土壤射频消毒技术试验

张学进， 金永奎， 张 玲， 薛新宇， 蔡 晨， 秦维彩

(农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014)

近30年来，随着我国农业产业结构的调整，农作物的商品化种植模式有了迅速的发展，实现了规模化、专业化、设施化栽培[1]。商品化种植模式下，作物高度集约、复种指数高、种类单一，一般种植3～5年后会发生严重的连作障碍，影响作物的产量和品质[2-4]。连茬种植，造成土壤中病原菌和虫卵积累，土传病害严重。土传病原菌种类多、数量大、在土壤中存活时间长，发生具有隐蔽性[5]。土传病害会改变土壤的理化性质、破坏微生物群落结构，造成土壤养分失衡、作物病害加剧。

能够发生连作障碍的农作物种类很多，包括小麦、玉米、水稻等粮食类作物和蔬菜、甘蔗、烟草、中草药等经济类作物。目前，我国连作障碍程度严重的种植面积高达10%，其中规模化种植区域超过20%。连作障碍可导致作物减产20%～80%，严重的几乎绝产，不仅造成每年数百亿元的经济损失，同时还降低了农产品的安全性[6-7]。土壤连作障碍已成为制约农业可持续发展的突出问题，为了保证农产品的产量、品质，减少经济损失，在种植前对土壤进行消毒是防治连作障碍最有效的途径，也是化学农药减量增效的重要措施。

1 土壤消毒常用方式

除了农艺措施(轮作与倒茬、嫁接、优良品种)，土壤消毒目前主要有物理、化学、生物三大类方式。

物理方式中，太阳能消毒是在高温季节通过长时间覆盖塑料薄膜来提高土壤温度，藉以杀死土壤中有害生物的方法[8]，在实际应用中，消毒的效果受气候影响很大，效果不稳定。蒸汽消毒是利用高压密集的蒸汽，使土壤温度保持在 70 ℃，30 min即可杀死土壤中的杂草和细菌、真菌、病毒等病原微生物[9]，蒸汽消毒具有高效清洁等优点，但还存在深层土壤消毒不彻底、部分病原微生物会恢复活性、配套设备昂贵、使用成本高等缺点[10]。火焰消毒是一种将深10～30 cm的土壤提取到箱体内进行粉碎、火焰高温瞬间灭菌杀虫的方法[11]，但是火焰消毒成本过高，并且火焰温度高达400 ℃，同时也杀死了有益微生物、破坏了土壤有益成分。

化学方式主要是利用各种化学药剂对土壤进行熏蒸，具有杀虫、杀菌或除草等作用，但化学药剂毒性大，对环境和人均有危害。熏蒸时需专人操作，作业后一般需20～30 d才能种植。同时药剂散失较快、消毒器械简陋，往往会增大使用量，不仅会增加成本，还会对环境过度污染。

生物方式是利用植物有机质在分解过程中生成挥发性气体杀死土壤中害虫、病原微生物的方法[12]。使用时，利用植物残渣及混合物按一定比例洒在土壤表面，浇水、覆膜，在温度、湿度等条件适宜的情况下对土壤进行消毒[13-14]。

上述方法中，太阳能及生物熏蒸消毒对土传病虫害发生较轻的地区有效；化学药剂处理效果较好，但操作复杂、成本高、污染严重；物理处理技术中，太阳能、火焰、微波、蒸汽、热水处理成本高、效率低，难以推广。随着相关技术的发展，射频处理技术具有热效应和生物效应的双重杀菌灭虫作用，效率高、无污染、操作简便，是一种环境友好的土壤处理方法，已成为各国重点研究方向。

2 土壤射频消毒技术

2.1 射频

射频是一种高频、可以辐射到空间的电磁波[15]，频率在300 kHz～300 MHz。射频技术在通信(数据传输、识别)、医学(射频消融、美容)、干燥(木材、食品、纺织品)、消毒(食品)、杀菌(食品)等方面得到广泛应用。射频系统由交流电源、高压变压器、整流器、电子管功率放大器(振荡器和谐振回路)以及负载电路组成，如图1所示。

