土壤蒸汽消毒技术研究与应用进展*

宋悦，王生北，张毅杰，李龙，张宇乾，杨振杰

(云南农业大学机电工程学院，昆明市，650201)

0 引言

土壤作为农作物重要的生长基质，是保障粮食安全的基础，同样也是土传病害传播的主要场所[1-3]。近年来，我国越来越多的农作物呈现出周年性多耕多种的生产趋势，耕地资源被过度利用，土壤连作障碍问题日益突出[3-5]。作物常年连作后，土壤中会产生大量的病原菌，其能侵染作物根系，且连作后的土壤还会产生土壤板结、土壤孔隙变小等现象，最终导致植物生长发育异常及产量下降等一系列问题，不仅影响了农民的收入，还制约着农业可持续发展[1, 6-7]。对土壤进行消毒作业能够快速、高效地杀灭土壤中的真菌、细菌和杂草等，可以很好地解决作物连作障碍问题，且能够提高作物的产量和质量，目前常用土壤消毒技术可分为物理消毒、化学消毒和生物熏蒸消毒技术[8-9]。

物理消毒主要包括太阳能消毒、蒸汽消毒、热水消毒、火焰消毒和电处理消毒技术等，其基本原理都是通过不同种类的热源将土壤温度升高到一定程度，以达到消除土壤病虫害等目的[10]。其中，太阳能消毒技术适用于高温季节，该技术可操作性强、经济实用且对生态环境安全无害，但是该技术受气候和季节更迭等因素制约较大，效果并不稳定[11-12]；蒸汽消毒技术是防治土传病害的重要手段，该技术能有效解决连作障碍问题，可以直接通过高温杀死导致植物病变的真菌、细菌、线虫及地下害虫等[12-13]。此外，土壤蒸汽消毒技术能改善土壤不良结构体形状，增加土壤的透气性和排水性，大大提高了各类作物的产量和品质，从而达到农作物高效稳产的目的[13-15]；热水消毒技术是将高温锅炉产生80 ℃～95 ℃的热水通过热水管喷洒到土壤的表层或者直接插入土壤深处进行消毒，该技术可以有效地防止多种土传病害，符合生态友好学和不受季节的制约，广泛应用于日、韩等国，但该技术存在成本较高和操作复杂的问题[8-9, 16-18]；火焰消毒技术指在短时间内产生1 000 ℃高温对地表进行消毒，该技术无污染、无残留且不破坏土壤养分，但对于深层的土壤无法进行彻底的消毒[19]；电处理消毒技术是依靠土壤溶液的电化学反应机理来杀灭土壤有害微生物，该技术存在工艺复杂和消毒范围小的问题[20]。

化学消毒技术是指利用各种化学药剂(如：溴甲烷、氯化苦、威百亩和棉隆等)通过植保机具喷淋、浇灌和熏蒸等方式对土壤进行消毒，化学消毒技术因其价格低廉、作用迅速、高效且可以有效地降低土壤中有害菌数量等特点，被广泛用于农业土壤消毒作业中，但是农民往往不规范地使用化学药剂，极易造成农药残留、地下水污染和破坏臭氧层等问题。近年来，随着农产品的质量安全得到人们越来越多的关注，发达国家在2005年已淘汰溴甲烷，发展中国家也于2015年淘汰，化学药剂在未来的使用中会受到越来越多的限制[10, 21-22]。

生物熏蒸消毒技术是指通过生物熏蒸材料(植物或家畜粪便)产生挥发性活性物质，同时提高土壤温度，以达到对细菌、真菌、线虫以及杂草的防治，该技术虽然具有天然、环保及成本低等特点，但是植物类熏蒸材料的种植周期较长，因此，生物熏蒸技术在目前难以普及使用[10, 23-24]。

相比较其他土壤消毒技术而言，土壤蒸汽消毒技术在防治土传病害时消毒效果稳定，且不会造成任何污染，符合可持续农业发展的要求，是目前比较理想的土壤消毒技术。本文主要阐述了土壤蒸汽消毒技术的基本原理和研究概况，通过对国内外蒸汽消毒技术研究进展的论述，指出了目前土壤蒸汽消毒技术研究与应用中存在的不足，并展望了土壤蒸汽消毒技术的应用前景。

