摘要

该研究旨在评估频率为 2.45 GHz、功率为 800 W 的微波处理 （MWT） 使用内部设施中建造的自走式设备控制日本虎杖 （Reynoutria japonica Houtt.） 的有效性。MWT 于 2022 年 7 月应用于虎杖的田间种群。首先，将植株机械地从 1 m 2 的区域移出^， 然后，将 4 cm 高左右的切芽微波处理 25 min、20 min 和 15 min。对照处理是：1） 仅切割植物和 2） 挖出 30 厘米深的根茎。通过计算新生长的嫩芽的数量，在接下来的 11 个月内观察微波处理的有效性。结果表明，与对照组相比，25 分钟 MWT 对日本虎杖失去活力有效 100%，而 15 分钟 MWT 微波处理刺激植物生长约 50%。在单独的 体外 实验中挖出根茎进行实验室测试。根茎按厚度分类，并使用商用微波进行 60 s MWT，然后评估其温度和活力。MWT 后根茎的温度取决于它们的厚度。那些升温到 42 °C 以上的根茎被有效地破坏了。综上所述，植物暴露在微波下的时间对这种方法的有效性起着重要作用。暴露于 MWT 的时间越长，控制越好。根茎越薄， 体外 MWT 根茎处理越有效。

引言

日本虎杖 （Reynoutria japonica Houtt.） 是威胁波兰自然环境的七种入侵植物物种之一¹.这种植物在其原始分布范围之外，表现出广泛的栖息地，从人为栖息地，包括铁路路堤、路边、公园、墓地、家庭花园、各种类型的城市和后工业荒地到自然栖息地，例如森林边缘、河岸、灌木丛。它有时也可以在农业地区找到。它能很好地应对各种 pH 值（从酸性到微碱性）的土壤 ^2,3。它对高温、盐度、周期性洪水和干旱表现出高度耐受性²。它还非常耐土壤污染，包括硫化合物⁴。虎杖严重威胁自然，并导致植物物种丰富度下降。它们有效地与本地物种竞争，通过快速生长阻止其再生并限制光照⁵。它们以对抗疗法影响其他植物，并导致土壤的物理和化学特性发生变化。此外，它们通过限制道路沿线的能见度、破坏防洪、降低投资和旅游区的吸引力以及造成与其控制相关的经济损失，对人类经济产生负面影响 ^6,7。

已经进行了许多尝试来控制日本虎杖，主要使用合成除草剂，例如草甘膦或 2,4-D⁸。然而，由于不利的环境影响，不建议将这种方法用于大多数虎杖占据的地点。另一方面，机械方法涉及定期修剪植物，由于根茎的深层系统从中长出新芽，因此无效⁹.一个有趣的解决方案是使用密集的网来限制虎杖的生长，但这种方法也有局限性，因为可能会损坏网或在其区域之外生长嫩芽。因此，寻求控制该物种的横向方法。其中一种方法是使用微波炉¹⁰。

微波是频率为 0.3 GHz 至 300 GHz、波长为 1 m 至 0.001 m 的电磁波。微波辐射是人眼看不见的。微波炉的电磁波谱在红外辐射和无线电频率¹¹ 的范围内。在广泛的微波频率范围内，只有少数用于医疗或工业应用。联邦通信委员会 （Federal Communications Commission） 法规规定了特定微波频率的使用。微波通过电中性材料（如纸、玻璃、陶瓷和大多数塑料）传输，并被金属反射。在吸收材料中，它们会产生热量¹².微波频率的电磁场主要为其范围内的生物体提供能量。热效应包括由于身体吸收一些能量而使体温升高。适当的频率、场强度和生物体的体温调节能力是提高组织温度所必需的。它还取决于暴露的时间和组织的类型。当超过临界组织热水平时，会发生蛋白质变性¹³。

微波辐射在自然科学中的应用已经很多年了。例如，它用于加热温室中的空气¹⁴、土壤消毒^15、16、17 以及干燥水果和蔬菜^18、19、20。微波还可以消灭农作物^21、22、23 的害虫或幼苗阶段的杂草²⁴。最近的研究还表明，微波方法在对抗入侵性 Sosnowsky 猪草方面非常有效^10,25。

HOGWEED 设备是在克拉科夫农业大学林业学院建造的²⁶.它有自己的驱动装置，并在履带底盘上移动，可用于难以进入的区域。这样的驱动系统不会损坏地面，因为橡胶履带对地形施加的单位压力较低。无线电遥控器可远程控制车辆。该装置的构造是为了研究微波对自然生态系统中入侵杂草的影响。

该研究旨在确定波为 2.45 GHz、功率为 800 W 和假设工作时间（从 15-25 分钟）的微波辐射对使用猪草设备在田间控制日本虎杖植物 （Reynoutria japonica Houtt.） 生长的有效性。该研究还旨在确定使用商用微波设备在实验室条件下处理根茎。处置对于入侵植物废物的安全管理非常重要，这样它就不会威胁到环境安全。

研究方案

根据与管理该地区的克拉科夫市绿化委员会的书面协议和监督，我们使用位于克拉科夫（北纬 50.04 度，东经 19.63 度）的入侵日本虎杖 （Reynoutria japonica Houtt.） 的田间种群进行了田间实验。

