低功耗电动地膜：小尺度葡萄园行内杂草控制的有效方案

《Weed Research》：Low-Power Electric Mulch Provides Effective Intra-Row Vineyard Weed Control, but Only at Small Scales

这项研究在北美葡萄园中首次验证了低功耗电动地膜（electric mulch）的行内杂草控制效果。其通过5瓦太阳能板和升压器驱动地面金属网，在杂草接触时形成回路并抑制其生长。在1.5 m×1.4 m的小面积试验中，其效果与塑料地膜相当，优于单次除草剂处理。然而，处理面积大于4 m2时，潮湿天气导致系统短路，防效显著下降。本研究为开发安全、低成本的非化学除草方案提供了新思路，但其大规模应用仍需通过提高系统功率解决雨后失能问题。

　　

1 引言

在追求可持续农业的背景下，葡萄园和果园的生产者越来越倾向于采用高效的非化学杂草管理方法，以应对杂草抗药性挑战并满足消费者对无农药水果的需求。电力杂草控制技术，特别是连续植物-电极接触式设备，在多种作物系统中显示出潜力。然而，现有商用设备通常功率高、价格昂贵（例如Rootwave和Zasso系统价格高达12万至13万美元），且存在火灾风险、需重复处理、作业速度慢等限制。本研究探索了一种替代方案——低功率“电动地膜”，其核心是利用极低功率（5瓦）持续处理新萌发的杂草。该技术此前已在节水园艺（xeriscaping）中小规模验证，但尚未在农业环境中进行测试。本研究旨在两个新墨西哥州的葡萄园中评估电动地膜用于行内杂草控制的效果，并探究其处理面积与防效之间的关系。

2 材料与方法

研究在两个地点进行：新墨西哥州立大学Fabian Garcia研究中心和一个名为Noisy Water的商业葡萄园。土壤和气候条件均具典型奇瓦瓦沙漠北部特征，炎热干旱，年降水量不足254毫米。葡萄行距为2.7米。

电动地膜系统主要由三部分构成：铺设于地面的金属网、作为接地极的T型柱，以及由5瓦太阳能板和可将电压提升至最高300 V的升压转换器组成的电源。系统短路阈值电流约为400 mA，但由于人体接触电阻较高，实际输出电流低于职业安全与健康管理局（OSHA）规定的10 mA安全阈值，因此对人体安全，仅可能引起不适感。试验中比较了两种网孔尺寸（2.7×2.7 mm和5.7×5.7 mm）的金属网。为尽量将金属网与潮湿地面绝缘，在网下放置了PVC垫片。

实验一于2023年夏季在两个地点进行，采用随机区组设计，比较了两种网孔尺寸的电动地膜、除草剂二甲戊灵（pendimethalin, 6.6 kg ai ha^?1）、塑料地膜以及未处理对照的杂草防效。所有处理小区面积均为1.5 m × 1.2 m。实验二仅于2024年在Fabian Garcia进行，旨在评估不同处理面积（0.4, 1.9, 3.7, 5.6 和 6.5 m²）对电动地膜防效的影响。两个实验的主要响应变量均为目测的杂草总覆盖率百分比。

3 结果

3.1 实验一：电动地膜、除草剂和塑料地膜的对比

在整个生长季，两种电动地膜在控制杂草方面均表现良好。在Noisy Water地点，两种电动地膜与塑料地膜效果相当。在Fabian Garcia地点，电动地膜与塑料地膜在七月中旬前同样有效，但此后网孔较大的电动地膜效果略有下降。某些杂草幼苗（如 Palmer amaranth (Amaranthus palmeri)、hare barley (Hordeum murinum) 等）最初能从较大的5.7×5.7 mm网孔中长出而未接触金属网，但随着生长最终接触到网格后大多死亡。总体而言，电动地膜和塑料地膜的防效通常优于单次施用二甲戊灵的处理。整个夏季，未处理对照的杂草覆盖率在Noisy Water接近10%，在Fabian Garcia则超过50%。

实验期间，滴灌管线的破裂导致土壤表面积水数日，影响了部分小区。在此期间，受影响小区的系统电压因土壤电阻极低而降至近乎为零。然而，即使在土壤潮湿、杂草 unchecked 生长之后，一旦土壤干燥、电阻回升，电动地膜系统仍能控制已长出的杂草。杂草覆盖率与输出电压之间未发现相关性（相关系数<0.5）。

?1, Plastic Mulch was a permeable spun-bond polypropylene UV-treated material, and Electric Mulches 1 and 2 were metal screens with opening sizes of either 2.7?×?2.7?mm (0.108?×?0.108) or 5.7?×?5.7?mm (0.225?×?0.225), respectively. Estimated cover values are back-transformed from a repeated measures generalised linear model with a beta distribution. Different letters above bars indicate significant differences (p?

