射頻制熱技術應用現狀及土壤射頻消毒展望

楊風波，張 玲，金永奎，薛新宇，張學進

射頻制熱技術應用現狀及土壤射頻消毒展望

楊風波，張 玲※，金永奎，薛新宇，張學進

（農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014）

土壤消毒領域經過多年發展，已經形成較為成熟的應用市場。針對化學、生物等傳統消毒方式已經不能滿足目前土壤消毒多元需求的問題，該文聚焦現代土壤消毒的應用需求，較為明確的分析了傳統消毒方式的顯著效果及典型缺陷，基于現有研究基礎，探索性的提出將射頻制熱消毒技術應用到土壤消毒領域并研制對應裝備的設想。首先，綜合歸納了射頻制熱系統的組成、分類及制熱性能影響因素，并分析了射頻制熱不均性的基本原因；其次，梳理總結了射頻制熱技術在工業、醫療、紡織輕工業、林業產品加工、農副產品加工等領域的應用現狀，并針對農副產品的消毒殺菌、干燥解凍等加工的發展歷程進行了重點概述；再次，基于搭建的射頻制熱試驗平臺進行的土壤制熱試驗表明：電極結構形式對土壤制熱性能的影響明顯，是制熱不均勻的顯著影響因素；此外，結合學者的研究及土壤制熱試驗，從射頻制熱系統自身制熱機理、土壤自身受熱特性、物料與射頻的匹配等角度深入分析了射頻這種物理制方式的應用缺點，根本原因及改進方法，提出了改善土壤射頻制熱均勻性的建議；最后，針對未來土壤消毒領域的應用提出了田間土壤、有機質土壤射頻消毒裝備分開設計的思路，并基于對射頻制熱在其他領域應用缺陷的認知，分別提出了更合適射頻制熱電極結構形式與受熱物料的匹配方案。該文論述可為土壤射頻消毒應用領域的裝備研發提供一定借鑒。

射頻；土壤消毒；熱效應；制熱均勻性；裝備研發

0 引 言

受射頻電磁場中交變場強的作用，被加熱物料分子極化并隨著高頻電磁場做高速旋轉，偶極子做高速旋轉使得物料分子間發生劇烈摩擦，產生大量熱量；另外，電磁場中的粒子也會隨著電磁場方向的改變而做往復運動，使得物料中的粒子急劇碰撞、摩擦而產生熱能；熱量迅速累積使得物料快速升溫，此為射頻的介電熱效應[1]。射頻加熱是一種利用頻率在3 kHz～300 MHz范圍電磁波的介電熱效應進行物料加熱的方法。相對于微波，射頻波長更長，穿透深度更深、能量密度更大，加熱效率更高；目前，只有3個射頻和2個微波頻率被廣泛用于科學研究、醫療應用和工業生產中，分別是13.56、27.12、40.68，和915、2450 MHz[1-2]。射頻制熱技術已經在臨床醫學上發展成為了射頻消融術[3]。射頻良好的快速制熱性能使得其本身具有很好的干燥、消毒、殺菌等效果，所以射頻制熱系統在工業領域及農副產品的干燥、消毒、殺菌、解凍等領域有著廣泛的應用前景[4]。

在農作物商品化種植迅猛發展條件下，作物種植密集、種植種類單一、土壤利用高度重復、土傳病害頻發，使得連續在同一土壤上栽培同種作物易引起土壤病菌及自毒物質積累、作物生長發育異常，土壤連作障礙成為農業生產規模化經營過程中常見問題之一[5]。土壤連作障礙可導致作物減產20%以上，嚴重時可使作物減產80%[6]，同時顯著降低了農產品的品質與安全性[7]。在水稻、小麥、玉米等糧食作物種植地中廣泛存在土壤連作障礙，而在蔬菜、煙草、中草藥等吃地力嚴重的經濟作物種植地中這種現象更為嚴重。土壤消毒是減緩作物連作障礙影響及保持土壤生產力的有效途徑。目前，土壤消毒的方法有化學消毒技術、生物熏蒸技術、物理消毒技術等3大類[8]。目前，美國加州大學戴維斯分校試制了一種室內固定密封式射頻樣機，并開展了了盒飯、果汁、墨西哥薩爾薩醬、水稻等的射頻制熱殺菌消毒研究，取得了較好效果[8]；而國內已經有學者將射頻應用到土壤消毒的原理試驗中，這為土壤消毒裝備的研發提供了新思路[5]。

本文針對傳統消毒方式已不能滿足土壤消毒多元需求的問題，嘗試將在工業、農副產品加工等領域已展開實際應用的射頻制熱系統應用到土壤消毒領域。本文將歸納總結射頻制熱系統的組成、分類及在應用領域出現的問題、解決的方案，結合研制的土壤射頻制熱消毒原理性試驗系統平臺展開探索性試驗，提出射頻制熱技術在土壤消毒領域的發展建議，為土壤射頻制熱消毒裝備研發提供基本參考。

1 射頻制熱系統

1.1 射頻制熱系統分類

射頻制熱系統分為2類：單、雙極射頻系統。單極射頻有正負兩極，其中1極固定，另1極為可移動探頭并放置在需要制熱的區域，正負極接通后制熱區可快速達到制熱的目的，單極射頻制熱區域靈活，在醫療領域應用較多；當單極射頻制熱系統向外發射射頻電磁波時，電場強度矢量和磁場強度矢量的方向均垂直于傳播方向。雙極射頻系統正負兩極固定、正對放置；當雙極（電容式、平行板式）射頻制熱系統向兩級之間發射射頻電磁波時，極板之間的場可視為準靜場，在極板內部，電場強度矢量的方向是從一塊極板指向另一塊極板[9]，雙極射頻系統制熱性能穩定、一致性好。本文聚焦在雙極射頻制熱系統，后文提到的射頻制熱系統均為雙極板式。

1.2 雙極射頻系統

基于射頻發生器結構與調整參數的不同，應用級的雙極射頻制熱系統主要有2種：傳統自由振蕩型（電子管射頻電源，如圖1）與50Ω系統[10]。傳統的自由振蕩式射頻制熱系統主要由發生器、變壓器、整流器、振蕩器、儲能電路和工作電路組成，負載制熱系統由上極板、下極板、傳送帶、光纖傳感器組成[11]。根據被制熱物料的進料方式、制熱厚度等衍生了平行板式、交錯電極式、偏執電極式等[10]。為有效抑制工作頻率的不穩定性，在射頻波能量產生電路中設計功率放大器可有效避免射頻功率的波動，采用此設計的射頻制熱系統為50Ω系統，50Ω射頻制熱系統由射頻發生器、射頻腔、匹配系統、控制面板、冷卻風機組成[12]；50Ω射頻制熱系統的體積約為傳統自由振蕩型射頻制熱系統的1/7，操作簡單，且控制精確、制熱均勻性、穩定性更佳，但造價昂貴，目前在實驗室內應用較多。

圖1 自由振蕩式射頻制熱系統工作原理

1.3 射頻系統制熱特性

1.3.1 電介質介電特性及極化

介電特性是指在電介質分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性，是電介質材料抵御內部形成電場的能力。介電特性是描述物料與電磁波相互作用能力的基本指標，物料介電特性是了解物料在射頻場中行為的有力抓手。一般來講，介電特性由磁導率和電容率兩部分組成；其中，物料的磁導率和真空磁導率接近，射頻場中物料不會被制熱[13]，而電容率決定了物料的介電常數和損耗因子，是影響射頻制熱的關鍵參數[14]。

