水田機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

周志強(qiáng)

（昆山市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

水稻作為我國(guó)最重要的糧食產(chǎn)物之一，其年產(chǎn)量直接與國(guó)家糧食安全掛鉤。雜草是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，每年由草害引起的水稻產(chǎn)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(huì)與水稻爭(zhēng)奪生存資源。因此，水田除草作業(yè)是水稻生產(chǎn)中的重要一環(huán)，是保證水稻收獲高產(chǎn)量和高質(zhì)量的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)水稻生產(chǎn)主要使用的除草方式為化學(xué)農(nóng)藥除草，它具有成本低、起效快、作用持久等優(yōu)點(diǎn)。然而，長(zhǎng)期、高頻、無節(jié)制地使用化學(xué)除草劑也帶來了許多嚴(yán)重的負(fù)面問題，例如雜草抗藥性提高、食品安全水平降低、環(huán)境污染加重等[2-4]。隨著時(shí)代的發(fā)展、人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和消費(fèi)者保健理念的提高，化學(xué)除草的方式開始受到限制，更多綠色生態(tài)、安全高效的除草技術(shù)得到大力推廣，生態(tài)除草和機(jī)械除草等非化學(xué)除草技術(shù)得到快速發(fā)展[5]。

在眾多環(huán)境友好的水田雜草防治技術(shù)中，機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展迅速。機(jī)械除草作為物理除草的一種，其擁有環(huán)保、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。機(jī)械除草在進(jìn)行除草作業(yè)的同時(shí)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(jìn)水稻生長(zhǎng)[8]。水田機(jī)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(dāng)前農(nóng)藥所帶來的環(huán)境和食品安全問題[9]。本文結(jié)合相關(guān)研究資料，闡述水田機(jī)械除草裝備的研究現(xiàn)狀和存在的問題，以及對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)的展望。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在歐美國(guó)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(shè)備難以下田[10]。因此，歐美國(guó)家的水田雜草的防治大多是使用飛機(jī)噴灑農(nóng)藥的方式。對(duì)水稻田間機(jī)械除草技術(shù)的研究較少，機(jī)械除草技術(shù)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(shù)的國(guó)家多集中于亞洲，其中日本的水稻移栽裝備與機(jī)械化水平最高。近年來，日本有機(jī)食品發(fā)展迅速，一些研究機(jī)構(gòu)和農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)了水田除草機(jī)，非農(nóng)藥機(jī)械化除草設(shè)備也因此有了快速發(fā)展。

日本和同產(chǎn)業(yè)研制的MSJ-4型水田除草機(jī)[12]，行間與株間除草可同時(shí)進(jìn)行。日本實(shí)產(chǎn)業(yè)公司研制的RW-50三輪乘坐式水田間除草機(jī)[13]，該款機(jī)具結(jié)構(gòu)獨(dú)特，操作者能在駕駛時(shí)時(shí)刻觀察除草過程，及時(shí)作出調(diào)整。日本久保田生產(chǎn)的SJ-8N型乘坐式水田除草機(jī)[14]，可在同時(shí)進(jìn)行行間和株間除草的基礎(chǔ)上，將除草作業(yè)行數(shù)擴(kuò)大至9行。日本美善株式會(huì)社研制的SMW型步進(jìn)式水田除草機(jī)[15]，雖然工作效率較低，但是機(jī)具在水田可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，操作員可及時(shí)調(diào)整機(jī)具行進(jìn)方向，因此對(duì)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(jī)[16]，株間除草作業(yè)深度為3 cm ~5 cm，株間除草效率高。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)進(jìn)行水田除草的歷史非常悠久，在過去，農(nóng)民進(jìn)行除草作業(yè)主要靠手拔和腳碾，效率極低[17]。新中國(guó)成立后，我國(guó)開始對(duì)水田機(jī)械除草設(shè)備進(jìn)行研究，大致可分為以下三個(gè)階段[18-20]：人力中耕除草裝備的研究；畜力中耕除草機(jī)械的研究；動(dòng)力中耕除草機(jī)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(yè)質(zhì)量，但是總體除草效率仍舊是極低的[17]。畜力中耕除草機(jī)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(jìn)行工作，畜力除草器更進(jìn)一步地提升了除草的質(zhì)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(qū)畜力機(jī)械也無法工作[18]。因此目前人力和畜力中耕除草機(jī)械已逐步被動(dòng)力中耕除草機(jī)械所替代。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)已研制了多種動(dòng)力水田機(jī)械化除草裝備。

