初探微波土壤处理技术在农业中的应用

秦 璜

（南京宁联环保科技有限公司，江苏 南京 210000）

近几年来，随着我国农业种植结构的调整，农业设施正处在前所未有的快速发展时期，而温室作物病虫害问题也日益突出。尤其是一些专业生产基地连续连茬种植，难以进行轮作，造成有害物质在土壤中积聚，土壤病害加重，品质下降，病菌、虫卵积聚，一些土传病虫害发生越来越重。与此同时，设施内植株处于高温高湿的微环境中，在连续收获后，可促进土壤害虫、杂草的生长，降低作物产量和品质。在作物栽培前对温室进行消毒是一种广泛而有效的防治病虫害的方法。作物防治土壤病害的传统方法有化学杀菌、蒸汽杀菌和阳光杀菌。化学药品的杀菌消毒容易引起土壤和空气污染，对人体危害很大；蒸气杀菌设备复杂，不适用于大面积土壤消毒；阳光干扰具有季节性和地区性的局限性。若将棚内的土移走，换成新土，需要时间和精力，过一段时间后还会出现之前的病虫害问题。探索绿色环保的温室害虫草害防治新技术，已成为政府和科研工作者在植保、环保等多个学科领域的研究热点。

1 微波土壤修复技术的基本原理及应用

1.1 微波加热原理

微波（MW）是一种极短的电磁波，微波加热有偶极子旋转，离子传导两种机制。离子场阻碍离子控制介质的离解运动，从而产生热传导[1]。双极性旋转是电介质中的一种极化现象，它对极性分子产生摩擦作用，从而获得能量。微波加热相对于传统加热有其独特的优点，微波以光速进入物体，可作为一个整体进行加热，因为没有温度梯度影响，加热速度很快。

1.2 微波土壤修复机理应用

在干燥的土壤中微波由于介电损耗系数低，很难被吸收[2]。因此，为了提高受污染土壤的微波吸收和传输能力，通常需要改进微波吸收介质，如水、碳颗粒、石墨和磁性纳米颗粒，而污染物在加热中会蒸发、分解或被固定在土壤中，微波的土壤修复方法主要通过以下三种机理来进行。

1.2.1 挥发作用

当土壤中含有水分时，微波会被快速吸收，并转化为热源，使土壤温度迅速上升并保持100 ℃左右[3]。与此同时，热量会向土壤和污染物转移。这一过程非常迅速，污染物几乎与水同时受热，并随蒸汽一起流动挥发。另外，随着温度的升高，污染物的蒸发压力增大，扩散系数增大，导致污染物在空气中的分布增大。水蒸气的使用使污染物增多和蒸发。在多级蒸馏过程中可以采用半挥发性污染物，即重复加水和微波辐射进行处理[4]。

1.2.2 分解作用

在污染物为半挥发性和难以挥发的情况下，常通过添加碳珠、石墨粉、磁性材料等介电常数较好的介质，或添加酸液、碱液等电解质溶液，来提高土壤的微波吸收能力和导热性，提高土壤的介电常数[4]。这样，土壤系统的温度就能超过200 ℃，而且吸收介质周围的土壤温度可能会更高。污染物质可分解为小的挥发性分子，或随水蒸汽一起蒸发，或被载气一起带出。

1.2.3 固定作用

如果吸收性介质具有良好的微波吸收和传热能力，若将被污染的土壤系统整体暴露于微波辐射中，将产生很高的温度。微波能更好地吸收，均匀加热周围的土壤，并将其从杆底移至离地面几厘米的地方，产生足够高的地温，它好像把一个电极插入地面以产生电流。特别是有机化合物，它们在岩石矿物的中间层会钙化或磨碎，分解甚至压缩成小分子[5]。这种小分子、还有一些污染物的大分子、重金属等，可以固定在石头矿物的中间层，再用玻璃化粘土来覆盖。最终一些中间产物，如含氧分子和含汞分子，通过离子-电子传递，并通过化学键合，在粘土的八面体中与Al3+结合，这个过程的温度可以达到1 000 ℃；在这种情况下，土壤受到一定的破坏。然而，对重金属土壤却有较为理想的处理效果[6]。除此之外，对各类有机污染物如非极性污染物、持久性污染物、疏水性污染物的处理效果也极佳。

