趙柳霖，齊 龍，馬 旭，鄭文漢，林少敏，王 聰，陳 彬

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，而稻田草害則是導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低的主要原因之一[1-2]。為實(shí)現(xiàn)水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，必須有效地防控草害，目前世界范圍內(nèi)水田除草方式主要有化學(xué)除草與機(jī)械除草兩種。

歐美等國(guó)家水稻種植多采用飛機(jī)撒播技術(shù)，稻苗無序生長(zhǎng)，植保機(jī)具難以下田，因此田間雜草防治以飛機(jī)噴撒化學(xué)除草劑為主，效率高但污染與浪費(fèi)嚴(yán)重[3]。亞洲國(guó)家的水稻種植方式通常以機(jī)械移栽為主，秧苗生長(zhǎng)有序，雜草防治多采用除草機(jī)機(jī)械除草與噴桿式噴霧機(jī)噴施除草劑除草。噴霧機(jī)以井關(guān)JKB18C為代表機(jī)型[4]，此外還有小型背負(fù)式噴霧器、小型無人機(jī)噴藥，以及撒施芽前封閉性除草劑等?；瘜W(xué)藥劑除草方便高效，但普遍存在著較大的浪費(fèi)與污染。機(jī)械除草機(jī)代表機(jī)型有日本美善SMW型[5]、王金武等研制的有機(jī)水稻中耕除草機(jī)[6]等步進(jìn)式水田機(jī)械除草機(jī)，以及洋馬SJVP系列[7]、南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的2BYS-6型水田中耕除草機(jī)[8]等乘坐式水田機(jī)械除草機(jī)。但由于水田土壤特點(diǎn)、雜草的生長(zhǎng)及分布規(guī)律及水稻機(jī)械化種植的農(nóng)藝要求等，導(dǎo)致機(jī)械除草多應(yīng)用于水田行間作業(yè)，株間作業(yè)則存在著傷苗多、效率低等諸多難以解決的問題。

綜上所述，施用化學(xué)除草劑是應(yīng)用較廣泛的一種除草方式，具有快速、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其主要有撒施芽前封閉性除草劑與噴施選擇性除草劑兩種方法，但均會(huì)帶來藥劑殘留、環(huán)境污染等問題。針對(duì)此情況，應(yīng)加強(qiáng)局部對(duì)靶低量均勻噴施除草劑技術(shù)的研究，有效減少除草劑施用量并提高其利用率。而機(jī)械除草則是一種無污染的除草方式，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有增加氧氣、促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收等優(yōu)點(diǎn)[9]；但現(xiàn)有除草機(jī)械多應(yīng)用于稻田行間作業(yè)，株間雜草難以有效除去。

因此，為有效滅除行株間雜草、減少傷苗率及降低化學(xué)除草劑的投入量，筆者根據(jù)水田土壤的特點(diǎn)、雜草生長(zhǎng)及分布規(guī)律等提出了一種行間機(jī)械、株間噴藥(除草劑)相結(jié)合的聯(lián)合除草技術(shù)，并研制了復(fù)合式水稻田除草機(jī)，以解決稻田雜草控制的難題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

本文研制的復(fù)合式水稻田除草機(jī)主要由乘坐式插秧機(jī)底盤(水田拖拉機(jī))、藥液儲(chǔ)存箱、后懸掛機(jī)架、株間噴霧器及行間除草輪等部件組成，如圖1所示。工作前，根據(jù)稻苗生長(zhǎng)高度調(diào)節(jié)除草輪的安裝高度，防止機(jī)架壓苗；同時(shí)，調(diào)節(jié)液壓升降系統(tǒng)使機(jī)具滿足不同機(jī)械除草深度以及噴霧效果要求。工作時(shí)，機(jī)具以一定的速度前進(jìn)，株間噴霧器對(duì)株間雜草進(jìn)行對(duì)靶低量均勻噴施；螺旋刀齒除草輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，向下入土剪切雜草并攪動(dòng)土壤，出土?xí)r刀齒帶動(dòng)雜草與泥土翻轉(zhuǎn)，對(duì)雜草形成剪切、翻耕、埋壓等作用；兩者配合完成中耕除草作業(yè)。

