世界土壤消毒技术进展

曹坳程 郭美霞 王秋霞 李 园 颜冬冬

世界土壤消毒技术进展

曹坳程 郭美霞 王秋霞 李 园 颜冬冬

曹坳程，中国农业科学院植物保护研究所，北京100193，E-mail:caoac@vip.sina.com

郭美霞，王秋霞，李园，颜冬冬，中国农业科学院植物保护研究所

近十年来，随着农业结构调整，保护地栽培在中国有了迅速的发展，目前保护地蔬菜面积已超过300万hm2。保护地的发展为土传病虫害的发生、发展提供了适宜的环境，通常栽种3～5年后，作物的产量和品质受到严重影响，一般造成减产20%～40%，严重的减产60%以上甚至绝收。

土壤中各种病原生物众多，真菌如镰刀菌、疫霉菌、轮枝菌等;细菌如青枯劳尔氏菌、欧氏杆菌等;线虫如根结线虫;地下害虫如蛴螬、金针虫、地老虎等;此外还有杂草和啮齿动物。因为这些病原生物众多，单一的药剂很难杀灭，再者大量接触性农药的使用会带来农药残留、地下水污染等问题，如果施药不均匀，效果还不理想。

熏蒸剂通常具有杀死所有生物的特性，在土壤中呈气体状态并具有移动性，因此易于分布，并且可杀死未知病虫害。因此，熏蒸剂自20世纪40年代使用以来，一直是防治土传病害的重要手段。

土壤消毒需要将药剂均匀施到靶标部位，而且要求在种植前熏蒸剂完全敞气散发完，因而较传统的地面施药技术，土壤消毒技术更复杂，通常由专业人员操作。土壤消毒技术的进展表现在提高药剂分布的均匀性、减少熏蒸剂的散发、减少熏蒸剂的用量、提高使用人员的安全性和化学与非化学的协同作用上。

1 化学消毒技术

1.1 土壤熏蒸剂

自20世纪40年代使用熏蒸剂防治土传病害以来，一直是氯化苦和溴甲烷占据着统治地位。溴甲烷具有以下特点:①生物活性高，作用迅速，很低浓度即可快速杀死绝大多数生物;②沸点低，低温下即可汽化，使用不受环境温度限制;③ 化学性质稳定，水溶性小，应用范围广，可熏蒸含水量较高的物品;④ 穿透能力强，能穿透土壤、农产品、木器等，杀灭位于深层的有害生物;⑤使用多年，有害生物的抗性上升很慢;⑥ 用于土壤消毒，可减少地上部病虫害的发生，并可减少氮肥的用量，能显著提高农产品的产量及品质。因此，溴甲烷自20世纪40年代开始应用以来，一直是世界上应用最广泛的熏蒸剂，广泛应用于土壤消毒、仓库消毒、建筑物熏蒸、植物检疫、运输工具消毒等。但是，由于溴甲烷会破坏臭氧层，其在发达国家已于2005年被禁止使用，在发展中国家将于2015年完全禁用。

随着溴甲烷的淘汰，世界各国加大了替代品的开发。目前登记和广泛使用的替代熏蒸剂有氯化苦、1，3－二氯丙烯、威百亩、棉隆及其混合制剂，如氯化苦 +1，3－二氯丙烯混剂，目前被认为是替代溴甲烷的主要药剂。近年来熏蒸剂的开发取得了一定的进展:碘甲烷在美国获得登记(Teap，2010)，可完全替代溴甲烷，但使用成本高于溴甲烷;高效杀线虫剂1，3－二氯丙烯存在潜在的健康和环境问题 (UNEP，1998)，而二甲基二硫则被认为是一种高效、环境友好的杀线虫剂，并具有杀菌和除草活性。

其他熏蒸剂如下:

乙二腈 (Cyanogen)，根据澳大利亚的试验，乙二腈显示出对病原菌和杂草良好的防除效果。乙二腈的蒸气压较高，因此在土壤中持留期短，能很快栽种下茬作物 (Ren et al.，2003;Mattner et al.，2003)。