極化現象對電介質材料的電容率有直接影響。從電磁學角度來說，電介質實質是大量微觀帶電粒子組成的電荷系統。在外電場作用下，束縛在分子內部空間不能完全自由運動的電荷，產生局部移動或極性按照電場方向轉動的物理現象稱為極化。極化主要有離子位移極化、原子位移極化、熱離子等效極化和偶極子取向極化4種。偶極子取向極化是指極性分子在不斷變化的射頻場中旋轉、摩擦產熱的現象進而產生遲滯，水分子（偶極子分子）極化是介電損耗產生的一種重要機制。對于射頻制熱這種物理過程，引起介電損耗的主要因素是偶極子極化和離子導電位移極化[15-16]。

1.3.2 射頻制熱的基本特點

射頻制熱的效率和被制熱物料材質的介電性能有關，包括介電常數、介電損耗因子、比熱容、熱導率等[17]。

由于制熱過程是以光速傳播并貫穿物料，使得射頻制熱過程具有快速、整體無死角的特點，規避了傳統物理制熱方式內、外不均的弊端[18]。介電常數和物料含水率呈非線性正相關函數關系，而活體害蟲、細菌的含水率顯著高于儲藏的農產品，所以射頻對害蟲、細菌有選擇性加速制熱的特點[19]。在工作頻段內，射頻能量不足以破壞物料分子間的化學鍵[20]，制熱過程中農產品的化學性質不會改變，這確保了農產品的品質安全。一般來講，不規則物理形狀物料不同部位含水率不同，而物料的介電損耗因子隨著含水率的增大而增大，射頻制熱過程含水率大的部位產熱量大、制熱速率快、水分蒸發快、含水率下降快，進而維持了不規則物料各部位水分的動態平衡[21]。此外，電磁波在物料中的穿透深度與頻率大小成反比。當電磁波的穿透深度小于物料厚度的1.5倍時，能量會集中在距物料表面1倍穿透深度的位置，該部分物料就會被過度制熱[22]，而射頻的顯著優點是射頻的頻率較低，能穿透到物料內部更深處；當連續處理具有規則幾何形狀且尺寸較大的物料時，射頻制熱技術優勢明顯。

1.3.3 射頻制熱不均性的原因

射頻制熱技術相對于傳統制熱技術優勢明顯，但也面臨著迫切需要解決制熱均勻性較差的問題。局部過熱一方面會降低其熱處理效率，另一方面過熱也導致了工業領域廢品率增高，農產品加工焦糊、風味惡化等[23-25]。

制熱不均勻的主要原因：1）電磁場本身的不均勻；一般來講，電磁波能夠均勻滲透到均勻物料的內部，當2個電極之間電磁場本身分布不均勻，物料就不被均勻制熱[26]；2）射頻自身的選擇性制熱特性；不同物料、含水率對應的介電常數存在差異，物料中一旦有高溫區域形成，射頻能量就會加速向該區域聚集，導致對應區域被過度制熱[18]；3）物料的形狀、尺寸效應影響；射頻電磁波對物料進行制熱時在物料之間會產生反射、折射、穿透和吸收等現象；射頻能量易在幾何尺寸突變的部位聚集[1]，從而發生過度制熱的問題；4）物料的邊角效應；射頻制熱過程中，易向物料邊緣角落區聚集，導致該區域過熱、升溫快，在高含水物料中這種效應尤為明顯[27]。

2 射頻制熱技術應用研究現狀

2.1 射頻制熱技術應用的基本現狀

經過半個多世紀的發展，射頻制熱技術在工業、醫療、紡織輕工業、林業產品加工、農副產品加工等領域都得到了較好的發展。

在工業應用方面，發展出了一種射頻焊接技術（介電焊），廣泛用于汽車、醫療器械、家電行業等領域用的塑料[28]；介電焊利用射頻能量作用于材料的局部連接區域，使材料極性分子在射頻電場下發生頻繁振動產生熱量，使得介于電極之間的塑料材料同時達到熔化狀態，進而達到將2個材料焊接在一起的目的[29]。在醫療領域方面，利用射頻制熱的可選擇性特點，不同的電極結構及改變不均勻電場的分布可以加熱不同的部位，進而滿足不同的治療目的；如射頻手術刀、射頻消融、婦科治療儀等都是射頻治療手段的具體利用[30]。在紡織輕工業領域，對原材料如麻類等的脫膠工藝中增加射頻處理環節，利用射頻選擇性快速加熱特點，使纖維的溫度快速升高，加速了果膠等物質的溶解，改善了脫膠效果[31]；另一方面，在紡染制品的烘干過程中介入射頻加熱，同時將其放在輸送帶上進行周期性運行，被烘物沒有機械損傷，且烘后被烘物含水率均勻，手感、外觀和白度較好[32]。在林業產品加工領域，射頻技術的應用主要有木材膠合（板件覆面貼合、板件封邊、彎曲膠合刨花預熱等）和木材干燥2個方面[33-34]；另外木材干燥一般會和熱風干燥、真空干燥方式混合使用，這大大改善了常規射頻制熱的均勻性。在農副產品加工領域方面，射頻制熱技術有著廣泛應用。射頻制熱技術在農副產品加工領域的應用起始于20世紀40年代，用于肉制品的烹飪、蔬菜脫水、面包處理等[35]；20世紀60年代，射頻制熱技術集中應用在解凍方面[36]；20世紀70年代，研究的熱點是果汁射頻殺菌處理[37]；20世紀80年代，射頻被應用于西餅的焙后干燥處理，并得到了商業應用[38]。進入21世紀以后，隨著紅外熱成像、光纖測溫、介電特性測量及計算機模擬技術的出現，使得射頻在農副產品加工中的進一步研究、應用成為可能，也成為熱點。

從以上文獻資料可以得出射頻制熱技術在工業、醫療、紡織輕工業、林業產品加工、農副產品加工等領域的應用有差異。介電焊、醫療方面很好利用了射頻選擇性加熱的特點，使得射頻在這些領域得到了成熟應用。在紡織輕工業及林業產品加工方面，一方面應用射頻選擇性加熱的特點在局部工藝上進行應用，取得了很好的局部迅速加熱的效果；另一方面，將熱風、真空加熱或者物料周期運動等和射頻加熱進行結合，也獲得了較好的射頻制熱效果。而在農副產品加工方面，對射頻的功能應用需求更多元，應用種類更多、對比研究資料更為詳實。鑒于此，下文對射頻在農副產品加工領域的應用進行概述，為土壤射頻消毒裝備的研發提供參考。

2.2 射頻制熱技術在農副產品加工領域的應用

2.2.1 干燥、解凍

蘇州制茶廠研發了一套茶葉射頻干燥機，2 min內可將花胚茶葉制熱到60～70 ℃，且不發生外表焦脆內部溫涼的現象，氨基酸、茶多酚、葉綠素等關鍵指標均不低于傳統工藝干燥的茶葉[39]。紅棗的外觀質量是決定消費者購買意愿的首要因素[40]，采用射頻技術進行預處理后干燥時間比紅外干燥最低縮短了21.2%，總體來講，射頻預處理顯著提升了紅棗的干燥效率，同時產品質量得到提升[41]。凌錚錚等[42]針對小顆粒（含粉料）設計了一款干燥機，以射頻制熱為主要熱源、輔助以翅片制熱管進行干燥，加之以數控系統的控制，有效緩解了小顆粒物料（如玉米）的受熱不均問題，提高了產品質量。

