機(jī)械除草技術(shù)裝備應(yīng)用調(diào)研及發(fā)展建議

摘 要： 除草技術(shù)裝備是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的農(nóng)具。通過查閱資料、電話訪談、企業(yè)座談和實(shí)地觀摩等方式，針對(duì)除草技術(shù)裝備開展了深入調(diào)查研究。分析了機(jī)械除草節(jié)本增效情況、國(guó)內(nèi)機(jī)械除草裝備推廣應(yīng)用情況及高端智能除草裝備研發(fā)進(jìn)展情況等，剖析了黑龍江省智能除草裝備應(yīng)用存在的主要問題及原因，在此基礎(chǔ)上提出了發(fā)展建議對(duì)策。

關(guān)鍵詞：機(jī)械除草；除草裝備；種植成本；智能裝備；除草機(jī)器人

中圖分類號(hào)：S224.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）09-0019-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.09.003

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，除草是保障作物健康生長(zhǎng)和產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的除草方式，如人工除草和化學(xué)除草，不僅效率低，而且可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。相對(duì)于化學(xué)藥劑除草而言，機(jī)械除草是一種物理除草方式。隨著農(nóng)業(yè)科技的飛速發(fā)展，機(jī)械除草裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。研制定位精度高、作業(yè)速度快的智能除草機(jī)將是機(jī)械除草未來技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械除草技術(shù)裝備還存在一些問題，如機(jī)械除草多次作業(yè)會(huì)增加傷苗率，株間機(jī)械除草技術(shù)是機(jī)械除草的瓶頸問題[2]。除草機(jī)器人在一定程度可以應(yīng)用于小部分作物，但是存在局限性，現(xiàn)有的末端執(zhí)行器尺寸不能滿足高密度種植的作物進(jìn)行除草作業(yè)[3]。對(duì)機(jī)械除草技術(shù)裝備的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)查研究，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)除草裝備研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化及推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 機(jī)械除草重要意義

1.1 發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)的重要保證

隨著人們對(duì)生命健康和食物品質(zhì)要求不斷提高，消費(fèi)者已經(jīng)從吃飽向吃好轉(zhuǎn)變，有機(jī)食品逐漸被消費(fèi)者認(rèn)可。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，農(nóng)村勞動(dòng)力不足。據(jù)抽樣統(tǒng)計(jì)，農(nóng)村一線勞動(dòng)力年齡偏大，并且鮮有年輕勞動(dòng)力補(bǔ)充，人工除草面臨勞動(dòng)力不足和成本逐年升高的局面。因此，采用機(jī)械替代人力除草已經(jīng)成為發(fā)展必然，機(jī)械除草是促進(jìn)有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)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(xí)慣等限制，黑龍江省北部的大興安嶺地區(qū)、黑河市、伊春市等以大豆種植為主，較少輪作，導(dǎo)致大豆田間的野大豆泛濫，很難用除草劑清除，嚴(yán)重影響大豆產(chǎn)量，紅莧菜、灰菜、龍葵等也很難用化學(xué)藥劑清除，而采用機(jī)械除草是解決這一問題的最有效手段。機(jī)械除草具有除草效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并且具有改良土質(zhì)、保肥保水、提高土壤滲透性和含氧量等功能[4-5]。

1.3 發(fā)展北藥種植的得力幫手

黑龍江省是重要的北藥產(chǎn)地，近年來種植面積已達(dá)到20 萬(wàn)hm2，而且還有上升趨勢(shì)。然而中藥材品種繁雜，一些中藥材在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中本身就被定義為雜草，少有針對(duì)中藥材的除草劑，并且大部分中藥材對(duì)于農(nóng)殘也有一定要求，因此發(fā)展機(jī)械除草能有效解決中草藥除草環(huán)節(jié)瓶頸問題。

1.4 農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效的重要措施

化學(xué)藥劑在清除雜草的同時(shí)，對(duì)作物生長(zhǎng)也有一定的抑制作用。經(jīng)過北大荒紅星農(nóng)場(chǎng)近年來在同地塊、同品種大豆不同除草方法產(chǎn)量對(duì)比，物理除草比化學(xué)除草增產(chǎn)8%～12%，并且能有效降低農(nóng)藥殘留。

2 調(diào)研對(duì)象

2.1 農(nóng)機(jī)企業(yè)

調(diào)研對(duì)象包括哈爾濱北墾農(nóng)機(jī)有限公司英國(guó)嘉福德公司中國(guó)代理、雷肯農(nóng)業(yè)機(jī)械（青島）有限公司、黑龍江北大荒眾榮農(nóng)機(jī)有限公司、黑龍江省鑫元豐農(nóng)業(yè)機(jī)械有限責(zé)任公司和孫吳縣農(nóng)發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司等。

