田间除草机械综述

田间除草机械综述摘要：水稻田间机械除草技术在减少除草剂防治和有机稻草害控制的研究和应用中具有重要作用。

该文收集和整理国内外水稻田间机械除草装备与技术研究现状，概括了现在市场上应运广泛便捷的除草机械，分析了除草机械主要的技术核心。

结合我国具体情况，应采用多学科多技术联合、农机农艺相互配合及多功能于一体融合的研究方法研制智能化除草系统，以期提高除草精度和我国农业机械化水平。

关键字：除草；机械式；装备；现状；趋势Summarization of Field Weeding MachineryAbstract:The mechanical weed control in paddy field plays an important role in reducing herbicide control and organic rice straw weed control research and application. This paper collects and arranges the domestic and foreign research status of mechanical weeding equipment and technology in rice field, summarizes the weeding machinery which is convenient and widely used in the market nowadays, and analyzes the main technical core of weeding machinery. Combined with China's specific circumstances, should be multi-disciplinary multi-technology joint, agricultural and agricultural cooperation with the integration of multi-functional research methods in the development of intelligent weeding system in order to improve weeding accuracy and level of agricultural mechanization.Key words: Weeding; Mechanical; Equipment; Status; Trends0.引言稻田杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、水、热等资源，影响水稻的生长发育，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一，每年由草害引起的水稻产量损失率在15%以上。

因此，在水稻的生产过程中，科学有效地控制草害是确保水稻健康生长，实现高产、优质的必不可少的关键环节之一。

化学药剂除草是目前应用最广泛的一种除草方式，它具有快速、高效、经济等优点，85%~100%的作物生产中使用了除草剂。

然而20世纪80年代以来，世界范围内除草剂的大面积使用，带来了诸多负面问题，如杂草的抗药性、作物药害、生态环境污染，大量施用化肥与农药导致生态环境的恶性连锁反应，各种灾害频发，是一种不可持续的耕作方式。

随着现代农业的发展，以及人们环境保护意识的加强和对食品质量安全问题的重视，除草剂减量防除技术逐渐发展起来，机械除草、农业防除和生物防治等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。

在水稻田间非化学除草的防治技术中，机械除草技术发展迅速，并有相应的水稻田间除草装备在农业生产中应用。

机械除草作业是旱作农业可持续发展的一项关键性生产技术，是利用各种耕、翻、耙、中耕松土等措施在播种前、出苗前及各生育期等不同时期进行除草，能杀除已出土的杂草或将草籽深埋，或将地下茎翻出地面使之干死或冻死。

这是我国北方旱区目前使用最为普遍的措施。

1.国外除草机械发展现状作为保护性耕作的关键技术，国外从20世50年代就开始了对机械除草技术的研究。

经过多年的研究改进，目前已经形成了一整套成熟的保护性耕作农机具。

1.1欧美欧美（美国、意大利等）及澳大利亚等国家水稻种植方式以直播为主。

直播水稻田稻种与草种同时萌发，根系深度无明显差异，杂草个体生长空间大，草量是移栽水稻田自然发生量的数倍；此外，撒播稻田内秧苗无序生长，植保机具无法下田。

因此，直播水稻田杂草防治以化学防治为主，即施用高效除草剂灭草，少见机械除草方式。

近年来，随着传感器和人工智能技术的发展，杂草视觉识别技术发展迅速，并应用于除草机器人的研究。

Vale．S等人研制的苗间除草装置利用红外线传感器检测作物，当检测到作物时，信号传输至计算机，计算机通过控制命令驱动执行机构将锄刃离开作物以避免对其损伤，之后又回到原位进行除草作业。

据报道，此装置在高达5cm、8个叶片、株距在17～18cm的生菜田间进行试验，性能良好。

同样利用红外线传感器检测作物，荷兰瓦格宁根大学研究的苗间除草系统中，两条或多条除草刀装在垂直旋转的圆盘上，当检测目标为杂草时，圆盘高速旋转，除草刀展开伸出至作物苗间将杂草切断；当目标位作物时，转速降低收回除草刀，避免除草刀与作物接触而损伤作物。

Dedousis等人设计了一种控制苗间杂草的旋转阀掰锄，如图1所示。

图1 除草原理说明图其旋转中心沿与作物行有一定距离且与作物行平行的直线移动，锄上切除部分使锄通过作物时避免与作物接触，而锄体在通过苗间区域时破坏土壤，从而达到保护作物除去杂草的目的。

田间试验表明，选用直径175mm、切除部分156°的圆盘和约15mm的入土深度能取得较好效果。

另外，在机器前行速度0．5m/s的情况下，该机构除草率超过87%。

美国的JD970滚刀式除草耙，其工作末端执行器随着机器前进，带动刀轴转动，滚切刀外缘的刀刃切断草根，实现除草目的，除草效率高，消耗动力小，机具的作业末端执行器为滚动部件，因此不会发生秸秆堵塞；美国的JD886型行间管理除草机具有可调整的护苗板，进行喷药除草治虫或机械除草时可以有效地保护作物，离地间隙高，适宜在秸秆覆盖的田间进行行间作业。

