真空/蒸汽植物检疫技术及其在处理林木中光肩星天牛的应用

陈章景

(弗吉尼亚理工大学可持续生物材料系，1650研究中心大道，布莱克斯堡，弗吉尼亚州24060，美国)

由于世界贸易活动的广泛开展，以乔木或灌木为生的400多种外来昆虫随货柜进入美国[1]。通过进口原木、木材和其他木制品而引入的真菌、线虫或昆虫已经危害到北美的森林[2]。昆虫钻进树根、树干和枝叶，导致树木生长缓慢，甚至使树木死亡。森林的减少将对生态系统造成严重影响，并导致人类居住地和粮食供应发生变化[2]。引进非本地物种对美国的森林生产、娱乐和城市森林资源均造成问题[2]。美国曾有几种极其严重的外来害虫入侵事件，例如1904-1955年的栗疫病(Cryphonectriaparasitica)、1920年后的荷兰榆病(Ophiostomaulmi)和1870年的吉普赛蛾(Lymantriadispar)危害等。近期的例子发生在20世纪90年代。1996年光肩星天牛(AnoplophoraglabripennisMotschulsky)在美国纽约布鲁克林的阔叶树上被发现，随后蔓延到长岛、皇后区和曼哈顿并向全国扩散。1998年伊利诺伊州芝加哥市郊发现光肩星天牛；2004年，在新泽西州发现；2007年，在纽约州史泰登岛和普拉尔岛上发现；2008年8月，在马萨诸塞州伍斯特市发现[3]。光肩星天牛袭击了枫树、栗子、杨树、柳树、榆树、桑树和刺槐等，对森林构成威胁并造成经济损失，其根除和控制的代价是巨大的。美国入侵性有害生物的另一个例子是白蜡虫(AgrilusplanipennisFairmaire)。白蜡虫通过实木包装材料到达美国。2003年俄亥俄州发现白蜡虫；2004年印第安纳州北部发现；2006年伊利诺伊州北部和马里兰州发现；2007年宾夕法尼亚州西部和西弗吉尼亚州发现；2008年夏季，威斯康星州、密苏里州和弗吉尼亚州、明尼苏达州均有发现；2009年肯塔基州发现；2010年在爱荷华州和田纳西州两地均发现白蜡虫[4]。成年白蜡虫蚕食水曲柳的叶子，基本不造成损害。幼虫以水曲柳嫩皮为食，破坏了树干运送水和养分的能力。白蜡虫已在密歇根州、俄亥俄州和印第安纳州杀死了至少2000万棵白蜡树。这种蛀虫会侵害健康的树木，并引起很多关注[4]。减少森林有害生物的扩散是各国普遍关注的事项。美国与其他133个国家一直在执行《国际植物检疫措施标准》(ISPM 15标准)，其目的是科学使用实木包装材料，减缓木质有害生物在全球的扩散。ISPM 15要求处理用于出口产品的实木包装材料，包括木托盘和容器。木蜂、枯萎病菌和其他疾病也可以通过木材运输进行传播。侵入性昆虫和菌类繁殖迅速。当前比较常用的处理方法包括使用气体熏蒸剂(溴甲烷)或在中心温度至少为56 ℃下保持该温度30 min的热处理(ISPM 15标准)。溴甲烷是农业和林业中广泛使用的熏蒸剂，会破坏臭氧层。根据联合国《清洁空气法》和《蒙特利尔议定书》，溴甲烷已逐步被淘汰。目前有许多研究针对确定溴甲烷替代品和减少溴甲烷的使用，其中至关重要的问题是如何迅速发展和实施经济上可行且对环境无害的替代方案。真空/蒸汽技术可满足上述要求，一方面它不会将消耗臭氧的化学物质释放到大气中，另一方面它可以避免每年大量使用溴甲烷的情况发生。

1 植物检疫措施概述

为了减少害虫的传播，需要对木质材料进行消毒。从历史上看，使用的方法包括化学、生物学、辐射和物理处理。物理植物检疫处理包括机械、超声波、真空及冷热处理。机械方法包括刷子和喷水[5]。超声波采用交替的高低压波，在细胞水平上引起损伤[6]。化学处理包括熏蒸剂、浸入液体化学药品以及放置在各种气体中的处理。化学杀虫剂通常用于控制昆虫，该法已使用了数十年。随着消费者对有害化学残留物与健康风险意识的提高，人类已有效降低了对使用化学品的依赖[7]。为控制害虫种群而进行的生物处理包括使用昆虫天然天敌或微生物制剂[8-9]。基于伽玛射线和X射线的辐照也可用于消毒某些产品。

