初探微波土壤處理技術在農業中的應用

秦 璜

（南京寧聯環保科技有限公司，江蘇 南京 210000）

近幾年來，隨著我國農業種植結構的調整，農業設施正處在前所未有的快速發展時期，而溫室作物病蟲害問題也日益突出。尤其是一些專業生產基地連續連茬種植，難以進行輪作，造成有害物質在土壤中積聚，土壤病害加重，品質下降，病菌、蟲卵積聚，一些土傳病蟲害發生越來越重。與此同時，設施內植株處于高溫高濕的微環境中，在連續收獲后，可促進土壤害蟲、雜草的生長，降低作物產量和品質。在作物栽培前對溫室進行消毒是一種廣泛而有效的防治病蟲害的方法。作物防治土壤病害的傳統方法有化學殺菌、蒸汽殺菌和陽光殺菌。化學藥品的殺菌消毒容易引起土壤和空氣污染，對人體危害很大；蒸氣殺菌設備復雜，不適用于大面積土壤消毒；陽光干擾具有季節性和地區性的局限性。若將棚內的土移走，換成新土，需要時間和精力，過一段時間后還會出現之前的病蟲害問題。探索綠色環保的溫室害蟲草害防治新技術，已成為政府和科研工作者在植保、環保等多個學科領域的研究熱點。

1 微波土壤修復技術的基本原理及應用

1.1 微波加熱原理

微波（MW）是一種極短的電磁波，微波加熱有偶極子旋轉，離子傳導兩種機制。離子場阻礙離子控制介質的離解運動，從而產生熱傳導[1]。雙極性旋轉是電介質中的一種極化現象，它對極性分子產生摩擦作用，從而獲得能量。微波加熱相對于傳統加熱有其獨特的優點，微波以光速進入物體，可作為一個整體進行加熱，因為沒有溫度梯度影響，加熱速度很快。

1.2 微波土壤修復機理應用

在干燥的土壤中微波由于介電損耗系數低，很難被吸收[2]。因此，為了提高受污染土壤的微波吸收和傳輸能力，通常需要改進微波吸收介質，如水、碳顆粒、石墨和磁性納米顆粒，而污染物在加熱中會蒸發、分解或被固定在土壤中，微波的土壤修復方法主要通過以下三種機理來進行。

1.2.1 揮發作用

當土壤中含有水分時，微波會被快速吸收，并轉化為熱源，使土壤溫度迅速上升并保持100 ℃左右[3]。與此同時，熱量會向土壤和污染物轉移。這一過程非常迅速，污染物幾乎與水同時受熱，并隨蒸汽一起流動揮發。另外，隨著溫度的升高，污染物的蒸發壓力增大，擴散系數增大，導致污染物在空氣中的分布增大。水蒸氣的使用使污染物增多和蒸發。在多級蒸餾過程中可以采用半揮發性污染物，即重復加水和微波輻射進行處理[4]。

1.2.2 分解作用

在污染物為半揮發性和難以揮發的情況下，常通過添加碳珠、石墨粉、磁性材料等介電常數較好的介質，或添加酸液、堿液等電解質溶液，來提高土壤的微波吸收能力和導熱性，提高土壤的介電常數[4]。這樣，土壤系統的溫度就能超過200 ℃，而且吸收介質周圍的土壤溫度可能會更高。污染物質可分解為小的揮發性分子，或隨水蒸汽一起蒸發，或被載氣一起帶出。

1.2.3 固定作用

如果吸收性介質具有良好的微波吸收和傳熱能力，若將被污染的土壤系統整體暴露于微波輻射中，將產生很高的溫度。微波能更好地吸收，均勻加熱周圍的土壤，并將其從桿底移至離地面幾厘米的地方，產生足夠高的地溫，它好像把一個電極插入地面以產生電流。特別是有機化合物，它們在巖石礦物的中間層會鈣化或磨碎，分解甚至壓縮成小分子[5]。這種小分子、還有一些污染物的大分子、重金屬等，可以固定在石頭礦物的中間層，再用玻璃化粘土來覆蓋。最終一些中間產物，如含氧分子和含汞分子，通過離子-電子傳遞，并通過化學鍵合，在粘土的八面體中與Al3+結合，這個過程的溫度可以達到1 000 ℃；在這種情況下，土壤受到一定的破壞。然而，對重金屬土壤卻有較為理想的處理效果[6]。除此之外，對各類有機污染物如非極性污染物、持久性污染物、疏水性污染物的處理效果也極佳。

