機械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀及作業(yè)模式選擇

摘 要： 介紹了機械除草技術(shù)的基本原理、分類及現(xiàn)狀，通過機械除草作業(yè)模式應(yīng)用案例，分析機械除草作業(yè)和影響因素。結(jié)果表明，機械除草作業(yè)模式具有高效、省力等優(yōu)點，選擇機械除草作業(yè)模式需要考慮土壤類型、種植方式和品種特性、地形和除草設(shè)備性能等因素。同時，還需要根據(jù)具體的農(nóng)田情況進行合理的作業(yè)模式設(shè)計和參數(shù)調(diào)整，以獲得最佳的除草效果，促進農(nóng)業(yè)環(huán)境保護與作物產(chǎn)量、質(zhì)量的雙重提升。

關(guān)鍵詞：機械除草；作業(yè)模式；除草機器人；應(yīng)用案例

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0010-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.002

0 引言

目前，機械除草技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要手段。在可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的諸多議題中，機械除草技術(shù)作為一項減少化學農(nóng)藥施用、保護環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)，一直是農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域研究的熱點。研究認為，國外除草機研發(fā)重視技術(shù)改良適應(yīng)農(nóng)田和草原等地域地形，智能化程度愈加明顯，除草機器人技術(shù)成熟，商品化競爭優(yōu)勢領(lǐng)先，但是價格較高。國產(chǎn)機械除草設(shè)備在可靠性和穩(wěn)定性等方面有較大的發(fā)展?jié)摿?，在選擇適宜推廣的機械除草作業(yè)模式時，存在對影響因素常?？紤]不夠周全問題。本研究主要分析了國內(nèi)外機械除草技術(shù)研究的現(xiàn)狀；介紹了機械除草技術(shù)的基本原理、分類及現(xiàn)狀，以及機械除草作業(yè)模式的應(yīng)用案例等。通過查閱資料、電話訪談、調(diào)查研究等方式，研究了適宜本地推廣的機械除草作業(yè)模式、影響因素，為進一步改進和完善機械除草技術(shù)提供參考，推動其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。本研究不僅在于推動機械除草技術(shù)的發(fā)展，也在于為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外除草機械設(shè)計大多為牽引式大型除草機具，工作幅面較大、效率較高，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。除草機研發(fā)重視技術(shù)方面的改良來適應(yīng)農(nóng)田、草原、旱地等地域地形[1]。起步時間比較早，除草機從傳統(tǒng)的大型化、單一化正在向簡便化、智能化、多動能方向發(fā)展[2]。如水田除草機配備行間和株間除草作業(yè)裝置[3]。智能感知技術(shù)在機械除草中得到廣泛的關(guān)注，特別是作物行識別技術(shù)和雜草識別技術(shù)，可以確保在不損傷作物的同時有效地去除雜草。如瑞士ECOProcess amp; Solutions 公司2021 年研制的Moondino 稻田除草機器人，是一款利用機器視覺識別技術(shù)研發(fā)的比較成熟的除草機器人產(chǎn)品，可以確保在不損傷作物的同時有效地去除雜草[4]。國外多用大型耕作農(nóng)機，200～250 mm 窄距除草機研究較少[5]。雖然技術(shù)成熟，但價位較高，其結(jié)構(gòu)和工作性能并不完全符合我國國情[6]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國外種植模式及相關(guān)地形地貌與國內(nèi)大不相同，國內(nèi)受到地形等因素的限制，規(guī)?；麍@種植密植化程度較高，大型除草機械實用性有限，國外相關(guān)除草設(shè)備并不適合我國果園除草作業(yè)[7-8]。到20 世紀70 年代，我國在引進國外果園機械的同時才研制應(yīng)用除草機、打藥機等，逐漸促進了果園機械的發(fā)展[9]。對水稻田除草機的研究起步相對較晚，早期主要是借鑒國外除草機，對其進行改進，如 2BYS-6 型乘坐式水稻田除草機[10]。受地理環(huán)境不一的影響，我國不同地區(qū)的除草機械化程度并不相同，除草機械化技術(shù)還面臨挑戰(zhàn)，除草裝備技術(shù)的智能性、系統(tǒng)性、可靠性、靈活性和操作穩(wěn)定性還有挖掘潛力[11]。