2.2 除草機(jī)農(nóng)戶

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

3 調(diào)研現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60—70 年代，機(jī)械除草曾在黑龍江省大面積應(yīng)用，隨著除草劑的推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)機(jī)械除草效率低、效果差等弊端很快顯現(xiàn)，化學(xué)除草得以推廣普及。除草劑對(duì)于農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都有一定的負(fù)面影響，同時(shí)也在加速雜草的進(jìn)化過程。隨著雜草抗藥性逐年提高，人們開始重新認(rèn)識(shí)和使用機(jī)械除草裝備。

3.1 有機(jī)種植與常規(guī)種植成本調(diào)查

3.1.1 有機(jī)種植

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

3.1.2 常規(guī)種植

以大豆為例，化學(xué)除草機(jī)械作業(yè)費(fèi)0.009 元/m2×3 次=0.027 元/m2， 藥劑0.03 元/m2， 生產(chǎn)成本約為0.057 元/m2；采用機(jī)器人除草，成本0.09 元/m2，大豆增產(chǎn)10%～12%。兩項(xiàng)對(duì)比增收0.091 9 ～0.117 2 元/m2，按每臺(tái)除草機(jī)器人作業(yè)面積666.67 萬(wàn)m2 計(jì)算，每年可增收61 萬(wàn)～78 萬(wàn)元。

3.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械除草裝備推廣應(yīng)用情況

通過調(diào)研得知，目前黑龍江省推廣應(yīng)用的物理除草機(jī)械主要有以下3 種。

一是以英國(guó)嘉福德公司InRow 為代表的全方位除草機(jī)器人。北大荒集團(tuán)紅星農(nóng)場(chǎng)在2021 年引進(jìn)1 臺(tái)12 行全方位除草機(jī)器人，采用先進(jìn)的視覺單株識(shí)別技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)糾偏對(duì)行技術(shù)，雜草除凈率98% 以上，作業(yè)速度4～5 km/h，單鏟最多可以處理6 棵/s 秧苗，主要應(yīng)用在白菜等大株距蔬菜種植方面。

二是以英國(guó)嘉福德公司InterRow 行間除草機(jī)器人和雷肯農(nóng)業(yè)機(jī)械（青島）有限公司Steketee 行間除草機(jī)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(yè)， 雜草除凈率90%～ 95%， 作業(yè)速度12～15 km/h，目前在北大荒集團(tuán)的紅星農(nóng)場(chǎng)、趙光農(nóng)場(chǎng)、八五二農(nóng)場(chǎng)、寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)和鶴山農(nóng)場(chǎng)，以及依安縣、嫩江市等地都有應(yīng)用。德國(guó)豪獅和奧地利博田行間除草機(jī)也已進(jìn)入中國(guó)，挪威格蘭公司除草機(jī)于2024 年進(jìn)入中國(guó)。

三是以黑龍江省鑫元豐農(nóng)業(yè)機(jī)械有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱鑫元豐） 為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)制造的純機(jī)械式除草機(jī)，因其價(jià)格低在黑龍江省得到大面積推廣。此類除草機(jī)結(jié)合拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)使用， 作業(yè)速度5～6 km/h，雜草除凈率70%～80%。鑫元豐除草松土機(jī)多年試驗(yàn)證明，可提前1～3 d 出苗，增產(chǎn)6%～10%；傷苗率較低，節(jié)約成本500～700 元/hm2，減少農(nóng)藥抑制作物生長(zhǎng)7～10 d，增產(chǎn)5%～7%；松土促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增產(chǎn)6%～10%。

3.3 國(guó)內(nèi)高端智能除草裝備研發(fā)情況

智能田間除草機(jī)器人的研發(fā)是當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化、精細(xì)化、智能化的重要體現(xiàn)，國(guó)內(nèi)智能除草裝備研發(fā)已呈現(xiàn)出多元化態(tài)勢(shì)。具體到技術(shù)層面，智能除草機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)包括智能感知技術(shù)、機(jī)器人平臺(tái)和除草裝置。智能感知技術(shù)是基于多源信息融合，能夠綜合分析環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的種類與屬性，達(dá)到智能感知的目的。人工智能、智能感知、機(jī)器人技術(shù)不斷融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，智能除草機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[6-7]。

