果園除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

沈 帥，何義川，楊 毅，弋曉康，湯智輝

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木綠洲農(nóng)業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（塔里木大學(xué)），新疆 阿拉爾 843300；3.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300；4.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000）

0 引言

果樹及果實(shí)在食品、化工、醫(yī)療、生態(tài)等領(lǐng)域可以產(chǎn)生巨大的效益，并帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2021 年底我國(guó)果園種植面積為12 808 000 hm2[1]。果園除草是利用機(jī)械機(jī)具或者化學(xué)藥劑清除果園中的雜草，避免雜草與果樹爭(zhēng)水搶肥，是果園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)研究證實(shí)，雜草可使果園果樹減產(chǎn)10%～20%，而果園除草后可減少水分蒸發(fā)15%左右，土壤保水率增加33%[2]。去除雜草可抑制病蟲害，防止病蟲害侵染果樹造成減產(chǎn)，也能減少雜草與果樹根系之間的養(yǎng)分爭(zhēng)奪，改善土壤的理化性質(zhì)，特別是旋耕機(jī)械除草后還可以改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)質(zhì)，提高土壤蓄水保墑的能力，利于果樹的增產(chǎn)增收[3-4]。

化學(xué)藥劑與農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)具在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中均發(fā)揮著重要的作用，它們能夠增加產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境等。其中，化學(xué)藥劑主要用于防治病蟲害和雜草，機(jī)械機(jī)具主要用于種植、植保、收獲等作業(yè)。在化學(xué)藥劑方面，目前研究的重點(diǎn)是綠色、環(huán)保型農(nóng)藥的研發(fā)和應(yīng)用。傳統(tǒng)的農(nóng)藥有損作業(yè)人員的身體健康，對(duì)環(huán)境的污染也越來(lái)越大[5]，因此，開發(fā)更安全、更環(huán)保的農(nóng)藥是大勢(shì)所趨，并且基于農(nóng)藥應(yīng)用的準(zhǔn)確性和效果，精準(zhǔn)農(nóng)藥噴灑技術(shù)、藥劑配方控制可靠性等方面的研究也在不斷推進(jìn)[6-7]。在機(jī)械機(jī)具方面，農(nóng)機(jī)設(shè)備的智能化和自動(dòng)化程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的智能化機(jī)器人投入使用，極大地解放了人力；多種機(jī)具的集成化也成為了重點(diǎn)研究方向，如集成化的種植與灌溉一體化機(jī)械等。這些新技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 果園除草技術(shù)研究現(xiàn)狀

在果園管理過(guò)程中，雜草除了與作物爭(zhēng)水搶肥，雜草根分泌的毒素也影響著果樹生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致果樹減產(chǎn)[8]?，F(xiàn)有的除草技術(shù)有生物克制除草、化學(xué)除草、機(jī)械除草等。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中，農(nóng)業(yè)作業(yè)主要由人工完成，農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。英國(guó)人普拉克內(nèi)特在十九世紀(jì)初發(fā)明了第一臺(tái)割草機(jī)，可以在收割谷物時(shí)連帶雜草一起割除，極大解放了勞動(dòng)力。1830 年比爾布丁發(fā)明了滾筒式割草機(jī)，后面被廣泛的應(yīng)用于修剪綠化帶。目前，美國(guó)的迪爾和紐荷蘭是最大的農(nóng)機(jī)制造公司，現(xiàn)有13 個(gè)品種和49 個(gè)機(jī)型，其中牽引式往復(fù)割草機(jī)、自走式割草壓扁機(jī)設(shè)備處于世界領(lǐng)先地位。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，智能化的割草機(jī)已經(jīng)廣泛被使用，通過(guò)控制系統(tǒng)、視覺(jué)識(shí)別、路徑規(guī)劃等完成割草作業(yè)，無(wú)需人工參與。