西班牙的Pérez－Ｒuiz、美国的Slaughter等人研究了把GPS定位系统用于株间除草工作，其除草末端执行器如图2所示。

对比试验结果表明：此系统在针对设定的靠近植株的区域(以植株为中心，半径10mm的范围内)的定位精度很高，他们后来又研究了一个基于一种精确的测距传感器的协作机器人(co－robot)控制系统。

这个系统用于控制类似图2所示的1对除草刀的开闭，在人工辅助监控下，以达到避开植株而除去株间杂草的目的。

其优点是简单廉价，易于操作。

图2行作物株间除草刀C．Cordill和T．E．Grift研制了一种利用激光控制的用于玉米苗间除草的装置，如图3所示。

该装置由4组激光发射器和相应数量的、与之有一定距离的接收器组成。

4组激光发射器与接收器均平行于地面且处于垂直地面的平面上，当玉米茎和杂草位于发射器和接收器之间时会产生二进制的脉冲，累积脉冲达到4组时即可判断此组脉冲对应的是玉米茎，其余为杂草。

该装置在不同条件下伤苗率不同。

田间试验分析表明，在3行玉米苗间无草、3行玉米苗间充满阔叶杂草、3行玉米苗间充满禾本科杂草的情况下，伤苗率分别为8.8% 、23．7% 、23．7%，更深入的研究尚在进行。

图3自动避障玉米株间除草机德国专门研制出一种除匍根冰草机械，用钢爪抓耙20cm深地表，把匍根冰草连根拔起堆放喂猪或腐化成肥料。

德国波恩大学开发了一种苗间除草系统，如图4所示。

该系统由执行机构、速度检测器、数据采集单元和作物识别系统等组成。

控制软件根据株距、当前锄臂位置对数据采集单元所收集的作物识别、机器前进速度、电机旋转速度等相关数据进行实时计算，进而调整执行机构的旋转速度。

据报道，该系统可用于缺苗、株距不一致等情况，但至2007年仅在虚拟环境中实现。

图4旋耕锄模型丹麦的Melander 等人从20世纪90年代就开始对株间机械除草技术进行研究，对当时已研发出的可同时进行行间和株间除草的刷式除草机(如图5)进行优化分析。

在洋葱地里进行试验，研究洋葱生长在不同时期，刷子的转速、拖拉机的前进速度、刷子的工作深度和刷子间距对除去杂草和洋葱产量的影响。

结果显示: 刷子的转速和拖拉机的前进速度对洋葱的产量和杂草控制影响较小，刷子的工作深度和刷子间距是很重要的参数。

瑞典的Fogelberg 等人进一步研究了影响刷式除草机在工作后形成的土壤高度的主要因素。

除草刷有两个不同的转向，由此可得到把土壤搬运到行间或株间(即拔出或覆盖株间的杂草)两个效果。

试验结果表明：影响形成土壤高度的因素有除草刷的转向、除草刷工作深度、土壤湿度、作物和杂草的生长状态。

其中，除草刷工作深度越深、土壤湿度越大，形成土壤的高度越高，某种意义上，即除草效果越好。

图5刷式除草剂一种基于GPS的苗间除草实时控制系统由M．PérezＲuiz等人研制成功，它由苗间除草刀、GPS及实时控制系统(ＲTK)组成。

当监测系统RTK－GPS确定当前的植物为作物时，苗间除草刀自动张开以避免损伤作物，随后关闭进行苗间杂草控制作业。

对682颗番茄田间试验表明，其前进的速度为0．8、1．6km/h情况下，没有伤苗出现。

据报道，此技术可行，将来的研究工作在于评价此技术是否具有实在的经济价值。

欧美地区发达国家研制的苗间除草装置所用技术先进，而由于经济发展、土地条件等因素不同，我国仍需结合本国国情、因地制宜地研究本国当地所需的机械除草装置与技术。

1.2 日本亚洲国家的水稻种植方式通常以移栽为主，其中日本水稻移栽装备与机械化水平最高。

近年来，有机农业在日本发展迅速，有机稻米颇受消费者的青睐，因此，根据市场的需求以及有机稻栽培的生产要求，一些研究机构和农机生产企业开发了水田除草机。

市场上出售的水田除草机按切割器类型划分有圆盘式、甩刀式和往复式；按与拖拉机挂接方式划分有前置式、侧置式和后置式；按照行走方式主要分为步进式和乘坐式2种，其中乘坐式又可细分为三轮乘坐式和四轮乘坐式，不同机种除草部件的相应结构如表1所示。

表1日本主要水田除草机类型1.2.1步进式水田除草机图6a所示的和同产业MSJ-4型步进式水稻田间除草机，行间除草末端执行器为随动的除草辊，株间除草末端执行器为一对驱动转动的弹齿盘。

该机工作时水深为8～10cm，作业速度为0.2～0.3m/s时，作业效率为为0.4～0.6hm2/h。

此外，美善株式会社研发的步进式水田除草机的株间除草末端执行器也具有一定特色，株间除草工作由一对随动转动的伞状除草盘完成，行间除草末端执行器与洋马步进式除草机类似，如图6b所示。