牛春亮，王金武，唐繼武,胡文靜，安相華

稻田株間除草彈齒齒形及安裝方式分析與試驗

牛春亮1a，王金武2，唐繼武1b,胡文靜1b，安相華1a

(1.大連海洋大學 a.機械與動力工程學院；b.應用技術學院，遼寧 大連 116300；2東北農業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

水田機械除草技術是提高稻米品質的一項重要生產技術，在水稻生長過程中進行機械除草作業(yè)，既去除雜草同時又實現了稻田的中耕管理，降低了長期以來化學除草帶來的負面環(huán)境影響。目前，稻田機械除草技術在對行間雜草去除方面的研究較為成熟，株間雜草去除成為重點的研究方向。為此，設計了一種株間除草關鍵部件(即除草盤)，并對除草盤上彈齒齒形進行了選型，對彈齒安裝方式進行分析。按照確定的結構制造了除草盤，進行了室內土槽試驗，表明該種形式的除草盤具有較好的除草效果。

稻田；雜草；彈齒；株間除草

0 引言

機械除草作為優(yōu)質水稻生產過程中一項重要技術，國內外科研人員展開了大量研究。國外稻田除草機械研究較為成熟，日本和韓國等技術均已進入市場，水稻生產機械化水平領先；而國內通過多年的研究，在吸收和引進國外除草機具的成熟結構設計和部件的同時，研制了多種型號的稻田除草機，但大部分僅限于行間除草作業(yè)，對株間及近秧苗周邊雜草不能較好去除。針對這種情況，本文根據稻苗與雜草根系生長的狀況不同，設計了一種針對株間及近秧苗周邊雜草的新型除草部件，在稻田中耕的時候配合行間除草機構完成除草作業(yè)[1-2]；研究完成了株間除草關鍵部件即除草盤的設計，對除草盤上的彈齒安裝方式進行了對比分析和選型，并對較優(yōu)結構下的除草盤進行了土槽試驗，得到了較好的試驗效果，為株間除草提供了研究基礎。

1 稻田生長情況的研究

1.1 水稻生長特點

水稻根系生長過程中，插秧后返青期間，秧苗移栽后由于根系有損傷，需要5～7天時間才能恢復生長，根系萌發(fā)出新根。此時，根生長緩慢，以不定根的生長為主，圖1為秧苗移栽后第7天的根系情況。返青期過后到分蘗期，根系生長速度加快，不定根開始迅速生長，橫向擴展較快，使根群分布呈現扁橢圓形，占總根量的90%以上，圖2為水稻移栽后第20天的根系。根數因水稻品種、田間環(huán)境而異，最多可達千條，平均在200條左右，且根須較長。又因為在插秧中每穴插多株秧苗，使得根系交織，根系整體形成較大合力[3-4]。

圖1 插秧后第7天根系

Fig.1 7 days after transplanting root system

圖2 插秧后第20天根系

Fig.2 20 days after transplanting root system

1.2 雜草生長特點

稻田雜草是影響秧苗生長的不利因素，而稗草又是稻田中發(fā)生危害、造成水稻產量損失最嚴重的雜草之一，其它雜草還有光頭稗、異型莎草、碎米莎草及鴨舌草等。本研究重點以危害最大的稗草去除為研究對象，兼顧去除其它雜草。由于在生長期內稗草和水稻具的親緣性、近似性，且株型及生長需求等生物學特性都極為相似，使稗草成為水稻最重要、最難防除的一年生伴生性雜草[5-6]。由于稗草在水稻生產中危害的嚴重性， 比起其它稻田雜草，稗草的去除一直是重點關注對象。

在生長初期，稗草外形與水稻極為相似。稗草根系發(fā)達，再生能力強，而與水稻不同的是在生長初期稗草單株生長，根系少而纖細[7-8]。圖3為移栽后第7天稗草生長情況，稗草根系纖細，只有1～2根，莖稈纖細，植株高度約5～8cm。圖4為移栽后稗草第15天生長情況，此時須根較多，扎根較深，植株粗壯，植株高度約20～28cm。

圖3 稗草7天生長情況

Fig.3 7 days growth of barnyardgrass

圖4 稗草15天生長情況

Fig.4 15 days growth of barnyardgrass

1.3 株間除草機理及可行性

移栽后第7天，水稻秧苗和稗草植株生長情況有較大差異。由于水稻秧苗是移栽，秧苗生長早于稗草，移栽后水稻秧苗莖稈粗壯，植株平均高度15cm，根系較粗數目較多，根深40～50mm；稗草莖稈纖細，植株高度30～50mm，根系少且纖細，根深10～30mm。因此，利用移栽后秧苗和稗草的生長初期的生長不同的特點，設計了一種彈齒式株間除草除草部件，采用旋轉工作方式，在機具的帶動下前進。彈齒在除草過程中深入泥土，在不傷秧苗的前提下，將雜草連根挑出或打折，使之漂浮在水層上或利用泥土的攪動將其覆蓋，從而完成秧苗株間除草作業(yè)。分析表明：株間除草是可行的[9-10]。