1 土壤蒸汽消毒技术基本原理及概况

土壤蒸汽消毒技术是将高压蒸汽锅炉产生的水蒸汽不断通入土壤中，可以使土壤的温度逐渐上升到80 ℃以上，而大多数土壤中的有害真菌、细菌、土壤中的昆虫和杂草种子的灭活温度在60 ℃～80 ℃之间(表1)，因此，土壤在升温过程中可以杀死大部分病原菌和害虫，从而有效地缓解了连作障碍带来的一系列问题[17-18, 25-28]。另外，在水蒸汽不断通入深层土壤的过程中会形成“冷凝—蒸发”的循环过程(图1)，水蒸汽在进入土壤后首先会冷凝成水，其次，由于蒸汽消毒机不断通入蒸汽，冷凝的水又会蒸发成水蒸汽，整个过程不仅可以增加土壤孔隙度和改善土壤的通透度，而且还能缓解设施农业中土壤盐渍化问题，有效地调节土壤生态系统的平衡[29-33]。土壤蒸汽消毒技术处理后的耕地可以实现在短周期内播种，与化学消毒技术相比，该方法具有高效、清洁及无毒等优点，符合绿色发展理念，是目前国内外使用最为广泛的土壤消毒方法之一[34-35]。

表1 病菌和害虫的杀灭温度Tab. 1 Killing temperature of germs and pests

图1 水蒸汽在土壤中“冷凝—蒸发”循环过程示意图

德国人Frank最早在1888年开始研究土壤蒸汽消毒法，该技术最初应用于温室中对杂草、病原体、线虫的控制[34]；1946年Johnson使用静态的方法把蒸汽引入到地表和地下进行消毒，抑制了病原菌的生长繁殖[35]；Baker又对水分、孔隙率等因素进行了深入性的研究，将土壤与蒸汽混合提高了加热速度[36]。20世纪60年代，在欧美等国家土壤蒸汽消毒方面的基础研究已经基本形成，但大多数都采用在土壤中埋消毒管道的方式进行消毒，未能形成动力式一体化蒸汽消毒机[37]。进入21世纪以来，为了提高土壤蒸汽消毒效率和替代人工铺设管道的方法[38-39]，Peruzzi等[38]开发了一种新型移动式土壤蒸汽消毒机，该消毒机虽然提高了蒸汽消毒效率，但是机器在行走的过程中会伴随着大量的蒸汽溢出，造成了大量热量损失，直接导致深层土壤无法在短时间内达到足够杀死病虫害的温度。

我国的土壤蒸汽消毒技术研究还处于基础阶段，土壤和基质蒸汽消毒机械化水平不高，大多数地区仍然通过人工铺设网状消毒管道的方式，其将高压蒸汽锅炉产生的蒸汽送入管道中，从而达到消毒目的[34]。这种方法虽然可以减少热量在传递过程中的损失，但却极其费时费力，目前这种方法在发达国家已经不再使用[40-41]。喻自荣[42]为了解决温室基质消毒问题，设计了一种自走式温室育苗消毒机，通过在机架的正上方安装罩壳减少了热量的流失，提高了消毒效率；施印炎等[43]为了解决消毒设备通用性差、结构繁杂、成本高和效率低等问题，设计了一款可移动土壤蒸汽消毒机，该消毒机通过末端消毒机构进行传热，减轻了劳动强度，提高了工作效率；此外，国内的专家又针对不同作物产生的不同真菌、细菌、害虫进行了研究，王山松引进土壤蒸汽消毒技术防治番茄根结线虫，通过田间试验及数据分析，使用该技术处理2 h后可以显著降低根结线虫的数量，有效地防治了番茄根结线虫带来的危害。

