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user: 4. 微波土壤消毒设备的发展与分类 得益于微波技术的快速发展，在过去的四十年里国内外科学家不仅利用微波的特性来解决农业中的一些实际问题，并将微波尝试应用于多种产业，其广阔应用前景也倍受各国相关学者的关注，并已将微波技术广泛应用于工农业生产、科学研究、军事装备、通讯广播等各个领域 [ 24 ]。 介质吸收微波能后产生的热效应主要用于加热，当微波被应用于干燥和食品加工中时，人们逐渐地发现了微波的杀毒灭菌作用并被开发应用于消毒和灭菌领域 [ 25 ]。1988年，由我国军工科技工作者首次设计出WBJ650型微波杀菌灭虫设备，规格(长 × 宽 × 高)为120 × 100 × 70 (cm)，底部装有万向轮用作行走，目的是方便室内地面的灵活移动 [ 26 ]。主要用途为图书馆、档案库中的杀菌、灭虫、防霉、消毒等工作。 1994年2月，美国人Rajamannan发明了一种可杀灭土壤中致病菌的土壤作业工具，如图4，形状类似于犁，犁柄为空心，内部安装有微波能量发生器单元，犁柄上有多个孔隙用来释放微波，当其在土壤中移动时将微波能释放作用于周边土壤 [ 27 ]。2003年4月李月章等设计了一种插入式微波土壤杀菌灭虫装置 [ 8 ]，如图4。装置配合乘坐式或自走式农业机械配套使用，结构主要有机架、犁尖、微波发生器、控制器等部件，犁尖有序的排列在正方形机架下方的板上，控制器由导线与微波发生器相接，原理是微波磁控管通过直流高电压产生微波后由波导传输微波进入土壤介质内部实现杀菌。 图4. “犁”型插入式微波土壤消毒装置。1.电缆；2.电铲；3.铲柄；4.微波发电机组；5.金属外壳 2017年8月，美国人Vecchi Giuseppe等发明了一种微波农业土壤消毒系统 [ 28 ]，如图5，圆柱体为系统供电，正方体中配有微波发生器经波导传输后通过单个犁状电磁施加器释放微波，工作时犁状电磁施加器在土壤中跟随整个设备移动，通过发射出的微波进行电磁施加器周边的土壤消毒。 图5. 微波农业土壤消毒系统。1.电源；2.电磁发电机导线；3.微波发生器；4.蒸汽发生器；5.组合电力能源；6.波导线路；7.犁状电磁施加器；8.土壤 上述三种插入式微波土壤消毒设备有效地解决了随着土壤深度的增加微波辐射大幅度衰减的问题。“犁”型插入式消毒装置因具有释放微波的孔隙，工作时进入大量杂质会影响其使用寿命。当土壤含水率较高或遇板结土壤时，插入式装置往往受到较大的阻力而设备损坏，微波设备具有较高的电压与微波辐射，设备的损坏也会引发一系列安全问题。另外，为保护地下微波发生器改变农业工具的机械结构使微波能耦合到土壤中微波效率被严重的限制(图6)。 图6. 插入式微波土壤杀菌装。1.方形槽；2.连接板；3.犁尖；4.过渡棱；5.防护板；6.犁尖群；7.微波发生器；8.控制导线；9.微波磁控管；10.固定架；11.L形机架 2001年美国人Harold Earl Haller发明了一种微波除杂草机 [ 29 ]，如图7。目的是利用所释放出的微波“照射”耕种土壤的表面和次表面，经过有效的微波除草处理后可有效抑制土中的草籽萌发，在作物播种前处理耕地可起到杀灭病菌、杂草及昆虫的效果。微波杂草杀灭机为乘坐式，可加装于用于农业耕作的拖拉机上，配备柴油机与发电机组提供动力。因机具微波释放处与地面的距离无法进行调节，会导致坑洼地段处微波与地面的距离增大，影响作业质量土层较高的地块便会使微波发射部分与土壤进行摩擦造成设备损坏。 图7. 微波杂草杀灭机。1.自走式系统；2.微波电源；3.发电机组；4.微波腔；5.联动装置；6.输出电缆 2002年9月，William J. Clark与Charles W. Kissell共同设计了一种土壤消毒灭虫除草系统，由微波频率电磁辐射源、托架、辐射屏蔽系统(防止辐射泄漏)、冷却系统(防止设备过热)组成，工作时托架将电磁辐射源移动到一个区域进行消毒。