土壤射頻消毒技術(shù)試驗(yàn)

張學(xué)進(jìn)， 金永奎， 張 玲， 薛新宇， 蔡 晨， 秦維彩

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

近30年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)作物的商品化種植模式有了迅速的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?、專業(yè)化、設(shè)施化栽培[1]。商品化種植模式下，作物高度集約、復(fù)種指數(shù)高、種類單一，一般種植3～5年后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的連作障礙，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2-4]。連茬種植，造成土壤中病原菌和蟲(chóng)卵積累，土傳病害嚴(yán)重。土傳病原菌種類多、數(shù)量大、在土壤中存活時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生具有隱蔽性[5]。土傳病害會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)、破壞微生物群落結(jié)構(gòu)，造成土壤養(yǎng)分失衡、作物病害加劇。

能夠發(fā)生連作障礙的農(nóng)作物種類很多，包括小麥、玉米、水稻等糧食類作物和蔬菜、甘蔗、煙草、中草藥等經(jīng)濟(jì)類作物。目前，我國(guó)連作障礙程度嚴(yán)重的種植面積高達(dá)10%，其中規(guī)?；N植區(qū)域超過(guò)20%。連作障礙可導(dǎo)致作物減產(chǎn)20%～80%，嚴(yán)重的幾乎絕產(chǎn)，不僅造成每年數(shù)百億元的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還降低了農(nóng)產(chǎn)品的安全性[6-7]。土壤連作障礙已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題，為了保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)，減少經(jīng)濟(jì)損失，在種植前對(duì)土壤進(jìn)行消毒是防治連作障礙最有效的途徑，也是化學(xué)農(nóng)藥減量增效的重要措施。

1 土壤消毒常用方式

除了農(nóng)藝措施(輪作與倒茬、嫁接、優(yōu)良品種)，土壤消毒目前主要有物理、化學(xué)、生物三大類方式。

物理方式中，太陽(yáng)能消毒是在高溫季節(jié)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間覆蓋塑料薄膜來(lái)提高土壤溫度，藉以殺死土壤中有害生物的方法[8]，在實(shí)際應(yīng)用中，消毒的效果受氣候影響很大，效果不穩(wěn)定。蒸汽消毒是利用高壓密集的蒸汽，使土壤溫度保持在 70 ℃，30 min即可殺死土壤中的雜草和細(xì)菌、真菌、病毒等病原微生物[9]，蒸汽消毒具有高效清潔等優(yōu)點(diǎn)，但還存在深層土壤消毒不徹底、部分病原微生物會(huì)恢復(fù)活性、配套設(shè)備昂貴、使用成本高等缺點(diǎn)[10]?；鹧嫦臼且环N將深10～30 cm的土壤提取到箱體內(nèi)進(jìn)行粉碎、火焰高溫瞬間滅菌殺蟲(chóng)的方法[11]，但是火焰消毒成本過(guò)高，并且火焰溫度高達(dá)400 ℃，同時(shí)也殺死了有益微生物、破壞了土壤有益成分。

化學(xué)方式主要是利用各種化學(xué)藥劑對(duì)土壤進(jìn)行熏蒸，具有殺蟲(chóng)、殺菌或除草等作用，但化學(xué)藥劑毒性大，對(duì)環(huán)境和人均有危害。熏蒸時(shí)需專人操作，作業(yè)后一般需20～30 d才能種植。同時(shí)藥劑散失較快、消毒器械簡(jiǎn)陋，往往會(huì)增大使用量，不僅會(huì)增加成本，還會(huì)對(duì)環(huán)境過(guò)度污染。

生物方式是利用植物有機(jī)質(zhì)在分解過(guò)程中生成揮發(fā)性氣體殺死土壤中害蟲(chóng)、病原微生物的方法[12]。使用時(shí)，利用植物殘?jiān)盎旌衔锇匆欢ū壤秊⒃谕寥辣砻?，澆水、覆膜，在溫度、濕度等條件適宜的情況下對(duì)土壤進(jìn)行消毒[13-14]。