化学处理。目前使用最广泛的化学品是溴甲烷[10]，也有采用氮气、二氧化碳或臭氧的。溴甲烷还广泛用于干果、坚果和加工食品处理等。时下已研发成的另一种化学熏蒸剂是硫酰氟(SF)。它于1961年在美国首次注册为Vikaneⓐ气体熏蒸剂(Dow AgroSciences，印第安纳波利斯，印第安纳州)，应用于建筑物、车辆、建筑材料、家具和非可食用的各种害虫商品[11]。现已开展了用SF对未经干燥处理的木材进行检疫处理的研究，以控制橡树枯萎真菌[12]、松木线虫[13]、光肩星天牛[14]和白蜡虫[15]。

真空处理。真空袋的真空处理可以用于木质材料处理。由于真空袋是柔性，其低成本引起了人们的兴趣。真空处理似乎会通过产生低氧气氛而导致昆虫死亡[16]。相对湿度低的真空环境可致昆虫快速脱水[17]。有研究发现真空和微波相结合可以快速消灭害虫[18]。Chen等确定真空有杀死木材蛀虫[19]家天牛(Hylotrupesbajulus)、墨天牛(Monochamusspp)等鞘翅目天牛科(Cerambycidae)昆虫的功效。处理周期取决于木材的含水率。木材含水率越高，处理周期越长。他们在木材含水率低于24%时，以真空度2 666 Pa进行时长24 h的处理，最后证实，幼虫死于干燥失重而不是窒息。经测定，光肩星天牛和白蜡虫的总体重损失的致死百分比约为30%～40%。达到真空状态后，光肩星天牛和白蜡虫幼虫在木材中的失重速率恒定，直至死亡。不同的幼虫表现出不同的失重速率。在相同的真空和温度条件下，光肩星天牛幼虫的失重速率高于白蜡虫幼虫。失重速率与温度成正相关，温度越高，幼虫的体重下降速度越快[17]。Chen等还发现，真空还杀死了自然出没的松木中的松材线虫[20]。

低温处理，特别是冷藏，在许多商业运作中均有实际应用[21]，例如减慢昆虫的生长，但是使用低温处理很难杀死昆虫。

热处理。为有效消除有害生物，热处理需在给定的时间内将原木的内部温度升高到指定温度。热力学中描述了从系统释放能量的过程，通常以热的形式，也可以光、电或声音的形式释放。热处理已被更多的人接受可用于处理进入美国和州际运输的商品[22]。自古以来，太阳热或火热一直被用来控制害虫。例如利用太阳的热量杀死储存谷物中的害虫[23]，以及在商代中国人就会利用燃烧篝火的方法击退蝗虫。近现代，热处理具有更广泛的应用。它既可以控制谷物中的昆虫，还可以杀死木制品中的昆虫。在热处理中，可以通过化学氧化、燃烧、电阻和电磁辐射等多种方式产生热量。产生热量的各种形式都会影响产品及有害生物。给定处理的成功与否取决于其控制昆虫而不损害产品的能力。热处理技术包括使用蒸汽、热水、窑炉、微波能或任何其他将原木中心温度至少升高到71℃并保持60 min的方法。可以通过使用热电偶来监控核心温度。研究发现，热处理对木材质量不会产生重大不利影响[2]。用温度82.2 ℃加热1 h，对木材的性能没有明显影响[2]。但这种影响与木材的类型和大小有关，一些木材可能出现表面开裂。在美国，专家建议使用热处理控制臭虫和蝗虫。目前美国农牧场仍有不少研究团队致力于此类研究。

热水处理。用温度高于40 ℃的热水浸浴是最简单的热处理形式。以水作为介质能使能量快速传递。用热水进行检疫处理，已被批准用于热带和亚热带水果中的果蝇处理[24]。Couey和Hayes综合使用二溴乙烷熏蒸和热水浴来控制夏威夷木瓜中的果蝇[25-26]，并探究了热水对木材的植物检疫作用。Slahor等研究了使用热水作为传热介质，对红、白橡树和黄杨托盘材料进行热水处理[27]，认为热水系统非常节省时间。

