稻田機械除草技術裝備研究與應用現狀

摘 要： 稻田雜草是造成水稻產量下降、品質降低的重要因素。人工除草勞動強度大、作業效率低；化學藥劑除草引發雜草抗藥性、作物藥害，造成環境污染和農產品質量安全問題；機械除草是一種環境友好型除草方式，有助于改善土壤結構、提高土壤肥力。介紹了稻田機械除草技術裝備研究現狀及上海市稻田機械除草裝備應用情況，對稻田機械除草技術在實際應用中遇到的問題進行了闡述與分析，提出運用新能源、衛星導航系統等先進技術的智能化除草是稻田機械除草技術裝備的發展方向。

關鍵詞：稻田雜草；機械除草；衛星導航；智能化

中圖分類號：S224.1+5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0017-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411303

0 引言

水稻是我國4 大主要糧食作物之一，65% 以上的人口以大米為主食。我國是世界最大的水稻生產國，產量居世界首位[1]。2022 年我國水稻種植面積2 945 萬hm2，產量2.08 億t[2]。稻田雜草與水稻爭奪水分、光照、熱量、生長空間和土壤養分等生長發育所必需的資源，嚴重影響水稻的正常生長，是造成水稻產量下降、品質降低的重要因素[3-4]。因此，在水稻生產過程中科學有效地防治草害是確保水稻高產、優質的關鍵技術之一。

上海市位于長江下游地區，對水稻產量有嚴重影響的稻田優勢雜草主要有無芒稗[Echinochloa crusgalli（L.） P. Beauv. var. mitis （Pursh） Peterm.]、千金子[Leptochloa chinensis （L.） Nees]、耳葉水莧（Ammanniaauriculata Willd.） 和多花水莧（ Ammannia multifloraRoxb.）[5]。稻田中耕除草方式主要有人工除草、化學藥劑除草、機械除草等。人工除草經濟、環保、安全，但是勞動強度大、作業效率低，隨著城市化進程的推進和人口老齡化問題的顯現，人工除草面臨著勞動力匱乏的難題。化學藥劑除草經濟、省力，高地隙自走式噴桿噴霧機、植保無人飛機等先進植保裝備的發展與應用使化學藥劑除草更高效便捷，但長期無節制地施用化學除草劑易使雜草產生抗藥性、引發作物藥害、污染環境和水源，對其他農作物的生長及畜禽水產的養殖造成不良影響[6-7]。隨著人們對農產品質量安全的重視和環保意識的加強，化學除草劑的使用逐步受到限制，高效環保的機械除草技術得到快速發展與應用[8-11]。

1 稻田機械除草技術發展現狀

稻田機械除草技術是指以動力裝置帶動除草輪、除草刀等機械裝置，通過將雜草整株拔除、切斷雜草根莖或將雜草埋壓入土等多種方式清除稻田雜草，減少雜草對水稻生長的競爭壓力，提高水稻產量與質量的農業技術，是一種可持續、無化學污染、對環境友好的除草方式，有助于改善土壤結構、增強透氣性，加速腐殖質等土壤營養物質的分解提高土壤肥力，有利于水稻的生長發育[12-13]。

機械除草通常適用于以機插秧或機直播方式種植、水稻成行成穴的田塊，采用機械撒播方式的水稻田不具備機具通行和作業所必須的行距，不宜采用機械除草方式。根據采用的機械化種植方式，以及水稻行間、株間雜草的生長情況，行間除草與株間除草的技術要求存在一定差異，使用的除草器及作業方式也不相同。水稻行距較寬，適合輪式除草機通行，作業空間較大，除草難度相對較低。我國常見的機插秧行距250 和300 mm，機直播行距200 和250 mm。常用的行間除草器有除草輥、除草刀、耙齒式除草輪等型式，如圖1所示，通過纏繞并拔除雜草、切斷雜草根莖或將雜草壓入泥土中的方式去除行間雜草，是一種直接作用于雜草的除草方式。