简单来说，微波的频率范围为300～300 GHz，波长为1 mm～1 m，是一种穿透性电磁波。微波场的地面处理特别适用于土壤处理。他们能杀死土壤中的有害生物，同时也能促进农药残留降低，增强土壤中元素的活性，减少有害生物。用微波辐射土壤，可以杀死杂草、害虫、真菌。土里有害虫，很难发现，日常管理也很困难。如果植株出现受害症状，再防治就太晚了。而且它们可以通过灌溉水传播。所以一旦发生就很难根除。微波辐射土壤可以选择性地增加极性分子，从而对害虫造成热害。另外，微波消毒土壤具有无残留、无抗性的特点[7]。

2 国内外微波土壤处理技术的发展及现状

长期以来，外国学者一直在使用微波辐射来处理温室土壤，英国科学家在20世纪70年代做过一个实验，用微波杀死地面上的草籽，发现湿润土壤中的草籽更容易被杀死。美国科学家的实验表明，如果微波能达到70 j/ cm2，就能杀死草籽。采用45～730 j/cm2，2 450 MHz微波辐射栽培甜瓜。实验证明，微波对几种牧草种子均有杀灭作用，但对发芽率无影响。自2005年中国农药信息网发布农药信息后，德国农机公司研制了微波虫害仪。在犁的顶端装有6千瓦微波发射器，当拖拉机在田间犁地时，微波发射器向地面发射微波，对地面上的病虫草害进行处理，杀灭害虫，效果显著。我国在这方面的研究主要是借鉴国外的研究成果[8]。用来处理中国的土壤的“微波炉”通常可以分成两类：一是利用微波对土壤进行处理，观察其有机质和害虫的变化；这种研究主要在实验室进行；另一种是微波辐射温室土壤，然后对土壤有机质和微生物在处理深度和处理时间方面的影响进行研究。后一种设备是用于野外工作的。科学技术部南京农机化研究所研制的新型微波发生器——微波炉，于2011年正式投入使用。频段是2 450 MHz。驱动微波发生器的380 V电压工作，整个装置主要由电子元件、导波元件及微波发生器等组成，如图1所示。如装置运转时，将微波发生器推入处理后的地面，将导波管和波导保护罩也同时推入。开机后，微波发生器继续工作，按照实际加热时间，微波选择性地加热极性分子，会对根线虫和其它害虫产生热危害。在根线虫和其它害虫正常生长发育过程中产生的各种损害是由“生物效应”引起的，目的是减少植物根部的感染，延长设备连续使用率及处理土壤的时间。微波场处理的土壤根结线虫的数量明显减少，作物整个生育期的发病率较未处理土壤降低20.9%。

图1 NJT6—1型微波土壤处理设备结构简图

表1 主要性能指标和技术参数

3 微波土壤处理技术的发展趋势

微波对土壤杀菌和杀虫剂的处理主要依赖于微波的热效应，存在着耗时长、效率低、成本高、杀灭不均匀及微波泄漏等问题。未来，科学技术的发展与农业生产的结合将更加紧密，还会不断扩大农业设施规模，高效率的微波地面处理设备和技术的需求也会逐步增加，微波地面处理设备也将变得高效及智能化。由此可知，进一步探讨微波土壤处理技术对我国未来的土壤治理和环境改善具有重要意义。

目前，微波土壤处理正在向在线检测处理和自动、均匀、永久运行方向发展，不断实现土壤处理的高效率、连续化、均匀化。

4 结论

目前，人们的生活质量在城市化进程不断加快的背景下得到了前所未有的提升，对于一些反季节的水果、蔬菜等绿色食材的需求也在逐年上升。为了满足人们的生活需求，温室大棚数量不断增多，但是由于温室大棚的连作形式，使得病虫害问题无法得到有效解决，甚至在不断地种植中，土壤中的有害物质也在不断增加，导致大量温室不能使用。为了解决这一问题，有学者提出利用微波技术来治理温室大棚土壤的病虫害问题。经实践，该方法在农作物种植和病虫害防治中起到了积极作用。在未来一段时间内，微波土壤处理技术将得到更快、更高效的发展，并能够成为具有显著社会经济效益和生态效益的新兴生态保护技术。