水蒸气热处理。使用水分来传递热能。它是Baker因柑橘处理而开发的项目[28]，现已广泛用于木瓜、菠萝、甜椒、茄子、番茄和西葫芦等[22]。Seo等评估了该技术用于控制亚洲果蝇的成效[29]。在佛罗里达，McCoy等研究了富勒玫瑰甲虫Asynonychusgodmani(鞘翅目Curculionidae)卵的蒸气热处理方法[30]。

热空气处理。强制热空气处理可使用烤箱或窑炉。温度和湿度监测以及空气输送的改进大大推进了强制热空气处理[31]进程。强制热空气处理是处理木质包装材料的流行方法，在ISPM 15中被视为标准程序。

微波处理。电磁频谱的微波(MW)区域为1～100 GHz。微波已应用于土壤、博物馆文物和各类新鲜水果。当前的兆瓦技术(MWs)主要用于控制谷物和储藏食品中的害虫[32]。人们已经在处理木材和木制品过程中，探索了兆瓦级能[33]。Fleming等发现MWs可在5 min内将木材加热到60 ℃的控制温度[34]，而常规加热则为123 min，并建议进行MWs处理以根除实木包装材料中的光肩星天牛。但是，使用微波很难控制温度梯度和分布[35]。IPPC技术委员会正在考虑在ISPM 15的未来修订版中采用微波处理。

真空/蒸汽。真空可用于降低木材内部的压力。添加蒸汽时，蒸汽压力高于木材内部的压力。根据达西定律，由于总压差，蒸气迅速转移，而转移的水分量与渗透率成正比。在真空/蒸汽处理过程中，水蒸气凝结并变成液态水。大量的热量释放到木材上，这迅速增加了木材的温度。

2 真空/蒸汽处理的热力学原理

真空/蒸汽处理与传统的加热炉处理在加热介质上有根本不同。在真空/蒸汽处理中，水蒸气被用作交换热量的介质，而不是传统窑炉中使用的空气，因此，真空/蒸汽处理具有许多优点。首先，水蒸气能携带更多的热量，并通过冷凝放热的方式快速地进行热传递。其次，使用水蒸气做介质，其传导中的能量损失比使用空气做介质少得多，且用时更短。第三，热空气介质会导致材料中水分蒸发，且热空气的吸热过程需要额外的能量。另外，传统的加热窑还必须将空气加热到高于56 ℃，并排放到大气中。使用饱和蒸汽，则不会导致材料中水分的蒸发。第四，所处理的木材质量好。由于容器内的氧气较少，木材经过处理后颜色不会变化，也不会开裂。在常规的热风窑中，由于处理室内的相对湿度低，木材将在处理的初始阶段断面处会迅速脱水，产生应力，从而导致木材开裂产生裂痕。蒸汽处理开始后，木材表面温度的升高速度比中心温度快。在真空/蒸汽处理过程中，中心温度缓慢升高并变得更加稳定。这与常规热处理相同，但是不同于高频加热。在高频加热期间，木材中心的温度可能更高，温度以恒定速率上升。

加热材料时，分子中的动能会添加，通常材料的温度也随之升高。唯一的例外是材料达到溶点或沸点时，热能用于改变水的状态，但其温度将保持不变，这意味着液态水的温度将保持在100 ℃，直到所有液态水均蒸发，所有水的状态均发生改变为止。其原因是必须使用能量将水的状态从固体更改为液体，或从液体更改为气体。所需的能量是冻结或沸腾的潜热。潜热是指在不改变其温度的状态变化过程中，化学物质释放或吸收的能量的数量。这意味着相变。例如冰的融化或水的沸腾(表1)。水的状态改变后，温度会随着热量的增加而再次升高。不同材料存储热能的能力各不相同。铁等金属材料的加热速度将比水或木材快得多。将单位质量物质的温度改变1 ℃所需要热量的度量称为比热(表2)。水的比热较大，将水加热1 ℃所需的热量约为相同质量的冰或蒸汽加热1 ℃所需热量的两倍。

表1 水的溶化和气化的潜热

表2 各种水状态的比热

图1 从-10 ℃冰到110 ℃蒸汽用于加热水的能量百分比

在绝对压力为101 324 Pa的大气压下，水在100 ℃时沸腾。将1 kg水从0 ℃加热到饱和温度100 ℃需要能量419 kJ。在100 ℃时将水蒸发成100 ℃的蒸汽，蒸发的潜能为2 257 kJ/kg。这可以通过显示将冰变成水然后将水变成蒸汽所需的热量来说明(图1)。水的汽化相变的一个显着特征是随之而来的体积的大变化。水在100 ℃下汽化为蒸汽时，体积将膨胀1 700倍。