水稻株距較窄，根據不同地區種植的水稻品種及相應農藝要求有120、140 和160 mm 等多種株距。由于水稻株間雜草和秧苗共同生長，采用直接作用于雜草的除草器容易誤傷秧苗，故以采用彈齒、彈絲等作用于土壤的間接式除草器為宜。為解決上述技術難點，陶桂香等[14]、牛春亮等[15] 通過對水稻株間機械除草機理的研究，設計了關鍵除草部件并進行了試驗與分析，利用水稻生長過程中根系入土深度大于雜草根深的特點，選用合適的株間除草器，在不損傷水稻秧苗的前提下將雜草連根挑出，使其浮于水面或攪動土壤將其掩埋，完成除草作業，并對水稻株間除草的作業方法進行了總結。以水稻機插秧模式下去除稻田最常見的稗草為例，首次除草一般在插秧后7～10 d 內進行。這時水稻秧苗經過回青期根系生長速度加快，和剛萌發的稗草植株形態差異較大，水稻秧苗莖稈粗壯、根系多而粗，稗草莖稈纖細、根系少而細，此時除草傷苗率低、除草率高，對水稻產量影響小。之后每隔7～10 d進行1 次除草，需在30 d 內共計完成3～4 次，以免影響水稻的生長。水稻機直播模式下，秧苗與稗草幾乎同時發育，植株形態差異小、根系發育情況相近，株間除草傷苗率高、除草率低，效果不如機插秧。常用的水稻株間除草器根據其作業時的運動方式和結構形態可分為固定彈絲式、擺動梳齒式、對轉彈齒式等多種型式，如圖2 所示[4，16]。固定彈絲式除草器為固定在機架上的若干組彈絲，作業時橫跨在秧苗兩側，通過定期攪動土壤抑制雜草生長的方式來達到除草效果。

擺動梳齒式除草器由多條梳齒組成，可沿與機具前進方向垂直的方向做往復擺動，完成除草作業。對轉彈齒式除草器為一對相向轉動的彈齒盤，通過攪動株間土壤使雜草根系松動后將其刮除。近年來，蔣郁等[17]、王金武等[18] 分別研制了氣動式、射流式等新型水稻株間除草裝置。

2 稻田機械除草裝備研究歷程

稻田除草機械根據其結構可分為步進式、懸掛式和乘坐式等型式[19]。早在20 世紀70—80 年代，日本就開始對水稻機械除草技術進行探索與研究，共立株式會社和大竹制作所株式會社分別開發出了兩款步進式水田除草機，2008 年美善株式會社又對步進式水田除草機進行了結構上的改進和功能上的提升。步進式水田除草機分為沒有動力的手推式除草機和配備發動機的驅動式除草機，如圖3 所示。步進式水田除草機優點是結構簡單、體積小、質量小，田間作業轉向靈活、掉頭方便、軋苗較少，但作業行數較少，一般不超過3 行，并且只能去除行間雜草，使用時操作人員須手扶機具步行作業，工作效率較低、勞動強度較大，適用于丘陵山區、梯田等面積較小、形狀不規整的田塊。20 世紀末，日本開始研制搭載于水稻插秧機平臺的懸掛式水田除草機。2000 年，久保田株式會社發明了掛接于水稻插秧機后部的懸掛式水田除草機，利用發動機輸出動力驅動除草部件進行主動式除草作業。

2005 年，Q-HOE 株式會社設計了一款沒有傳動機構的懸掛式水田除草機，如圖4 所示，利用除草部件與土壤、雜草接觸時的相互作用力進行被動式除草作業，適合去除小型水田雜草。懸掛式水田除草機體積較大、結構較復雜，同時具有水稻行間和株間除草功能，可實現6 行以上的多行除草，適用于平原地區形狀規整地塊大的規模化種植模式，但配套插秧機須滿足除草機懸掛結構、動力輸出軸轉速等技術要求以確保除草機能正常作業。