上述方法中，太陽(yáng)能及生物熏蒸消毒對(duì)土傳病蟲(chóng)害發(fā)生較輕的地區(qū)有效；化學(xué)藥劑處理效果較好，但操作復(fù)雜、成本高、污染嚴(yán)重；物理處理技術(shù)中，太陽(yáng)能、火焰、微波、蒸汽、熱水處理成本高、效率低，難以推廣。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，射頻處理技術(shù)具有熱效應(yīng)和生物效應(yīng)的雙重殺菌滅蟲(chóng)作用，效率高、無(wú)污染、操作簡(jiǎn)便，是一種環(huán)境友好的土壤處理方法，已成為各國(guó)重點(diǎn)研究方向。

2 土壤射頻消毒技術(shù)

2.1 射頻

射頻是一種高頻、可以輻射到空間的電磁波[15]，頻率在300 kHz～300 MHz。射頻技術(shù)在通信(數(shù)據(jù)傳輸、識(shí)別)、醫(yī)學(xué)(射頻消融、美容)、干燥(木材、食品、紡織品)、消毒(食品)、殺菌(食品)等方面得到廣泛應(yīng)用。射頻系統(tǒng)由交流電源、高壓變壓器、整流器、電子管功率放大器(振蕩器和諧振回路)以及負(fù)載電路組成，如圖1所示。

交流電源為射頻系統(tǒng)提供380 V的電能，是射頻能量的主要來(lái)源。高壓變壓器可將380 V的電壓轉(zhuǎn)化成5 000～10 000 V 的高電壓。整流器的作用是給功率放大器提供合適的電流。電子管功率放大器的作用是接收由整流器提供的電流后，產(chǎn)生高頻信號(hào)，在負(fù)載電路的極板間形成交變電場(chǎng)[16](圖2)。

2.2 土壤射頻消毒原理

工作中，射頻系統(tǒng)會(huì)在極板間產(chǎn)生高頻交變電場(chǎng)，而土壤中存在大量的極性分子，它們?cè)诟哳l電場(chǎng)中隨電場(chǎng)大小、方向變化而快速轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等，引起分子間的摩擦、碰撞，產(chǎn)生大量的熱量(圖3)。另外，土壤介質(zhì)中一些原本電中性的分子在射頻電場(chǎng)作用下，正、負(fù)電荷被高速地反復(fù)拉開(kāi)極化，也會(huì)將電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。這2種情況都伴隨著電荷在射頻電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成極化電流，使土壤內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，帶有病蟲(chóng)以及農(nóng)藥殘留物的土壤會(huì)被持續(xù)加熱，使得害蟲(chóng)、病菌等微生物的蛋白質(zhì)受熱失去活性，從而達(dá)到土壤消毒的目的。

土壤射頻消毒的機(jī)理主要是熱效應(yīng)和生物效應(yīng)(非熱效應(yīng))。射頻消毒使得土壤在電磁場(chǎng)作用下，土壤微生物受到熱力、電磁力雙重作用，其殺菌效果大大優(yōu)于常規(guī)熱殺菌。采用射頻消毒土壤，可殺滅其中的成蟲(chóng)、蟲(chóng)卵、有害微生物、病菌及草子，無(wú)任何殘留，無(wú)抗性。

2.3 土壤射頻消毒的優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 快速、均勻加熱 射頻能量可穿透至土壤內(nèi)部，使土壤內(nèi)外均勻受熱，能有效地殺死包裹在土壤內(nèi)部的害蟲(chóng)及各種病菌微生物。

2.3.2 含水率自平衡 電導(dǎo)損耗隨土壤含水率的增大而增大，土壤中局部含水率較大的部分，介電損耗因子較大。土壤在射頻場(chǎng)中的加熱速率隨介電損耗因子的增大而增大，加熱過(guò)程中，射頻能量會(huì)集中在局部含水率較大的部分，從而確保加熱過(guò)程土壤含水率的均勻性[17]。