在我國(guó)，七十年代至今旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)得到快速的發(fā)展，取得了很大的進(jìn)步[9-10]，上海天堤機(jī)械設(shè)備有限公司和洛陽(yáng)馬斯特拖拉機(jī)有限公司生產(chǎn)的割草機(jī)等田間管理機(jī)械，采用無(wú)線遙控技術(shù)，遙控距離可以達(dá)到150 m。研究并推廣高效、安全、可持續(xù)發(fā)展的除草技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，推進(jìn)果園生產(chǎn)增收增產(chǎn)，是果園田間管理機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)。

2 果園除草工藝及相關(guān)技術(shù)

2.1 化學(xué)除草工藝

無(wú)論是傳統(tǒng)的人工除草還是機(jī)械機(jī)具除草，都要對(duì)土壤進(jìn)行翻耕作業(yè)，但對(duì)果園土壤進(jìn)行頻繁的疏松會(huì)破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，不利于水分滲透，從而導(dǎo)致霉菌感染[11]。1932 年，二硝酚的發(fā)明，推動(dòng)了工業(yè)除草劑產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展?；瘜W(xué)除草是通過(guò)使用化學(xué)藥劑抑制雜草中蛋白質(zhì)及其他元素的合成來(lái)抑制或殺滅雜草。需要注意的是，噴藥應(yīng)在無(wú)風(fēng)條件下，溫度10～30 ℃為宜，土壤干燥時(shí)不適宜噴藥[12]。在噴施藥劑的過(guò)程中，要根據(jù)雜草發(fā)芽前和雜草成草后這2種不同生長(zhǎng)階段選取不同的化學(xué)除草劑。

2.1.1 雜草發(fā)芽前噴施藥劑類型

這一類型的使用方法是在雜草冒出地面前或發(fā)芽期在果園地面表層土壤進(jìn)行均勻噴霧，噴灑后在土壤表面形成藥層，雜草發(fā)芽時(shí)接觸到藥層表面致死，其有效周期為30～60 d 左右，某些除草劑品種的有效期更長(zhǎng)。由于在沙性土壤中藥層形成不穩(wěn)定，故在西北地區(qū)等沙質(zhì)果園土壤除草中難以適用。幾種常見的雜草發(fā)芽前藥劑如表1 所示。

表1 常見的雜草發(fā)芽前藥劑

2.1.2 雜草成草后噴施藥劑類型

這一類型的除草劑在雜草生長(zhǎng)期使用，按照推薦用量和兌水量均勻噴施于雜草葉片，通過(guò)觸殺或葉片吸收后傳導(dǎo)，導(dǎo)致雜草光合作用、呼吸作用停止，破壞雜草生理過(guò)程中必需的生物酶等，使雜草死亡。幾種常見的成草后除草藥劑如表2 所示。

表2 常見的成草后除草藥劑

無(wú)論是發(fā)芽前還是成草后噴施化學(xué)藥劑，對(duì)于作物和土壤都有一定的污染，而這種污染隨著農(nóng)戶噴施藥量的不同有所差異[14]，但多數(shù)的農(nóng)戶沒(méi)有接受過(guò)科學(xué)的噴施培訓(xùn)教學(xué)，在噴藥作業(yè)過(guò)程中多數(shù)會(huì)加大劑量，這就加劇了對(duì)果樹和土壤的污染，甚至?xí)?duì)作業(yè)人員的身體造成一定危害。為減少化學(xué)藥劑的污染，未來(lái)應(yīng)研制低毒無(wú)污染的有機(jī)化學(xué)藥劑，并加強(qiáng)對(duì)農(nóng)戶的培訓(xùn)，增強(qiáng)其防范和環(huán)保意識(shí)[15]。

2.2 生物除草工藝

生物除草指利用生物之間的克制關(guān)系消滅雜草，既存在植物之間的克制，又有動(dòng)物對(duì)植物的覓食消除。這種方法不僅可以防治雜草、消滅病蟲害，還能獲得肉蛋等副產(chǎn)品，動(dòng)物糞便中的氮、磷、鉀還可以為果樹提供養(yǎng)分，缺點(diǎn)是動(dòng)物食性較單一，部分雜草不能被動(dòng)物接受[16-18]。目前還提出一種植物之間的抑制，即植物防控除草，其原理為種植防治草，利用生物群落競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系遏制某些惡性雜草的滋生，種植綠肥作物還具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高并保持地溫、維持土壤酸堿平衡等優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)不成熟仍未普及。