异硫氰酸烯丙酯 (Allyl isothiocyanate，AITC)，AITC是一种从特殊的辣椒中提取的物质，由美国约旦农业公司在美国登记，用于防治地下害虫、真菌、线虫和萌芽前的杂草，商品名为Dazitol(Champon，1998)。该公司提供的资料显示，每平方米使用Dazitol20～27 g，可防治芦笋、生菜、茄子、番茄、辣椒、草莓及十字花科蔬菜等多种作物的土传病害及线虫。

环氧丙烷 (Propylene oxide):环氧丙烷是一种仓储用熏蒸剂，最近在美国采用注射或滴灌的方法使用，每平方米使用环氧丙烷40～50 L，发现其具有良好的杀菌、杀线虫和除草效果 (Teap，2005)。

叠氮化钠 (Sodiumazide):叠氮化钠在美国已商品化生产。据美国等地试验，每平方米使用叠氮化钠8.4～22.4 g，具有良好的杀菌、杀虫、杀线虫、除草效果。对某些病菌如番茄镰刀菌冠腐病菌具有比溴甲烷更好的效果 (Teap，2005)。

丙烯醛 (Acrolein):美国的试验结果表明，每平方米使用丙烯醛11.2～22.4 g，对植物病原线虫和杂草均有优良的防治效果 (Rodriguez－kabana et al.，2003)。

臭氧 (Ozone):臭氧近年来在国内外受到重视，对病原真菌、细菌、线虫均有较好的控制效果。

硫酰氟 (Sulfuryl fluoride):在我国，采用硫酰氟防治根结线虫具有很好的效果，由于硫酰氟沸点低，在低温下可汽化，因此非常适用于冬季和早春处理，处理后能很快敞气，对后茬作物安全。

氰胺化钙 (Calcium cyanimide):也称石灰氮，是我国广泛使用的一种肥料，在土传病害和根结线虫处于中等或轻度发生的情况下，使用氰胺化钙具有很好的防治效果 (李林 等，2004)。

1.2 熏蒸剂使用技术

熏蒸剂需要注入到土壤中而发挥消毒作用。由于熏蒸剂的蒸气压和在土壤中的分布性不同，采用的方法有以下几种。

1.2.1 注射消毒技术

① 机械注射

注射是熏蒸剂常用的施用方式。早先主要用于溴甲烷，通过“凿式”结构的注射装置将药剂注入土壤中，通常是每隔30 cm注射药液2～3 mL，注射深度为地表下15～30 cm，但用于果园再植时，需要注射到50～60 cm。

由于大多数熏蒸剂在常温下是液体，其分布性不如溴甲烷，因此，施用溴甲烷的机械需要作一些调整。一种“犁刀”式的注射装置被应用于1，3－二氯丙烯/氯化苦的注射 (图1)。一种新的机械可将熏蒸剂注入未耕过的土壤，配合封土装置可减少熏蒸剂向地表的散发 (Avenger，Yetter Manufacturing Co.，Colchester，Illinois，USA)。

图1 氯化苦小型土壤注射消毒机

威百亩的毒性低，但分布性较差，施药均匀是取得效果的关键。一种旋转铲式施药机械在荷兰得到商业化的应用 (图2)。该设备可将威百亩施于10～15 cm土层中，然后用旋转铲将其与土壤充分混合至25～30 cm的土层中，再镇压土壤，以减少威百亩的散发。该技术可不覆盖塑料薄膜。

图2 威百亩铲式注射消毒机

② 手动注射

手动注射是利用活塞的工作原理，通过人工冲压手动压杆，将贮液桶中的药剂通过活塞筒、喷口阀喷射到土壤中 (图3)。注入的药量通过注入量调节阀进行调节，注入的深度可通过深度定位盘的位置调节。该方法操作简单，但功效较低，适用于小面积施药。

1.2.2 与灌溉技术相结合 在滴灌条件下，将威百亩、1，3－二氯丙烯和氯化苦等熏蒸剂制成乳剂，与水混合均匀并施于土壤中。由于熏蒸剂在施用中能与水充分混合，并且浓度较低，因而散发性较少。与注射法相比，此法效果更好。