目前，常用的傳統解凍方法是空氣自然解凍和水解凍。空氣自然解凍極慢，易發生微生物感染[43]；水解凍效率較高，但水和肉類直接接觸，也極易發生微生物感染[44]。水產品的新型解凍方式有微波、射頻解凍等，其中微波解凍最流行，但冷凍水產品多為復合物質，加之微波穿透深度淺，易出現解凍不均勻、局部水溶解現象[45]；Llave等[46]選用1 kW，13.56 MHz的射頻解凍系統將冷凍金槍魚從?40 ℃解凍至?3 ℃，耗時相當于傳統解凍時間的1/3，低脂金槍魚末態溫度分布較均勻。在肉類解凍方面，研究發現當凍肉在射頻系統的電極中移動時，凍肉表面及角落的高溫進一步降低[47]。對于上下極板這種射頻制熱結構，Birla等[48]利用軟件FEMLAB對球形物體的射頻制熱進行研究，結果表明運動和旋轉是解決球形物體制熱不均勻的唯一方案。

2.2.2 消毒、殺菌

大豆常用消毒方法是采用甲基溴、磷化氫熏蒸[49]，而甲基溴這種臭氧耗竭劑對大氣臭氧層有明顯破壞作用。從2007年起，甲基溴的替代產品磷化氫在中國開始推廣應用[50]，而國際糧農組織研究表明越來越多品系的害蟲對磷化氫產生了嚴重的抗藥性[51]。黃智[52]基于COMSOL多場分析平臺求解了射頻制熱大豆物料的電磁能—熱能轉化方程及傳熱平衡方程，并結合溫度測試分析了射頻對害蟲、大豆的選擇性制熱特性，探索了采用輔助材料改善射頻制熱均勻性的可行性。

核桃在儲藏中的損失率高達20～25%，蟲害是導致損失的重要因素[53]。中國核桃倉儲害蟲有米娥、蘋果蠢娥、臍橙蠕蟲等[54-55]。Wang等[56-57]選擇美國核桃最常見、耐熱性最強的臍橙蠕進行了射頻殺蟲研究，研究表明射頻的選擇性制熱發揮了重要作用，害蟲體溫比核桃仁內核溫度最高多出20 ℃，在核桃仁氣味、顏色、口感均無明顯改變的情況下，射頻可以在短時間內將核桃害蟲滅殺[58]。楊莉玲[4]針對新疆主栽核桃品種“溫185”為試驗對象，討論了核桃果仁的介電特性、儲藏害蟲及蟲卵的熱致死及核桃顏色的變化規律，并針對射頻電磁場邊緣效應和諧波效應導致的射頻能量空間分布不均勻的問題，采取了熱風輔助制熱，比單一射頻制熱的溫度平均標準差降低1～2 ℃。

脫水蔬菜、水果及其粉制品的水分低，而在低水分活度條件下病原菌、致病菌可以存活數月乃至數年，這對人體健康威脅很大[59]。低水分的蔬菜切片、粉制品一般是由暖風或冷凍干燥脫水制成的，與中、高水分食品相比，其微生物耐熱性更強[60]。鑒于此，行業內已有研究人員將密封的低水活度食品放入射頻處理腔中極板間進行制熱殺菌[61]。趙偉等[59]將椰菜粉用塑料袋密封好之后，采用射頻制熱處理，并采用定時翻轉改善制熱均勻性，取得了較好的消毒效果。劉家璇等[62]采用射頻制熱消毒預處理、熱風干燥的混合方式干燥杏果，研究結果表明，適當的射頻預處理可以顯著提升水分有效擴散系數，消毒處理時間減少最高可達到35.7%。

3 土壤消毒現狀及射頻制熱土壤消毒技術應用

本節對土壤消毒技術的發展現狀進行基本論述，基于現代農業對農產品質量的現實需求闡述現有土壤消毒技術的不足；提出將射頻制熱技術應用到土壤消毒領域的設想；考慮到射頻制熱技術在土壤消毒領域的應用還處于起步階段，參考資料較少，作者在實驗室環境開展了土壤射頻制熱消毒試驗，并基于初步研究結果，結合射頻制熱技術在農副產品加工等領域的應用現狀、存在的問題、初步解決方案，給出提高土壤射頻制熱均勻性的設計方案，為土壤射頻制熱消毒裝備的研發提供思路。

3.1 土壤消毒的基本情況

化學消毒技術在土壤消毒領域有成熟應用，隨著人們對環保、農產品質量要求的提高，化學熏蒸劑給生態與農產品安全帶來的危害引起了人們的廣泛關注，化學熏蒸消毒藥劑從傳統的溴化鉀、氯化苦發展到高效、環境友好的異硫氰酸烯丙酯[63]、丙烯醛[64]等現代熏蒸消毒藥劑，并在澳大利亞、美國等進行了多年應用。但現在大多數化學熏蒸消毒藥劑沸點很低，揮發現象嚴重，使得消毒藥劑使用量大大增加，對環境和專業操作人員的毒性危害較大。

生物熏蒸技術[65]主要是利用十字花科或者菊科植物有機殘體分解過程釋放的有毒氣體殺死土壤中害蟲、病原微生物的方法。當病原菌體侵蝕、咀嚼植物組織時，十字花科或者菊科植物體內特含的葡糖異硫氰酸酯與內源性黑芥子酶接觸反應，并生成對有害生物有較好抑制活性的水解產物。在日照充足的時間段，將粉碎的熏蒸植物殘渣和農家肥、海產品等按一定比例混合均勻施撒在平整好的土地上，并覆上新型VIF（Virtually Impermeable Film）地膜，確保熏蒸物水解并提高土壤溫度、延長熏蒸時間，因而具有殺死土壤病原菌和線蟲的雙重效果[66]。這也成為土壤化學消毒的一種環境友好型替代方案[67]。生物熏蒸后很多微生物被殺死，有“生物真空”，若添加益生微生物[68]，可進一步延長對病原生物的控制時間。但生物熏蒸技術僅適合小范圍內推廣，在規模化種植及土傳病害嚴重區域應用存在較大局限。

土壤物理消毒是利用物理生熱直接、間接殺死土壤中病原微生物的方法，主要有太陽能[69]、蒸汽[70-71]、熱水[72]、火焰等消毒技術[73]。其中，太陽能土壤消毒技術受天氣影響較大，消毒效果時常不穩定；土壤的蒸汽與熱水消毒效率較低、且成本很高；火焰消毒技術在沙性土壤中應用有很好的滅菌消毒效果，但長江流域及華南黏性土質地域應用困難較大。

結合土壤消毒技術的發展現狀來看，隨著現代農業對農產品質量要求及生態環境重視度的提高，化學消毒技術已經不能滿足土壤消毒的發展需求。現有的土壤熏蒸、物理消毒方式均存在一定缺陷，鑒于此，本文嘗試將射頻制熱消毒技術應用到土壤消毒領域。

3.2 土壤射頻制熱影響因素

射頻制熱過程伴隨著物料介電特性的不斷變化。物料介電特性受多種因素的影響，主要有物料密度、物料成分及其含水率等內因，及射頻的頻率、溫度等外因。物料密度越大，單位體積內與電磁場作用的物料質量就越大，因而其介電常數和損耗因子也越大，這種特性在散裝物料或者多孔介質物料中會體現的較為明顯[74]。一般來講，高含水率條件下自由水對介電特性的影響占主導地位，在低含水率情況下，物料中的水都是結合水，結合水很難從物料細胞中脫離，其對物料極化特性的影響要小得多[75]。而土壤是由礦物質、有機質、水和空氣組成的一種多孔介質，是一種固、液、氣相混合的復雜的電介質材料[76]。土壤的電介質參數由土壤的結構、組成以及含水率決定，土壤屬性的變化主要是土壤含水率的變化及土壤溫度的變化[77]。當采用射頻加載確定的一塊地時，影響土壤介電性質的主要是射頻頻率和溫度，體現在極性損耗及離子電導損耗2個方面。