2 土壤蒸汽消毒技术研究与应用进展

2.1 土壤蒸汽消毒方式

土壤蒸汽消毒技术是指利用蒸汽将土壤中的有害菌加热致死，该技术根据蒸汽消毒方式的不同可以分为覆膜式、铁罩式和注入式。

覆膜式消毒与铁罩式消毒原理类似，覆膜式消毒是指在蒸汽消毒作业时，蒸汽通入土壤表层后，在土壤的表层铺上一层隔热棉被或者抗热塑料膜，使蒸汽消毒区域形成一个密闭的区域，从而减少了蒸汽的散失[34, 44-45]；铁罩式消毒是指在消毒过程中将铁罩嵌入土壤中，同时将高压蒸汽锅炉产生的蒸汽通入土壤的表层，蒸汽在表层聚集后加热，这种方式为对流传热，土壤层对水蒸汽和冷凝的水起阻碍作用，随着土壤层深度的增加，水蒸汽下渗速度减慢，地表由于不断通入的水蒸汽而产生过热区域集中现象，造成大量的热量散失[35, 37]。Perruzzi等[38]将覆膜法和化学法相结合，在消毒过程中，使产生的水蒸汽与CaO、KOH发生反应，接着在土壤表面覆膜，有效地防止了热量的散失，土壤的温度也能在短时期内持续达到60 ℃，同时覆膜后的土壤的保温能力也有所增强。覆膜式不能将高温水蒸汽通过压力压入土壤中，而铁罩式可以直接嵌入到土壤中，因此，铁罩式消毒的效果比覆膜式消毒的效果更好，尽管二者都能对土壤的表层进行消毒，但是在更深层的土壤中不能达到良好的消毒效果。

注入式消毒是指蒸汽发生装置产生的饱和干蒸汽通过蒸汽输送管注入深层土壤中，通过高温杀灭有害菌、线虫和土传病毒等。蒸汽消毒过程中部分饱和干蒸汽会冷凝成液态水堵塞土壤孔隙，但随着蒸汽的不断通入，土壤孔隙中的冷凝水会再次加热成水蒸汽，达到疏松土壤孔隙的目的[46]。注入式消毒在消毒过程中，又可以分为连续式和间歇式两类。其中，连续式以汪小旵等[47]设计的移动式土壤蒸汽消毒机为例，虽然该类消毒机的机动性较好，基本满足土壤蒸汽消毒技术的需求，但是在移动的过程中会导致大量热量损失；间歇式以Gay等[34-35]设计的蒸汽消毒机为主，在砂质土中将铁罩式消毒与注入式消毒结合使用，提高了蒸汽消毒的效果。此外，杨振杰[37]针对粘质土壤研制了一种土壤旋耕蒸汽消毒机，该消毒机构整体主要包括蒸汽发生装置(锅炉)、动力输出装置、控制系统、旋耕起垄装置及末端消毒装置等，消毒机在工作时，首先旋耕刀对土壤进行精细化处理，起垄成一片适当的消毒区域，其次控制系统调节末端消毒机构注入土壤进行消毒作业，最后向下一片消毒区域进行作业。该装置消毒时不仅能够改善土壤结构，而且解决了在消毒过程中蒸汽扩散困难和消毒管周围温度传递不均匀等问题。

综上所述，目前所采取的覆膜式与铁罩式消毒效率不高，而且对于深层的土壤消毒效果并不理想。注入式消毒利用其蒸发—冷凝机制能够对土壤内部进行高效消毒，但由于其热量散失问题，目前国内外的消毒方式多集中在铁罩式与注入式消毒结合的方法进行研究，土壤蒸汽消毒技术不仅要考虑到消毒方式的合理使用，而且在不同土壤类型(砂质土和粘质土)中蒸汽消毒效果有所差别，故还需对不同土壤类型的蒸汽消毒进一步分析。

2.2 末端蒸汽消毒机构

土壤蒸汽消毒机由动力行走装置、蒸汽发生器(锅炉)和末端消毒机构组成，如图2所示，其中，末端消毒机构是土壤蒸汽消毒机的重要组成部分，故末端消毒机构的结构参数会对土壤蒸汽消毒效果产生影响。此外，末端消毒机构在插入土壤中进行消毒作业时，不同土壤类型也会影响蒸汽消毒效果，比如砂质土的透水透气性优于粘质土和壤质土，具体土壤质地特征[48]如表2所示。

图2 土壤蒸汽消毒机装置示意图

西北农林科技大学许永福等为了提高消毒效率，设计出一款刺罩式土壤蒸汽消毒机，该装置的末端消毒机构采用刺罩式结构，其在980 mm×760 mm罩壳上，布置20个半径为40 mm、高度为320 mm的针刺，且相邻两针刺之间的间距为200 mm，同时为了验证其消毒效果，对不同的作物种子和病原菌进行了土壤消毒试验，结果表明：土壤温度在达到80 ℃，保温20 min后可对作物种子(白菜、小麦、玉米)的萌发和病原菌的繁殖起到抑制作用。该蒸汽消毒机虽然在末端消毒机构的铁罩上对针刺进行了布置，但是未能通过对比试验找出最佳的排布方案。蒋雪松等基于脉冲式土壤蒸汽消毒机，对蒸汽盘、蒸汽罩盖及消毒针头等关键部件进行了设计，利用Fluent软件分析模拟了消毒针头周围的温度云图，且在半径10 cm、土壤深度21 cm范围内进行试验，在前7 min内不断通入蒸汽并停止，发现35 min后土壤的温度仍然能够达到90 ℃以上，保证了土壤蒸汽消毒所需的温度，为了节约能耗，将管间距设计成了14 cm，这样消除了蒸汽消毒过程中存在的消毒盲区。

