機械除草技術裝備應用調研及發展建議

摘 要： 除草技術裝備是農業生產中不可缺少的農具。通過查閱資料、電話訪談、企業座談和實地觀摩等方式，針對除草技術裝備開展了深入調查研究。分析了機械除草節本增效情況、國內機械除草裝備推廣應用情況及高端智能除草裝備研發進展情況等，剖析了黑龍江省智能除草裝備應用存在的主要問題及原因，在此基礎上提出了發展建議對策。

關鍵詞：機械除草；除草裝備；種植成本；智能裝備；除草機器人

中圖分類號：S224.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）09-0019-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.09.003

0 引言

在農業生產中，除草是保障作物健康生長和產量的關鍵環節。傳統的除草方式，如人工除草和化學除草，不僅效率低，而且可能會對環境產生負面影響。相對于化學藥劑除草而言，機械除草是一種物理除草方式。隨著農業科技的飛速發展，機械除草裝備在農業生產中得到廣泛應用。研制定位精度高、作業速度快的智能除草機將是機械除草未來技術發展的趨勢[1]。在實際應用中，機械除草技術裝備還存在一些問題，如機械除草多次作業會增加傷苗率，株間機械除草技術是機械除草的瓶頸問題[2]。除草機器人在一定程度可以應用于小部分作物，但是存在局限性，現有的末端執行器尺寸不能滿足高密度種植的作物進行除草作業[3]。對機械除草技術裝備的應用情況進行調查研究，對于進一步推動除草裝備研發、成果轉化及推廣應用具有重要意義。

1 機械除草重要意義

1.1 發展有機農業的重要保證

隨著人們對生命健康和食物品質要求不斷提高，消費者已經從吃飽向吃好轉變，有機食品逐漸被消費者認可。當前我國已經進入老齡化社會，農村勞動力不足。據抽樣統計，農村一線勞動力年齡偏大，并且鮮有年輕勞動力補充，人工除草面臨勞動力不足和成本逐年升高的局面。因此，采用機械替代人力除草已經成為發展必然，機械除草是促進有機農業發展的重要保證。

1.2 解決雜草問題的有效手段

受氣候和種植習慣等限制，黑龍江省北部的大興安嶺地區、黑河市、伊春市等以大豆種植為主，較少輪作，導致大豆田間的野大豆泛濫，很難用除草劑清除，嚴重影響大豆產量，紅莧菜、灰菜、龍葵等也很難用化學藥劑清除，而采用機械除草是解決這一問題的最有效手段。機械除草具有除草效率高、勞動強度低、綠色環保等優點，并且具有改良土質、保肥保水、提高土壤滲透性和含氧量等功能[4-5]。

1.3 發展北藥種植的得力幫手

黑龍江省是重要的北藥產地，近年來種植面積已達到20 萬hm2，而且還有上升趨勢。然而中藥材品種繁雜，一些中藥材在傳統農業中本身就被定義為雜草，少有針對中藥材的除草劑，并且大部分中藥材對于農殘也有一定要求，因此發展機械除草能有效解決中草藥除草環節瓶頸問題。

1.4 農業提質增效的重要措施

化學藥劑在清除雜草的同時，對作物生長也有一定的抑制作用。經過北大荒紅星農場近年來在同地塊、同品種大豆不同除草方法產量對比，物理除草比化學除草增產8%～12%，并且能有效降低農藥殘留。

2 調研對象

2.1 農機企業

調研對象包括哈爾濱北墾農機有限公司英國嘉福德公司中國代理、雷肯農業機械（青島）有限公司、黑龍江北大荒眾榮農機有限公司、黑龍江省鑫元豐農業機械有限責任公司和孫吳縣農發農業機械有限公司等。

2.2 除草機農戶

走訪了北大荒集團紅星農場、趙光農場、鶴山農場、八五二農場和寶泉嶺農場，以及黑龍江省依安縣、嫩江縣、綏棱縣的除草技術裝備使用者，了解行間除草機器人、全方位除草機器人及行間除草機的使用情況。

3 調研現狀

20 世紀60—70 年代，機械除草曾在黑龍江省大面積應用，隨著除草劑的推廣應用，傳統機械除草效率低、效果差等弊端很快顯現，化學除草得以推廣普及。除草劑對于農作物的產量和品質都有一定的負面影響，同時也在加速雜草的進化過程。隨著雜草抗藥性逐年提高，人們開始重新認識和使用機械除草裝備。

3.1 有機種植與常規種植成本調查

3.1.1 有機種植

以有機大豆為例，大豆人工除草成本0.2 元/m2 左右，除草機器人除草（3 次除草作業+1 次人工輔助除草）平均成本0.09 元/m2。每臺除草機器人可承擔作業面積666.67 萬m2，理論上每年節省成本0.09 元/m2。