2 原理及特點

2.1 傳統(tǒng)機械除草技術(shù)

機械除草技術(shù)的基本原理主要是利用機械力對農(nóng)田進行除草。具體來說，通過驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)機械刀片或鈍器，使其在地表切割或摧毀雜草，從而達到除草的目的。驅(qū)動裝置一般由內(nèi)燃機或電動機提供動力，機械刀片設(shè)計合理，能有效切割或攪動雜草。

傳統(tǒng)機械除草使用機械力量直接去除雜草，通常需要人工操作和控制。主要依賴物理方式去除雜草，如切割、碾壓或拔起。優(yōu)點：效率較高，能夠快速大面積去除雜草，成本相對較低，維護和操作簡單，對于特定種類的雜草，物理方式可以起到較好的防治效果。缺點：部分機械除草設(shè)備會對土壤和環(huán)境造成一定程度的危害，對于某些堅韌或根深的雜草，去除效果不理想。

2.2 智能機械除草技術(shù)

智能機械除草技術(shù)是一種利用傳感器、機器視覺等技術(shù)進行雜草識別，并采用自動化手段進行除草的先進技術(shù)。智能機械除草系統(tǒng)通過高清攝像頭和傳感器來獲取地面信息，然后利用計算機視覺技術(shù)和深度學習算法對圖像進行處理和識別，以區(qū)分雜草和目標植物。一旦識別到雜草，智能機械就會自動規(guī)劃除草路徑并控制除草機械進行精準除草。常見的除草方式包括機械鏟除和激光除草等。優(yōu)點：對土壤和環(huán)境友好；能夠精準定位和識別雜草，提高除草效率；自動化操作減輕了勞動強度，降低了人工成本。缺點：成本較高，初期投入較大；技術(shù)復(fù)雜，維護和操作需要專業(yè)知識和技能。

3 作業(yè)模式選擇與設(shè)計

3.1 機械除草作業(yè)影響因素

3.1.1 作物種植方式和品種特性

不同作物種植方式和品種特性對機械除草的要求不同，以玉米和蔬菜種植為例。

（1）玉米種植。玉米是一種密植作物，其種植行距較小，需要更加精細的除草作業(yè)。由于玉米生長速度快，機械除草需要定期進行，以保持田間的清潔。山西農(nóng)業(yè)大學[12] 發(fā)明了一套玉米苗期機械除草識別裝置。

（2）蔬菜種植。蔬菜種植通常采用密植的方式，行距較小，生長周期也較短，對機械除草的要求較高。都澤鑫等[13] 將Faster-RCNN 模型引入到蔬菜幼苗識別檢測中，蔬菜幼苗平均識別率達93.92%，平均檢測時間34.4 ms，具有識別速度快和準確率高等優(yōu)點。雜草控制在蔬菜生產(chǎn)中極其重要，采用自動化機械除草去除田間雜草，可以有效提高作業(yè)精度，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于環(huán)境的影響。

3.1.2 土壤條件和地形地貌

土壤條件和地形地貌對機械除草的效果和操作難度有較大的影響。如在黏性土壤中進行機械除草會遇到困難，而在平坦地形上進行機械除草則相對容易。選擇機械除草作業(yè)模式時，需要考慮土壤條件和地形地貌的特點，并選擇適合的模式。

3.1.3 機械除草設(shè)備性能和要求

不同的機械除草設(shè)備具有不同的性能和要求。如有適用于大面積農(nóng)田作業(yè)的除草設(shè)備，還有適用于小面積農(nóng)田或坡地作業(yè)的除草設(shè)備。因此，在選擇機械除草作業(yè)模式時，需要考慮設(shè)備的適應(yīng)性和性能要求。

（1）拖拉機懸掛除草機。主要適用于大面積農(nóng)田除草作業(yè)，通常由拖拉機驅(qū)動，具有較大的割幅和較強的動力，可以高效地清除大面積雜草。方會敏等[14]研究表明，機械除草方式能夠疏松土壤，使除草區(qū)域的土壤緊實度降低64.4% 以上；試驗時用拖拉機掛接除草機進行機械除草作業(yè)，行間機械除草的株防效83.4%，優(yōu)于株間機械除草的株防效46.7%。