设计中因未提及供电装置与设备搭载方式，可行性有待于进一步的研究 [ 16 ] (图8)。 图8. 土壤灭虫除草系统中的微波处理装置。1.微波发射源；2.辐射屏蔽罩 2003年万勇等人发明了一种微波物理杀灭土壤中病菌、病毒、草籽的设备 [ 30 ]，如图9，设备的微波消杀腔正对与田间土壤，微波发生器产生微波可达到部分病菌、病毒、草籽的致死温度70℃以上。 图9. 微波物理杀灭土壤中病菌、病毒、草籽的设备。1.车架；2.微波发生装置；3.腔盒；4.防护罩 2009年10月William Thomas Joines发明了一种农作物秸秆的除菌控制设备，如图10。该设备主要应用与林业生产中的病虫害防治，整套设施主要搭载于汽车配合使用，通过车辆后部搭载的供电系统供给电能使微波系统释放微波，车上方波导管将所产生的微波传导至车辆后部搭载的微波释放室，释放室两侧装有金属滑轨用用来防止微波泄露。但设备中微波所传播的线路横跨车顶，波导的多重折转与较长传输距离会造成微波一定程度上的衰减，因设备搭载于有人驾驶的车辆，虽在微波释放区域两翼安装有微波抑制器来避免微波泄露，但波导分布于驾驶室的前后与上方多个位置，操作者的安全问题无法得到有力保障 [ 31 ]。 图10. 车载微波土壤消毒机。1.供电系统；2.微波发生装置；3.波导；4.微波辐射腔 2013年南京农业机械化研究所研制的NJT6-1型微波土壤处理设备 [ 17 ]，如图11，该小型微波设备将发射出的微波直接辐射于连作后的土壤进行现场作业，实现了微波的土壤实时处理，其每次作业面积为0.81 m 2 ，作业面积较小，因未配备相应发电设备故不适用于田间大面积作业。 图11. NJT6-1型微波土壤处理设备。1.微波发射单元；2.防护外壳 图7~10为四款表面非接触式微波土壤处理设备，是土壤微波消毒设备中较常见的类型，其共同特点是通过微波作用于土壤时不与土壤接触、微波发射腔竖直向下正对土壤进行微波辐射，设备结构简单易操作。但此类设备微波能与土壤的有效耦合困难在于电磁能量释放于土壤表面上方、在农业移动车辆或作业工具上产生，并且通过波导或类似装置耦合到土壤。因此，很大一部分电磁能量不会穿透土壤，此外，由于土壤损耗，能量耦合随深度降低，土层深处达到菌虫等微生物致死及抑制草籽萌发的温度需要消耗较长时间 [ 32 ]。 2006年10月，美国人George W. Wall，发明了一种分离取土式微波土壤消毒设备 [ 33 ]，如图12，工作时首先由掘土装置将待消毒土壤掘出，传送带将其运送至进微波操作台对土壤进行消毒处理，处置后的土壤由传送装置散落到田中。这种形式避免了微波在土壤中的耗散，具有的整地功能也有助于后期播种。设计中使用了速度传感器来监视传送带的速度和设备行走的地面速度，目的是在传送带与设备行走速度不同步时调节二者行进速度一致，但设备为柴油驱动，设备底盘行走速度为相对可调，当土壤消毒所需时间相对较长，需超低速行驶才能满足传送台上的土壤足够的消毒时间，行驶速度略快便会出现输送台上土壤消毒处理时间不足而被还田造成整个土壤土壤消毒工作功亏一篑。 图12. 分离取土式微波土壤消毒机俯视图。1.土壤；2.传送机；3.掘土机；4.微波发生器；5.驱动装置 上述微波土壤消毒设备一般由连续波磁控管组成的单个“小单元”来发射微波，每一个单元通过磁控管接接高压直流电由高压变压器、高压电容和高压二极管等组成倍压半波整流电路升压为直流电压做磁控管工作电压。单个磁控管功率从几十瓦到几千瓦不等，搭载数量根据实际工作需求而定，较高的能耗使设备必须搭载有功能装置。我国微波土壤消毒设备大都由外接电源供能，没有与行走装置、发电机等配套安装，原因是搭载柴油机与发电机后，设备负载加大，柴油机同时用于设备行走与发电会发生无法达到微波消毒设备所需电压的情况。