電介質加熱系統等效原理如圖2所示[18]。射頻制熱過程中，頻率對介電特性的影響用德拜方程來描述[78]。溫度對電介質材料的介電特性影響很大，包括極性損耗及電導損耗。當交變射頻加載到土壤介質上，介質中的正負載流子或偶極子受電場的作用會產生極化，當電磁場不斷改變時，介質內部極化也會改變，若交變電磁場變化過快將導致土壤電介質極化速度跟不上而出現極化滯后現象[79]，這種現象為極性損耗；另外，土壤表面的電荷傳導及土壤內部電解電離子的離子傳導會導致土壤電介質的電傳導損耗[80]。

圖2 電介質加熱系統的等效電路圖[18]

溫度對電介質材料的極性有很大影響，一般來講，溫度升高時，分子的熱運動加劇，這使得分子沿著電場方向的取向能力減弱，所以氣體極性系數為負溫度系數；但是土壤這類固液混合物電介質不同，該電介質具有分子間聯系緊密，分子難以轉向，一定的溫度范圍內，隨著溫度的不斷升高，其極性系數逐漸增大；當溫度升高到一定程度，其極性系數隨著溫度上升而減小[77]。

一般來說，極性損失來自極性分子轉動，隨著溫度升高極性分子轉動更強烈，極性損失更小；電導損失來自離子遷移，隨著溫度的升高離子遷移量更大，電導損失也升高。在低頻段（不大于100 MHz），隨著溫度的升高，離子傳導占優勢，綜合來看介質損耗是逐漸增大的；在高頻段（大于100 MHz），隨著溫度的升高，離子的傳導減弱，被逐漸加強的偶極子旋轉所替代，介質損耗逐漸降低[81]。

即便介電損耗客觀存在，但對于能正常作業的設施農業土壤，幾乎在射頻所有的頻段內，隨著溫度升高土壤電介質的介電常數都是逐步增大的，其中，較低頻率下，介質損耗增大的幅度大于介電常數增大的幅度[82]。

綜上所述，隨著射頻頻率的增加、制熱過程物料溫度的升高（在制熱消毒溫度范圍內），土壤的介電常數基本逐步增大。但土壤射頻制熱消毒會存在制熱不均勻的問題，結合前文的分析，土壤射頻制熱消毒裝備研發一方面應該控制射頻頻率、進而控制介電常數增大的幅度，使得土壤高溫區的溫度不至于上升過快（在射頻控制端實現）；另一方面應該在電極結構上進行探索性優化設計，使得射頻制熱系統自身的電磁場更加均勻，提升土壤制熱均勻性。

3.3 土壤射頻制熱電極結構形式討論

為了討論射頻制熱電極結構形式對土壤制熱均勻性的影響。作者在實驗室環境下，搭建了如圖3所示的土壤射頻制熱消毒的原理性試驗平臺，其中的射頻電源、自動匹配器、工控機、控制柜在工業系統已有成熟方案，作者將其整合成一套系統，討論影響土壤射頻制熱均勻性最重要的因數，即射頻制熱的電極結構形式。

1.射頻電源； 2.自動匹配器； 3.工控機； 4.控制柜； 5.土槽； 6.電極板； 7.光纖傳感器； 8.試驗土壤； 9.冷水機； 10.冷水管道

制熱電極的形式包括“單正-單負極板”、“單正-雙負極板”、“雙正-單負極板”的極板式，“單排正、單排負極棍電極縱向陣列式”、“單排正、雙排負極棍電極縱向陣列式”、“雙排正、單排負極棍電極縱向陣列式”，中間正極板、圓周向負極板（或中間負極板、圓周向正極板）的圓桶式，中間正極、圓周向負極棍陣列（或中間負極、圓周向正極棍陣列）的棍桶式等方案，圖4給出了部分電極方案試驗圖。

圖4 加熱土壤的4種典型射頻電極方案

圖5給出了相同條件下4種典型射頻電極方案加熱的土壤溫度分布圖。從圖5可較清晰地看出在加熱土壤的溫度分布均勻性方面，有雙極板式射頻電極＜雙排棍縱向陣列式射頻電極＜桶式射頻電極。從圖5可以看出射頻電極的結構形式對射頻制熱土壤的均勻性有很大影響，射頻電極的結構和輸出電磁場的分布直接相關，雙極板式制熱土壤在極板尖端出現了明顯的尖端效應，使得尖端部位溫度明顯更高。在進行試驗時，各方案均在實驗室內同一土壤環境下隔天進行，各方案出現不均勻的原因主要是射頻電極結構導致的電磁場本身的不均勻。

當在田間進行土壤的射頻制熱時，受到地形及設施建設的影響，土壤的含水率、松緊度、土壤顆粒大小、有機質含量等會各有不同，電場本身的不均勻、射頻選擇性制熱、土壤的形狀尺寸效應聯合對土壤受熱均勻性產生影響，由于田間土壤環境不能預知，此3種原因都可能是重要的影響因素。

圖5 3種典型射頻電極方案下加熱土壤的溫度分布

3.4 提高土壤射頻制熱均勻性的建議

針對射頻制熱存在的制熱均勻性不理想的問題及其產生的基本原因，提出需要從以下幾個方面提升：

首先，匹配電極和物料參數，合理匹配設計射頻系統電極的形狀與尺寸；有研究表明，射頻制熱內部產生不均勻駐波的根本原因是輸入極板電壓、電感位置不對稱[83]，Wang等[84]、Alfaifi 等[85]全面研究分析了電感大小、數量和喂入點位置等對電壓分布的影響，得出了特定尺寸的物料需要與特定彎曲位置和彎曲角度的上電極配置相匹配的結論。

其次，針對射頻選擇性制熱的特性（對殺蟲是優勢），可采用間歇脈沖式能量供給，即對物料進行一段時間制熱以后停止，待物料間熱傳遞一段時間后繼續制熱，來改善射頻制熱的均勻性；Hansen等[86]、Wang等[87]分別采用射頻間歇性制熱方式對物料進行制熱，結果表明，物料的制熱均勻性得到明顯改善。

再次，針對被制熱物料的尺寸效應，可采用機械結構、實現物料的自由運動的方法。Pan等[88]、Jiao等[89]采用制作了物料水平運動傳送帶，分析了水平傳送速度對物料的射頻制熱特性的影響，結果表明水平均勻性得到較大改善，但還存在垂向制熱不均勻的問題；Palazoglu等[90]基于射頻制熱系統設計了一套傾斜的傳送運動裝置，實現了物料的水平、垂向的運動，實現了物料的均勻性制熱。

另外，對于射頻制熱中物料區域邊角效應，可在射頻制熱中途對物料進行攪拌、使物料運動、熱風輔助制熱，研究表明相對于物料運動、熱風輔助制熱，攪拌物料能更為有效的提高射頻制熱均勻性[91]；最后，也有學者改變空氣這種物料所處的制熱環境，將水果放在液體中（鹽水、循環熱水、羧甲基纖維素混合溶液等）進行射頻制熱可以顯著改善制熱的均勻性[92]。