國(guó)內(nèi)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(shí)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(jī)械，該機(jī)械可提起換行，不僅適應(yīng)南方小規(guī)模水稻生產(chǎn)，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(jìn)式水田中耕除草機(jī)3ZS-90，在田間行走的同時(shí)驅(qū)動(dòng)復(fù)合式除草部件進(jìn)行行間除草，該機(jī)的作業(yè)行數(shù)為3行，除草率高達(dá)83.7%。王金武等[23]研制了3ZS-150型水田除草機(jī)，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(dòng)力除草機(jī)，通過把泥水覆蓋到雜草上，致使其停止生長(zhǎng)。

3 水田機(jī)械除草部件研究現(xiàn)狀

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

3.1 機(jī)械式除草部件

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

水田的機(jī)械式株間除草部件一般有對(duì)轉(zhuǎn)式、擺動(dòng)式和固定式3種。

1）對(duì)轉(zhuǎn)式株間除草[25]。對(duì)轉(zhuǎn)式株間除草的除草原理是，通過在水稻行間兩側(cè)設(shè)置一對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的除草部件來對(duì)株間雜草進(jìn)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(dòng)式株間除草[26]。擺動(dòng)式株間除草的除草原理是，通過往復(fù)擺動(dòng)的除草部件對(duì)株間雜草進(jìn)行抽打和拉拔，機(jī)具做勻速運(yùn)動(dòng)，除草部件如同鐘擺一樣規(guī)律擺動(dòng)，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(tài)來改變除草深度，通過調(diào)節(jié)除草部件的空間位置來改變除草工作強(qiáng)度，除草期間，跨在水稻行間的除草部件通過牽引機(jī)具前進(jìn)，前進(jìn)過程中將對(duì)接觸到的雜草進(jìn)行拔除、掩埋。

3.2 機(jī)械氣力式除草部件

機(jī)械氣力式除草技術(shù)主要通過對(duì)雜草進(jìn)行高壓氣體的噴射來除草。

日本日精電機(jī)株式會(huì)社研制了一種機(jī)械氣力式水田除草機(jī)[28]。這種除草機(jī)通過從噴射口將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體噴出，吹動(dòng)噴口安裝的拍打型除草部件，使株間雜草受到強(qiáng)氣流吹拂的同時(shí)還會(huì)被拍打部件壓砸，由于水稻的根系比雜草的根系發(fā)達(dá)，因此強(qiáng)氣流吹拂僅僅只會(huì)使水稻植株短暫彎曲，而不會(huì)對(duì)其造成傷害。

3.3 機(jī)械液力式除草部件

機(jī)械液力式除草技術(shù)主要通過對(duì)雜草進(jìn)行高壓液體的噴射來進(jìn)行除草。

日本石井農(nóng)機(jī)公司研制了一種水田除草設(shè)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(duì)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(huán)保的除草方式，但目前還未在水田除草中應(yīng)用。電力除草是用導(dǎo)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(xué)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(zhǎng)[32]；泡沫除草主要通過一種泡沫發(fā)生器來除草[33]，泡沫發(fā)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(guān)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，這些新的除草技術(shù)有望在水田除草中得到應(yīng)用。

4 存在的問題

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

2）勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)更高。機(jī)械除草需要在水田進(jìn)行多次作業(yè)，不同于化學(xué)除草不需要進(jìn)行多次重復(fù)。

