水田機械除草技術的研究現狀與發展趨勢

周志強

（昆山市農業機械化技術推廣站，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

水稻作為我國最重要的糧食產物之一，其年產量直接與國家糧食安全掛鉤。雜草是影響水稻產量的關鍵因素之一，每年由草害引起的水稻產量損失率在15%以上[1]。一方面，雜草是病蟲害的主要宿主；另一方面雜草會與水稻爭奪生存資源。因此，水田除草作業是水稻生產中的重要一環，是保證水稻收獲高產量和高質量的關鍵。

目前，我國水稻生產主要使用的除草方式為化學農藥除草，它具有成本低、起效快、作用持久等優點。然而，長期、高頻、無節制地使用化學除草劑也帶來了許多嚴重的負面問題，例如雜草抗藥性提高、食品安全水平降低、環境污染加重等[2-4]。隨著時代的發展、人們環保意識的增強和消費者保健理念的提高，化學除草的方式開始受到限制，更多綠色生態、安全高效的除草技術得到大力推廣，生態除草和機械除草等非化學除草技術得到快速發展[5]。

在眾多環境友好的水田雜草防治技術中，機械除草技術發展迅速。機械除草作為物理除草的一種，其擁有環保、安全、高效、經濟等優點[6-7]。機械除草在進行除草作業的同時還能翻擾土壤，提高肥料在土壤的利用率，提高水稻種植土壤的含氧量，促進水稻生長[8]。水田機械除草作為一種完全依靠物理方法來除草的方式，可以有效解決當前農藥所帶來的環境和食品安全問題[9]。本文結合相關研究資料，闡述水田機械除草裝備的研究現狀和存在的問題，以及對其未來發展趨勢的展望。

1 國外研究現狀

在歐美國家，水稻種植多以撒播為主，撒播下的稻田水稻分布無序，植保設備難以下田[10]。因此，歐美國家的水田雜草的防治大多是使用飛機噴灑農藥的方式。對水稻田間機械除草技術的研究較少，機械除草技術多見于胡蘿卜、甘蔗、馬鈴薯和棉花等旱地作物[11]。

研究水稻種植移栽技術的國家多集中于亞洲，其中日本的水稻移栽裝備與機械化水平最高。近年來，日本有機食品發展迅速，一些研究機構和農機生產企業開發了水田除草機，非農藥機械化除草設備也因此有了快速發展。

日本和同產業研制的MSJ-4型水田除草機[12]，行間與株間除草可同時進行。日本實產業公司研制的RW-50三輪乘坐式水田間除草機[13]，該款機具結構獨特，操作者能在駕駛時時刻觀察除草過程，及時作出調整。日本久保田生產的SJ-8N型乘坐式水田除草機[14]，可在同時進行行間和株間除草的基礎上，將除草作業行數擴大至9行。日本美善株式會社研制的SMW型步進式水田除草機[15]，雖然工作效率較低，但是機具在水田可靈活轉動，操作員可及時調整機具行進方向，因此對稻苗的損傷較小。日本三菱公司研制的LVW-8型乘坐式水田除草機[16]，株間除草作業深度為3 cm ~5 cm，株間除草效率高。

2 國內研究現狀

我國進行水田除草的歷史非常悠久，在過去，農民進行除草作業主要靠手拔和腳碾，效率極低[17]。新中國成立后，我國開始對水田機械除草設備進行研究，大致可分為以下三個階段[18-20]：人力中耕除草裝備的研究；畜力中耕除草機械的研究；動力中耕除草機械的研究。人力中耕除草裝備有耘禾耙、耘禾刀、輥耙等，這些工具在一定程度上提高了作業質量，但是總體除草效率仍舊是極低的[17]。畜力中耕除草機械有單行、三行、四行等幾種，大多是使用除草輪或者除草鏟配合畜力進行工作，畜力除草器更進一步地提升了除草的質量，提高了除草的效率，但使用畜力多，南方的小壟密植栽培地區畜力機械也無法工作[18]。因此目前人力和畜力中耕除草機械已逐步被動力中耕除草機械所替代。國內外學者和企業已研制了多種動力水田機械化除草裝備。