最后，數值建模計算將在射頻制熱領域產生重要作用；現有技術手段無法實現射頻制熱腔體內部溫度分布的可視化測量，而射頻制熱系統本身結構較復雜、成本巨大、試驗周期很長，僅僅通過重復性試驗、結構調整很難滿足系統結構改進、參數優化進而實現均勻性的徹底改善。鑒于此，已經有較多學者開展射頻制熱理論方面的研究，Birla等[48]基于準靜態電場假設對電磁方程、Navier-Stoke方程進行求解，對比分析了模型水果在空氣、水介質中的射頻制熱均勻性，給出了在水介質中翻轉、移動水果會獲得較大均勻性改善的建議；Tiwari等[27]基于COMSOL平臺討論了物料不同厚度層的制熱均勻性，采用對照試驗驗證了理論計算的可靠性，并指出了出現均勻性較差的原因；數值建模計算可以獲得射頻制熱系統中電磁場和溫度場的三維分布規律，數值建模計算將在該領域持續發揮重要作用。

參照學者們改善射頻制熱均勻性的方法，并結合前文的分析，建議在進行土壤射頻消毒裝備研發時，針對制熱部件要進行制熱極板的結構選型，進行結構尺寸及布局的優化，并實現制熱過程可控可優化等，以期最大程度改善土壤射頻制熱的均勻性。首先，在極板選型方面，考慮到田間入土的方便性，建議采用雙排棍縱向陣列式、棍桶式這2種方案，能更好改善電磁場本身的均勻性；其次，確定好結構形式后，進行大量原理試驗，考慮正負極間距、桿之間間距、棍陣正負極長度、含水率等因素進行結構尺寸的優化；此外，在射頻制熱控制端要實現間歇式制熱、正負極交換制熱等自動切換功能，并能根據土壤環境實現切換條件的可設置等。結合以上3種策略，研制的土壤射頻制熱裝備能一定程度解決土壤受熱的均勻性。

4 射頻制熱技術在土壤消毒領域的發展建議

目前，土壤射頻制熱消毒還處于研究探索階段，結合前文的論述，提出以下建議：

1）土壤消毒環境多為高溫、高濕、多塵的環境，內部冷卻循環系統與外界溫差大，射頻電源腔室易累積冷凝水，對昂貴的射頻電源造成重大短路燒壞威脅，且易造成面板腐蝕；鑒于此，射頻電源設計應采用整機三防設計，在溫控系統里加裝智能控制模塊，實時控制射頻電源腔體內、外溫差。

2）建議對田間土壤、栽培機質對應的射頻消毒裝備分開研發設計，針對田間土壤應該發展一種自走式自動換行射頻消毒裝備，針對栽培機質應該發展一種可運動的封閉流水線式射頻消毒裝備。

3）從射頻制熱結構來看，移動式田間土壤射頻制熱系統應該以制熱電極入土方便、結構強度高、制熱效率高為基本設計準則和設計優先級順序；固定流水線式栽培機質射頻制熱系統應該以制熱效率高、制熱機構可多自由度運動、制熱系統可密封為基本設計準則和設計優先級順序。

4）對于田間土壤射頻制熱系統，輸出端上下極板制熱方式已經不合適，建議采取棍電極縱向陣列式（單排正、單排負極板，單排正、雙排負極板，雙排正、單排負極板）；或者采用中間正極板、圓周向負極板（或中間負極板、圓周向正極板）的桶型制熱方式等；在射頻制熱電極的控制端要實現間歇式制熱、正負極交換制熱等自動切換功能。

5）對于經濟性高的栽培機質土壤射頻系統來講，針對射頻制熱易出現的熱偏移、邊角效應等問題，固定式設計更能發揮射頻制熱的優勢，含多自由度運動功能的可封閉的上下極板式成為優先選擇，并輔助以其他制熱方式（熱風對流等），這為優化土壤有機質射頻制熱均勻性、效果有重要意義[93]。

6）隨著射頻制熱領域理論的深入發展，已經出現了多種射頻制熱的商業化計算仿真平臺，在土壤射頻制熱領域加快這方面的研究對加速裝備研制的速度進而縮短研制周期，對縮減研發資金投入及降低試驗勞動強度等都具有直接的重要作用。

5 結論與展望

隨著中國經濟及生活水平的不斷提高，社會對農產品質量及環境保護的關注度越來越高，化學、生物等傳統消毒方式已不能滿足土壤消毒的多樣化需求；而物理消毒方式在土壤消毒領域發揮著越來越重要的作用，射頻制熱是其中一種新興的效率更高、可控、消毒成本更低、應用前景較廣闊的物理消毒方式。通過文獻分析和試驗研究，得到如下結論：1）射頻制熱技術在工業、醫療、紡織輕工業、林產品加工、農副產品加工等領域得到了廣泛應用，但都存在不同程度的制熱不均勻的問題；2）射頻制熱均勻性的影響因素有電磁場本身的不均勻、射頻自身的選擇性制熱特性、物料的形狀及尺寸效應影響、物料的邊角效應等；3）在射頻制熱過程中土壤介質的介電常數是逐步增加的，射頻電極結構制熱土壤的均勻性從低到高為雙極板式射頻電極、雙排棍縱向陣列式射頻電極、桶式射頻電極；4）針對田間土壤應該發展一種自走式自動換行射頻消毒裝備，電極采用桶型制熱方式，射頻控制端實現頻率可調、制熱區及正負極可間歇式交換；5）針對栽培機質應該發展一種可運動的封閉流水線式射頻消毒裝備，并輔助熱風對流等附加制熱方式。

[1] Barber H. Electroheat, first ed[M]. London: Granada Publishing Limited, 1983.

[2] 張寧，王冉冉，李法德. 射頻加熱技術在農產品和食品工業的應用研究進展[J]. 食品工業，2013，34(11)：199-203.

Zhang Ning, Wang Ranran, Li Fade.Research advances of application of radio frequency heating in agro-product and food industry[J]. The Food Industry, 2013, 34(11): 199-203. (in Chinese with English abstract)

[3] 陳欣，宇正亞，倪如暘. 超重、肥胖患者接受超聲引導下大隱靜脈腔內射頻消融閉合日間手術的精細化管理初探[J]. 華西醫學，2020，35(2)：165-169.

Chen Xin, Yu Zhenya, Ni Ruyang. Preliminary study on the fine management of overweight and obese patients undergoing day surgery of ultrasound-guided radio frequency ablation of the great saphenous vein[J]. West China Medical，2020, 35(2): 165-169. (in Chinese with English abstract)

[4] 楊莉玲. 射頻處理對核桃貯藏害蟲殺滅效果及核桃品質影響的研究[D]. 北京：中國農業大學，2019.

Yang Liling. Study on the Effect of Radio Frequency Treatment on Storage Pest Controlling and Quality of Walnut[D]. Beijing: China Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[5] 張學進，金永奎，張玲，等. 土壤射頻消毒技術試驗[J]. 江蘇農業科學，2018，46(13)：274-277.

[6] 陳天祥，孫權，顧欣，等. 設施蔬菜連作障礙及調控措施研究進展[J]. 北方園藝，2016(10): 193-197.

Chen Tianxiang, Sun Quan, Gu Xin, et al. Research progress of continuous cropping obstacles of amenities vegetable and its control measures[J]. Northern Horticulture, 2016(10): 193-197. (in Chinese with English abstract)

[7] Srinivasarao C, Kundu S, Shanker A K, et al. Continuous cropping under elevated CO2: Differential effects on C4 and C3 crops, soil properties and carbon dynamics in semi-arid alfisols[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2016, 218: 73-86.

[8] 曹坳程，郭美霞，王秋霞，等. 世界土壤消毒技術進展[J]. 中國蔬菜，2010(21)：17-22.