交流电源为射频系统提供380 V的电能，是射频能量的主要来源。高压变压器可将380 V的电压转化成5 000～10 000 V 的高电压。整流器的作用是给功率放大器提供合适的电流。电子管功率放大器的作用是接收由整流器提供的电流后，产生高频信号，在负载电路的极板间形成交变电场[16](图2)。

2.2 土壤射频消毒原理

工作中，射频系统会在极板间产生高频交变电场，而土壤中存在大量的极性分子，它们在高频电场中随电场大小、方向变化而快速转动、振动等，引起分子间的摩擦、碰撞，产生大量的热量(图3)。另外，土壤介质中一些原本电中性的分子在射频电场作用下，正、负电荷被高速地反复拉开极化，也会将电场能量转化为热能。这2种情况都伴随着电荷在射频电场的驱动下往复运动，形成极化电流，使土壤内产生大量的热量，带有病虫以及农药残留物的土壤会被持续加热，使得害虫、病菌等微生物的蛋白质受热失去活性，从而达到土壤消毒的目的。

土壤射频消毒的机理主要是热效应和生物效应(非热效应)。射频消毒使得土壤在电磁场作用下，土壤微生物受到热力、电磁力双重作用，其杀菌效果大大优于常规热杀菌。采用射频消毒土壤，可杀灭其中的成虫、虫卵、有害微生物、病菌及草子，无任何残留，无抗性。

2.3 土壤射频消毒的优点

2.3.1 快速、均匀加热 射频能量可穿透至土壤内部，使土壤内外均匀受热，能有效地杀死包裹在土壤内部的害虫及各种病菌微生物。

2.3.2 含水率自平衡 电导损耗随土壤含水率的增大而增大，土壤中局部含水率较大的部分，介电损耗因子较大。土壤在射频场中的加热速率随介电损耗因子的增大而增大，加热过程中，射频能量会集中在局部含水率较大的部分，从而确保加热过程土壤含水率的均匀性[17]。

2.3.3 选择性加热 射频土壤消毒是一种热处理技术，属于介电加热的一种，其中土壤的介电损耗因子是影响射频加热速率的1个重要参数。在利用射频加热土壤时，由于害虫的含水率一般比周围土壤含水率大，即具有较高的介电损耗因子。在射频加热的过程中，害虫升温速度较快而先达到致死温度，而土壤由于加热速率较慢，温度较低，因此杀灭害虫的同时可以避免土壤理化性能的破坏。

3 土壤射频加热试验

土壤射频消毒，即在交变电场作用下，土壤介质发生损耗，使得土壤温度升高，从而杀死害虫及病菌。有关资料表明，将活体线虫放置在45 ℃环境中，15 min可将全部线虫杀死，若是温度升至50 ℃，2.3 min即可杀死全部线虫，而土壤温度升至50～60 ℃时，可杀死土壤中的各种病原菌[18]。射频消毒的关键在于土壤温升及土壤保温，土壤温度能否快速升至50 ℃以及保温时间的长短，决定着射频消毒的好坏。本试验借助于射频发生器对土壤进行加热处理，借此探究射频加热土壤的效果。

3.1 试验设备与仪器

为了探究射频消毒土壤的效果，本试验设计了一套土壤射频消毒系统，该系统包括射频发生器、温度检测装置及极板(图4)。射频发生器提供高频交变电源，温度检测装置记录土壤的温度变化，极板为交变电场提供载体，直接对土壤消毒。本试验设计的极板结构为平行极板，材质为铝质的，结构尺寸500 mm×300 mm，厚2 mm，两平行极板间距300 mm，具体情况如图5所示。另外用于试验的土壤含水率15%，初始温度19.6 ℃。

仪器：FTM-1CH-E24光纤测温仪，北京东方锐择科技有限公司；光纤传感器，北京东方锐择科技有限公司；S-120-24开关电源，浙江温州君临电气科技有限公司；RJ-2 近区电磁场强仪，山东青岛精诚仪器仪表有限公司；工作极板为铝板。