（2）手持式電動除草機。主要適用于小面積農(nóng)田或坡地除草作業(yè)，具有便攜性和靈活性，由電池供電，使用方便，適用于精細化除草作業(yè)。曹成茂等[15] 針對丘陵山區(qū)前胡種植使用除草機時存在草土不分離，導致雜草復(fù)生、碎石飛射傷人的問題，研制出一款適用于坡地的手持式除草機，除草深度35 mm，平均除凈率86.7%。

（3）自走式除草機。結(jié)合了拖拉機和除草機的功能，可在農(nóng)田中自動行駛并進行除草作業(yè)，無須人工操作，適用于大面積農(nóng)田除草作業(yè)，具有較高的效率和節(jié)省人力的特點。劉宇[16] 研制了自走式田間作業(yè)機器平臺，不僅能進行播種、施肥和除草等作業(yè)，還能夠獲取作物的表型信息。

3.2 機械除草作業(yè)模式設(shè)計原則和方法

3.2.1 對作物生長的影響最小化

設(shè)計機械除草作業(yè)模式時應(yīng)盡量減少對作物生長的干擾。可以通過調(diào)整刀具或壓力裝置的高度、角度和速度等參數(shù)來減少對作物的傷害。此外，還可以選擇適當?shù)淖鳂I(yè)時間，避免對作物的生長關(guān)鍵期造成影響。

3.2.2 高效除草效果

設(shè)計機械除草作業(yè)模式時應(yīng)確保能夠有效控制雜草的生長。選擇合適的刀具或壓力裝置，以及合理的作業(yè)速度和頻率來實現(xiàn)高效除草效果。

3.2.3 操作簡便性和安全性

設(shè)計機械除草作業(yè)模式時應(yīng)考慮操作者的簡便性和安全性。設(shè)計簡單易用的操作系統(tǒng)和人機交互界面，降低操作者的技能要求。還應(yīng)考慮設(shè)備的安全性能，如防止誤操作和意外傷害的發(fā)生。

4 應(yīng)用案例

在不同地區(qū)條件下，機械除草作業(yè)模式也需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整和應(yīng)用。以下是兩個典型的作業(yè)模式應(yīng)用案例。

4.1 平原地區(qū)

平原地區(qū)土壤條件相對平坦，適合使用大型機械設(shè)備進行除草[1，11，17]。在我國東北地區(qū)大豆種植區(qū)，使用拖拉機牽引式大型除草機進行大面積的除草作業(yè)。旋耕式除草模式是最常用的除草模式，拖拉機將除草機固定在后方，將除草機下刀的深度設(shè)置在正確的位置；拖拉機拖動除草機前進，旋轉(zhuǎn)刀片將土壤掀起，同時切割雜草根部。這種模式優(yōu)勢在于，不會破壞土壤結(jié)構(gòu)，較好地控制雜草的生長，提高除草效率，減少人工勞動強度。

4.2 丘陵地區(qū)

丘陵地區(qū)的地形地貌復(fù)雜多變，需要根據(jù)具體情況選擇合適的機械除草作業(yè)模式。無人駕駛激光除草模式是一種先進的技術(shù)模式，利用激光掃描地面，識別并測量草坪或土地上的雜草位置和高度信息；基于獲取的數(shù)據(jù)，無人駕駛裝置準確地控制激光束，將激光定位在每一株雜草的葉片上，瞬間燒灼目標雜草的葉片。這種模式具有智能化感知系統(tǒng)，依據(jù)丘陵地區(qū)的地形變化，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精準地除草，減少對土壤的破壞和侵蝕，而且避免使用化學除草劑對環(huán)境造成的污染，是未來機械除草作業(yè)發(fā)展方向。如甘肅省機械科學研究院有限責任公司研制的無人駕駛激光除草機[18]。

5 結(jié)束語

本研究在分析機械除草技術(shù)現(xiàn)狀和機械除草作業(yè)模式應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，闡述了影響機械除草作業(yè)模式選擇與設(shè)計應(yīng)該考慮的因素，即作物種植方式和品種特性、土壤條件和地形地貌、機械除草設(shè)備的性能和要求。提出了機械除草作業(yè)模式的設(shè)計原則和方法，為機械除草技術(shù)改善提供一些參考思路，希望能夠推動相關(guān)機械除草技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。