我国农业产业发展快速,尤其是设施农业的发展和高附加值作物大面积推广种植,大幅提高了农产品质量和农民的收入。但是,随着作物的连年栽培,加之农药化肥的不规范使用,使土壤病原微生物快速积累繁殖引起连作障碍的发生。通常作物栽种3～5年后,作物植株长势变弱,产量和品质会受到严重影响,一般造成减产20%～40%,严重的减产60%以上甚至绝收,严重困扰着设施农业可持续健康发展。本研究结合已有土壤消毒机具的研究成果,设计并试制了一种刺罩式土壤蒸汽除草消毒装置,并通过试验对刺罩式土壤除草蒸汽消毒装置的工作性能和对土壤中杂草种子和病原菌的灭活效果进行了研究;同时,为研究刺罩式土壤蒸汽除草消毒装置的物理参数设计的合理性,利用多物理场耦合计算分析软件COMSOL Multiphysics建立了高温蒸汽通过土壤中的带孔刺针加热土壤的数学模型,并对土壤中蒸汽热流耦合进行仿真分析,探寻了蒸汽在土壤中流动传热的相关规律。本文的主要研究工作和结论如下:(1)根据土壤蒸汽消毒法原理及农艺要求,提出了三种可行的土壤蒸汽消毒装置的设计方案,通过对三种方案的可行性、实用性进行对比,最终确定了设计方案为刺罩式土壤蒸汽除草消毒装置。(2)设计了刺罩式土壤蒸汽除草消毒装置的整体结构组成并论述了其工作原理;通过理论计算验证饱和蒸汽提供的热量能够满足土壤消毒的需求;对刺罩式土壤蒸汽除草消毒装置的主要组成部件——升降机构、蒸汽管路、刺针等进行结构设计和参数确定,并对导轨支架进行有限元理论分析,验证设计的合理性。(3)进行了土壤蒸汽除草消毒的试验,研究试制装置对土壤中杂草种子和病原菌的灭菌效果,选用大、中、小三种不同尺寸的作物种子来模拟土壤中的杂草种子,研究蒸汽消毒法对田间杂草的消除效果;选择灭活温度较高的大丽轮枝菌微菌核(95℃处理120 min可完全灭活)和较易灭活的枯丝核菌微菌核来模拟土壤中的病菌(50℃处理30 min可完全灭活)。试验结果表明,当高温蒸汽加热7 min左右,土壤上中下各层温度均已超过80℃,可达到病害的临界致死温度;在保温10 min、20 min和30 min后,各层土壤温度仍保持在80℃以上。高温蒸汽处理10 min,可以完全抑制作物种子萌发,表明该处理可有效消除土壤中的杂草种子;大丽轮枝菌微菌核在处理20 min后土壤不同深度处样本萌发率控制在20%左右,处理30 min后约有15%～18%的微菌核萌发;立枯丝核菌微菌核在处理20 min后土壤不同深度处样本萌发率均降至4%以下;处理30 min可使微菌核完全失去活力。(4)基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,借助软件COMSOL Multiphysics建立了高温蒸汽通过土壤中的带孔刺针加热土壤的数学模型,选择多孔介质和地下水流模块中的达西定律接口和传热模块下多孔介质传热的接口对蒸汽在土壤中的热流耦合进行了仿真分析;确定了单根孔刺针单个排气孔的水平传热半径范围在80～120 mm;在此基础上,考虑到保证土壤消毒效果和节约能源的因素,对单根刺针两个排气孔的布置方案和四根刺针(每根刺针上有两个排气孔)的间距布置方案进行了仿真研究,当上层排气孔距离土壤表层120 mm,下层排气孔距离土壤表层290 mm,相邻排气孔间竖直距离为140 mm时,加热时长约360 s时,土壤整体区域的温度以超过80℃,且满足停止加热后,通过保温仍可达到80℃保温时间可持续20～30 min,满足土壤病害防治的温度要求。