3.2 实验二：扩大电动地膜处理面积的评估

在生长季早期（截至7月12日），所有面积的电动地膜处理区杂草防效均很高，平均杂草覆盖率保持在5%以下。但随着夏季推进，电动地膜的防效随处理面积的增大而非线性下降。面积最小的处理区（0.4 m²）整个夏季的杂草覆盖率保持在10%以下，而面积最大的处理区（6.5 m²）到九月中旬葡萄采收时，杂草覆盖率最高达到约35%。2024年夏季同样发生了滴灌管线破裂导致土壤长期潮湿的情况，与实验一不同，大面积处理区的系统在潮湿期后未能有效“赶上”并控制已长出的杂草。

p and R²values for each regression line, with significant P values shown in bold.">

4 讨论

本研究首次在农业环境中验证了低功率电动地膜的杂草控制潜力。在小面积（1.9 m²）条件下，其提供了与塑料地膜相当的、整个生长季的有效杂草控制，且优于单次施用二甲戊灵。这为消除生长季后期除草剂施用、降低多次施药成本提供了可能性。然而，系统的有效性严重依赖干燥的土壤条件。土壤潮湿会极大降低电阻，导致系统对地短路而失效。本研究中用于绝缘的PVC垫片在防止短路方面效果有限。

实验二明确了当前系统设计的关键限制：尽管5瓦太阳能供电的电动地膜对小面积区域有效，但当处理面积超过4 m²时，其防效在潮湿期后会显著下降。这表明，在现实田间条件下，依赖土壤快速干燥是不现实的。因此，当前优先考虑安全而将功率限制在5瓦的设计，尚无法用于大田规模的实施。

尽管如此，电动地膜方案展现出独特的优势。其火灾风险极低，因为它主要作用于裸露土壤，在杂草萌发阶段即予以消灭，几乎没有可燃生物量。与经济型高功率电击除草设备（如Rootwave或Zasso系统）相比，其成本非常低廉，材料（金属网、太阳能板、升压器、扎带等）在五金店即可购得，估算材料成本约为每平方米1.13美元，加上太阳能板（约20美元）和升压器（8美元）。初次安装的人工成本估算为每公顷1320美元，且若能开发出类似铺设塑料地膜的拖拉机挂载系统，成本还可进一步降低。系统安装后，除线路维护和偶尔清理网格上的碎屑外，几乎可多年无成本运行。

电动地膜对葡萄藤本身未观察到伤害，即使金属网接触了葡萄藤的松散树皮。但葡萄藤与地膜之间的小缝隙可能被杂草侵占，尤其是在Fabian Garcia地点。未来研究需要评估其对土壤生物学和化学的长期影响。虽有研究表明高功率电击除草（如使用Weed Zapper的Annihilator 12R30）不会减少微生物生物量甚至可能增加，并能提高土壤硝酸盐（NO₃^-）浓度，但低功率电动地膜是否具有类似效应尚属未知。

5 结论与展望

综上所述，低功率电动地膜为葡萄园行内杂草的非化学防治提供了一种安全、低成本且在小尺度上有效的创新方案。其核心机制是利用持续的低压电击消灭接触金属网的萌发杂草。该技术的成功应用，标志着物理除草领域的一个重要进展，尤其适合小规模生产者或有机种植体系。然而，其大面积应用的主要障碍在于潮湿条件下系统短路导致的防效丧失。未来的工程解决方案可能包括开发能感知土壤湿度变化、并在土壤干燥时安全提供临时功率提升的系统，以处理“逃脱”的杂草并加速短路路径的干燥。同时，还需进一步研究其对土壤健康、养分循环和作物长期生长的影响，并评估系统的耐用性。尽管存在当前局限，这项研究为开发下一代智能、自适应、环境友好的精准杂草管理工具奠定了重要基础。