2.3.3 選擇性加熱 射頻土壤消毒是一種熱處理技術(shù)，屬于介電加熱的一種，其中土壤的介電損耗因子是影響射頻加熱速率的1個(gè)重要參數(shù)。在利用射頻加熱土壤時(shí)，由于害蟲(chóng)的含水率一般比周圍土壤含水率大，即具有較高的介電損耗因子。在射頻加熱的過(guò)程中，害蟲(chóng)升溫速度較快而先達(dá)到致死溫度，而土壤由于加熱速率較慢，溫度較低，因此殺滅害蟲(chóng)的同時(shí)可以避免土壤理化性能的破壞。

3 土壤射頻加熱試驗(yàn)

土壤射頻消毒，即在交變電場(chǎng)作用下，土壤介質(zhì)發(fā)生損耗，使得土壤溫度升高，從而殺死害蟲(chóng)及病菌。有關(guān)資料表明，將活體線蟲(chóng)放置在45 ℃環(huán)境中，15 min可將全部線蟲(chóng)殺死，若是溫度升至50 ℃，2.3 min即可殺死全部線蟲(chóng)，而土壤溫度升至50～60 ℃時(shí)，可殺死土壤中的各種病原菌[18]。射頻消毒的關(guān)鍵在于土壤溫升及土壤保溫，土壤溫度能否快速升至50 ℃以及保溫時(shí)間的長(zhǎng)短，決定著射頻消毒的好壞。本試驗(yàn)借助于射頻發(fā)生器對(duì)土壤進(jìn)行加熱處理，借此探究射頻加熱土壤的效果。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

為了探究射頻消毒土壤的效果，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套土壤射頻消毒系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括射頻發(fā)生器、溫度檢測(cè)裝置及極板(圖4)。射頻發(fā)生器提供高頻交變電源，溫度檢測(cè)裝置記錄土壤的溫度變化，極板為交變電場(chǎng)提供載體，直接對(duì)土壤消毒。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極板結(jié)構(gòu)為平行極板，材質(zhì)為鋁質(zhì)的，結(jié)構(gòu)尺寸500 mm×300 mm，厚2 mm，兩平行極板間距300 mm，具體情況如圖5所示。另外用于試驗(yàn)的土壤含水率15%，初始溫度19.6 ℃。

儀器：FTM-1CH-E24光纖測(cè)溫儀，北京東方銳擇科技有限公司；光纖傳感器，北京東方銳擇科技有限公司；S-120-24開(kāi)關(guān)電源，浙江溫州君臨電氣科技有限公司；RJ-2 近區(qū)電磁場(chǎng)強(qiáng)儀，山東青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司；工作極板為鋁板。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 土壤溫升原理 射頻電場(chǎng)在加熱過(guò)程中主要起加熱土壤的作用。在射頻加熱過(guò)程中，加熱速度由土壤所吸收的射頻功率密度來(lái)決定，而交變電場(chǎng)的頻率只是通過(guò)對(duì)射頻功率密度的影響起間接作用。在加熱過(guò)程中，射頻加熱所需的熱量完全由土壤在射頻電場(chǎng)中極化時(shí)所吸收的射頻電能來(lái)提供，并且所吸收的射頻電能全部用于加熱土壤，基于此可以得到土壤升溫速率與射頻功率密度的關(guān)系。

設(shè)土壤質(zhì)量為m，g；加熱土壤所需的熱量：

ΔQ=c·m·ΔT。

(1)

式中：c為土壤的混合比熱；ΔT為土壤溫度增長(zhǎng)變化量；ΔQ為溫度增長(zhǎng)所需熱量。

由于這些熱量全部由射頻電場(chǎng)來(lái)供給，故所需的射頻功率為：

(2)

式中：4.18為熱功當(dāng)量；Δt為土壤溫度增加ΔT所需的時(shí)間。

如以P表示功率密度，則有

(3)

式中：V為電容器的容積，即一次性加熱的土壤的體積。

(4)