1.水田拖拉機(jī) 2.流量調(diào)節(jié)器 3.藥液存儲(chǔ)箱 4.除草劑輸送管道 5.平衡調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 6.后懸掛機(jī)架 7.株間噴霧器 8.螺旋刀齒除草輪 圖1 復(fù)合式水稻田除草機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch map of combined type paddy weeder

1.2 機(jī)架設(shè)計(jì)

乘坐式插秧機(jī)工作時(shí)每次插6行秧。為配套插秧機(jī)工作，本機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)合式水稻田除草機(jī)機(jī)架長(zhǎng)2.1m，配置7個(gè)除草輪，可保證接行時(shí)不漏除。機(jī)架與拖拉機(jī)后懸掛采用軸承套嵌連接并增加限位裝置，使其在承重的同時(shí)兩端可上下浮動(dòng)從而具有一定的仿形能力，避免因田間地勢(shì)起伏造成機(jī)架壅土；同時(shí)，通過平衡調(diào)節(jié)裝置(開體花蘭螺絲配合張緊彈簧組成)將機(jī)架與后懸掛連接，保持機(jī)架兩端的平衡穩(wěn)定，保證除草作業(yè)質(zhì)量；機(jī)架背部安裝卡扣固定噴霧管道，并在底端安裝定型管，用以固定霧噴頭及調(diào)節(jié)噴霧方向等。

2 除草部件設(shè)計(jì)

2.1 噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴霧作業(yè)過程中，約有20%～30%以上的細(xì)小霧滴會(huì)被氣流攜帶向非標(biāo)靶區(qū)域飄移[10]，造成環(huán)境污染、藥害等問題，這也是農(nóng)藥利用效率低的重要原因之一。為解決此問題同時(shí)提高藥液附著率，大型噴霧機(jī)械多采用風(fēng)送噴霧或風(fēng)幕定向等方法[11]；但此類機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不適用于復(fù)合式水稻田除草機(jī)中。本機(jī)為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，配合機(jī)械除草部件，選用防飄移反射式霧噴嘴，根據(jù)雜草與作物的高度差，合理降低噴頭安裝高度以減少霧滴飄移距離；同時(shí)，結(jié)合除草劑噴施要求(中、粗霧)，采用低壓隔膜泵并加裝溢流控制閥以控制其流量及霧化效果，增加霧滴附著率，達(dá)到20～40滴/cm2葉面有效霧滴數(shù)的要求[12]。噴管采用普通壓力藥物噴管，并配有自潔能力的多級(jí)過濾裝置及回流攪拌裝置；選用選擇性除草劑氰氟草酯對(duì)株間雜草進(jìn)行對(duì)靶均勻噴霧。噴霧系統(tǒng)原理如圖2所示。

1.定壓回吸裝置 2.反射式霧噴頭 3.溢流閥 4.液泵 5.過濾器 圖2 噴霧系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of spray system

藥箱容量Δ采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[13]，即

Δ=0.0015GBLn

(1)

其中，G為單位面積施藥量；B為機(jī)組有效作業(yè)寬幅；L為地塊平均長(zhǎng)度；n為每箱藥往返作業(yè)單程次數(shù)。由式(1)可得藥箱容量約為80L。

2.2 機(jī)械除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)小功率水田拖拉機(jī)聯(lián)合除草作業(yè)，要求除草輪工作阻力小，對(duì)土壤破壞能力強(qiáng)。本研究中除草輪為從動(dòng)式，除草作業(yè)時(shí)除草輪與拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪按照一定的輪徑比轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)除草輪刀齒安裝端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(旋輪線)的特點(diǎn)，計(jì)算可得到最佳刀齒寬度。運(yùn)動(dòng)軌跡分析如圖3所示。