1. 使用发射微波的专用装置对日本虎杖进行田间控制

1. 使用磁控管构建微波发射器，磁控管产生频率为 2.45 GHz、功率为 800 W 的波。保持喇叭天线的孔径面积为 0.024254 m² （134 mm x 181 mm），微波功率密度为 32.8 kW/m²。制作四块 1 毫米厚的黄铜板的波导和天线，并用软焊料连接它们。确保板材内侧涂银，以增加金属表面的导电性²⁶.
2. 在植物高度约为 0.5-1.0 m 的日本虎杖的密集生长期对日本虎杖进行微波控制。
3. 计算每 1 平方米地上虎杖芽的数量。使用手摇割草机在离地面约 4 厘米处切割植物的所有地上部分。
4. 使用吹叶机机械去除表面的干叶子，以防止在微波处理过程中燃烧。
5. 在使用热像仪处理之前记录准备好的表面的温度。
6. 将微波发射器放在准备好的表面上，放在嫩芽中心的上面，轻轻推动它以紧紧粘附在地面上。按下机器上的按钮发射微波，并对 268 mm x 362 mm 尺寸的表面进行 25 min、20 min 和 15 min 的处理。
7. 使用热像仪记录处理过的表面的温度。
8. 对于控制，使用仅在离地面约 4 厘米处使用手动割草机机械切割地上部分的表面（控制 1 - 修剪），并将根茎挖出大约 30 厘米的深度（控制 2 - 挖出）。为了帮助挖出根茎，请先使用带有窄流喷嘴的移动式压缩机，然后在金属切割机的帮助下拉出可见的根茎。
9. 每月检查研究区植物的生长情况，并在接下来的几个月内将其与两个控制区进行比较，直到植物密集生长的月份，例如，从 7 月到 5 月。手动计数并拍照记录新的虎杖芽的数量。

2. 使用微波对日本虎杖根茎进行 体外 处理

1. 作为微波源，使用频率为 2.45 GHz、功率为 800 W、电控容量为 28 L 的商用暗室设备。
2. 从深达 30 厘米的地方挖出日本虎杖根茎，然后用剪刀将它们切成 28 厘米的段。
3. 将根茎分为三个粗细等级，使用卡尺测量根茎的最大直径。以厘米为单位提供测量结果，精确到小数点后两位。使用绘图尺以厘米为单位计算结果，精确到小数点后一位。I 类可达 1.00 厘米;II 类 1.01-2.00 厘米;III 级超过 2.01 厘米。
4. 每个厚度等级选择 10 个具有代表性的根茎。用天平称量根茎的新鲜质量。以 g 表示结果，精确到小数点后两位。
5. 将根茎放入微波炉中，用微波炉加热 60 秒。微波处理后，立即用红外热像仪拍摄热像图，以确定给定根茎加热到的温度。
6. 微波处理后，当它们冷却至室温时，再次称量微波的根茎。
7. 再取 8 个根茎来确定它们的水分和干质量。称量根茎，然后将它们放入 105 °C 的实验室干燥器中 2 天。在那之后，再次称重。
8. 根据红外热像仪的热谱图确定根茎的温度。确定标记区域或截面的平均温度、最高温度和最低温度。在这个实验中，每个根茎被分成 5 个等距的点椭圆，其面积约为 2 cm，没有超出根茎的轮廓。然后，根据 5 个点计算每个根茎的平均温度、最高温度和最低温度。
9. 将微波加热的根茎单独放在衬有无菌棉绒的托盘上。确保一个托盘包含相同厚度等级的根茎。为对照根茎使用单独的托盘。
10. 用自来水给托盘浇水。用无色食品箔覆盖以减少水分流失。将托盘放在阴凉处，监测它们，并在需要时加水。进行监测，直到观察到新芽或组织出现明显的腐烂，例如 14 天。
11. 对于存活并长出新芽的根茎，请沿整个根茎长度对其温度进行额外分析。

结果

使用发射微波的专用设备对日本虎杖进行田间控制
微波处理区每 1 m² 的平均芽数为 27 个。 图 1 显示了微波暴露后 11 个月微波处理后每 1 m² 生长的平均芽数。在微波处理 25 min 的区域没有出现新的虎杖芽。与对照区域相比，在图中注意到地上芽的数量减少，其中微波辐射时间为 20 分钟。在 11 个月的时间里，拍摄数量?...

讨论

证明了使用构建的装置控制日本虎杖 （Reynoutria japonica Houtt.） 和使用商用微波炉处理虎杖根茎的有效性。这两个设备都以 2.45 GHz 的频率和 800 W 的功率发射微波。

据观察，虎杖植物暴露于微波辐射的时间越长，它们的再生就越低，而且更新得越晚。在日本虎杖中，25 分钟的微波处理有效地破坏了地面（研究区域）中 100% 的植物。关于控制区域?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
AXIS BTA2100d	AXIS Sp. z o.o.		balance
CompAir C50	LECTURA GmbH Verlag		mobile compressor
FLIR E60	FLIR Systems, Inc.		thermal imaging camera
FLIR Tools	FLIR Systems, Inc.		software to analyse the temperature from the thermogram
HDL_ANT version 3b4 program	PC Software by W1GHZ		software
Heraus UT 6120	Heraeus		laboratory drier