2 除草盤上彈齒的選型與安裝分析

作為株間除草的關鍵部件，彈齒除草盤的設計尤為重要。為了探究除草盤上彈齒安裝形式及彈齒形狀與除草效果的關系，研制了幾種不同的彈齒除草盤。在無秧苗和雜草狀態(tài)下的土槽內進行幾種除草盤的預備性試驗研究。固定相同的除草盤轉速、前進速度及除草深度，觀察試驗中幾種不同形式除草盤上的彈齒在泥土中所劃過除草面積。從除草性能角度考慮，將除草面積大的除草盤視為本研究最適宜的除草盤。

2.1 除草盤上彈齒齒形的設計

除草盤上彈齒齒型的設計分為直齒型彈齒除草盤與圓弧型彈齒除草盤，分別如圖5和圖6所示。

直齒型彈齒除草盤在作業(yè)時會出現雜草或秧苗莖葉纏繞除草盤的現象，且除草盤轉動時線性力大，直型彈齒端部對秧苗的莖葉損傷大。采用圓弧型彈齒除草盤，設計半徑為250mm，圓弧彎曲方向與除草盤轉向相反?；⌒锡X和直型齒相比，彈齒在轉動過程中，可在離心力的作用下自行將雜草沿著弧線向外甩出，具有防止纏繞雜草的功能，且弧型彈齒漸入式入土減少了彈齒對秧苗的損害，故選定弧形彈齒作為實際齒形。

圖5 直齒彈齒除草盤

Fig.5 Straight spring tooth weeding dish

圖6 弧形彈齒除草盤

Fig.6 Arc spring tooth weeding dish

2.2 除草盤上弧形彈齒安裝方式的確定

弧形彈齒的安裝形式有兩種，即彈齒安裝時無后傾角和有后傾角，分別如圖7和圖8所示。

圖7 無后傾角弧形齒除草盤

Fig.7 Without the obliquity spring tooth weeding dish

圖8 有后傾角弧形齒除草盤

Fig.8 A obliquity spring tooth weeding dish

無后傾角的彈齒除草盤對秧苗根部損傷較大，彈齒工作時與秧苗完全接觸，會將秧苗挑出，傷秧情況明顯；而采用有后傾角彈齒除草盤，彈齒采用與前進速度相反方向的后傾角度β設計，能夠減少彈齒與秧苗的完全接觸機會，從而降低傷秧率，同時還增加了除草面積，提高了除草率。

3 土槽試驗的準備工作

3.1 試驗土槽的處理及試驗區(qū)劃分

為了更好地模擬真實種植環(huán)境，試驗前要對土槽環(huán)境進行處理。對土槽中泥土進行翻耕，清除沙石、雜草，細化土壤，以免試驗中工作部件損壞。實際水田整地的標準：地面平整，田塊高低差不超過3cm，沒有偏臉池；上糊下松，表面泥水融軟活，下部土團較大，暄松，通氣性好，泥爛適中，有水有氣，利于插秧和插秧后返青根系的發(fā)育，泥腳深度在13～15cm。

由于試驗區(qū)域面積限制，為了充分合理地利用資源，減小試驗誤差，對土槽區(qū)域進行劃分，如圖9所示。

1.秧苗 2.除草盤中心軸位置 3.帶狀除草區(qū)域圖9 試驗區(qū)的劃分情況Fig.9 The division of test area

圖9中，數值單位均為mm,黑點為秧苗位置，依據土槽的尺寸和機插稻田的參數合理設計移栽方案。本試驗將秧苗分5列種植，列間距30cm，每列130穴秧苗，每穴插5棵苗。圖9中，有5個斜線填充的帶狀區(qū)域，為除草盤所除草的范圍，帶寬為222mm，帶狀區(qū)域的中間線為除草盤的轉動軸線所在位置。經多次預備試驗及計算分析，確定除草盤的中軸線位置距秧苗80mm時除草效果較好。除草率計算根據區(qū)域內雜草數目為基數進行測取。

在土槽中移栽秧苗時，每列首位處秧苗距土槽邊緣保留一定距離，避免試驗啟動除草盤時損傷秧苗，保證試驗數據的準確性。

3.2 秧苗的移植與栽培

試驗采用的水稻品種為東農9號，溫室內秧盤育種，圖10為育秧情況。秧苗生長期25天左右，3葉1心至4葉，平均株高13cm左右。移栽時，要求秧苗無病、蟲，藥害，長勢良好。在土槽中，為了更好地模擬田間環(huán)境，行列間距均按機插稻田標準移栽，穴插5株。