3）株間除草問題。目前水田除草機(jī)具大多只能進(jìn)行行間除草，無法進(jìn)行株間除草。雖然有可同時(shí)進(jìn)行株間和行間除草的機(jī)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(qiáng)。多數(shù)水田機(jī)械除草設(shè)備的除草行距和工作寬幅不能改變，水稻種植區(qū)地表高度存在高差，因此導(dǎo)致地塊的不規(guī)則化，有些地塊面積過小，或者到丘陵地區(qū)，機(jī)具便無法進(jìn)行作業(yè)。

5）機(jī)具工作精準(zhǔn)性需要提高。除草的精準(zhǔn)度大多依賴農(nóng)機(jī)手，容易對(duì)秧苗造成損傷。

6）缺少相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，影響機(jī)具的長(zhǎng)期使用與維護(hù)。

7）功能單一。目前所開發(fā)的水田除草機(jī)大多只有單一除草功能，未來可集成施肥等工序降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高中耕效率。

8）國(guó)內(nèi)研究缺乏合理的支持。農(nóng)民相關(guān)知識(shí)薄弱，更相信化學(xué)除草，國(guó)家政府宣傳力度不足。

9）有機(jī)水稻市場(chǎng)不規(guī)范。市場(chǎng)內(nèi)以次充好情況嚴(yán)重，一般農(nóng)戶種植的有機(jī)水稻很難受到消費(fèi)者的認(rèn)可。

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

5 我國(guó)水田機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展方向

1）高效化發(fā)展。通過不斷設(shè)計(jì)改進(jìn)除草結(jié)構(gòu)、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(fā)展。通過傳感器、光譜儀器、衛(wèi)星等裝置識(shí)別雜草的分布、密度等情況，進(jìn)而控制除草機(jī)械實(shí)施精準(zhǔn)除草，降低傷苗率，提高除草率[35]。

3）集成化發(fā)展。通過將多種功能的水田作業(yè)裝置集成至一臺(tái)機(jī)具上，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升作業(yè)效率，降低成本。

4）仿生化發(fā)展。通過對(duì)自然界中的土壤動(dòng)物和食草動(dòng)物的生物結(jié)構(gòu)和生物功能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)仿生除草部件，該種除草部件相對(duì)于傳統(tǒng)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(jī)具的能源消耗。

5）無人化發(fā)展。通過利用我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)GPS等定位系統(tǒng)和研發(fā)拖拉機(jī)的無人駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水田的無人駕駛作業(yè)，在緩解農(nóng)機(jī)手短缺問題的同時(shí)，提高除草的精度和作業(yè)的效率。

6）多技術(shù)交叉融合。通過將機(jī)械除草技術(shù)、生態(tài)除草技術(shù)等多種除草技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提高除草機(jī)具的除草效率，擴(kuò)大除草機(jī)具的可除雜草類別[36]。

7）國(guó)內(nèi)外合作。通過國(guó)內(nèi)外交流合作等方式，利用好國(guó)內(nèi)的勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)和大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，利用好國(guó)外的軟件程序以及硬件設(shè)備，提高水田機(jī)械除草的除草率和精準(zhǔn)度，降低開發(fā)成本。

8）專業(yè)人才培育。通過對(duì)專業(yè)人才進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)調(diào)試等方面的培訓(xùn)，提升相關(guān)人才和農(nóng)機(jī)手的技能水平和職業(yè)素養(yǎng)。

9）政府宣傳管控。通過政府的影響力對(duì)水田機(jī)械除草進(jìn)行宣傳，并對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)管，提升農(nóng)民的認(rèn)知和使用水田機(jī)械除草設(shè)備的積極性。

6 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，水稻的有機(jī)化種植生產(chǎn)越來越受到消費(fèi)者的青睞。但是，水田機(jī)械除草的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外開發(fā)的水田機(jī)械除草機(jī)，其除草效率都不能達(dá)到化學(xué)除草那么高。但隨著綠色生態(tài)除草技術(shù)的不斷發(fā)展，水田機(jī)械除草技術(shù)將因?yàn)槠洫?dú)有的優(yōu)勢(shì)，在有機(jī)水稻種植中發(fā)揮不可替代的作用。