簡單來說，微波的頻率范圍為300～300 GHz，波長為1 mm～1 m，是一種穿透性電磁波。微波場的地面處理特別適用于土壤處理。他們能殺死土壤中的有害生物，同時也能促進農藥殘留降低，增強土壤中元素的活性，減少有害生物。用微波輻射土壤，可以殺死雜草、害蟲、真菌。土里有害蟲，很難發現，日常管理也很困難。如果植株出現受害癥狀，再防治就太晚了。而且它們可以通過灌溉水傳播。所以一旦發生就很難根除。微波輻射土壤可以選擇性地增加極性分子，從而對害蟲造成熱害。另外，微波消毒土壤具有無殘留、無抗性的特點[7]。

2 國內外微波土壤處理技術的發展及現狀

長期以來，外國學者一直在使用微波輻射來處理溫室土壤，英國科學家在20世紀70年代做過一個實驗，用微波殺死地面上的草籽，發現濕潤土壤中的草籽更容易被殺死。美國科學家的實驗表明，如果微波能達到70 j/ cm2，就能殺死草籽。采用45～730 j/cm2，2 450 MHz微波輻射栽培甜瓜。實驗證明，微波對幾種牧草種子均有殺滅作用，但對發芽率無影響。自2005年中國農藥信息網發布農藥信息后，德國農機公司研制了微波蟲害儀。在犁的頂端裝有6千瓦微波發射器，當拖拉機在田間犁地時，微波發射器向地面發射微波，對地面上的病蟲草害進行處理，殺滅害蟲，效果顯著。我國在這方面的研究主要是借鑒國外的研究成果[8]。用來處理中國的土壤的“微波爐”通常可以分成兩類：一是利用微波對土壤進行處理，觀察其有機質和害蟲的變化；這種研究主要在實驗室進行；另一種是微波輻射溫室土壤，然后對土壤有機質和微生物在處理深度和處理時間方面的影響進行研究。后一種設備是用于野外工作的。科學技術部南京農機化研究所研制的新型微波發生器——微波爐，于2011年正式投入使用。頻段是2 450 MHz。驅動微波發生器的380 V電壓工作，整個裝置主要由電子元件、導波元件及微波發生器等組成，如圖1所示。如裝置運轉時，將微波發生器推入處理后的地面，將導波管和波導保護罩也同時推入。開機后，微波發生器繼續工作，按照實際加熱時間，微波選擇性地加熱極性分子，會對根線蟲和其它害蟲產生熱危害。在根線蟲和其它害蟲正常生長發育過程中產生的各種損害是由“生物效應”引起的，目的是減少植物根部的感染，延長設備連續使用率及處理土壤的時間。微波場處理的土壤根結線蟲的數量明顯減少，作物整個生育期的發病率較未處理土壤降低20.9%。

圖1 NJT6—1型微波土壤處理設備結構簡圖

表1 主要性能指標和技術參數

3 微波土壤處理技術的發展趨勢

微波對土壤殺菌和殺蟲劑的處理主要依賴于微波的熱效應，存在著耗時長、效率低、成本高、殺滅不均勻及微波泄漏等問題。未來，科學技術的發展與農業生產的結合將更加緊密，還會不斷擴大農業設施規模，高效率的微波地面處理設備和技術的需求也會逐步增加，微波地面處理設備也將變得高效及智能化。由此可知，進一步探討微波土壤處理技術對我國未來的土壤治理和環境改善具有重要意義。

目前，微波土壤處理正在向在線檢測處理和自動、均勻、永久運行方向發展，不斷實現土壤處理的高效率、連續化、均勻化。

4 結論

目前，人們的生活質量在城市化進程不斷加快的背景下得到了前所未有的提升，對于一些反季節的水果、蔬菜等綠色食材的需求也在逐年上升。為了滿足人們的生活需求，溫室大棚數量不斷增多，但是由于溫室大棚的連作形式，使得病蟲害問題無法得到有效解決，甚至在不斷地種植中，土壤中的有害物質也在不斷增加，導致大量溫室不能使用。為了解決這一問題，有學者提出利用微波技術來治理溫室大棚土壤的病蟲害問題。經實踐，該方法在農作物種植和病蟲害防治中起到了積極作用。在未來一段時間內，微波土壤處理技術將得到更快、更高效的發展，并能夠成為具有顯著社會經濟效益和生態效益的新興生態保護技術。