1.2.3 混土施药技术 对于固体熏蒸剂如棉隆，可通过混土施药法达到药剂均匀分布的目的 (图4)。

图3 手动土壤注射消毒机

图4 棉隆小型施药机械混土施药法

1.2.4 分布带施药技术 对于常温下为气体的熏蒸剂如硫酰氟和溴甲烷，可采用分布带施法。分布带为圆筒状，一端埋入土壤 (50 cm深度)，一端与装有熏蒸剂气体的钢瓶相连，施药前在施药区域覆盖塑料薄膜形成密闭的熏蒸空间，施药时打开钢瓶阀门，硫酰氟气体充满分布带，通过分布带上小孔缓慢释放到密闭的熏蒸空间中，随着硫酰氟分子的热运动逐渐扩散到土壤中达到控制土传病虫草害的目的。分布带施药法还可以施用其他气体熏蒸剂，具有施药简单方便、对使用者和环境安全的特点。

1.2.5 胶囊施药技术 胶囊是我国发展的一种熏蒸剂使用技术。胶囊大小通常为0.5～2.5 g，可用打孔的方法将胶囊均匀施于土壤中 (图5)。胶囊中的熏蒸剂在施入土壤8小时后开始释放。胶囊的优点是:① 施用方便，无需任何施药设备;②对使用者安全，可不带任何防护设备使用;③贮存运输方便;④可在种植床上条施或沟施，以减少用药量。

图5 胶囊施药技术

1.3 减少熏蒸剂散发技术

1.3.1 使用不渗透膜 目前，在发达国家，在使用溴甲烷作为必要用途豁免时，强制要求使用不渗透膜。不渗透膜通常是由三层膜组成，中间是阻隔层，阻隔的材料通常是乙烯－乙烯醇或聚酰胺。由于阻隔材料通常较脆，伸展性较差，因而在外层包上伸展性较好的聚乙烯。乙烯－乙烯醇制成的不渗透塑料薄膜被称为完全不渗透塑料薄膜 (TIF，Total impermeable film)，用聚酰胺制成的塑料薄膜称为不渗透塑料薄膜 (VIF，Virtually impermeable film)。还有高密度塑料薄膜 (HDPE)和低密度塑料薄膜 (LDPE)。对熏蒸剂阻隔性强弱依次为:TIF＞VIF＞HDPE＞原生 LDPE＞再生LDPE。

近年来，铝膜也得到发展，铝膜的作用同TIF，可完全阻隔熏蒸剂的散发，但铝膜高昂的成本和铝易剥落，限制了这一技术的应用。

幼儿园一日活动保教工作应立足幼儿的情感培养需要以及身心健康发展的需要，但是当前一些幼儿教育者在设计保教内容时，往往会忽视幼儿的情感发展现状和幼儿理解能力，使得保教的内容在很多时候不符合幼儿的身心特点，缺乏针对性。

1.3.2 增加施药深度 将施药深度增加，可减少熏蒸剂的散发。施药深度取决于施药机械和作物根系的深度，多数作物一般施药25 cm深。

1.3.3 镇压土壤 施药后，镇压土壤可减少熏蒸剂的散发。

1.3.4 增加含水量 当田间土壤相对含水量为30%～100%时，随着含水量的增加，熏蒸剂散发减少 (Gao et al.，2008)。但若土壤含水量过高，则会影响药剂在土壤中的分布，并增加敞气时间。

1.3.5 添加肥料 当施入熏蒸剂后，再施用铵或硫代硫酸钾、有机肥，均可减少熏蒸剂的散发。田间试验显示，硫代硫酸盐或硫脲能将熏蒸剂转换为一种非挥发性物质 (Yates et al.，2002;Ashworth et al.2009)。

1.3.6 使用缓释熏蒸剂剂型 使用熏蒸剂胶囊可减少1，3－二氯丙烯和氯化苦的散发 (Wang et al.，2010)。

1.4 减少熏蒸剂用量的方法

1.4.1 全田使用改为条施或种植床处理 传统的使用方法是将熏蒸剂均匀施于全田，但这样熏蒸剂用量较高，而作物主要是种植在种植床上，如果将熏蒸剂施于种植床上，将减少熏蒸剂的使用量。在草莓上的试验表明，在种植床上采用滴灌施用威百亩，其效果与全田施用无显著性差异。