[9] 王祝盈，劉永謙，陳小林. 電容式射頻熱療中加熱機制分析及不同組織升溫速率計算[J]. 中國生物醫學工程學報，2015，34(4)：438-444.

[10] Bernard J P, Jacomino J M, Radoiu M. Radio Frequency Heating in Food Processing-Principles and Applications: RF 50Ω technology versus variable frequency RF technology[M]. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2014.

[11] Wang S, Tiwari G, Jiao S, et al. Developing postharvest disinfestation treatments for legumes using radio frequency energy[J]. Biosystems Engineering, 2010, 105(3): 341-349.

[12] Zhou H, Guo C, Wang S, et al. Performance comparison between the free running oscillator and 50 Ω radio frequency systems[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2017, 39: 171-178.

[13] Zhang H, Datta A K. Electromagnetics of Microwave Heating: Magnitude and Uniformity of Energy Absorption in An Oven. In: Datta, A.K., Anantheswaran, R.C. (Eds.), Handbook of Microwave Technology for Food Applications[M]. New York: Marcel Dekker, 2001: 1-28.

[14] Metaxas A. Foundations of electroheat-a unified approach[C]// New York: John Wiley & Sons, 1996.

[15] Tang J, Hao F, Lau M, et al. Microwave Heating in Food Processing, In: Advances in Bioprocessing Engineering[M]. Singapore: World Scientific, 2002: 1-44.

[16] Orsat V, Jusoh Y M M. Electrical conductivity effect on dielectric properties and radio frequency heating[J]. Radio-Frequency Heating in Food Processing: Principles and Applications, 2015, 73-89.

[17] Rowley A T. Thermal technologies in food processing[J]. Thermal Technologies in Food Processing, 2001:163-177.

[18] Zhao Y, Flugstad B, Kolbe E, et al. Using capacitive (radio frequency) dielectric heating in food processing and preservation-a review[J]. Journal of Food Process Engineering, 2000, 23(1): 25-55.

[19] Shrestha B, Baik O D. Radio frequency selective heating of stored-grain insects at 27.12 MHz: A feasibility study[J]. Biosystems Engineering, 2013, 114(3): 195-204.

[20] Repacholi M H. Low-level exposure to radio frequency electromagnetic fields: Health effects and research needs[J]. Bio Electro Magnetics, 1998, 19(1): 1-19.

[21] Zhang S, Zhou L, Ling B, et al. Dielectric properties of peanut kernels associated with microwave and radio frequency drying[J]. Biosystems Engineering, 2016, 145: 108-117.

[22] Von Hippel A R, Morgan S O. Dielectric materials and applications[M]. Boston, USA: Arctech House, 1954.

[23] Birla S, Wang S, Tang J, et al. Improving heating uniformity of fresh fruit in radio frequency treatments for pest control[J]. Postharvest Biology and Technology, 2004, 33: 205-217.

[24] Hou L, Huang Z, Kou X, et al. Computer simulation model development and validation of radio frequency heating for bulk chestnuts based on single particle approach[J]. Food and Bioproducts Processing, 2016, 100: 372-381.

[25] Kim S Y, Sagong H G, Choi S H, et al. Radio-frequency heating to inactivate Salmonella Typhimurium and Escherichia coli O157: H7 on black and red pepper spice[J]. International Journal of Food Microbiology, 2012, 153: 171-175.

[26] Huang Z, Marra F, Subbiah J, et al. Computer simulation for improving radio frequency (RF) heating uniformity of food products: A review[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2018, 58(6): 1032-1056.

[27] Tiwari G, Wang S, Tang J, et al. Computer simulation model development and validation for radio frequency (RF) heating of dry food materials[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 105: 48-55.

[28] 張勝玉. 塑料高頻焊接技術[J]. 橡塑技術與裝備，2014，40(10)：1-9.

Zhang Shengyu. High frequency plastic welding technology[J]. China Rubber/Plastic Technology and Equipment, 2014, 40(10): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[29] 陳雄，程星光. 高頻焊接塑料專利技術分析[J]. 廣東化工，2019，46(4)：109-110.

Chen Xiong, Cheng Xingguang. Patents technical review of high frequency weldable polymer[J]. Guangdong Chemical Industry, 2019, 46(4): 109-110. (in Chinese with English abstract)

[30] 豐惠芬，王雪頑，張連成. 射頻加熱技術及其在醫學上的應用[J]. 高電壓技術，1994，20(4)：30-33.

[31] Wang X, Zhang Z T, Wang Y, et al. Improvement of acetone-butanol-ethanol (ABE) production from switchgrass pretreated with a radio frequency-assisted heating process[J]. Fuel, 2016, 182: 166-173.

[32] 陳立秋. 射頻制熱在染整烘燥工藝中的應用[J]. 染整技術，2007，29(8)：52-53.

[33] Pound J, M L R E, A L E E. Present-day applications of radio-frequency heating in wood working[J]. Wood, 1957, (l): 10-14.

[34] 吳智慧. 高頻介質加熱技術在木材工業中的應用[J]. 世界林業研究，1994，7(6)：30-36.

[35] Kinn T. Basic theory and limitations of high frequency heating equipment[J]. Food Technology, 1947, 1: 161-173.

[36] Jason A C, Sanders H R. Dielectric thawing of fish. I. Experiments with frozen herrings[J]. Food Technology, 1962, 16(6): 101-106.

[37] Demeczky M. Continuous pasteurization of bottled fruit juices by high frequency energy[J]. Proceedings of IV international congress on food science and technology, 1974, 4: 11-20.

[38] Mermelstein N. Interest in radio frequency heating heats up[J]. Food Technology, 1997, 51(10): 94-95.

[39] 徐立. 論高頻介質制熱在磚茶干燥工藝中的應用[J]. 茶葉，1983，27(1)：37-42.

[40] 劉小丹，張淑娟，賀虎蘭，等. 紅棗微波-熱風聯合干燥特性及對其品質的影響[J]. 農業工程學報，2012，28(24)：280-286.

Liu Xiaodan, Zhang Shujuan, He Hulan, et al. Drying characteristics and its effects on quality of jujube treated by combined microwave-hot-air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 280-286. (in Chinese with English abstract)

[41] Chen Q Q, Bi J F, Wu X Y, et al. Drying kinetics and quality attributes of jujube (Zizyphus jujuba Miller) slices dried by hot-air and short-and medium-wave infrared radiation[J]. LWT-Food Science and Technology, 2015, 64(2): 759-766.

[42] 凌錚錚，任廣躍，段續，等. 小顆粒（含粉料）物料射頻干燥機設計與分析[J]. 食品與機械，2019，35(11)：99-103.

[43] 焦艷芬，李正英，劉敏，等. 冷凍羊腿幾種解凍方法比較[J]. 農產品加工·學刊，2006，12：51-54.

Jiao Yanfen, Li Zhengying, Liu Min, et al. Comparison on several kinds of defrosting methods for refrigerant mutton leg[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing, 2006, 12: 51-54. (in Chinese with English abstract)

[44] 歐陽杰，倪錦，吳錦婷，等. 解凍方式對大黃魚解凍效率和品質的影響[J]. 肉類研究，2016，30(8)：30-34.

Ou Yangjie, Ni Jin, Wu Jinting, et al. Influence of thawing methods on thawing efficiency and quality of pseudosciaena crocea[J]. Meat Research, 2016, 30(8): 30-34. (in Chinese with English abstract)

[45] 王亞盛. 冷凍水產品復合相介電特性與射頻解凍研究[J]. 食品科學，2007，28(7)：501-504.