乘坐式水田除草機整體結構設計更合理，動力部與作業部不存在配套問題，根據整機結構和動力輸出軸的位置可將除草機構安裝于機具的前部、中部或后部。日本OREC 株式會社從2012 年開始研究水稻機械除草技術與裝備， 并于2014 年成功開發出WEEDMAN 型四輪乘坐式水田除草作業機，如圖5 所示，該系列除草機的除草機構位于機具前部，作業時便于觀察作業情況。2015 年，MINORU 產業株式會社與日本國立農業食品產業技術綜合研究機構聯合研制了作業機構位于除草機中部的KE3A+KW 型三輪乘坐式水田除草機，如圖6 所示。2020 年，大竹制作所株式會社發明了JJ-1 系列輕便型三輪乘坐式水田除草機，除草機構位于機具的前部，最大整機質量僅82 kg。

日本的科研機構和農機生產企業根據多年的技術積累和研究經驗研發了一系列基于不同工作原理、適用于不同作業模式的水田除草機械，但價格高昂且引進難度大，長期依賴國外水田機械除草技術裝備不利于我國水稻產業的發展[16]。自2008 年以來，我國的科研機構與各級高校開始系統研究水稻行間與株間機械除草技術，并開發了多款水稻機械除草裝備。華南農業大學[20] 發明了一種采用特殊的行?株間除草裝置及多級仿形機構的水田行?株間同步機械除草機。王金峰等[21] 研制了一款基于阿克曼轉向原理的遙控轉向稻田行間除草機。華南農業大學[22] 發明了一種基于視?觸覺融合感知的稻田自適應柔性機械除草機。近年來，華南農業大學、東北農業大學、上海交通大學等科研院校積極開展新型稻田除草機械的探索與研究，推進了我國水稻機械除草技術與裝備的發展，但總體而言我國水田機械除草技術與裝備的研究仍處于設計探索和試驗驗證階段，尚未在水稻生產中獲得廣泛應用。

3 上海市稻田機械除草裝備應用現狀

上海市水稻生產過程中普遍采用擔架式噴霧機、高地隙自走式噴桿噴霧機或植保無人機噴施化學除草劑的方式進行稻田除草，僅個別種植有機水稻的農場嘗試采用機械除草方式進行除草。上海谷滿香糧食種植專業合作社和上海賢風農產品產銷專業合作社引進了Q-HOE 株式會社生產的IS-6GA+KM 型懸掛式水田除草機， 上海東禾九谷開心農場有限公司引進了OREC 株式會社生產的WEED MAN SJ800X 型四輪乘坐式水田除草機。2 款水田除草機行距均為300 mm，符合上海市水稻機插秧農藝要求。IS-6GA+KM 型為6行作業，WEED MAN SJ800X 型為8 行作業。2 家公司均開發了適用于300 或330 mm 行距及6 行、8 行等不同作業幅寬的多個型號的產品，目前還沒有適合我國200 和250 mm 機直播行距的除草機。IS-6GA+KM 型行間除草器為耙壓式除草輪，株間除草器為固定式彈性鋼絲；WEED MAN SJ800X 型行間除草器為旋轉式除草刀，株間除草器為對轉式彈齒。2 款機具的技術規格如表1 所示，結構如圖7 所示。

2 款水田除草機多次進行水稻中耕除草作業，對機具的作業效果進行觀察評估。為保證除草后的防控效果，作業地塊留有一定深度的水層：一方面，可以使土質變軟有利于除草器將雜草壓入泥土或連根拔除；另一方面，雜草被拔除后漂浮于水面上不會再次扎根生長，除草器轉動時將水層攪混還可抑制其余雜草的光合作用。根據使用說明，IS-6GA+KM 型和WEEDMAN SJ800X 型作業時水層深度分別控制在100 和30 mm 左右。就結果而言，2 款水田除草機的作業效果未達到預期目標，具體表現在軋苗傷苗率較高、株間雜草除草率較低、除草機構易損壞等方面。經過對機具結構、配套農藝、作業規程等方面進行分析，造成除草效果不佳的原因主要有5 個方面。一是土壤耕翻效果不能完全滿足機械除草的要求，犁底層硬度與厚度不均勻造成地塊平整度較低、水層深度不一致，除草機在行進過程中各輪受到的行駛阻力不同導致機具偏離規劃的作業路線及除草機構的不平衡，除草器直接軋倒水稻秧苗。二是除草機構對土壤擾動不足，使得除草器、仿形浮板易黏附泥土和掛草，引起壅泥，影響除草效果和作業穩定性。三是除草時機滯后，雜草苗齡過大，尤其是莎草等多年生草本植物莖稈粗壯，株間除草器為避免誤傷秧苗設計作用力偏小，不能有效去除株間雜草。四是石塊、蛇皮袋等田間雜物過多，妨礙機具通行、降低作業效果，甚至損壞機具，WEEDMAN 型水田除草機在除草過程中因碰到石塊導致耙齒斷裂、防護罩變形。五是作業精度依賴于機手的操作水平，機插秧相鄰兩個作業幅寬間的行距與標準行距的偏差及除草機與插秧機對行精度的不足，導致作業時容易傷苗，田間掉頭軋苗情況較嚴重。