1.4.2 全田施用改为局部处理 因为土传病害和根结线虫的发生并不是均匀分布的，特别在发病早期，主要是局部发生。因此，田间一旦发现根结线虫的为害，可采用局部施药的方法控制其蔓延。

2 物理消毒技术

2.1 太阳能消毒技术

2.2 蒸汽消毒技术

蒸汽消毒技术是通过高压密集的蒸汽，杀死土壤中的病原生物 (曹坳程，2000)。此外，蒸汽消毒还可提高土壤的排水性和通透性。蒸汽消毒具有以下优点:① 消毒速度快，均匀有效，只需用高压蒸汽持续处理土壤，使土壤保持70℃30分钟即可达到杀灭土壤中病原菌、线虫、地下害虫、病毒和杂草的目的，冷却后即可栽种;② 无残留药害;③ 对人畜安全;④ 无有害生物的抗药性问题。因此，蒸汽消毒法是一种良好的溴甲烷替代技术，在欧洲得到广泛使用。

根据蒸汽管道输送方式，蒸汽消毒可分为:① 地表覆膜蒸汽消毒法 (汤姆斯法)，即在地表覆盖帆布或抗热塑料薄膜，在开口处放入蒸汽管，该法效率较低，通常低于30%;②侯德森 (Hoddeson)管道法，即在地下 (深度通常为40 cm)埋一个直径40 mm的网状管道，在管道上，每10 cm有一个3 mm的孔。该法效率较高，通常为25%～80%;③负压蒸汽消毒法，即在地下埋设多孔的聚丙烯管道，用抽风机产生负压将空气抽出，将地表的蒸汽吸入地下。该法使深土层中的温度比地表覆膜高，该法热效率通常为50%。④ 冷蒸汽消毒法。一些研究人员认为，85～100℃的蒸汽通常能杀死有益生物如菌根，并产生对作物有害的物质。因此，提出将蒸汽与空气混合，使之冷却到需要温度，较为理想的温度是70℃，维持30分钟。

一种新的蒸汽消毒机械在意大利发展并得到商业化应用 (图6)。该机械具有一系列蒸汽注射管，用一块3 m×4 m的不锈钢包裹，能保证将蒸汽均匀注射到土壤中。为了让机械消毒能覆盖所有地点，该蒸汽机采用激光制导行进。

图6 蒸汽注射消毒机

2.3 热水消毒技术

热水消毒是将过滤的70～95℃热水，以250 L·m－2的量通过热水管或喷孔施于土壤表面。研究表明，该技术可有效控制多种土传病害，包括甜瓜黑点根腐病 (Monosporascus root rot of melons)，而采用太阳能消毒对该病无效。由于热水消毒改变了土壤的理化性质，如脱盐和氮的矿化作用，作物的产量增加30% (Nishi et al.，2000;Nishi，2000，2002;Kita，2006)。该技术在日本和韩国广泛使用。

2.4 土壤循环消毒技术

土壤循环消毒是通过对土壤旋转翻耕，将土壤与高温洁净干燥的空气混合进行消毒。与传统的物理和化学消毒技术比较，其优点在于:① 不使用任何化学药剂，不受化学药剂使用的限制;② 不会造成土壤养分和水分的流失;③ 使用过程中不受外在天气因素的影响，节能，高效;④ 不易造成病虫害抗性的产生。由荷兰发明的土壤循环消毒机如图7所示。

图7 土壤循环消毒机

2.5 火焰消毒技术

对一些有机质含量低的沙性土壤，采用火焰消毒技术，可取得很好的效果。该技术是在短时间内产生1000℃的高温，在一个面罩下，火焰喷射到地面，使绝大多数病原菌的细胞死亡，对寄生性种子植物，如列当也有很好的效果。火焰喷射器 (图8)使用的燃料是煤油或丁烷。该技术的优点是:①成本较低;②不用塑料薄膜;③无水污染问题;④ 不受地域限制;⑤ 消毒后即可种植下茬作物。