Wang Yasheng. Study on dielectric properties of compound phase of frozen marine products and radio frequency thaw method[J]. Food Science, 2007, 28(7): 501-504. (in Chinese with English abstract)

[46] Llave Y, Terada Y, Fukuoka M, et al. Dielectric properties of frozen tuna and analysis of defrosting using a radio-frequency system at low frequencies[J]. Journal of Food Engineering, 2014, 139: 1-9.

[47] Bedane T F, Chen L, Marra F, et al. Experimental study of radio frequency (RF) thawing of foods with movement on conveyor belt[J]. Journal of Food Engineering, 2017, 201: 17-25.

[48] Birla S L, Wang S, Tang J. Computer simulation of radio frequency heating of model fruit immersed in water[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 84(2): 270-280.

[49] Zettler J L, Arthur F H. Chemical control of stored product insects with fumigants and residual treatments[J]. Crop Protection, 2000, 19: 577-582.

[50] 令博. 開心果采后射頻殺蟲技術及綜合利用研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2016.

Ling Bo. Studies on Radio Frequency Disinfestation Technology and Comprehensive Utilizations of Postharvest Pistachio[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[51] 沈兆鵬. 儲糧熏蒸劑-現狀和前景[J]. 黑龍江糧食，2004，6：33-36.

[52] 黃智. 大豆射頻加熱過程有限元模擬及均勻性優化研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學，2018.

Huang Zhi. Finite Element Simulation and Uniformity Optimization for Radio Frequency Heating Process of Soybeans[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[53] 楊莉玲，張紹英，崔寬波，等. 射頻技術在核桃貯藏蟲害處理中的研究進展[J]. 新疆農機化，2017(6)：21-24，41.

[54] 孫益知. 核桃病蟲害防治新技術[M]. 北京：金盾出版社，2011.

[55] Wang S, Tang J, Johnson J, et al. Dielectric properties of fruits and insect pests as related to radio frequency and microwave treatments[J]. Biosystems Engineering, 2003, 85(2): 201-212.

[56] Wang S, Ikediala J N, Tang J, et al. Radio frequency treatments to control codling moth in shell walnuts[J]. Postharvest Biology and Technology, 2001, 22(1): 29-38.

[57] Mitcham E L, Vehman R H, Feng X, et al. Application of radio frequency treatments to control insects in shell walnuts[J]. Postharvest Biology and Technology, 2004, 33(1): 93-100.

[58] Wang S, Yue J, Tang J, et al. Mathematical modeling of heating uniformity for in shell walnuts subjected to radio frequency treatments with intermittent stirrings[J]. Postharvest Bio Biology and Technology, 2005, 35(1): 97-107.

[59] 趙偉，楊瑞金. 脫水蔬菜粉射頻殺菌研究[J]. 中國農業科技導報，2015，17(5)：68-74.

Zhao Wei, Yang Ruijin. Studies on radio frequency heating to inactivate microorganisms in broccoli powder[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2015, 17(5): 68-74. (in Chinese with English abstract)

[60] Mattick K L, Jorgensen F, Legan J D, et al. Survival and filamentation ofserovar enteritidis PT4 andserovar typhimurium DT104 at low water activity[J]. Appl. Environ. Microbiol, 2000, 66(4): 1274-1279.

[61] Guo W, Wang S, Tiwari G, et al. Temperature and moisture dependent dielectric properties of legume flours associated with dielectric heating[J]. Food Science and Technology, 2010, 43(2): 193-201.

[62] 劉家璇，彭夢晨，楊雪潔，等. 射頻預處理對杏果熱風干燥特性及營養成分的影響[J]. 食品與發酵工業，2019，45(3)：176-182.

Liu Jiaxuan, Peng Mengchen, Yang Xuejie, et al. Effects of radio frequency pretreatment on hot air drying characteristics and nutrients of apricot[J]. Food and Fermentation Industries, 2019, 45(3): 176-182. (in Chinese with English abstract)

[63] Sances F V, Ingham E R. Conventional and organic alternatives to methyl bromide on california strawberries[J]. Compost Science & Utilization, 1997, 5(2): 23-37.

[64] Van W E. Combinations of reduced rates of 1, 3-dichloropropene and dazomet as a broad spectrum soil fumigation strategy in view of methyl bromide replacement[J]. Commun Agric Appl Biol Sci, 2007, 72(2): 61-70.

[65] 李明社，李世東，繆作清，等. 生物熏蒸用于植物土傳病害治理的研究[J]. 中國生物防治，2006，22(4)：296-302.

Li Mingshe, Li Shidong, Miao Zuoqing, et al. Biofumigation for management of soilborne plant diseases[J]. Chinese Journal of Biological Control, 2006, 22(4): 296-302. (in Chinese with English abstract)

[66] Yates S R, Gan Jianying, Papiernik S K, et al. Reducing fumigant emissions after soil application[J]. Phytopathology, 2002, 92(12): 1344-1348.

[67] 曹坳程，張文吉，劉建華. 溴甲烷土壤消毒替代技術研究進展[J]. 植物保護，2007，33(1)：15-20.

Cao Aocheng, Zhang Wenji, Liu Jianhua. Progress in the alternatives to methyl bromide in soil disinfestation[J]. Plant Protection, 2007, 33(1): 15-20. (in Chinese with English abstract)

[68] Slusarski C, Pietr S J. Combined application of dazomet and Trichoderma asperellum as an efficient alternative to methyl bromide in controlling the soil-borne disease complex of bell pepper[J]. Crop Protection, 2009, 28(5): 668-674.

[69] Stevens C, Khan V A, Rodriguez-Kabana R, et al. Integration of soil solarization with chemical, biological and cultural control for the management of soilborne diseases of vegetables[J]. Plant and Soil, 2003, 253: 493-506.

[70] 汪小旵，李成光，楊振杰，等. 移動式土壤旋耕蒸汽消毒機的研制[J]. 農業工程學報，2018，34(2)：18-24.

Wang Xiaohan, Li Chenguang, Yang Zhenjie, et al. Development of mobile soil rotary steam disinfection machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 18-24. (in Chinese with English abstract)

[71] 潘四普，周宏平，蔣雪松，等. 基于脈動燃燒技術的土壤消毒蒸汽發生裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(8)：301-307.

Pan Sipu, Zhou Hongping, Jiang Xuesong, et al. Design and experiment of soil disinfection steam generator based on pulse combustion technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 301-307. (in Chinese with English abstract)

[72] 李明社. 生物熏蒸和熱水消毒法替代甲基溴用于植物土傳病害治理的研究[D]. 烏魯木齊：新疆農業大學，2016.

Li Mingshe. Studies on Biofumigation and Hot Water Treatment to Replace Methyl Bromide for Management of Soilborne Plant Diseases[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural Uninersity, 2016. (in Chinese with English abstract)

[73] 翁曉星，施新杭，黃赟，等. 生物質顆粒燃料火焰消毒旋耕機設計[J]. 農業工程，2019，9(5)：84-87.

Weng Xiaoxing, Shi Xinhang, Huang Yun, et al. Design of flame rotary cultivator fueled by biomass pellets[J]. Agriculture Engineering, 2019, 9(5): 84-87. (in Chinese with English abstract)

[74] Trabelsi S, Nelson S. Microwave sensing technique for nondestructive determination of bulk density and moisture content in unshelled and shelled peanuts[J]. Transactions of the ASABE, 2006, 49: 1563-1568.

