張學進， 金永奎， 張 玲， 薛新宇， 蔡 晨， 秦維彩

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

近30年來，隨著我國農(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，實現(xiàn)了規(guī)模化、專業(yè)化、設施化栽培[1]。商品化種植模式下，作物高度集約、復種指數(shù)高、種類單一，一般種植3～5年后會發(fā)生嚴重的連作障礙，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卵積累，土傳病害嚴重。土傳病原菌種類多、數(shù)量大、在土壤中存活時間長，發(fā)生具有隱蔽性[5]。土傳病害會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)濟類作物。目前，我國連作障礙程度嚴重的種植面積高達10%，其中規(guī)模化種植區(qū)域超過20%。連作障礙可導致作物減產(chǎn)20%～80%，嚴重的幾乎絕產(chǎn)，不僅造成每年數(shù)百億元的經(jīng)濟損失，同時還降低了農(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)展的突出問題，為了保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)，減少經(jīng)濟損失，在種植前對土壤進行消毒是防治連作障礙最有效的途徑，也是化學農(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、生物三大類方式。

物理方式中，太陽能消毒是在高溫季節(jié)通過長時間覆蓋塑料薄膜來提高土壤溫度，藉以殺死土壤中有害生物的方法[8]，在實際應用中，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，但還存在深層土壤消毒不徹底、部分病原微生物會恢復活性、配套設備昂貴、使用成本高等缺點[10]。火焰消毒是一種將深10～30 cm的土壤提取到箱體內(nèi)進行粉碎、火焰高溫瞬間滅菌殺蟲的方法[11]，但是火焰消毒成本過高，并且火焰溫度高達400 ℃，同時也殺死了有益微生物、破壞了土壤有益成分。

化學方式主要是利用各種化學藥劑對土壤進行熏蒸，具有殺蟲、殺菌或除草等作用，但化學藥劑毒性大，對環(huán)境和人均有危害。熏蒸時需專人操作，作業(yè)后一般需20～30 d才能種植。同時藥劑散失較快、消毒器械簡陋，往往會增大使用量，不僅會增加成本，還會對環(huán)境過度污染。

生物方式是利用植物有機質(zhì)在分解過程中生成揮發(fā)性氣體殺死土壤中害蟲、病原微生物的方法[12]。使用時，利用植物殘渣及混合物按一定比例灑在土壤表面，澆水、覆膜，在溫度、濕度等條件適宜的情況下對土壤進行消毒[13-14]。

上述方法中，太陽能及生物熏蒸消毒對土傳病蟲害發(fā)生較輕的地區(qū)有效；化學藥劑處理效果較好，但操作復雜、成本高、污染嚴重；物理處理技術中，太陽能、火焰、微波、蒸汽、熱水處理成本高、效率低，難以推廣。隨著相關技術的發(fā)展，射頻處理技術具有熱效應和生物效應的雙重殺菌滅蟲作用，效率高、無污染、操作簡便，是一種環(huán)境友好的土壤處理方法，已成為各國重點研究方向。

2 土壤射頻消毒技術

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。射頻技術在通信(數(shù)據(jù)傳輸、識別)、醫(yī)學(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，在負載電路的極板間形成交變電場[16](圖2)。

2.2 土壤射頻消毒原理

工作中，射頻系統(tǒng)會在極板間產(chǎn)生高頻交變電場，而土壤中存在大量的極性分子，它們在高頻電場中隨電場大小、方向變化而快速轉(zhuǎn)動、振動等，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作用下，正、負電荷被高速地反復拉開極化，也會將電場能量轉(zhuǎn)化為熱能。這2種情況都伴隨著電荷在射頻電場的驅(qū)動下往復運動，形成極化電流，使土壤內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，帶有病蟲以及農(nóng)藥殘留物的土壤會被持續(xù)加熱，使得害蟲、病菌等微生物的蛋白質(zhì)受熱失去活性，從而達到土壤消毒的目的。

土壤射頻消毒的機理主要是熱效應和生物效應(非熱效應)。射頻消毒使得土壤在電磁場作用下，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、蟲卵、有害微生物、病菌及草子，無任何殘留，無抗性。

