齊 龍，劉 闖，蔣 郁

(1 華南農業(yè)大學 工程學院，廣東 廣州 510642； 2 華南農業(yè)大學 現代教育技術中心，廣東 廣州 510642)

水稻是中國主要的糧食作物，而雜草又是水稻生產的主要制約因素。我國稻田化學除草面積約占種植面積的90%以上，長期、大量、高頻施藥會產生雜草抗藥性、作物藥害、環(huán)境污染等諸多負面問題[1-9]。機械除草作為一種環(huán)境友好型的綠色除草方式，可以有效緩解當前化學除草帶來的危害[10]，符合國家提出的質量興農、綠色興農的農業(yè)產業(yè)發(fā)展方向。中國的水田機械特別是水田除草機械研究尚處在理論和試驗研究階段[11-21]，未能在生產中廣泛應用；日本的研究機構和農機生產企業(yè)已經開發(fā)了一系列的水田除草機[22]，但價格昂貴，長期依賴日本的水稻生產機械將影響我國農業(yè)生產的戰(zhàn)略安全，因此，迫切需要提高我國水稻機械除草關鍵技術和裝備的自主研發(fā)水平。由于水田環(huán)境的復雜性和水稻種植的農藝特點，水稻生產中采用機械除草方式存在著傷苗率高、除草率低、適應性差等問題；而水稻種植的株距較小(機械化移栽株距10～17 cm)，株間機械除草技術更是水田機械除草的“瓶頸”問題。綜上所述，鑒于水稻機械除草的重要性，針對水稻機械除草技術中的難點，本文對現有水稻機械除草技術研究現狀進行了綜述，以期發(fā)現尚待解決的關鍵技術問題，為水稻機械除草作業(yè)技術的研究提供參考和借鑒。

1 水稻株間機械除草技術研究現狀

有機農業(yè)的發(fā)展有力地帶動了機械除草新技術的發(fā)展[23-49]。但是與行株間同步高效防除的化學除草技術相比，株間機械除草相對較低的除草率和工作效率仍然是制約機械除草大面積應用的“瓶頸”問題。當前以日本為代表的移栽水稻田常采用基于苗草根系差異特點的株間機械除草技術，該技術主要是根據作物與雜草根系深淺差異，控制除草部件工作深度，除去雜草但不損傷作物的除草技術。該技術無需對作物或雜草定位，工作效率高，但是除草率相對較低，除草作業(yè)時需要作物扎好根、作物苗齡一般“四葉期”以上。其關鍵部件主要可分為對轉式、固定彈齒式和彈齒耙式等。

1)對轉式株間除草部件：由1對相對轉動的橡膠指盤、毛刷或者彈齒盤組成，主要對雜草進行拉拔和埋壓，除草深度一般控制在10～30 mm。日本水稻生產機械化水平較高，一些農機企業(yè)已經開發(fā)出系列水田除草裝備。日本美善株式會社研發(fā)的水田除草機乘坐式機型有4、5、8行3種機型，可同時完成行－株間除草作業(yè)，株間除草部件為1對地面驅動的傘狀除草盤(圖1)[50]。

圖1 傘齒式除草部件Fig. 1 Umbrella-tooth weeding unit

圖2 彈齒盤式除草部件Fig. 2 Spring-tine weeding unit

圖2為日本和同產業(yè)研發(fā)的步進式水稻中耕除草機，其行間除草部件為隨動的除草輥，株間除草部件為1對驅動轉動的彈齒盤，作業(yè)效率為0.4～0.6 hm2/h[51]。國內東北農業(yè)大學研究人員在此基礎上設計了一種株間除草裝置，通過鋼絲軟軸驅動彈齒盤轉動，將土壤攪動、翻轉連同雜草翻出地表并將其覆蓋，完成除草作業(yè)[11,52-55]。