圖3 除草輪運(yùn)動(dòng)軌跡分析Fig.3 Motion trajectory analysis of weeding roll

經(jīng)過原點(diǎn)的除草輪旋輪線曲線參數(shù)方程為[14]

x=r(θ-sinθ)
y=r(1-cosθ)

(2)

其中，r為除草輪半徑；θ為除草輪轉(zhuǎn)過的弧度。代入除草輪的入土深度h，計(jì)算每條刀齒與土壤表面兩次作用(入土、出土)間隔的距離S1與h，則

(3)

兩條相鄰的刀齒分別與土壤表面作用的間距S2為

S2=L-S1

(4)

(5)

其中，L為兩條相鄰的刀齒安裝在除草輪上距離(m)。

當(dāng)S1?S2或S1?S2時(shí)，兩間隙距離相差太大，只有足夠?qū)挼牡洱X方可避免遺漏，而增大刀齒寬度會(huì)造成除草輪難以入土以及重復(fù)工作；當(dāng)S1與S2接近或相等時(shí)合理寬度的刀齒可完全覆蓋刀齒、刀齒之間與土壤表面作用時(shí)固有的間隙從而避免漏除，即S1=S2=L/2≈52mm，同時(shí)綜合考慮刀齒寬度對(duì)其入土能力的影響，設(shè)計(jì)螺旋刀齒寬為30mm。由式(5)可求得此時(shí)理論不遺漏除入土深度h≈62.6mm。

為保證不出現(xiàn)遺漏，要求除草輪、徑小、刀齒密，翻動(dòng)土壤能力強(qiáng)；但直徑太小的除草輪會(huì)出現(xiàn)纏草現(xiàn)象(2πr≥l，r為除草輪半徑，l為雜草高度)，刀齒過密則會(huì)影響其入土能力。據(jù)調(diào)查，插秧后15天的除草期內(nèi)雜草高度一般不超過250mm。綜合以上因素設(shè)計(jì)輪盤直徑為250mm；刀齒設(shè)計(jì)為螺旋刀齒，選用300mm×20mm×2mm的矩形鋼片將齒緣磨刃繞軸向扭轉(zhuǎn)720°，嵌裝到刀盤內(nèi)，每個(gè)除草輪配置6個(gè)刀齒。除草輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 螺旋刀齒除草輪Fig.4 Spiral cutter weeding roll

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為測(cè)試復(fù)合式水稻田除草機(jī)工作性能，于2015年4月25日在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所綜合試驗(yàn)站進(jìn)行該機(jī)的田間試驗(yàn)。試驗(yàn)田塊面積約1hm2，試驗(yàn)地點(diǎn)田間概況如圖5所示。試驗(yàn)水稻品種為超級(jí)稻永豐優(yōu)9802，平均高20cm，每穴苗數(shù)平均4株，長(zhǎng)勢(shì)良好，未見明顯病蟲害，移栽后未進(jìn)行人工除草或噴灑除草劑。雜草主要為稗草及千金子等，平均高度為8cm。

圖5 試驗(yàn)地點(diǎn)田間概況Fig.5 General situation of the test field

3.2 試驗(yàn)方法

選取除草率Cr和霧滴沉積數(shù)目Pr作為除草機(jī)作業(yè)質(zhì)量的評(píng)定指標(biāo)。霧滴沉積數(shù)Pr為

(6)

其中，N為所取雜草葉片上的霧滴總數(shù)(滴)；S為選取的雜草葉片的總面積(cm2)。除草率定義為

(7)

其中，Z為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間雜草總株數(shù)；S為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間剩余雜草總數(shù)，包括行間未除去的雜草(未被壓折、連根拔起或倒伏)與株間除草劑未生效的雜草(噴霧后兩天未見死亡)。