2.3 土壤射頻消毒的優(yōu)點

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)部的害蟲及各種病菌微生物。

2.3.2 含水率自平衡 電導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。土壤在射頻場中的加熱速率隨介電損耗因子的增大而增大，加熱過程中，射頻能量會集中在局部含水率較大的部分，從而確保加熱過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，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個重要參數(shù)。在利用射頻加熱土壤時，由于害蟲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。在射頻加熱的過程中，害蟲升溫速度較快而先達到致死溫度，而土壤由于加熱速率較慢，溫度較低，因此殺滅害蟲的同時可以避免土壤理化性能的破壞。

3 土壤射頻加熱試驗

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

3.1 試驗設備與儀器

為了探究射頻消毒土壤的效果，本試驗設計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，溫度檢測裝置記錄土壤的溫度變化，極板為交變電場提供載體，直接對土壤消毒。本試驗設計的極板結(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。另外用于試驗的土壤含水率15%，初始溫度19.6 ℃。

儀器：FTM-1CH-E24光纖測溫儀，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開關電源，浙江溫州君臨電氣科技有限公司；RJ-2 近區(qū)電磁場強儀，山東青島精誠儀器儀表有限公司；工作極板為鋁板。

3.2 試驗方法

3.2.1 土壤溫升原理 射頻電場在加熱過程中主要起加熱土壤的作用。在射頻加熱過程中，加熱速度由土壤所吸收的射頻功率密度來決定，而交變電場的頻率只是通過對射頻功率密度的影響起間接作用。在加熱過程中，射頻加熱所需的熱量完全由土壤在射頻電場中極化時所吸收的射頻電能來提供，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系。

設土壤質(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為土壤溫度增長變化量；ΔQ為溫度增長所需熱量。

由于這些熱量全部由射頻電場來供給，故所需的射頻功率為：

(2)

式中：4.18為熱功當量；Δt為土壤溫度增加ΔT所需的時間。

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 試驗步驟 首先將用于試驗的土壤進行疏松，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，可以降低加熱過程中產(chǎn)生的輻射(圖6)光纖傳感器布置在極板中間，用來記錄土壤的溫度隨時間的變化情況，有關溫度數(shù)據(jù)實時反饋并記錄在FTM-1CH-E24光纖測溫儀上。射頻發(fā)生器的電源由筆者所在實驗室提供(380 V、50 Hz)。啟動射頻發(fā)生器，并調(diào)節(jié)輸出功率為12 kW，記錄時間和溫度。

3.3 試驗結(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。當加熱15 min時，土壤的溫度達到52.6 ℃；當加熱到 18 min 時，土壤的溫度達到61.7 ℃。由文獻[18]可知，此時的溫度可殺死土壤中所有根結(jié)線蟲和各種病原菌，說明通過射頻處理，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，其增減變化趨勢可以擬合成一個一元二次方程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看，0～6 min時，土壤的溫度增加緩慢，溫升加速度??；6 min后，土壤的溫升開始加快，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，其增減變化趨勢可以擬合成一個對數(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，而當溫度升高時，會加快土壤中極性分子的取向運動以及土壤中自由水的布朗運動，又會使得介電損耗因數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢[19]。土壤的介電損耗因數(shù)與土壤溫度的這種正相關性，致使土壤溫升加速度不斷增加。

4 結(jié)論與展望

本試驗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，在極板之間形成高頻的交變電場，土壤介質(zhì)在射頻電場作用下，將電場能量轉(zhuǎn)化為熱能，使得土壤溫度升高，達到殺死根結(jié)線蟲及各種病原菌的目的。

利用輸出功率為12 kW的射頻發(fā)生器對土壤進行加熱消毒，加熱15 min，土壤的溫度可至52.6 ℃，此時可殺死大部分的根結(jié)線蟲；加熱18 min時，土壤的溫度達到61.7 ℃，此時可殺死土壤中所有的根結(jié)線蟲和各種病原菌，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影響土壤的溫升速度和溫度分布均勻性。本試驗是對射頻土壤消毒的探索，未來可以進一步研究這4種因素對射頻土壤消毒效果的影響。