3.2 试验方法

3.2.1 土壤温升原理 射频电场在加热过程中主要起加热土壤的作用。在射频加热过程中，加热速度由土壤所吸收的射频功率密度来决定，而交变电场的频率只是通过对射频功率密度的影响起间接作用。在加热过程中，射频加热所需的热量完全由土壤在射频电场中极化时所吸收的射频电能来提供，并且所吸收的射频电能全部用于加热土壤，基于此可以得到土壤升温速率与射频功率密度的关系。

设土壤质量为m，g；加热土壤所需的热量：

ΔQ=c·m·ΔT。

(1)

式中：c为土壤的混合比热；ΔT为土壤温度增长变化量；ΔQ为温度增长所需热量。

由于这些热量全部由射频电场来供给，故所需的射频功率为：

(2)

式中：4.18为热功当量；Δt为土壤温度增加ΔT所需的时间。

如以P表示功率密度，则有

(3)

式中：V为电容器的容积，即一次性加热的土壤的体积。

(4)

式中：ρ为土壤的密度，取值为1.3×103kg/m3；c为土壤与所含水分的混合比热，取值为1.8×103J/(kg·℃)。

3.2.2 试验步骤 首先将用于试验的土壤进行疏松，便于极板入土工作。疏松完毕后，将平行极板插入土中，极板间距300 mm，利用土壤完全覆盖极板，可以降低加热过程中产生的辐射(图6)光纤传感器布置在极板中间，用来记录土壤的温度随时间的变化情况，有关温度数据实时反馈并记录在FTM-1CH-E24光纤测温仪上。射频发生器的电源由笔者所在实验室提供(380 V、50 Hz)。启动射频发生器，并调节输出功率为12 kW，记录时间和温度。

3.3 试验结果与分析

被加热土壤的初始温度为19.6 ℃，加热前做了疏松处理。当加热15 min时，土壤的温度达到52.6 ℃；当加热到 18 min 时，土壤的温度达到61.7 ℃。由文献[18]可知，此时的温度可杀死土壤中所有根结线虫和各种病原菌，说明通过射频处理，土壤温度上升明显，能够起到土壤消毒的目的。图7为土壤的温升曲线图，其增减变化趋势可以拟合成一个一元二次方程y=0.05x2+1.39x+17.53，拟合的决定系数r2=0.98。从土壤的温升曲线来看，0～6 min时，土壤的温度增加缓慢，温升加速度小；6 min后，土壤的温升开始加快，温升加速度增大。

功率密度不仅反映土壤吸收热量的速度(即1 m3土壤 1 min 吸收的热量)，还反映土壤温升的快慢(即温升加速度)。图8为土壤消耗的功率密度曲线图，其增减变化趋势可以拟合成一个对数函数y=167.71lnx+24.09，拟合的决定系数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减缓。土壤的温升与土壤的介质损耗因数呈正相关，而当温度升高时，会加快土壤中极性分子的取向运动以及土壤中自由水的布朗运动，又会使得介电损耗因数呈现出增大的趋势[19]。土壤的介电损耗因数与土壤温度的这种正相关性，致使土壤温升加速度不断增加。

4 结论与展望

本试验搭建了一套土壤射频消毒系统。利用射频发生器产生高频信号，在极板之间形成高频的交变电场，土壤介质在射频电场作用下，将电场能量转化为热能，使得土壤温度升高，达到杀死根结线虫及各种病原菌的目的。

利用输出功率为12 kW的射频发生器对土壤进行加热消毒，加热15 min，土壤的温度可至52.6 ℃，此时可杀死大部分的根结线虫；加热18 min时，土壤的温度达到61.7 ℃，此时可杀死土壤中所有的根结线虫和各种病原菌，起到土壤消毒的目的。

基于射频加热土壤，射频发生器的频率、土壤含水率、土壤含盐量及极板的形状都会影响土壤的温升速度和温度分布均匀性。本试验是对射频土壤消毒的探索，未来可以进一步研究这4种因素对射频土壤消毒效果的影响。