國內方面，陶桂香等[21]研制了一種彈齒爪盤，該種除草部件可在除草的同時保證較低的傷苗率。馬旭等[8]研制了一種裝備耙壓式除草輪的輕型水田中耕除草機械，該機械可提起換行，不僅適應南方小規模水稻生產，也可避免行走裝置碾壓水田末端的橫向栽種秧苗。齊龍等[22]研制的步進式水田中耕除草機3ZS-90，在田間行走的同時驅動復合式除草部件進行行間除草，該機的作業行數為3行，除草率高達83.7%。王金武等[23]研制了3ZS-150型水田除草機，分別通過中耕鋤將泥漿連同行間雜草拔出、拉斷或埋壓等除去行間雜草，以及株間除草盤將雜草挑出、打掉和覆蓋等除去株間雜草。李鐘哲[24]研制了一種水田動力除草機，通過把泥水覆蓋到雜草上，致使其停止生長。

3 水田機械除草部件研究現狀

通常水田機械除草部件通過擾動土壤和直接拉斷、砸壓雜草的方法進行除草。根據除草原理，水田機械除草部件可分為機械式、機械氣力式和機械液力式等。

3.1 機械式除草部件

水田行間機械除草技術已經相對成熟，由于水稻行間基本沒有會破壞除草部件的障礙和需要避開的稻苗，行間雜草大多會直接被除草部件通過碾壓、切割、覆土等方法除去。

水田的機械式株間除草部件一般有對轉式、擺動式和固定式3種。

1）對轉式株間除草[25]。對轉式株間除草的除草原理是，通過在水稻行間兩側設置一對相對轉動的除草部件來對株間雜草進行抽打和拉拔，除草部件的材料多為彈性材料，如此可降低除草過程中的傷苗率。

2）擺動式株間除草[26]。擺動式株間除草的除草原理是，通過往復擺動的除草部件對株間雜草進行抽打和拉拔，機具做勻速運動，除草部件如同鐘擺一樣規律擺動，以此避免除草部件擊打稻苗。

3）固定式株間除草[27]。固定式株間除草的除草原理是，通過改變除草部件的空間姿態來改變除草深度，通過調節除草部件的空間位置來改變除草工作強度，除草期間，跨在水稻行間的除草部件通過牽引機具前進，前進過程中將對接觸到的雜草進行拔除、掩埋。

3.2 機械氣力式除草部件

機械氣力式除草技術主要通過對雜草進行高壓氣體的噴射來除草。

日本日精電機株式會社研制了一種機械氣力式水田除草機[28]。這種除草機通過從噴射口將空氣壓縮機產生的高壓氣體噴出，吹動噴口安裝的拍打型除草部件，使株間雜草受到強氣流吹拂的同時還會被拍打部件壓砸，由于水稻的根系比雜草的根系發達，因此強氣流吹拂僅僅只會使水稻植株短暫彎曲，而不會對其造成傷害。

3.3 機械液力式除草部件

機械液力式除草技術主要通過對雜草進行高壓液體的噴射來進行除草。

日本石井農機公司研制了一種水田除草設備[29]，通過高壓水槍沖擊雜草的根部，使雜草脫離泥土，而后漂浮、死亡。王金武等[30]通過研究射流壓力、射流距離、噴口口徑等對除草效果的影響，提出了一種水射流除草方法。

除上述除草方式外，還有電力除草、激光除草、泡沫除草等綠色環保的除草方式，但目前還未在水田除草中應用。電力除草是用導線和雜草接觸，通過瞬間高壓放電殺滅雜草，電力除草能除掉各種雜草并且沒有化學殘留[31]；激光除草是通過將高密度能量作用于雜草，從而使雜草停止或延遲生長[32]；泡沫除草主要通過一種泡沫發生器來除草[33]，泡沫發生器生成的泡沫表面有一層薄膜，可以降低泡沫的熱量損失速度。如果將泡沫以一定的溫度和壓力附著至雜草，則可以將其炙烤并殺死。隨著相關技術的不斷完善和發展，這些新的除草技術有望在水田除草中得到應用。

