初探微波土壤處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

秦 璜

（南京寧聯(lián)環(huán)保科技有限公司，江蘇 南京 210000）

近幾年來，隨著我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)設(shè)施正處在前所未有的快速發(fā)展時(shí)期，而溫室作物病蟲害問題也日益突出。尤其是一些專業(yè)生產(chǎn)基地連續(xù)連茬種植，難以進(jìn)行輪作，造成有害物質(zhì)在土壤中積聚，土壤病害加重，品質(zhì)下降，病菌、蟲卵積聚，一些土傳病蟲害發(fā)生越來越重。與此同時(shí)，設(shè)施內(nèi)植株處于高溫高濕的微環(huán)境中，在連續(xù)收獲后，可促進(jìn)土壤害蟲、雜草的生長，降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)。在作物栽培前對溫室進(jìn)行消毒是一種廣泛而有效的防治病蟲害的方法。作物防治土壤病害的傳統(tǒng)方法有化學(xué)殺菌、蒸汽殺菌和陽光殺菌?；瘜W(xué)藥品的殺菌消毒容易引起土壤和空氣污染，對人體危害很大；蒸氣殺菌設(shè)備復(fù)雜，不適用于大面積土壤消毒；陽光干擾具有季節(jié)性和地區(qū)性的局限性。若將棚內(nèi)的土移走，換成新土，需要時(shí)間和精力，過一段時(shí)間后還會出現(xiàn)之前的病蟲害問題。探索綠色環(huán)保的溫室害蟲草害防治新技術(shù)，已成為政府和科研工作者在植保、環(huán)保等多個學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 微波土壤修復(fù)技術(shù)的基本原理及應(yīng)用

1.1 微波加熱原理

微波（MW）是一種極短的電磁波，微波加熱有偶極子旋轉(zhuǎn)，離子傳導(dǎo)兩種機(jī)制。離子場阻礙離子控制介質(zhì)的離解運(yùn)動，從而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)[1]。雙極性旋轉(zhuǎn)是電介質(zhì)中的一種極化現(xiàn)象，它對極性分子產(chǎn)生摩擦作用，從而獲得能量。微波加熱相對于傳統(tǒng)加熱有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，微波以光速進(jìn)入物體，可作為一個整體進(jìn)行加熱，因?yàn)闆]有溫度梯度影響，加熱速度很快。

1.2 微波土壤修復(fù)機(jī)理應(yīng)用

在干燥的土壤中微波由于介電損耗系數(shù)低，很難被吸收[2]。因此，為了提高受污染土壤的微波吸收和傳輸能力，通常需要改進(jìn)微波吸收介質(zhì)，如水、碳顆粒、石墨和磁性納米顆粒，而污染物在加熱中會蒸發(fā)、分解或被固定在土壤中，微波的土壤修復(fù)方法主要通過以下三種機(jī)理來進(jìn)行。

1.2.1 揮發(fā)作用

當(dāng)土壤中含有水分時(shí)，微波會被快速吸收，并轉(zhuǎn)化為熱源，使土壤溫度迅速上升并保持100 ℃左右[3]。與此同時(shí)，熱量會向土壤和污染物轉(zhuǎn)移。這一過程非常迅速，污染物幾乎與水同時(shí)受熱，并隨蒸汽一起流動揮發(fā)。另外，隨著溫度的升高，污染物的蒸發(fā)壓力增大，擴(kuò)散系數(shù)增大，導(dǎo)致污染物在空氣中的分布增大。水蒸氣的使用使污染物增多和蒸發(fā)。在多級蒸餾過程中可以采用半揮發(fā)性污染物，即重復(fù)加水和微波輻射進(jìn)行處理[4]。

1.2.2 分解作用

在污染物為半揮發(fā)性和難以揮發(fā)的情況下，常通過添加碳珠、石墨粉、磁性材料等介電常數(shù)較好的介質(zhì)，或添加酸液、堿液等電解質(zhì)溶液，來提高土壤的微波吸收能力和導(dǎo)熱性，提高土壤的介電常數(shù)[4]。這樣，土壤系統(tǒng)的溫度就能超過200 ℃，而且吸收介質(zhì)周圍的土壤溫度可能會更高。污染物質(zhì)可分解為小的揮發(fā)性分子，或隨水蒸汽一起蒸發(fā)，或被載氣一起帶出。

1.2.3 固定作用

如果吸收性介質(zhì)具有良好的微波吸收和傳熱能力，若將被污染的土壤系統(tǒng)整體暴露于微波輻射中，將產(chǎn)生很高的溫度。微波能更好地吸收，均勻加熱周圍的土壤，并將其從桿底移至離地面幾厘米的地方，產(chǎn)生足夠高的地溫，它好像把一個電極插入地面以產(chǎn)生電流。特別是有機(jī)化合物，它們在巖石礦物的中間層會鈣化或磨碎，分解甚至壓縮成小分子[5]。這種小分子、還有一些污染物的大分子、重金屬等，可以固定在石頭礦物的中間層，再用玻璃化粘土來覆蓋。最終一些中間產(chǎn)物，如含氧分子和含汞分子，通過離子-電子傳遞，并通過化學(xué)鍵合，在粘土的八面體中與Al3+結(jié)合，這個過程的溫度可以達(dá)到1 000 ℃；在這種情況下，土壤受到一定的破壞。然而，對重金屬土壤卻有較為理想的處理效果[6]。除此之外，對各類有機(jī)污染物如非極性污染物、持久性污染物、疏水性污染物的處理效果也極佳。