图8 火焰消毒器

2.6 射频消毒技术

射频消毒技术是近年来发展的一种高效消毒技术，具有很好的杀虫、杀菌效果。美国加州大学戴维斯分校已研制成射频商业样机，目前机器成本较高，而运行成本较低。

3 生物熏蒸技术

生物熏蒸是利用来自十字花科或菊科的植物残体释放的有毒气体杀死土壤害虫、病菌。葡糖异硫氰酸酯是十字花科或菊科植物体中含有的一大类含硫化合物，化学性质稳定、无生物活性，并且在植物亚细胞区室中被多价螯合，只有因害虫侵袭、收获、食品加工或咀嚼而使植物组织遭到损害时，葡糖异硫氰酸酯才能与内源性黑芥子酶接触，并立即反应，糖苷键发生水解，分解出葡萄糖和一种自发降解的不稳定中间产物，形成各种各样的产物，包括哇烷硫酮、腈、硫氰酸酯和不同结构的异硫氰酸酯等水解产物，特别是异硫氰酸甲酯，对有害生物有非常好的生物活性。此外，含氮量高的有机物能产生氨，杀死根结线虫。几丁质含量高的海洋生物也能产生氨，并能刺激微生物区系活动。这些微生物能促进根结线虫体表几丁质的溶解，导致线虫死亡。另外，一些绿色植物覆盖土壤，能分泌异株克生物质，抑制杂草生长。因此，研究利用生物熏蒸技术，可以杀死土壤中的有害病原菌、害虫和杂草等。

生物熏蒸的应用方法比较简单，一般是选择好时间后，将土地深耕，使土壤平整疏松，将用作熏蒸的植物残渣切碎，或是用农家肥、海产品，也可相互按一定比例混合均匀洒在土壤表面，之后浇足量的水，然后覆盖透明塑料薄膜。为了取得对病害较好的控制效果，最好在日照时间长、环境温度高时操作。土壤要保持一定湿度，以利于植物残渣等水解。农家肥要适量，根据土壤肥沃程度，确定用量，以防出现烧苗等情况。如有可能，最好结合太阳能消毒，可更有效地发挥作用。

在夏季，将未经腐熟的农家肥中加入稻秆、麦秆等，与土壤充分混合后，再盖上塑料薄膜，可显著提高土壤温度，并产生氨，因而具有杀死土壤病原菌和线虫的双重效果。

在西班牙农业大省安达卢西亚，其辖区内的穆尔西亚 (Murcia)、奇皮奥那 (Chipiona)和维尔瓦 (Huelva)分别为西班牙甜椒、花卉和草莓的最大种植区。科研人员经过多年的研究试验，采用多种作物残渣、不同剂量的有机质与未经腐熟的牛粪、鸡粪或羊粪配合，并结合太阳能消毒技术进行不同作物的土壤消毒试验，取得了良好的效果 (图9)。如草莓，几乎所有土地都采用生物熏蒸结合太阳能进行土壤消毒，采用鲜鸡粪2 kg·m－2+甘蓝残体1.25 kg·m－2+牛粪2.5 kg·m－2+甜菜酿酒之后的残渣1.5 kg·m－2;Mercaos Rivera S.L.公司的商业小雏菊、康乃馨种植园采用沤制过的橄榄渣、康乃馨残体与鸡粪配合进行土壤消毒;Torres种植园的番茄温室采用甜菜残汁2 L·m－2+50%发酵枝叶+50%未经腐熟的农家肥熏蒸。以上技术均以当地现有的作物残体为原料，每平方米消毒成本仅0.27欧元。试验结果表明，生物消毒的效果与溴甲烷相当甚至优于溴甲烷，而且可以沃土、节肥、节水、减少50%的化学药品使用量。

图9 西班牙大面积商业化使用生物熏蒸技术

可见，采用生物熏蒸技术，不仅可以有效防治土壤病虫害，而且可以合理利用农业废弃物，节约成本，保护环境，是未来土壤病虫害防治重要的发展方向 (Kirkegaard et al.，1993;Medina-Minguez，2002;Garcia-Alvarez，2004)。

4 土壤熏蒸后加入有益微生物

通常土壤经消毒后，所有生物都被杀死，形成“生物真空”，如果添加有益微生物，可延长对病原生物的控制时间 (lusarski＆Pietr，2009)。目前添加的有益微生物主要是木霉。

曹坳程.2000.中国甲基溴土壤消毒替代技术.北京:中国农业大学出版社:172－176.