在真空/蒸汽处理期间，水蒸气比空气携带更多的热量。原木渗透性很大，并且允许蒸汽在压力梯度下进入木材。当蒸汽进入木材并接触温度低的材料时，就会凝结。冷凝是从蒸汽到液态的相变，同时进行传热和传质。抽真空过程降低了木材内部的压力。添加蒸汽时，蒸汽压力高于木材内部的压力。根据达西定律，由于总压差而转移了蒸汽，转移的水分量与渗透率成正比。在真空/蒸汽处理过程中，水蒸气凝结并变成液态水。大量的热量释放到木材上，提高了木材的温度。相比之下，木材热处理和木窑干燥等常规加热包括对流热从加热介质传递到木材表面，然后进行传导，热从表面向木材中间传递，这是相对缓慢的加热过程。

在凝结理论中[36]，存在三种公认的凝结模式，即均匀冷凝(如在小水滴中形成雾气)、与冷却表面直接接触的冷凝以及与热交换器冷却壁直接接触的冷凝。在真空/蒸汽处理中，发生第二种冷凝模式。冷凝有两种类型[36]：薄膜冷凝和水滴冷凝。在膜状冷凝中，冷凝的液体在表面上形成连续的液膜(液体润湿表面),传热系数低于水滴模式，但可预测且稳定。在水滴冷凝中，由于润湿性差(液体不润湿表面)，冷凝的液体在传热表面上形成水滴,传热系数高。它可以轻松更改为胶片值。蒸汽中的表面涂层和添加剂可改进这种模式。由于材料的湿表面较大，在原木的真空/蒸汽处理过程中可能发生膜状冷凝。冷凝热传递的速率与表面温度、总体积压力、表面和液膜特性以及体积速度有关，取决于真空度，原木表面温度和蒸汽压力。

3 真空/蒸汽系统

真空/蒸汽系统由真空源(真空泵)、腔室(刚性或柔性真空)、蒸汽发生器(锅炉)、控制和监视设备组成，还包括记录容器和处理过的物料中的温度采集系统(图2)。

图2 真空/蒸汽处理系统

真空室可以是普通的钢结构坚固腔室(图3)，或者是柔性的腔室(图4)。柔性真空容器可以由高强度的纺织物制成，并用PVC化合物涂覆和浸渍。可以在柔性容器上安装不透气和不透水的拉链，以保证开口处密封，物料通过该开口进行装卸。

蒸汽锅炉。传统锅炉是其中装有加热元件的储罐，通过燃烧气体或电能产生热量，如Reimers Electra生产的RX100C3F型电蒸汽锅炉，配备了100 kW的加热元件(图5)。蒸汽锅炉通常需将水加热至沸腾并保持在一定的温度和压力下。蒸汽是一种轻便、简便且安全的热源。有的锅炉可以通过燃烧木材和其他可再生燃料产生蒸汽。蒸汽充当热源和原木之间的传热介质。蒸汽的温度很高，因此可携带更多的热量。但是，温度越高，压力也越大。锅炉中较大的压力会引起一些安全隐患，从而导致成本和维护费用增加。同样重要的是，必须有一个密封良好的腔室，以避免从外部泄漏空气或从内部泄漏蒸汽。足够的流量意味着蒸汽将均匀地分布到原木或处理材料的表面上。

图3 刚性真空室 图4 柔性真空室 图5 电蒸汽锅炉(RX100C3F型)

真空泵。真空泵是一种可以从密封容积中抽取空气或其他气体，从而产生部分真空的装置。真空泵与腔室组合成各种真空系统。泵的真空度是推荐的最大真空度。真空泵从密闭系统中排出空气的效率由其容积效率决定，该效率是衡量真空泵输送所计算出的空气量有多接近的一种度量。

旋转活塞真空泵是工业用重型泵，可抽到13 Pa的真空度。这些泵可以在高污染环境中使用。液环真空泵用于有蒸汽环境。液环真空泵的工作真空度会受限制于4 000 Pa以上。液环泵可靠，且相对便宜,但在操作过程中可能会消耗大量的水。干式真空泵是在不借助密封液(例如油或水)的情况下压缩气体的机器。它们可用于存在环境问题的极腐蚀状态中。Busch公司的Mink真空泵MI-2122是7.5 HP两级干式爪泵(图6)。该泵功率5 148.5 W，容量为56.5 cfm，在大气压下可将真空抽至1 066 Pa。Mink真空泵根据旋转凸角原理工作。当叶片不断旋转时，水蒸气和空气在压力作用下被吸入、压缩和排出。