簡單來說，微波的頻率范圍為300～300 GHz，波長為1 mm～1 m，是一種穿透性電磁波。微波場的地面處理特別適用于土壤處理。他們能殺死土壤中的有害生物，同時(shí)也能促進(jìn)農(nóng)藥殘留降低，增強(qiáng)土壤中元素的活性，減少有害生物。用微波輻射土壤，可以殺死雜草、害蟲、真菌。土里有害蟲，很難發(fā)現(xiàn)，日常管理也很困難。如果植株出現(xiàn)受害癥狀，再防治就太晚了。而且它們可以通過灌溉水傳播。所以一旦發(fā)生就很難根除。微波輻射土壤可以選擇性地增加極性分子，從而對害蟲造成熱害。另外，微波消毒土壤具有無殘留、無抗性的特點(diǎn)[7]。

2 國內(nèi)外微波土壤處理技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

長期以來，外國學(xué)者一直在使用微波輻射來處理溫室土壤，英國科學(xué)家在20世紀(jì)70年代做過一個實(shí)驗(yàn)，用微波殺死地面上的草籽，發(fā)現(xiàn)濕潤土壤中的草籽更容易被殺死。美國科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)表明，如果微波能達(dá)到70 j/ cm2，就能殺死草籽。采用45～730 j/cm2，2 450 MHz微波輻射栽培甜瓜。實(shí)驗(yàn)證明，微波對幾種牧草種子均有殺滅作用，但對發(fā)芽率無影響。自2005年中國農(nóng)藥信息網(wǎng)發(fā)布農(nóng)藥信息后，德國農(nóng)機(jī)公司研制了微波蟲害儀。在犁的頂端裝有6千瓦微波發(fā)射器，當(dāng)拖拉機(jī)在田間犁地時(shí)，微波發(fā)射器向地面發(fā)射微波，對地面上的病蟲草害進(jìn)行處理，殺滅害蟲，效果顯著。我國在這方面的研究主要是借鑒國外的研究成果[8]。用來處理中國的土壤的“微波爐”通常可以分成兩類：一是利用微波對土壤進(jìn)行處理，觀察其有機(jī)質(zhì)和害蟲的變化；這種研究主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；另一種是微波輻射溫室土壤，然后對土壤有機(jī)質(zhì)和微生物在處理深度和處理時(shí)間方面的影響進(jìn)行研究。后一種設(shè)備是用于野外工作的。科學(xué)技術(shù)部南京農(nóng)機(jī)化研究所研制的新型微波發(fā)生器——微波爐，于2011年正式投入使用。頻段是2 450 MHz。驅(qū)動微波發(fā)生器的380 V電壓工作，整個裝置主要由電子元件、導(dǎo)波元件及微波發(fā)生器等組成，如圖1所示。如裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將微波發(fā)生器推入處理后的地面，將導(dǎo)波管和波導(dǎo)保護(hù)罩也同時(shí)推入。開機(jī)后，微波發(fā)生器繼續(xù)工作，按照實(shí)際加熱時(shí)間，微波選擇性地加熱極性分子，會對根線蟲和其它害蟲產(chǎn)生熱危害。在根線蟲和其它害蟲正常生長發(fā)育過程中產(chǎn)生的各種損害是由“生物效應(yīng)”引起的，目的是減少植物根部的感染，延長設(shè)備連續(xù)使用率及處理土壤的時(shí)間。微波場處理的土壤根結(jié)線蟲的數(shù)量明顯減少，作物整個生育期的發(fā)病率較未處理土壤降低20.9%。

圖1 NJT6—1型微波土壤處理設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

表1 主要性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)

3 微波土壤處理技術(shù)的發(fā)展趨勢

微波對土壤殺菌和殺蟲劑的處理主要依賴于微波的熱效應(yīng)，存在著耗時(shí)長、效率低、成本高、殺滅不均勻及微波泄漏等問題。未來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合將更加緊密，還會不斷擴(kuò)大農(nóng)業(yè)設(shè)施規(guī)模，高效率的微波地面處理設(shè)備和技術(shù)的需求也會逐步增加，微波地面處理設(shè)備也將變得高效及智能化。由此可知，進(jìn)一步探討微波土壤處理技術(shù)對我國未來的土壤治理和環(huán)境改善具有重要意義。

目前，微波土壤處理正在向在線檢測處理和自動、均勻、永久運(yùn)行方向發(fā)展，不斷實(shí)現(xiàn)土壤處理的高效率、連續(xù)化、均勻化。

4 結(jié)論

目前，人們的生活質(zhì)量在城市化進(jìn)程不斷加快的背景下得到了前所未有的提升，對于一些反季節(jié)的水果、蔬菜等綠色食材的需求也在逐年上升。為了滿足人們的生活需求，溫室大棚數(shù)量不斷增多，但是由于溫室大棚的連作形式，使得病蟲害問題無法得到有效解決，甚至在不斷地種植中，土壤中的有害物質(zhì)也在不斷增加，導(dǎo)致大量溫室不能使用。為了解決這一問題，有學(xué)者提出利用微波技術(shù)來治理溫室大棚土壤的病蟲害問題。經(jīng)實(shí)踐，該方法在農(nóng)作物種植和病蟲害防治中起到了積極作用。在未來一段時(shí)間內(nèi)，微波土壤處理技術(shù)將得到更快、更高效的發(fā)展，并能夠成為具有顯著社會經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的新興生態(tài)保護(hù)技術(shù)。