史揚(yáng)杰[8] 提出了一種緩釋肥料一次性集中減量深施+機(jī)械化除草的肥藥減施模式。除草性能試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同除草作業(yè)時(shí)期和不同作業(yè)速度下（3、4、5 km/h），機(jī)具除草率均gt;80%，傷苗率均lt;4%。楊碩等[9] 對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外株間除草機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和比對(duì)，并強(qiáng)調(diào)適應(yīng)穩(wěn)定作業(yè)要求的株間避障技術(shù)和高速、高效的機(jī)械除草技術(shù)是果園株間機(jī)械除草的研究重點(diǎn)。多天宇[10] 認(rèn)為，驅(qū)動(dòng)式水田中耕除草機(jī)械除草率超過90%， 在水層深度60 mm 和泥腳深度200 mm 時(shí)，除草效果最佳，達(dá)到98.4%。

2011 年，科技部啟動(dòng)實(shí)施“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”，由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院等單位聯(lián)合承擔(dān)田間鋤草機(jī)器人研究任務(wù)。項(xiàng)目突破了農(nóng)田環(huán)境下作物苗草信息獲取、苗間鋤草視覺伺服控制、農(nóng)業(yè)機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)控制等多項(xiàng)技術(shù)，形成蔬菜類田間鋤草機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)，為產(chǎn)品開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2023 年3 月，黑龍江貝克銳斯現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司推出第一代行間智能中耕除草機(jī)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校也開始研發(fā)智能除草機(jī)器人。2023 年6 月，黑龍江省科技廳通過“揭榜掛帥”方式啟動(dòng)科技攻關(guān)項(xiàng)目“智能除草機(jī)器人控制系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用”，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)、黑龍江北大荒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)集團(tuán)眾榮農(nóng)機(jī)有限公司、哈爾濱北墾農(nóng)機(jī)有限公司等多家單位開展協(xié)同攻關(guān)。項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容主要包括：①研究單體仿形機(jī)構(gòu)、仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可人工智能控制除草單體入土深度和對(duì)地壓力；②開發(fā)觸摸屏電腦控制終端、邏輯中央控制系統(tǒng)，可以通過控制屏控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控除草機(jī)工作狀態(tài)；③研究農(nóng)作物苗帶識(shí)別技術(shù)，開發(fā)智能視覺系統(tǒng)，能有效對(duì)農(nóng)作物苗帶進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)和識(shí)別，并傳遞給中央控制系統(tǒng)；④開發(fā)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，形成作物秧苗數(shù)據(jù)庫(kù)，作業(yè)時(shí)統(tǒng)計(jì)作業(yè)數(shù)據(jù)，包括行距、作業(yè)面積等。智能除草機(jī)器人的控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的管理者，承擔(dān)著對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制機(jī)械結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)動(dòng)作等重要任務(wù)[10]。全面掌握智能除草機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，并將嵌入式操作系統(tǒng)引入到控制系統(tǒng)中，樹莓派環(huán)境的搭建及傳感器感知模塊等協(xié)同通訊確定了整個(gè)系統(tǒng)的控制過程[11]。研發(fā)生產(chǎn)成本高，維修難度大，復(fù)雜工況下的性能也難以保證，智能除草機(jī)器人在農(nóng)田無(wú)法大規(guī)模使用[12-13]。

4 存在問題和原因剖析

4.1 主要問題

除草機(jī)器人在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入普及階段，但仍屬于新鮮事物。目前，黑龍江省推廣應(yīng)用的高端智能除草裝備均為進(jìn)口品牌，價(jià)格高昂，普通農(nóng)戶買不起用不起。

4.2 原因剖析

一是對(duì)除草機(jī)器人具有剛需的有機(jī)作物種植面積偏少。二是設(shè)備造價(jià)過高，普通用戶難以承受支付壓力。如我國(guó)西南地區(qū)的玉米種植產(chǎn)業(yè)迫切需要一款高效節(jié)能、體型小巧、價(jià)格便宜并且能夠保護(hù)環(huán)境的智能除草機(jī)器人[14]。國(guó)家對(duì)除草機(jī)器人沒有相應(yīng)補(bǔ)貼政策，如果能獲得一定額度的購(gòu)置補(bǔ)貼，必將對(duì)除草機(jī)器人的推廣起到極大的促進(jìn)作用。三是國(guó)內(nèi)管理者和土地經(jīng)營(yíng)者對(duì)除草機(jī)器人認(rèn)識(shí)不夠，大多持懷疑態(tài)度，需要積極引導(dǎo)。四是很多用戶把中耕和除草混為一談，容易錯(cuò)過除草最佳時(shí)機(jī)，應(yīng)加強(qiáng)宣傳引導(dǎo)和技術(shù)培訓(xùn)。五是一線農(nóng)機(jī)駕駛員年齡結(jié)構(gòu)偏高，對(duì)智能設(shè)備的操控領(lǐng)悟能力較差，需要更多有知識(shí)、有思想、有技能的年輕人補(bǔ)充到行業(yè)隊(duì)伍中。