2)固定彈齒式株間除草部件：扭簧式株間除草部件是固定彈齒式除草部件中結構最簡單的一種，由1對連接在固定機架上的扭轉彈簧齒組成。彈簧齒由2個部分組成：垂直部分以一定角度指向土壤表面；水平部分指向作物。機具工作時，株間除草部件橫跨在作物兩側，隨著機具前進拖、拔或埋沒株間雜草。日本三菱農機公司生產的水田除草機株間除草部件為固定在機架上的2組除草彈絲，工作原理與扭簧式株間除草部件相似，可通過調節(jié)傾斜角度和高度改變作業(yè)深度，通過調節(jié)內側除草鋼絲的上下位置調節(jié)除草彈絲組的作業(yè)強度[56]。日本QHOE公司是一家專門從事機械除草的生產和銷售企業(yè)，其研發(fā)的同類型株間除草部件在水田和旱地都得到了較好的應用(圖3)[57]。

圖3 固定彈絲式除草部件Fig. 3 Fixed-spring-tine weeding unit

齊龍等[58]發(fā)明了一種株間機械彈性觸覺除草器，根據稻株與雜草的生物力學差異，利用板簧激振、扭簧擺動實現株間除草。由于固定彈齒式株間除草部件橫跨在作物兩側工作，與作物非常接近，準確對行是減少傷苗率的關鍵。

3)彈齒耙式株間除草部件：主要由安裝在固定機架上的彈簧耙齒組成，工作深度和強度的變化通過調節(jié)彈簧齒的工作角度和張緊力完成，可同時完成行－株間除草作業(yè)。研究表明彈齒耙可用于玉米、向日葵、菜豆、胡蘿卜、洋蔥、豌豆、扁豆、冬季谷類作物等大田雜草防控[59-62]，對闊葉型雜草的除草效果更好。為了減少對作物的損傷，應在作物苗期“四葉期”后進行機械除草。日本農研機構聯合井關農機公司合作開發(fā)了彈性耙齒式水田除草機，株間除草率為40%～50%(圖4)[63]。

圖4 彈性耙齒式除草部件Fig. 4 Flex-tine harrow weeding unit

2007年，日本農研機構聯合井關、久保田等公司共同開發(fā)了高精度乘坐式水田除草機，行間除草部件為旋轉耙齒，株間除草部件為擺動彈性耙齒(圖5)[64]。該機具作業(yè)速度為0.4～0.6 m/s、行間作業(yè)深度40～60 mm、株間作業(yè)深度20～40 mm、作業(yè)時水深要求30～60 mm，機具工作時，驅動耙齒高速轉動(100～200 r/min)除去行間雜草，利用左右擺動(頻率3.7～7.3 Hz)的梳齒除去株間雜草，行間除草率大于85%，株間除草率為50%左右[65-66]。吳崇友等[13]研制的2BYS-6 型水田中耕除草機，其行間采用旋轉部件，株間使用擺動部件除草，經鑒定相對除凈率為78.1%。

2 新型水稻機械除草裝備研究現狀

2014年，日本OREC公司發(fā)明了“Weedman”水田除草機(圖6)[67]，并于2017年上市銷售。該機具通過對轉彈齒舀取深度約1 cm的株間土壤并將刮除的雜草混合到行間土壤中，再通過旋轉鏟刀式行間除草部件切割、掩埋雜草。這種除草機有3個優(yōu)點：不僅可以在作物行間除草，在株間的除草效果也很好；通過將工作機放置在車身前，操作者可以直觀地觀測是否對行準確以減少傷苗率；通過4輪轉向和4輪驅動，最大限度地減少田間稻苗損失。

圖5 旋轉-擺動式除草部件Fig. 5 Rotary-swing weeding unit

2015年，日本農研機構開發(fā)了一種三輪乘坐式高精度水田除草機(圖7)[68]。在三輪式管理機中部搭載除草裝置，除草裝置可升降，行間采用旋轉指齒除草，除草深度可調整為 6級 (1、2、3、4、5和6 cm)；株間采用擺動梳齒除草，除草深度可調整為3級(1、2和3 cm)，擺動繼電器可根據雜草發(fā)生情況調節(jié)擺動頻率。操作人員可以根據稻株和田間狀況進行精準作業(yè)，工作速度是1.2 m/s，約為步行除草機(0.3 m/s)的4倍。二次作業(yè)的除草率達到80%以上，傷苗率小于3%，尾部結合鏈式除草部件，除草效果更好。與此機結構相似的還有實產業(yè)公司2016年研制的三輪水田除草機(圖8)[69]，可同時作業(yè)8行，工作效率高；運輸時除草部分可折疊，方便運輸。