表2 不同土壤质地特征Tab. 2 Different soil texture characteristics

Gay等[34-35]在砂壤土中进行了蒸汽消毒试验研究，选取空心圆柱铁管作为消毒管，该消毒管的壁厚2 mm，直径为21 mm，长度为250 mm，且将管间距设计为230 mm，同时采用铁罩式和注入式结合的手段在土壤层深16 mm处进行土壤消毒试验，结果表明：消毒8 min时就可以达到消毒效果。王凤花等[49]针对三七连作障碍问题，对消毒管的参数进行了优化，且使用Fluent软件进行了管内部流场的仿真，并在土槽中进行了试验，试验结果表明：消毒管的气孔处的温度不随流速、压力的变化而明显变化，且消毒管在排布方式为6×6和管间距为250 mm的布局时，能满足将15～20 cm深度的土壤，在10 min内加热到90 ℃的农艺要求。通过对消毒管参数的优化，可以减少热量损失，并且也为后期学者在简化消毒机构时提供了试验依据。

Yang Zhenjie等[50]在粘土中进行了多管蒸汽消毒试验研究，探究了4种管间距(120、180、240和300 mm)处理下土壤温度和水分分布规律。试验结果表明：当管间距为180 mm时，管间蒸汽可以完全集中在消毒区域内，且形成连续、均匀的温度分布，避免了蒸汽量的无效损失。

综上所述，末端消毒机构的参数影响蒸汽消毒效果，消毒管不仅要根据具体的土壤层深进行布置，而且管间距也要根据不同的土壤类型进行设计，当消毒的土壤为砂质土时，管间距基本设置在230～250 mm。而对于粘质土，管间距要适当减小，设置在180～230 mm之间。故末端消毒机构中消毒管的参数的选择需要配合对应的土壤类型进行调整，以提高消毒区域内土壤温度分布的均匀性和减少在土壤蒸汽消毒作业中功率的消耗。

3 土壤蒸汽消毒技术的不足与展望

3.1 土壤蒸汽消毒技术的不足

近年来，随着我国大量的农作物在短周期内过度耕种，土传病害问题在农业领域日益突出，土壤蒸汽消毒技术具有环保、高效、清洁及周期短等特点，是防控土传病害的重要手段。尽管国内外专家已经开展了大量的研究，但仍有以下不足，有待深入研究。

1) 缺乏对消毒方式的合理使用。由于蒸汽消毒作业时，土壤中会出现过多的冷凝水导致土壤孔隙被堵塞，进而影响蒸汽扩散范围和土壤升温速率，最终会影响蒸汽消毒效果。为保证杀菌效果，大多数学者向连作土壤中不断注入高温水蒸汽以满足灭杀温度要求。该方式虽然解决了土壤有害菌灭杀温度的要求，但实际应用中不仅耗时耗力，而且增加了成本，因此，更合理的消毒方式的选用值得深入研究。

2) 缺乏对末端消毒机构的优化设计。由于土壤蒸汽消毒作业环境复杂，特别是对于西南丘陵地区进行蒸汽消毒作业时，未能设计出相匹配的末端消毒机构，以至于无法解决连作障碍问题，进而影响了作物的生长。其次，国内外专家没有在杀菌温度和土壤环境因素结合的情况下，优化设计出适用性强的末端消毒机构，从而导致一些地区虽然进行了土壤蒸汽消毒作业，但是作物的产量和品质仍无法达到理想的效果，同时土壤蒸汽消毒机中的末端消毒机构参数也未能实现标准化。

3) 土壤温度场与有害菌灭杀率之间的耦合作用关系不明确。国内外专家在研究土壤蒸汽消毒技术时，多集中在热质传递的研究，但并未对温度场与真菌和细菌的灭杀率之间的关系进行具体的研究，特别是在消毒过程后未能对菌落种类和数目的变化情况进行深入研究。其次，在消毒作业周期内(半年或一年)，缺乏对土壤使用情况开展具体研究，以至于蒸汽消毒作业后，并不能真正地解决土传病害带来的一系列问题。