3.1.2 常規種植

以大豆為例，化學除草機械作業費0.009 元/m2×3 次=0.027 元/m2， 藥劑0.03 元/m2， 生產成本約為0.057 元/m2；采用機器人除草，成本0.09 元/m2，大豆增產10%～12%。兩項對比增收0.091 9 ～0.117 2 元/m2，按每臺除草機器人作業面積666.67 萬m2 計算，每年可增收61 萬～78 萬元。

3.2 國內機械除草裝備推廣應用情況

通過調研得知，目前黑龍江省推廣應用的物理除草機械主要有以下3 種。

一是以英國嘉福德公司InRow 為代表的全方位除草機器人。北大荒集團紅星農場在2021 年引進1 臺12 行全方位除草機器人，采用先進的視覺單株識別技術，結合自動糾偏對行技術，雜草除凈率98% 以上，作業速度4～5 km/h，單鏟最多可以處理6 棵/s 秧苗，主要應用在白菜等大株距蔬菜種植方面。

二是以英國嘉福德公司InterRow 行間除草機器人和雷肯農業機械（青島）有限公司Steketee 行間除草機器人為代表的高端智能除草裝備。主要用于玉米大豆除草作業， 雜草除凈率90%～ 95%， 作業速度12～15 km/h，目前在北大荒集團的紅星農場、趙光農場、八五二農場、寶泉嶺農場和鶴山農場，以及依安縣、嫩江市等地都有應用。德國豪獅和奧地利博田行間除草機也已進入中國，挪威格蘭公司除草機于2024 年進入中國。

三是以黑龍江省鑫元豐農業機械有限責任公司（以下簡稱鑫元豐） 為代表的國內企業制造的純機械式除草機，因其價格低在黑龍江省得到大面積推廣。此類除草機結合拖拉機導航系統使用， 作業速度5～6 km/h，雜草除凈率70%～80%。鑫元豐除草松土機多年試驗證明，可提前1～3 d 出苗，增產6%～10%；傷苗率較低，節約成本500～700 元/hm2，減少農藥抑制作物生長7～10 d，增產5%～7%；松土促進作物生長，增產6%～10%。

3.3 國內高端智能除草裝備研發情況

智能田間除草機器人的研發是當代農業發展現代化、精細化、智能化的重要體現，國內智能除草裝備研發已呈現出多元化態勢。具體到技術層面，智能除草機器人的關鍵技術包括智能感知技術、機器人平臺和除草裝置。智能感知技術是基于多源信息融合，能夠綜合分析環境和作業對象的種類與屬性，達到智能感知的目的。人工智能、智能感知、機器人技術不斷融入農業生產，智能除草機器人應運而生[6-7]。

史揚杰[8] 提出了一種緩釋肥料一次性集中減量深施+機械化除草的肥藥減施模式。除草性能試驗結果表明，在不同除草作業時期和不同作業速度下（3、4、5 km/h），機具除草率均gt;80%，傷苗率均lt;4%。楊碩等[9] 對近年來國內外株間除草機的研究現狀進行了分析和比對，并強調適應穩定作業要求的株間避障技術和高速、高效的機械除草技術是果園株間機械除草的研究重點。多天宇[10] 認為，驅動式水田中耕除草機械除草率超過90%， 在水層深度60 mm 和泥腳深度200 mm 時，除草效果最佳，達到98.4%。

2011 年，科技部啟動實施“十二五”國家科技支撐計劃項目“農田作業機器人關鍵技術與裝備研發”，由中國農業大學、中國農業機械化科學研究院、黑龍江省農業機械工程科學研究院等單位聯合承擔田間鋤草機器人研究任務。項目突破了農田環境下作物苗草信息獲取、苗間鋤草視覺伺服控制、農業機器人動力系統控制等多項技術，形成蔬菜類田間鋤草機器人系統樣機，為產品開發奠定了堅實基礎。

2023 年3 月，黑龍江貝克銳斯現代農業科技有限公司推出第一代行間智能中耕除草機，哈爾濱工業大學、中國農業大學等高校也開始研發智能除草機器人。2023 年6 月，黑龍江省科技廳通過“揭榜掛帥”方式啟動科技攻關項目“智能除草機器人控制系統研發應用”，黑龍江八一農墾大學、黑龍江北大荒現代農業服務集團眾榮農機有限公司、哈爾濱北墾農機有限公司等多家單位開展協同攻關。項目研究內容主要包括：①研究單體仿形機構、仿形調節機構，可人工智能控制除草單體入土深度和對地壓力；②開發觸摸屏電腦控制終端、邏輯中央控制系統，可以通過控制屏控制并實時監控除草機工作狀態；③研究農作物苗帶識別技術，開發智能視覺系統，能有效對農作物苗帶進行快速、準確地檢測和識別，并傳遞給中央控制系統；④開發數據采集處理系統，形成作物秧苗數據庫，作業時統計作業數據，包括行距、作業面積等。智能除草機器人的控制系統作為整個系統的管理者，承擔著對數據的采集、傳輸和控制機械結構精準動作等重要任務[10]。全面掌握智能除草機器人的發展狀況，并將嵌入式操作系統引入到控制系統中，樹莓派環境的搭建及傳感器感知模塊等協同通訊確定了整個系統的控制過程[11]。研發生產成本高，維修難度大，復雜工況下的性能也難以保證，智能除草機器人在農田無法大規模使用[12-13]。