[75] 張保艷，于海洋，程裕東，等. 溫度、頻率和水分含量對羅非魚介電特性的影響[J]. 水產學報，2012，36(11)：1785-1792.

Zhang Baoyan, Yu Haiyang, Chen Yudong, et al. Effects of temperature, frequency and moisture content on the dielectric properties of tilapia[J]. Journal of Fisheries of Chian, 2012, 36(11): 1785-1792. (in Chinese with English abstract)

[76] Marco Bittelli. Measuring soil water content: A review[J]. Horttechnology, 2011, 21(3): 293-300.

[77] 張鵬. 主要因數對土壤介電特性的影響分析研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2013.

Zhang Peng. Analysis to Effects of Main Factors on Dielectric Properties of Soils[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[78] 朱新華，郭文川. 影響食品射頻-微波介電特性的因素及影響機理分析[J]. 食品科學，2010，31(17)：410-414.

Zhu Xinhua, Guo Wenchuan. A Review of affecting factors and their mechanisms of the radio frequency-microwave dielectric properties of foods[J]. Food Science, 2010, 31(17): 410-414. (in Chinese with English abstract)

[79] Robinson D A, Jones S B, Wraith J M, et al. A Review of Advances in Dielectric and Electrical Conductivity Measurement in Soils Using Time Domain Reflectometry[D]. Vadose Zone Journal, 2003, 2: 444-475.

[80] Topp G C, Zegelin S, White I. Impacts of the Real and Imaginary Components of Relative Permittivity on Time Domain Reflectometry Measurements in Soils[J]. Soil Sci. Soc. Am. J., 2000, 64: 1244-1252.

[81] Wagner N, Emmerich K, Bonitz F, et al. Experimental Investigations on the Frequency and Temperature Dependent Dielectric Material Properties of Soil[J]. Ieee Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(7): 2518-2530.

[82] Coppol A, Dragonetti G, Comegna A, et al. Measuring and modeling water content in stony soils[J]. Soil & Tillage Research, 2012, 128: 9-22.

[83] Wang S, Luechapattanaporn K, Tang J. Experimental methods for evaluating heating uniformity in radio frequency systems[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100: 58-65.

[84] Wang K, Zhu H, Chen L, et al. Validation of top electrode voltage in free-running oscillator radio frequency systems with different moisture content soybeans[J]. Biosystems Engineering, 2015, 131: 41-48.

[85] Alfaifi B, Tang J, Rasco B, et al. Computer simulation analyses to improve radio frequency (RF) heating uniformity in dried fruits for insect control[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 37: 125-137.

[86] Hansen J D, Drake S, Watkins M, et al. Radio frequency pulse application for heating uniformity in postharvest codling moth (lepidoptera: tortricidae) control of fresh apples (.)[J]. Journal of Food Quality, 2006, 29(5): 492-504.

[87] Wang S, Yue J, Tang J, et al. Mathematical modelling of heating uniformity for in-shell walnuts subjected to radio frequency treatments with intermittent stirrings[J]. Postharvest Biology and Technology, 2005, 35: 97-107.

[88] Pan L, Jiao S, Gautz L, et al. Coffee bean heating uniformity and quality as influenced by radio frequency treatments for postharvest disinfestations[J]. Transactions of the ASABE, 2012, 55(6): 2293-2300.

[89] Jiao S, Johnson J, Tang J, et al. Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in lentils[J]. Journal of Stored Products Research, 2012, 48: 143-148.

[90] Palazoglu T K, Miran W. Experimental investigation of the combined translational and rotational movement on an inclined conveyor on radio frequency heating uniformity[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2018, 47: 16-23.

[91] Hou L, Ling B, Wang S. Development of thermal treatment protocol for disinfesting chestnuts using radio frequency energy[J]. Postharvest Biology and Technology, 2014, 98: 65-71.

[92] Tiwari G, Wang S, Birla S L, et al. Effect of water-assisted radio frequency heat treatment on the quality of ‘Fuyu’ persimmons[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100: 227-234.

[93] 謝永康，林雅文，朱廣飛，等. 基于制熱均勻性的射頻干燥系統結構優化與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(5)：248-254.

Xie Yongkang, Lin Yawen, Zhu Guangfei, et al. Structure optimization and experiment of radio frequency dryer based on heating uniformity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(5): 248-254. (in Chinese with English abstract)

Application and outlook of radio frequency heating technology in soil disinfection

Yang Fengbo, Zhang Ling※, Jin Yongkui, Xue Xinyu, Zhang Xuejin

(210014)

Soil disinfection technology has translated into a well-established commercial application with a mature market. However, most conventional disinfection methods, such as chemical and biological types, cannot meet the current harsh multiple needs of soil disinfection in modern digital agriculture. Therefore, this paper focuses on the latest application requirements for modern digital soil disinfection, to analyze the significant effects and typical defects of conventional disinfection methods, and finally proposes the idea: translating the emerging radio frequency heating technology into the application field of soil disinfection and the new design of advanced equipment. Five sections include in this paper. 1) The components, classification, heating performance and influence factors were summarized in the radio frequency (RF) heating system. 2) The application status of RF heating and disinfection technology was classify based on the various widely-used fields from industry, textile lighting, medical treatment, forestry product processing, agricultural and sideline product processing. The development processes of disinfection, sterilization, drying and thawing for agricultural and sideline products were analyzed, in order to clarify the main reasons for the RF uniform heating in the agricultural production line. 3) A RF heating experimental platform was also established in a laboratory environment, where preliminary trial tests of soil heating were performed using various types of electrode structures. The test results show that the structure of electrode poses a significant effect on the heating performance of the soil, which can be a key influence factor on the uneven heating. 4) This section covers a systematical analysis on the existing research related to the soil heating test under laboratory conditions, including the heating mechanism of the RF heating system, the heating characteristics of the soil materials, the matching features of the materials and the RF, the application shortcomings, the main causes, and the update methods for the physical heating method, and then proposes some suggestions to improve much more uniform RF heating in soil disinfection field. 5) According to the identification and assessment for the RF heating applications in other fields, this section proposes a separate design idea for field soil and organic soil RF heating disinfection equipment, several electrode structures in RF heating disinfection, and matching schemes for heated soil materials and heating parameters, for the future application of RF heating to soil heating disinfection. Since a variety of commercial simulation platforms for RF heating disinfection have emerged as the in-depth progress of the theory and technology, translating the soil RF heating into specific application based on the commercial simulation platforms would have played a direct and important role to accelerate the equipment development and shorten the development cycle, thereby saving the investment in research and the intensity of experimental labor. This overview can provide a sound guidance for the design and production of equipment in the field of soil RF disinfection.

radio frequency; soil disinfection; thermal effect; heating uniformity; equipment research and development

楊風波，張玲，金永奎，等. 射頻制熱技術應用現狀及土壤射頻消毒展望[J]. 農業工程學報，2020，36(8)：299-309.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.036 http://www.tcsae.org

Yang Fengbo, Zhang Ling, Jin Yongkui, et al. Application and outlook of radio frequency heating technology in soil disinfection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 299-309. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.036 http://www.tcsae.org

2019-12 -17

2020-03-18

國家重點研發計劃（2017YFD0201600）；江蘇省農業科技自主創新資（CX(17)3026）；國家自然科學基金項目（51705264）

楊風波，博士，副研究員。主要從事農業機械化裝備研發及航空精準施藥技術。Email：yangfengbo.cool@163.com

張玲，研究員。主要從事植保機械研究。Email：1173348176@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.036

S226.6; S124+.1

A

1002-6819(2020)-08-0299-11