式中：ρ為土壤的密度，取值為1.3×103kg/m3；c為土壤與所含水分的混合比熱，取值為1.8×103J/(kg·℃)。

3.2.2 試驗(yàn)步驟 首先將用于試驗(yàn)的土壤進(jìn)行疏松，便于極板入土工作。疏松完畢后，將平行極板插入土中，極板間距300 mm，利用土壤完全覆蓋極板，可以降低加熱過(guò)程中產(chǎn)生的輻射(圖6)光纖傳感器布置在極板中間，用來(lái)記錄土壤的溫度隨時(shí)間的變化情況，有關(guān)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋并記錄在FTM-1CH-E24光纖測(cè)溫儀上。射頻發(fā)生器的電源由筆者所在實(shí)驗(yàn)室提供(380 V、50 Hz)。啟動(dòng)射頻發(fā)生器，并調(diào)節(jié)輸出功率為12 kW，記錄時(shí)間和溫度。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

被加熱土壤的初始溫度為19.6 ℃，加熱前做了疏松處理。當(dāng)加熱15 min時(shí)，土壤的溫度達(dá)到52.6 ℃；當(dāng)加熱到 18 min 時(shí)，土壤的溫度達(dá)到61.7 ℃。由文獻(xiàn)[18]可知，此時(shí)的溫度可殺死土壤中所有根結(jié)線蟲(chóng)和各種病原菌，說(shuō)明通過(guò)射頻處理，土壤溫度上升明顯，能夠起到土壤消毒的目的。圖7為土壤的溫升曲線圖，其增減變化趨勢(shì)可以擬合成一個(gè)一元二次方程y=0.05x2+1.39x+17.53，擬合的決定系數(shù)r2=0.98。從土壤的溫升曲線來(lái)看，0～6 min時(shí)，土壤的溫度增加緩慢，溫升加速度??；6 min后，土壤的溫升開(kāi)始加快，溫升加速度增大。

功率密度不僅反映土壤吸收熱量的速度(即1 m3土壤 1 min 吸收的熱量)，還反映土壤溫升的快慢(即溫升加速度)。圖8為土壤消耗的功率密度曲線圖，其增減變化趨勢(shì)可以擬合成一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)y=167.71lnx+24.09，擬合的決定系數(shù)r2=0.96。在0～6 min，功率密度迅速增加，而 6 min 后，功率密度的增加幅度有所減緩。土壤的溫升與土壤的介質(zhì)損耗因數(shù)呈正相關(guān)，而當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)加快土壤中極性分子的取向運(yùn)動(dòng)以及土壤中自由水的布朗運(yùn)動(dòng)，又會(huì)使得介電損耗因數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)[19]。土壤的介電損耗因數(shù)與土壤溫度的這種正相關(guān)性，致使土壤溫升加速度不斷增加。

4 結(jié)論與展望

本試驗(yàn)搭建了一套土壤射頻消毒系統(tǒng)。利用射頻發(fā)生器產(chǎn)生高頻信號(hào)，在極板之間形成高頻的交變電場(chǎng)，土壤介質(zhì)在射頻電場(chǎng)作用下，將電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，使得土壤溫度升高，達(dá)到殺死根結(jié)線蟲(chóng)及各種病原菌的目的。

利用輸出功率為12 kW的射頻發(fā)生器對(duì)土壤進(jìn)行加熱消毒，加熱15 min，土壤的溫度可至52.6 ℃，此時(shí)可殺死大部分的根結(jié)線蟲(chóng)；加熱18 min時(shí)，土壤的溫度達(dá)到61.7 ℃，此時(shí)可殺死土壤中所有的根結(jié)線蟲(chóng)和各種病原菌，起到土壤消毒的目的。

基于射頻加熱土壤，射頻發(fā)生器的頻率、土壤含水率、土壤含鹽量及極板的形狀都會(huì)影響土壤的溫升速度和溫度分布均勻性。本試驗(yàn)是對(duì)射頻土壤消毒的探索，未來(lái)可以進(jìn)一步研究這4種因素對(duì)射頻土壤消毒效果的影響。