日本秋田縣立大學研制了一種水田除草機器人，如圖9所示[70]。運用氣墊船的原理向下噴氣使其浮于水田表面，安裝天線后可根據GPS自動導航行駛，按照預定路線或人為遙控進行水田除草。這種自動行走機器人采用柔性輥刷進行除草，使得剛發(fā)芽的雜草浮在水面上枯萎，可大幅度減少除草劑的使用。由于旋轉的柔性輥刷可以一邊進行行間、株間除草，一邊在水田里縱、橫、斜地自由行走，不需要像輪式除草機要到田邊掉頭轉彎，因此具有高效率、低傷苗率的優(yōu)點。

圖7 農研機構研制的三輪水田除草機Fig. 7 Tricycle weeding machine for paddy field developed by agricultural research institute

圖8 實產業(yè)公司研制的三輪水田除草機Fig. 8 Tricycle weeding machine for paddy field developed by real estate company

圖9 柔性輥刷式水田除草機器人Fig. 9 Brush weeding robot for paddy field

3 結論與展望

3.1 結論

本文基于苗草根系差異特點的株間機械除草技術綜述了國內外相關領域的研究現狀，并介紹了新型水稻機械除草裝備。通過對國內外行株間機械除草新技術的綜述，尤其是水稻株間機械除草現狀的分析發(fā)現，現有水田除草機的株間除草裝置均不具備稻株或雜草的識別和定位功能，僅根據機械化移栽田水稻與雜草根系差異特點對水稻和雜草統(tǒng)一處理，株間除草率僅為60%左右[71]，需多次作業(yè)才能完成除草要求。然而多次作業(yè)不僅降低了生產效率，而且增加了機具對秧苗的碾壓概率。因此，水稻株間機械除草技術的研究可借鑒智能株間除草技術，通過智能除草的優(yōu)勢來提高除草精度和除草效果。

3.2 展望

水稻智能除草技術的研究主要集中在基于作物行的視覺導航方面[71-79]，鮮見根據稻株位置精確控制智能除草機械進行株間除草作業(yè)的研究。要實現水稻株間智能化機械除草，提高除草率、降低傷苗率，今后需在一些機理和關鍵技術上做進一步的研究，具體包括：

1)稻株精確識別和定位方法研究。稻株精確識別和定位是智能株間機械除草作業(yè)的前提，由于除草期內相鄰稻穴(株)間頂部葉冠已有部分遮疊、禾本科雜草與水稻形態(tài)相似、稻穴內稻株叢生、移栽時取秧量不同、生長過程中分蘗數不一以及氣流引起的自然形變等對稻株的視覺識別精度影響很大。因此，應該根據水稻生長和種植的農藝特點，研究適合的稻株識別和定位方法。

2)小株距作物株間除草－避苗狀態(tài)高速切換技術研究。由于機械化種植水稻株距較小，這就要求株間除草裝置應具有較高的狀態(tài)切換速度和工作平穩(wěn)性。因此，應加強對株間除草裝置工作機理的研究，探明影響除草裝置工作性能的主要原因，優(yōu)化除草裝置的結構參數。

3)機械除草(觸土)部件與水田土壤相互作用機理研究。除草部件主要通過對雜草周圍水田土壤的擾動以及對雜草的直接機械作用實現去除雜草的目的，除草效果可以通過土壤的形變體現出來。由于水田土壤復雜的流變特性，通過土槽或田間試驗很難觀測到土壤顆粒的擾動程度、位移以及力場，因此需要采用先進的土壤－機器系統(tǒng)仿真方法，研究除草刀齒與水田土壤顆粒的相互作用過程，為除草刀齒結構和工作參數的優(yōu)化提供理論基礎。

研制高精度、高效率的智能水稻除草機是當今水稻機械除草研究急需攻關的技術難點，未來水田機械除草技術隨著圖像處理技術的不斷更新和應用，這些問題將會得到解決，研制出定位精度高、作業(yè)速度快的智能水田除草機也將是未來水田機械除草技術發(fā)展的必然趨勢。