图6 Busch公司的Mink真空泵

4 以真空/蒸汽处理内蒙古柳树中的光肩星天牛防治案例

光肩星天牛(图7)侵害柳树(Salixmatsudana)或杨树等树木。柳树为落叶乔木树种，生长迅速，高可达6～9 m，是重要的风景树种，广泛分布于中国各公园和沿街两侧。在中国北方，柳树不仅仅用于观赏，还能减轻沙尘暴。内蒙古自治区位于中国北部，大部分为寒冷的干旱地区，冬季长、寒冷干燥，经常有暴风雪；其他季节短暂且常有沙尘暴，夏季炎热。在内蒙古已发现被该虫侵害的柳树。当树木受到光肩星天牛入侵时，生长受到影响。侵害的表征是在树根周围或在树枝的交叉部位堆积的排出物(图8)。先看星天牛成虫从椭圆形的羽化孔飞出(图9)。

图7 光肩星天牛成虫 图8 树基部发现的大量排出物 图9 危害形成的椭圆形羽化孔

在内蒙古乌海公园，发现有多棵受天牛侵害的柳树。将受害柳树砍下锯成原木，保存在0 ℃左右的低温室内。这样天牛就不会很快羽化，从而可以灵活安排试验日期。测试中，逐株记录原木的直径和重量。用烘箱干燥法测量原木的水分含量。在做处理时，原木不剥皮。在原木的不同位置钻孔测量温度。孔径大致等于温度探头直径。然后将温度探头插入孔中，确保每次测试时可精确监控测量原木中心的温度。同时，还需测量真空室内部的温度、木材表面温度和空气温度，以及环境温度。

在每次测试中，共有四根原木，其中三根为处理样品，一根为对照样品。将对照样品放置在处理的真空袋旁边，但不进行处理。把三根处理原木样品放进真空袋里，然后抽成真空。测试真空度设定为46 662 Pa。达到测试真空度后，停止运行真空泵。然后将蒸汽注入真空袋，以使真空袋内部的温度和原木中心的温度升高。当真空袋内温度达到80 ℃后，放慢蒸汽注入，将温度保持在90 ℃以下。当原木中心温度达到60 ℃时，手动控制蒸汽进气量，把中心温度控制在60 ℃，并保持60 min。这样，就认为处理完成。放进空气，打开真空袋，将原木劈开，寻找幼虫、蛹和成虫。将虫从原木中移出并保持在室温下(图10)。如果从处理原木中取出3 h内未观察到虫的蠕动，则认为虫已经死亡。测试发现，从处理过的木材中取出的所有幼虫均已死亡。然而，从对照样品中取出的幼虫约有77%尚处存活状态。试验还详细记录了处理过的样品和对照样品中的幼虫数量，以及每种测试的处理持续时间(表1)。

图10 从经过处理的原木中挑出的光肩星天牛幼虫和成虫

表1 从不同处理材料中找到的天牛数量及处理时间

在不同初始温度下，直径10～26 cm的原木，处理时间最长为500 min。该处理时间比处理托盘的时间长[37]。这是因为托盘顶板和纵条比原木小。真空/蒸汽处理时间还取决于许多因素，比如原木初始起始温度、原木种类、直径、热源大小、含水率和真空容器导热性能等。

经处理后，原木重量将有所增加，平均含水率增加9.1%。含水率的增加值与原木温度和补偿热量损失所需的能量有关。直径22.5 cm的柳树原木真空处理的温度曲线(图11)可以典型反映这一规律。真空室内介质的温度首先升高，并在处理早期快速升高，其次是木材表面温度，原木中心的温度缓慢升高。

图11 直径22.5 cm的柳树原木真空蒸汽处理的温度曲线

5 结语

采用真空/蒸汽技术在真空水平46 662 Pa和蒸汽温度90 ℃的情况下，可以在不到500 min的时间内，杀死直径10～26 cm原木中的所有光肩星天牛。60 ℃保持60 min适中于原木中心，足以杀死所有现存的光肩星天牛幼虫、蛹和成虫。研究还表明，柔性容器真空/蒸汽系统适用于现场热处理，并且有望成为一种成本低的高效处理系统。