為測(cè)試復(fù)合式水稻田除草機(jī)工作性能是否滿足中耕除草要求，機(jī)具前進(jìn)速度選取0.3，0.6、0.9m/s 3個(gè)水平，除草輪入土深度選取3、6、9cm 3個(gè)水平。對(duì)除草機(jī)進(jìn)行全因素試驗(yàn)，按照試驗(yàn)因素不同水平組合，共進(jìn)行9次試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)除草率時(shí)，選取9塊20m長(zhǎng)的地塊作為試驗(yàn)區(qū)域，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域前后各5m長(zhǎng)的區(qū)域作為加速和減速的緩沖區(qū)，以保證機(jī)器能以穩(wěn)定的狀態(tài)通過試驗(yàn)區(qū)域；在每次試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取兩個(gè)10m×2行的范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著機(jī)具前進(jìn)速度增加，除草率先上升后下降，單位面積霧滴沉積數(shù)逐漸減少。在速度較低時(shí)(0.3m/s)，霧滴沉積效果高于最高標(biāo)準(zhǔn)，株間雜草可完全除去，但同時(shí)造成一定程度的污染浪費(fèi)；而行間除草輪由于轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度成正比，此時(shí)轉(zhuǎn)速過低，難以完全發(fā)揮除草功能。速度適中時(shí)(0.6m/s)，霧噴頭在株間作業(yè)效果較好，霧滴沉積效果滿足要求；行間除草率隨著機(jī)具速度增加而上升，整機(jī)作業(yè)效果較好。速度較高時(shí)(0.9m/s)，霧噴頭難以形成有效霧滴沉積，故株間除草效果不佳；行間除草輪作業(yè)效果較好，但存在打滑、入土不充分等現(xiàn)象，一定程度上影響了整機(jī)除草作業(yè)效率。

表1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Date of the field test

隨著除草輪入土深度的增加，除草率先上升后下降，單位面積霧滴沉積數(shù)先增多后減少。在除草輪入土較少時(shí)，翻動(dòng)土壤能力較差，此時(shí)行間除草率不高；而入土過多則會(huì)出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，同樣影響除草率；在入土深度為6cm時(shí)除草輪工作穩(wěn)定切除草率較高，與運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算結(jié)果大致相符。霧滴沉積情況和噴嘴與雜草之間的高度差有直接關(guān)系：除草輪入土少時(shí)，兩者之間的高度差較大，會(huì)出現(xiàn)一定程度的飄移，霧滴不能與葉片形成有效接觸；除草輪入土較多時(shí)，兩者之間高度差過小，霧滴以較大的速度直擊葉片造成反彈，不利于附著；在入土深度為6cm時(shí)，高度差適中，霧滴附著效果最好。

4 結(jié)論

1)根據(jù)我國(guó)水稻生產(chǎn)實(shí)際情況及行、株間除草要求，設(shè)計(jì)制造了一款復(fù)合式水稻田除草機(jī)。該機(jī)由水田拖拉機(jī)提供動(dòng)力，分別配備了行間機(jī)械除草部件與株間化學(xué)噴霧除草部件。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，可有效除去水田行、株間雜草，減少了除草劑施用量并提高其利用率。

2)選取機(jī)具前進(jìn)速度和除草輪入土深度作為試驗(yàn)因素對(duì)復(fù)合式水稻田除草機(jī)進(jìn)行了全因素試驗(yàn)，測(cè)試了該機(jī)的工作性能。結(jié)果表明：隨著機(jī)具前進(jìn)速度增加了除草率先上升后下降，霧滴沉積數(shù)相應(yīng)減少；隨著除草輪入土深度的增加，除草率先上升后下降，單位面積霧滴沉積數(shù)先增多后減少。除草效果最佳組合為機(jī)具前進(jìn)速度為0.6m/s，除草輪入土深度為6cm，此時(shí)除草率為89.7%，單位面積霧滴沉積數(shù)為35。由綜合試驗(yàn)結(jié)果可知：該機(jī)平均除草率為86.7%，單位面積霧滴沉積數(shù)為35.1滴/cm2，符合機(jī)械除草與噴霧除草的作業(yè)質(zhì)量要求。

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