Ashworth D J，Ernst F F，Xuan R，Yates S R.2009.Laboratory assessment of emission reduction strategies for the agricultural fumigants1，3－dichloropropene and chloropicrin.Environmental Science Technology，43:5073－5078.

Champon L.1998.Dazitol-The silver bullet replacement for methyl bromide pre－plant use.Annual International Research Conference on Methyl Bromide Alternatives and Emissions Reductions.Orlando，Florida:41.

Garcia-Alvarez A，Bello A，Sanz R，Piedra B A.2004.Biofumigation as an alternative to methyl bromide for the production of tomatoes and other vegetables.Proceedings of fifth international conference on alternatives to methyl bromide. Lisbon， Portugal:171－175.

Kirkegaard J A，Gardner P A，Desmarchelier J M，Angus J F.1993.Biofumigation－using Brassica species to control pests and diseases in horticulture and agriculture.In9th Australian Researche Assembly on Brassicas Eds.Wratten N and Mailer R J.Agricultural Research Institute，Wagga wagga:77－82.

Kita N.2006.Physical soil sterilization for soil-borne disease control.Proceedings of Vegetable and Tea Science，(3):7－15.

Mattner S W，Gregorio R，Ren Y L，Hyland T W，Gounder R K，Sarwar M，Porter I J.2003.Application techniques influence the efficacy of ethanedinnitrile(C2N2)for soil disinfestation.Annual International Research Conference on Methyl Bromide Alternatives and Emission Reductions. San Diego， California:127.

Medina－ Minguez J J.2002.Soil Solarization and biofumigation in strawberries in Spain.Proceedings of international conference on alternatives to methyl bromide.Sevilla，Spain:123 －125.

Nishi K，Namiki S，Hirayae K，Ujita Y.2000.Effectiveness of deep ploughing for soil sterilization with hot water injection.Kyushu Plant Protection Research，(46):50－53.

Nishi K.2000.Soil sterilization with hot water injection，a new control measure for soilborne diseases， nematodes and weeds. The Phytopathological Society of Japan，(20):190－199.

Nishi K.2002.Hot water soil sterilization:theories and records of application.Japan Greenhouse Horticulture Association，Tokyo:185.

Ren Y L，Waterford C，Matthiessen J，Mattner S，Gregorio R，Sarwar M.2003.First results from ethanedinitrile(C2N2)field trials in Australia.Annual International Research Conference on Methyl Bromide Alternatives and Emissions Reductions.San Diego，California:25.

Rodriguez－Kabana R，Akridge J R，Burkett J E.2003.Nematicidal and herbicidal properties of2－propenal(acrolein):a potential alternative to methyl bromide for soil fumigation.Annual International Research Conference on Methyl Bromide Alternatives and Emissions Reductions.San Diego，California:51.

lusarski C，Pietr S J.2009.Combined application of dazomet and Trichoderma asperellum as an efficient alternative to methyl bromide in controlling the soil－borne disease complex of bell pepper.Crop Protection，28:668 －674.

Teap.2005.Report of the technology and economic assessment panel.Progress Report.UNEP，Nairobi:136 －137.

Teap.2010.Report of the technology and economic assessment panel.Progress Report.UNEP，Nairobi.

UNEP.1998.Protecting ozone layer－ methyl bromide.

Wang Q X，Tang J T，Wei S H，Wang F Y，Yan D D，Mao L G，Guo M X，Cao A C.2010.1，3－Dichloropropene distribution and emission after gelatin capsule formulation application.Journal of Agricultural and Food Chemistry，58:361－365.

Yates S R，Gan J，Papiernik S K，Dungan R，Wang D.2002.Reducing fumigant emissions after soil application.Phytopathology，92:1344－1384.

2010-08-24;接受日期: 2010-09-20

果类蔬菜产业技术体系北京市创新团队项目