2.3 機(jī)械除草工藝

機(jī)械除草是利用各種形式的除草機(jī)械和表土作業(yè)機(jī)械切斷草根，干擾和抑制雜草生長(zhǎng)，達(dá)到控制和清除雜草的目的。傳統(tǒng)的機(jī)械除草是利用微耕機(jī)、割草機(jī)、彈齒耙等切割和翻耕的方式殺滅雜草：微耕機(jī)通過(guò)動(dòng)力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)割刀，然后對(duì)土壤進(jìn)行深松，將雜草覆蓋到地下，從根部消滅雜草；割草機(jī)利用割刀將雜草莖部剪斷，不與土壤接觸，可以避免土壤的沙化，保護(hù)土地資源；彈齒耙無(wú)需動(dòng)力傳輸，使用拖拉機(jī)進(jìn)行牽引作業(yè)，可以將雜草根部鏟除，并且不會(huì)對(duì)土壤深層產(chǎn)生影響。果園除草機(jī)械可分為行間除草和株間除草，傳統(tǒng)除草作業(yè)多采用機(jī)械對(duì)行間雜草進(jìn)行清除，果樹株間則多采用人工進(jìn)行簡(jiǎn)單清除。隨著科技的發(fā)展，研究人員研制了一系列可以進(jìn)行株間除草的機(jī)具。

2.3.1 果園行間除草機(jī)械

在果園前期的種植過(guò)程中，通常使用鏵式犁和圓盤耙對(duì)果園進(jìn)行整地作業(yè)，通過(guò)土壤的翻耕將雜草覆蓋在地下，達(dá)到消滅雜草的效果，如圖1 和圖2 所示。張斌等[19]開發(fā)了一款彈尺式除草機(jī)，如圖3 所示，該機(jī)采用彈簧鋼材料制成，使彈齒耙具有一定的彈性，能夠在遇到障礙物時(shí)不易受損。彈尺的顫動(dòng)不僅增強(qiáng)了除草和碎土的能力，還在松土方面取得了良好的效果。該機(jī)適用于果園中的耕除草作業(yè)，經(jīng)過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)表明可靠性能夠滿足果園作業(yè)的要求。

圖1 鏵式犁

圖2 圓盤耙

圖3 彈尺式除草機(jī)

在目前的除草機(jī)械中，旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)應(yīng)用最廣泛，如圖4 所示。劉學(xué)串等[20]研制的9GS-2.0 割草機(jī)不僅適用于平地，還可以在斜坡進(jìn)行割草作業(yè)。在試驗(yàn)驗(yàn)證中，該割草機(jī)的割茬高度為52 mm，工作效率達(dá)到了1.18 hm2/h，碎草性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此外，賀占清等[21]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了往復(fù)式割草機(jī)的優(yōu)越性。當(dāng)往復(fù)式割草機(jī)的振動(dòng)頻率為9 Hz 時(shí)，該機(jī)能夠保持較高的工作效率，同時(shí)降低了切割失效的可能性（見圖5）[22-24]。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)裝備逐漸朝著智能化方向發(fā)展。張博遠(yuǎn)[25]基于PixHawk 開源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款智能履帶式割草機(jī)，如圖6 所示。該設(shè)計(jì)采用外接GNSS-RTK 高精度衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)，支持多模多頻模組和網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)高精度定位輸出。這款智能割草機(jī)能夠通過(guò)智能導(dǎo)航系統(tǒng)完成除草作業(yè)，為現(xiàn)代果園除草提供了高效、精準(zhǔn)的解決方案。

圖4 旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)

圖5 往復(fù)式割草機(jī)

圖6 智能履帶式割草機(jī)