4) 缺少对不同作物引起连作障碍的具体原因的研究。由于在种植不同作物时所产生的土传病害不同，国内外专家在土壤进行蒸汽消毒作业时，未能根据不同作物产生的土传病害进行深入研究，且针对不同作物连作后的土壤所需的消毒时间也不明确，例如：病原真菌(尖孢镰刀菌)的数量是限制西瓜连作障碍问题的主要障碍因素[51-53]；根结线虫数量是影响番茄重茬产生的土传病害的重要原因之一。目前，土壤蒸汽消毒技术在解决不同作物产生的连作障碍问题时，具体的实施方案尚不明确。

5) 缺少土壤蒸汽消毒技术在设施农业中的应用研究。设施农业中最常见的问题就是土壤连作问题，土壤由于长期的施肥积累且缺少雨水的淋溶，土壤系统的平衡被破坏，导致土壤盐渍化，而土壤蒸汽消毒技术不仅能解决土壤连作障碍问题，而且也能有效地缓解设施农业中所产生的土壤盐渍化问题[54-56]。目前，国内外专家在设施农业中应用土壤蒸汽消毒技术较少，尤其是在解决设施农业中土壤盐渍化问题方面。

3.2 土壤蒸汽消毒技术应用展望

1) 加快研发出新的消毒方式。土壤蒸汽消毒技术在实际应用中，由于现存的消毒方式(覆膜式、铁罩式和注入式消毒)消毒效率并不理想，故在后期的土壤蒸汽消毒技术研究中，需要根据不同的土壤类型和不同地势等一系列因素的影响，加快研发出能够实现消毒周期短和消毒效果好的消毒方式，以供农民在进行土壤蒸汽消毒作业时能够选择更合理的消毒方式，充分提高对土壤的利用率，以达到提高作物的产量和质量的目的。

2) 加强对末端消毒机构的优化设计。由于我国土壤蒸汽消毒技术应用起步较晚，因此，对应的消毒装备和其末端消毒机构的研究不够深入，未能全面系统地设计出与实际消毒作业环境相匹配的末端消毒机构。为解决该问题，我国需进一步提高蒸汽消毒装备的自主研制能力，为土壤蒸汽消毒技术的深入研究提供有力保障。此外，由于末端消毒机构是实现蒸汽消毒作业的关键，故还需要根据不同的土壤类型和不同地势，全面系统地对末端消毒机构进行优化设计，使末端消毒机构参数实现标准化，以提高土壤蒸汽消毒效率。

3) 探明温度场与有害菌灭杀率的作用关系。在土壤蒸汽消毒作业中，为解决高附加值作物连作障碍问题，需要明确温度场与土传病害灭杀率的关系。以云南三七连作障碍问题为例，近年来，由于三七种植面积逐渐增多，其连作障碍问题日益凸显，三七连作后的土壤会产生大量的病原菌，各类有害菌通过侵染根系致使三七患病，该问题严重制约了三七种植产业的可持续发展[57-60]。为了解决三七连作障碍问题，同时结合红壤土通气性、透水性特点[61-63]，因此，今后需要进一步探究三七消毒作业后红壤土温度场变化规律及其与病原菌灭杀率之间的关系，以期达到三七种植产业可持续发展的目的。

4) 加深对不同作物连作障碍问题的研究。针对不同作物，需要结合土壤学、生物学和化学等学科加深研究土壤连作障碍问题，由于不同作物连作障碍问题是由不同的真菌、细菌和害虫所引起的，且各种真菌、细菌和害虫对不同作物的影响也不同。因此，在对土壤进行蒸汽消毒作业时，要针对不同作物所产生的土壤连作障碍问题，进行优化和改进土壤蒸汽消毒技术，进而能够针对不同的作物，明确所采用土壤蒸汽消毒技术的具体方案，以期解决不同的作物产生的连作障碍问题。

5) 加速开展土壤蒸汽消毒技术在设施农业中的应用。设施农业是近年来一个新的技术生产体系，作物在温室中长期连作后，不仅会产生土传病害等问题，而且过量的施肥、施药还会使土壤盐渍化[29-33, 64-65]。土壤蒸汽消毒技术可以通过高温杀灭有害病菌，并且该技术具有“冷凝—蒸发”循环特性，可以有效地缓解土壤盐渍化问题和促进土壤生态系统的修复。国内设施农业领域目前发展并不成熟，土壤蒸汽消毒技术在该领域的应用较少，因而，要加速开展该技术在设施农业领域的应用。