4 存在問題和原因剖析

4.1 主要問題

除草機器人在國外已經進入普及階段，但仍屬于新鮮事物。目前，黑龍江省推廣應用的高端智能除草裝備均為進口品牌，價格高昂，普通農戶買不起用不起。

4.2 原因剖析

一是對除草機器人具有剛需的有機作物種植面積偏少。二是設備造價過高，普通用戶難以承受支付壓力。如我國西南地區的玉米種植產業迫切需要一款高效節能、體型小巧、價格便宜并且能夠保護環境的智能除草機器人[14]。國家對除草機器人沒有相應補貼政策，如果能獲得一定額度的購置補貼，必將對除草機器人的推廣起到極大的促進作用。三是國內管理者和土地經營者對除草機器人認識不夠，大多持懷疑態度，需要積極引導。四是很多用戶把中耕和除草混為一談，容易錯過除草最佳時機，應加強宣傳引導和技術培訓。五是一線農機駕駛員年齡結構偏高，對智能設備的操控領悟能力較差，需要更多有知識、有思想、有技能的年輕人補充到行業隊伍中。

5 發展建議

5.1 推進裝備研發及產業化

目前我國智能除草機器人處于產業的初期，學界和業界對智能除草裝備進行了研究與開發，但暫未形成成熟的產業與市場[15]。由政府相關部門牽頭，組織相關科研院所、高等院校及企業加快推進高端智能除草裝備（除草機器人）研發和成果轉化，提高高端智能除草裝備技術水平。政府相關部門在推動高端智能除草裝備（除草機器人）的研發和產業化過程中，應鼓勵支持多學科交叉研究，引導支持各方力量共同攻關智能除草關鍵技術和核心技術。①提高智能感知技術。這是智能除草機器人的核心技術之一，基于多源信息融合的智能感知技術可綜合分析環境和作業對象的類別與屬性。通過加強智能感知技術的研究，實現對作物行與雜草的精準識別和定位。②建立除草機器人平臺。政府相關部門應支持相關智能除草機器人研究，并扶持其運作的相關基礎平臺，以提高平臺的穩健性和適應性。③加強機械除草裝置研究。機械除草裝置是實現除草任務的關鍵部件，通過加強機械除草裝置的研究，可以提高除草效率和質量。

5.2 制定推廣扶持政策

市場如此廣闊，但是價格是其制約因素，因此制定推廣扶持政策，將智能除草機器人納入到購機補貼范疇，降低購機門檻，減小購機戶的經濟壓力。為了推廣智能除草機器人在農業生產中的應用，政府相關部門可以制定扶持政策。首先，將智能除草機器人納入購機補貼范疇，降低農民購買機器人的門檻和經濟壓力。其次，提供貸款貼息和稅收優惠等措施，鼓勵農民購買和使用智能除草機器人。

5.3 實施示范應用項目

政府相關部門可組織實施高端智能除草裝備示范應用項目，充分展示除草機器人的技術優勢，發揮示范帶動作用。積極鼓勵農機制造企業加大研發和市場推廣力度，通過政府采購、農技推廣等方式，促進智能除草裝備在農業生產中的廣泛應用。

5.4 加大宣傳推廣力度

機械除草是一種環保、高效、省力的除草方法，能夠有效地減少化學農藥施用量，降低對環境的污染。要大力宣傳機械除草的優點，讓更多人認識到使用機械除草的好處。

6 結束語

機械除草技術在農業生產中具有廣泛的應用前景。目前機械除草技術裝備在實際應用中仍存在一些問題和挑戰，如對除草機器人具有剛需的有機作物種植面積偏少；設備造價過高，普通用戶難以承受支付壓力；國內管理者和土地經營者對除草機器人認識不夠，大多持懷疑態度；很多用戶把中耕和除草混為一談，容易錯過除草最佳時機；一線農機駕駛員年齡結構偏高，對智能設備的操控領悟能力較差。發展建議：一是推進高端智能除草裝備（除草機器人）研發和產業化，加快技術創新和成果轉化；二是制定推廣扶持政策，減小購機戶的經濟壓力；三是開展示范工程和推廣應用，擴大影響力；四是采取多種方式加大先進除草技術裝備宣傳力度，提高用戶認識。

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