針對(duì)不同地形的果園，選擇合適的除草部件可以更加高效地完成除草作業(yè)。當(dāng)前行間除草機(jī)械發(fā)展較為完善，可以滿足多數(shù)地形的要求，但在除草作業(yè)過(guò)程中仍多采用拖拉機(jī)牽引作業(yè)，作業(yè)人員要全程參與作業(yè)，增加了作業(yè)人員的負(fù)擔(dān)。為了進(jìn)一步解放勞動(dòng)力，應(yīng)結(jié)合相關(guān)智能和信息化技術(shù)，研發(fā)推廣無(wú)需人工參與作業(yè)的智能除草機(jī)械裝備。

2.3.2 果園株間除草技術(shù)

株間除草是在利用割草裝置在不接觸樹干的情況下將果樹株間雜草清除，主要是利用傳感器感應(yīng)樹干位置，并利用執(zhí)行裝置帶動(dòng)割草裝置運(yùn)動(dòng)來(lái)避開樹干。在傳統(tǒng)果園作業(yè)過(guò)程中，株間雜草采用人工割除或者不割除的方式，需要耗費(fèi)大量的人工，除草效率低下，未除凈的雜草也會(huì)影響果樹的生長(zhǎng)，降低了果品質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，株間除草很有必要。針對(duì)果園避障除草目前的研究主要分為傳感器感應(yīng)型、網(wǎng)格化環(huán)境模型、視覺(jué)處理、感應(yīng)觸桿型等類型，各類型避障方式及機(jī)械特點(diǎn)如表3 所示。

表3 避障方式及機(jī)械特點(diǎn)

現(xiàn)階段的株間除草多采用機(jī)械接觸式避障株間除草，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是由于接觸樹干，會(huì)對(duì)樹干造成損傷?；诟袘?yīng)式的智能避障很好地彌補(bǔ)了這個(gè)問(wèn)題，但是不同傳感器的使用對(duì)于避障的靈敏性也存在差異，驗(yàn)證不同傳感器的避障效果和作業(yè)效率對(duì)于株間除草具有實(shí)際意義。

2.4 其他除草技術(shù)

2.4.1 激光除草

激光除草是指利用短時(shí)間高強(qiáng)度激光束照射雜草，雜草內(nèi)細(xì)胞水分子吸收一定波長(zhǎng)內(nèi)的激光從而產(chǎn)生高溫，使雜草細(xì)胞裂解達(dá)到除草的目的，目前常采用CO2激光，其性質(zhì)為遠(yuǎn)紅外激光。激光除草具備精度高、無(wú)侵害性、作業(yè)速度快、效率高等優(yōu)勢(shì)，但需要考慮投資成本、技術(shù)可行性和特定農(nóng)業(yè)環(huán)境的適用性。當(dāng)前對(duì)于激光除草的研究較少，潘雷等[32]利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)雜草進(jìn)行識(shí)別與定位,設(shè)計(jì)了一種包含電腦、控制器、激光器、透鏡和振鏡系統(tǒng)的除草裝置，利用激光對(duì)區(qū)域內(nèi)的雜草進(jìn)行殺滅。昆明理工大學(xué)吳旺旺[33]設(shè)計(jì)了一種激光除草機(jī)器人，以定位基準(zhǔn)作為識(shí)別的目標(biāo)再經(jīng)圖像處理進(jìn)行分區(qū),準(zhǔn)確的識(shí)別并殺死雜草。

2.4.2 火焰除草

火焰除草是通過(guò)使用化石燃料尖端點(diǎn)燃得到較大擴(kuò)散面的高溫火焰，使得植物脫水死亡。火焰除草對(duì)雜草的抑制效果和尖端火焰擴(kuò)散度、燃料種類、雜草品種、環(huán)境溫濕度與葉表含水量等多種因素有關(guān)[34]。ANNE MERETE RASK 等[35]指出重復(fù)的火焰除草可抑制雜草的生長(zhǎng)?；鹧娉萦糜诠麍@雜草防治具有作業(yè)速度快、防治效果好的優(yōu)點(diǎn)，但因其燃料價(jià)格高、火焰控制難等因素未被廣泛應(yīng)用。