圖10 溫室育秧Fig.10 Greenhouse breeding

4 試驗因子選取

本研究設計的彈齒式株間除草部件旨在清除株間及靠近秧苗附近的雜草。經過多次預備試驗證明，影響株間除草效果的關鍵因素是過除草盤回轉軸線和秧苗的距離及除草盤的除草深度。如果除草盤距離秧苗近了，除草盤相對秧苗作業(yè)深度增加，容易造成傷根；距離遠則不能去除秧苗另一側的雜草。根據除草盤的設計要求及多次預備試驗，最終距離選取80mm左右，該距離可以對秧苗兩側的雜草較好地去除，又能保證除草盤的除草深度不傷根。從雜草根系的生長情況分析，除草深度選擇在18～30mm范圍內從根部徹底清除雜草。當除草盤距秧苗在80mm時，除草深度在18～31mm。

試驗臺架前進速度對除草和傷秧也有影響：前進速度快，彈齒的齒跡距長，作業(yè)的區(qū)域小，除草率和傷秧率較低；前進速度慢，彈齒的齒跡距短，除草率和傷秧率提高。由預備性試驗測取保證較高除草率和較低傷秧率的前進速度。

除草盤轉速對除草效果也有影響：除草盤轉速快，在前進速度固定情況下，彈齒的齒跡短，翻土的次數多；在前進速度固定情況下，除草盤轉速慢，彈齒的齒跡長，翻土的次數少。由預備性試驗測取合適的除草盤轉速。

為了研究所選取的除草盤除草效果，結合前文的分析，本試驗選擇除草盤轉速、臺架前進速度和除草深度3個因子作為定量試驗因子。

5 土槽試驗的臺架搭建

為了分析所設計彈齒式除草部件工作效果，探索方法及新機型，得到合理的試驗數據，提高除草效率，降低傷秧率，為稻田機械式株間除草提供可靠技術支撐，本研究進行了室內的土槽試驗。對試驗的環(huán)境、所采用的試驗工具及試驗設備等進行了設計，包括土槽的設計及試驗臺行走機構的設計。

為研究該種結構的除草盤的除草性能，在試驗臺上進行了除草性能的試驗。除草機構及試驗臺如圖11所示。

1.土槽 2.臺架軌道 3.除草組件 4.可行走臺架 5.控制系統(tǒng)組件 6.傳動鏈 7.支撐滑輪 8.調速電機圖11 雙弧形除草盤除草試驗臺組成Fig.11 Composition of double curved spring-tooth weeding test bench

6 除草前后的作業(yè)效果對比

結合秧苗生長情況及雜草出草高峰期，選取稻苗移栽后第7天及第14天共進行兩次除草試驗，主要雜草稗草基本除凈，除草后的水稻秧苗生長情況良好。由于除草作業(yè)過程中彈齒力的作用，部分秧苗在剛除草后有一定的傾斜和輕微損傷(見圖12)，但隨著秧苗生長可以自我扶正和自愈。

圖12 兩次除草后效果對比Fig.12 The effect of twice weeding comparison

試驗證明：經過該種除草盤組件除草后，既消滅

雜草和害蟲，又抑制雜草生長。機械除草的方式還疏松了土壤，改善秧苗根部通透性，增加土壤透氣性，促進根部生長活動。經過兩次除草后，可以基本消滅水田雜草，同時促進了秧苗的生長發(fā)育，減少了化學除草對水稻品質的影響。

7 結論

1)針對株間除草關鍵部件除草盤上彈齒的齒形和安裝方式進行了研究，選取的最優(yōu)結構為雙弧形除草盤結構，并進行了室內土槽除草試驗，得到了該結構下較好的除草效果和試驗數據。研究選取了除草試驗的因子，為綜合性除草試驗提供了技術參考。

2)搭建了土槽試驗臺，結合控制系統(tǒng)，對雙弧形除草盤在模擬環(huán)境下的除草效果進行了驗證，并結合農藝原理探求了合理的除草時機，為水田機械除草技術發(fā)展提供了研究基礎。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0176-EA

Analysis and Test on Weed - tooth Type and Installation Mode of Inter - plant Weeds in Rice Field

Niu Chunliang1a, Wang Jinwu2, Tang Jiwu1b, Hu Wenjing1b, An Xianghua1a

(1.Dalian Oceang University a.Mechanical and Power Engineering College; b.Applied Technology College, Dalian 116023,China；2.Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030,China)

Mechanical weeding in paddy field is an important technique to improve the quality of rice. In the process of rice weed weeding, weeding and weeding are also realized, which reduces the negative effect of chemical weeding for a long time. Environmental impact.At present,paddy weeding techniques are more mature in the research of weed removal between rows, and the removal of weeds in plants is the focus of research. In this study, a key component of weed control system was designed. The tooth-shaped tooth was selected, the installation method of the spring-tooth was analyzed, the weeding tray was manufactured according to the optimal installation method, and the experiment of indoor soil-groove was carried out. The experiment results showed that the model had better test effect.

paddy field; weed; spring tooth; weeding among plants; installation mode

2016-10-12

遼寧省自然科學基金項目(2015020134)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014274)；黑龍江省科技廳重大攻關項目(GB07B106)

牛春亮(1983-),男，黑龍江牡丹江人，講師， (E-mail)clniu@qq.com。

S224.1

A

1003-188X(2017)12-0176-04