為改善稻田機械除草效果、提高作業效率，可以從4 個方面進行改進。一是對稻田進行清理改造、提高耕整地作業水平和質量，減少土壤結構、田間雜物對除草機通行作業的影響。二是準確把控除草時機、優化除草策略，根據機具使用說明與專家建議，在水稻生長過程中適宜的時間節點及時進行除草作業，避免雜草長勢過快無法有效除草。三是優化除草機結構設計，使機具能適應多種作業條件并準確區分水稻與雜草，進行精準除草。四是對作業人員加強除草機操作培訓，提高熟練度與作業精度。

目前市場上自帶動力的水田除草機均搭載燃油發動機，與化學藥劑除草相比雖沒有化學污染，但尾氣排放仍會對環境造成污染、對農產品質量安全構成威脅。水田環境的復雜性和水稻種植的農藝特點使得水田除草機的普適性受到限制，大多數除草機的行距和工作幅寬固定不可調整，對不同行距的水稻田進行除草需配備不同行距的除草機，而針對不同的水稻種植方式和生育階段，以及多樣的田間雜草和生長情況，都需要對機械除草裝置進行相應的調整和優化，經濟成本較高[23]。

4 結束語

除草是水稻田間管理的關鍵步驟，是實現水稻生產全程機械化的重要環節之一。濫用化學除草劑帶來的環境污染和食品安全問題刻不容緩，水稻機械除草技術作為一種綠色環保的田間管理技術，符合我國質量興農、綠色興農的發展方向，正受到越來越多的關注和重視[16]。為解決我國水田機械除草裝備通用性差、除草率低、傷苗率高及作業精度差異大的問題，稻田機械除草技術裝備的發展可在以下關鍵技術領域進行嘗試與探索。

（1）靈活運用視覺識別與傳感器技術。水稻株間雜草除草率低的主要原因之一就是單純的機械結構無法分辨水稻與雜草，只能嚴格依據作業規程在一定程度上去除株間雜草。高清視覺識別技術可準確辨識雜草并精準定位，輔助除草機構完成作業，提高除草準確性。傳感器技術可實現除草機行進過程中的主動避障，配合仿形機構可幫助機具適應多種稻田作業條件，提升作業效率和穩定性。

（2）積極推進無人駕駛除草機械的研發與應用。借助北斗衛星導航系統、RTK（實時動態）載波相位差分技術實現高精度無人駕駛功能，通過測量及規劃路線實現除草機械自主作業，與無人駕駛插秧機、直播機配合作業可縮小軌跡偏差、提高作業精度，改善除草效果并降低操作人員的勞動強度。

（3）大力發展新能源除草機械。采用低能耗、高效率的新能源動力系統和傳動系統替代傳統內燃機動力系統，優化機具結構和作業參數，減少能源消耗和排放對農田生態環境及農產品質量安全的負面影響。

（4）充分利用人工智能、機器學習技術。通過反復訓練使除草裝備具備自主學習和決策能力，根據農田環境、雜草種類及水稻生長情況自動調整策略，實現智能化除草。依托物聯網技術實現除草裝備的遠程監控、數據分析和故障診斷，提高機具的管理水平。

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基金項目： 上海市科技興農項目（2022-02-08-00-12-F01113）