2.4.3 覆蓋除草

覆蓋除草是指用除草布、黑色地膜、秸稈等附著物覆蓋地面，通過(guò)阻止草類植物接受光照或膜下高溫殺死雜草。覆蓋除草可以抑制雜草生長(zhǎng)，保持土壤濕潤(rùn)，減少除草劑的使用，但成本較高，適用性和不同作物對(duì)于覆蓋物的敏感度等問(wèn)題阻礙了其推廣。除草布是聚乙烯、聚丙烯合成材料，厚度約為地膜的5 倍，可回收多次利用，經(jīng)研究表明，除草布對(duì)于單子葉植物的殺傷力強(qiáng)，對(duì)于雙子葉雜草的殺傷力較弱。云南優(yōu)力農(nóng)業(yè)發(fā)展公司的葉飛洲[36]設(shè)計(jì)了一種果園專用的快速收放除草膜裝置，通過(guò)收放卷軸與張緊導(dǎo)向軸的作用，可簡(jiǎn)易快速地完成收放除草膜作業(yè)。黑色地膜遮光率大于95%，覆蓋后利用其吸熱特性產(chǎn)生高溫而除草。目前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)常使用覆蓋除草與化學(xué)除草相結(jié)合的方法以達(dá)到最佳的除草效果，即覆蓋前噴灑除草劑或覆蓋涂抹除草劑的膜類，地膜下可使用乙氧氟草醚乳油、仲靈·異噁松乳油等（煙田膜下仲靈·異噁松乳油試驗(yàn)總防效95%左右）[37]，未蓋膜的果園可以選用5%精喹禾靈乳油。

2.5 化學(xué)與機(jī)械相結(jié)合除草

化學(xué)與機(jī)械相結(jié)合除草是目前新興的除草理念，其結(jié)合了噴灑除草劑與機(jī)械切割除草技術(shù)或翻耕后土層土壤中混入除草劑的雙重優(yōu)勢(shì)，具有除草徹底、反復(fù)率低等優(yōu)勢(shì)。許敏[38]設(shè)計(jì)了一種果園松土除草裝置，該裝置結(jié)合化學(xué)除草與機(jī)械除草技術(shù)，通過(guò)翻土輪松翻土壤，將藥液箱中的藥液噴灑到土層中以達(dá)到除草的目的。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的呂曉蘭等[39]采用化學(xué)與機(jī)械除草一體技術(shù)發(fā)明了除草裝置，在割草噴藥的同時(shí)，噴頭既可以對(duì)損傷的雜草進(jìn)行進(jìn)一步的消除，也可以對(duì)圓盤內(nèi)的雜草殘留進(jìn)行清理。中江澤含良福農(nóng)業(yè)公司的姚澤富研發(fā)的一種果園高效除草設(shè)備，設(shè)計(jì)了滾筒式切草刀，并在滾筒一端有進(jìn)液孔以在切草同時(shí)注入除草劑，從而完成雙重高效的除草作業(yè)。

3 關(guān)于果園除草技術(shù)發(fā)展的建議

1）化學(xué)藥劑的無(wú)污染化。在施用完除草劑后，果園作物和土壤中都會(huì)有藥物殘留，在下季作物種植時(shí)殘留的藥物毒性會(huì)影響作物的生長(zhǎng)，造成減產(chǎn)甚至顆粒無(wú)收。有機(jī)型化學(xué)除草劑毒性較小，有些甚至可以被作物的根莖吸收，應(yīng)加大這方面的研究，在保證藥劑無(wú)毒的同時(shí)降低雜草的耐藥性。

2）加強(qiáng)專業(yè)培訓(xùn)。加強(qiáng)對(duì)果園管理人員和農(nóng)民的培訓(xùn)，通過(guò)化學(xué)藥劑使用宣講，傳授他們有效的除草技術(shù)和管理方法，從而提高果園除草的效率。

3）研發(fā)智能化除草裝備。借助先進(jìn)的技術(shù)，如機(jī)器視覺(jué)和人工智能技術(shù)，開發(fā)智能除草裝備系統(tǒng)，通過(guò)識(shí)別和定位雜草并利用機(jī)械設(shè)備或激光技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)除草，減少對(duì)作物的誤傷。