5 發(fā)展建議

5.1 推進(jìn)裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

目前我國(guó)智能除草機(jī)器人處于產(chǎn)業(yè)的初期，學(xué)界和業(yè)界對(duì)智能除草裝備進(jìn)行了研究與開發(fā)，但暫未形成成熟的產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)[15]。由政府相關(guān)部門牽頭，組織相關(guān)科研院所、高等院校及企業(yè)加快推進(jìn)高端智能除草裝備（除草機(jī)器人）研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化，提高高端智能除草裝備技術(shù)水平。政府相關(guān)部門在推動(dòng)高端智能除草裝備（除草機(jī)器人）的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程中，應(yīng)鼓勵(lì)支持多學(xué)科交叉研究，引導(dǎo)支持各方力量共同攻關(guān)智能除草關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)。①提高智能感知技術(shù)。這是智能除草機(jī)器人的核心技術(shù)之一，基于多源信息融合的智能感知技術(shù)可綜合分析環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的類別與屬性。通過加強(qiáng)智能感知技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物行與雜草的精準(zhǔn)識(shí)別和定位。②建立除草機(jī)器人平臺(tái)。政府相關(guān)部門應(yīng)支持相關(guān)智能除草機(jī)器人研究，并扶持其運(yùn)作的相關(guān)基礎(chǔ)平臺(tái)，以提高平臺(tái)的穩(wěn)健性和適應(yīng)性。③加強(qiáng)機(jī)械除草裝置研究。機(jī)械除草裝置是實(shí)現(xiàn)除草任務(wù)的關(guān)鍵部件，通過加強(qiáng)機(jī)械除草裝置的研究，可以提高除草效率和質(zhì)量。

5.2 制定推廣扶持政策

市場(chǎng)如此廣闊，但是價(jià)格是其制約因素，因此制定推廣扶持政策，將智能除草機(jī)器人納入到購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼范疇，降低購(gòu)機(jī)門檻，減小購(gòu)機(jī)戶的經(jīng)濟(jì)壓力。為了推廣智能除草機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，政府相關(guān)部門可以制定扶持政策。首先，將智能除草機(jī)器人納入購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼范疇，降低農(nóng)民購(gòu)買機(jī)器人的門檻和經(jīng)濟(jì)壓力。其次，提供貸款貼息和稅收優(yōu)惠等措施，鼓勵(lì)農(nóng)民購(gòu)買和使用智能除草機(jī)器人。

5.3 實(shí)施示范應(yīng)用項(xiàng)目

政府相關(guān)部門可組織實(shí)施高端智能除草裝備示范應(yīng)用項(xiàng)目，充分展示除草機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮示范帶動(dòng)作用。積極鼓勵(lì)農(nóng)機(jī)制造企業(yè)加大研發(fā)和市場(chǎng)推廣力度，通過政府采購(gòu)、農(nóng)技推廣等方式，促進(jìn)智能除草裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

5.4 加大宣傳推廣力度

機(jī)械除草是一種環(huán)保、高效、省力的除草方法，能夠有效地減少化學(xué)農(nóng)藥施用量，降低對(duì)環(huán)境的污染。要大力宣傳機(jī)械除草的優(yōu)點(diǎn)，讓更多人認(rèn)識(shí)到使用機(jī)械除草的好處。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械除草技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前機(jī)械除草技術(shù)裝備在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，如對(duì)除草機(jī)器人具有剛需的有機(jī)作物種植面積偏少；設(shè)備造價(jià)過高，普通用戶難以承受支付壓力；國(guó)內(nèi)管理者和土地經(jīng)營(yíng)者對(duì)除草機(jī)器人認(rèn)識(shí)不夠，大多持懷疑態(tài)度；很多用戶把中耕和除草混為一談，容易錯(cuò)過除草最佳時(shí)機(jī)；一線農(nóng)機(jī)駕駛員年齡結(jié)構(gòu)偏高，對(duì)智能設(shè)備的操控領(lǐng)悟能力較差。發(fā)展建議：一是推進(jìn)高端智能除草裝備（除草機(jī)器人）研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，加快技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化；二是制定推廣扶持政策，減小購(gòu)機(jī)戶的經(jīng)濟(jì)壓力；三是開展示范工程和推廣應(yīng)用，擴(kuò)大影響力；四是采取多種方式加大先進(jìn)除草技術(shù)裝備宣傳力度，提高用戶認(rèn)識(shí)。

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