4 存在的問題

1）除草效率需提高。目前水田機械除草的效率仍舊不及化學除草方式，且漏除現象很難避免，需要進一步提高除草效率。

2）勞動強度相對更高。機械除草需要在水田進行多次作業，不同于化學除草不需要進行多次重復。

3）株間除草問題。目前水田除草機具大多只能進行行間除草，無法進行株間除草。雖然有可同時進行株間和行間除草的機具，但傷苗率高、株間除草率低的問題一直沒有得到較好的解決[34]。

4）泛用性需要加強。多數水田機械除草設備的除草行距和工作寬幅不能改變，水稻種植區地表高度存在高差，因此導致地塊的不規則化，有些地塊面積過小，或者到丘陵地區，機具便無法進行作業。

5）機具工作精準性需要提高。除草的精準度大多依賴農機手，容易對秧苗造成損傷。

6）缺少相關農業技術人才的培養，影響機具的長期使用與維護。

7）功能單一。目前所開發的水田除草機大多只有單一除草功能，未來可集成施肥等工序降低勞動強度，提高中耕效率。

8）國內研究缺乏合理的支持。農民相關知識薄弱，更相信化學除草，國家政府宣傳力度不足。

9）有機水稻市場不規范。市場內以次充好情況嚴重，一般農戶種植的有機水稻很難受到消費者的認可。

10）缺少銷售渠道。小戶種植的有機水稻難以爭得市場份額，只得掛靠大廠或大型合作社，利潤大部分被其分割，因此農民種植有機水稻的積極性不高。

5 我國水田機械除草技術發展方向

1）高效化發展。通過不斷設計改進除草結構、改變除草方式等，不斷提高行間與株間除草的效果。

2）智能化發展。通過傳感器、光譜儀器、衛星等裝置識別雜草的分布、密度等情況，進而控制除草機械實施精準除草，降低傷苗率，提高除草率[35]。

3）集成化發展。通過將多種功能的水田作業裝置集成至一臺機具上，降低勞動強度，提升作業效率，降低成本。

4）仿生化發展。通過對自然界中的土壤動物和食草動物的生物結構和生物功能進行研究，設計仿生除草部件，該種除草部件相對于傳統除草部件有更高的除草效率、更低的傷苗率，還可以減少除草機具的能源消耗。

5）無人化發展。通過利用我國北斗導航系統、美國GPS等定位系統和研發拖拉機的無人駕駛系統實現水田的無人駕駛作業，在緩解農機手短缺問題的同時，提高除草的精度和作業的效率。

6）多技術交叉融合。通過將機械除草技術、生態除草技術等多種除草技術有機結合，提高除草機具的除草效率，擴大除草機具的可除雜草類別[36]。

7）國內外合作。通過國內外交流合作等方式，利用好國內的勞動力優勢和大規模生產優勢，利用好國外的軟件程序以及硬件設備，提高水田機械除草的除草率和精準度，降低開發成本。

8）專業人才培育。通過對專業人才進行包括結構優化、系統調試等方面的培訓，提升相關人才和農機手的技能水平和職業素養。

9）政府宣傳管控。通過政府的影響力對水田機械除草進行宣傳，并對市場進行監管，提升農民的認知和使用水田機械除草設備的積極性。

6 結語

隨著時代的發展，水稻的有機化種植生產越來越受到消費者的青睞。但是，水田機械除草的研究仍需進一步加強，無論是國內還是國外開發的水田機械除草機，其除草效率都不能達到化學除草那么高。但隨著綠色生態除草技術的不斷發展，水田機械除草技術將因為其獨有的優勢，在有機水稻種植中發揮不可替代的作用。