水稻機(jī)械除草技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀及智能化發(fā)展趨勢

齊 龍，劉 闖，蔣 郁

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510642)

水稻是中國主要的糧食作物，而雜草又是水稻生產(chǎn)的主要制約因素。我國稻田化學(xué)除草面積約占種植面積的90%以上，長期、大量、高頻施藥會(huì)產(chǎn)生雜草抗藥性、作物藥害、環(huán)境污染等諸多負(fù)面問題[1-9]。機(jī)械除草作為一種環(huán)境友好型的綠色除草方式，可以有效緩解當(dāng)前化學(xué)除草帶來的危害[10]，符合國家提出的質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。中國的水田機(jī)械特別是水田除草機(jī)械研究尚處在理論和試驗(yàn)研究階段[11-21]，未能在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用；日本的研究機(jī)構(gòu)和農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了一系列的水田除草機(jī)[22]，但價(jià)格昂貴，長期依賴日本的水稻生產(chǎn)機(jī)械將影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的戰(zhàn)略安全，因此，迫切需要提高我國水稻機(jī)械除草關(guān)鍵技術(shù)和裝備的自主研發(fā)水平。由于水田環(huán)境的復(fù)雜性和水稻種植的農(nóng)藝特點(diǎn)，水稻生產(chǎn)中采用機(jī)械除草方式存在著傷苗率高、除草率低、適應(yīng)性差等問題；而水稻種植的株距較小(機(jī)械化移栽株距10～17 cm)，株間機(jī)械除草技術(shù)更是水田機(jī)械除草的“瓶頸”問題。綜上所述，鑒于水稻機(jī)械除草的重要性，針對水稻機(jī)械除草技術(shù)中的難點(diǎn)，本文對現(xiàn)有水稻機(jī)械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，以期發(fā)現(xiàn)尚待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，為水稻機(jī)械除草作業(yè)技術(shù)的研究提供參考和借鑒。

1 水稻株間機(jī)械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀

有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有力地帶動(dòng)了機(jī)械除草新技術(shù)的發(fā)展[23-49]。但是與行株間同步高效防除的化學(xué)除草技術(shù)相比，株間機(jī)械除草相對較低的除草率和工作效率仍然是制約機(jī)械除草大面積應(yīng)用的“瓶頸”問題。當(dāng)前以日本為代表的移栽水稻田常采用基于苗草根系差異特點(diǎn)的株間機(jī)械除草技術(shù)，該技術(shù)主要是根據(jù)作物與雜草根系深淺差異，控制除草部件工作深度，除去雜草但不損傷作物的除草技術(shù)。該技術(shù)無需對作物或雜草定位，工作效率高，但是除草率相對較低，除草作業(yè)時(shí)需要作物扎好根、作物苗齡一般“四葉期”以上。其關(guān)鍵部件主要可分為對轉(zhuǎn)式、固定彈齒式和彈齒耙式等。

1)對轉(zhuǎn)式株間除草部件：由1對相對轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠指盤、毛刷或者彈齒盤組成，主要對雜草進(jìn)行拉拔和埋壓，除草深度一般控制在10～30 mm。日本水稻生產(chǎn)機(jī)械化水平較高，一些農(nóng)機(jī)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出系列水田除草裝備。日本美善株式會(huì)社研發(fā)的水田除草機(jī)乘坐式機(jī)型有4、5、8行3種機(jī)型，可同時(shí)完成行－株間除草作業(yè)，株間除草部件為1對地面驅(qū)動(dòng)的傘狀除草盤(圖1)[50]。

圖1 傘齒式除草部件Fig. 1 Umbrella-tooth weeding unit

圖2 彈齒盤式除草部件Fig. 2 Spring-tine weeding unit

圖2為日本和同產(chǎn)業(yè)研發(fā)的步進(jìn)式水稻中耕除草機(jī)，其行間除草部件為隨動(dòng)的除草輥，株間除草部件為1對驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的彈齒盤，作業(yè)效率為0.4～0.6 hm2/h[51]。國內(nèi)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種株間除草裝置，通過鋼絲軟軸驅(qū)動(dòng)彈齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將土壤攪動(dòng)、翻轉(zhuǎn)連同雜草翻出地表并將其覆蓋，完成除草作業(yè)[11,52-55]。

2)固定彈齒式株間除草部件：扭簧式株間除草部件是固定彈齒式除草部件中結(jié)構(gòu)最簡單的一種，由1對連接在固定機(jī)架上的扭轉(zhuǎn)彈簧齒組成。彈簧齒由2個(gè)部分組成：垂直部分以一定角度指向土壤表面；水平部分指向作物。機(jī)具工作時(shí)，株間除草部件橫跨在作物兩側(cè)，隨著機(jī)具前進(jìn)拖、拔或埋沒株間雜草。日本三菱農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的水田除草機(jī)株間除草部件為固定在機(jī)架上的2組除草彈絲，工作原理與扭簧式株間除草部件相似，可通過調(diào)節(jié)傾斜角度和高度改變作業(yè)深度，通過調(diào)節(jié)內(nèi)側(cè)除草鋼絲的上下位置調(diào)節(jié)除草彈絲組的作業(yè)強(qiáng)度[56]。日本QHOE公司是一家專門從事機(jī)械除草的生產(chǎn)和銷售企業(yè)，其研發(fā)的同類型株間除草部件在水田和旱地都得到了較好的應(yīng)用(圖3)[57]。

圖3 固定彈絲式除草部件Fig. 3 Fixed-spring-tine weeding unit

齊龍等[58]發(fā)明了一種株間機(jī)械彈性觸覺除草器，根據(jù)稻株與雜草的生物力學(xué)差異，利用板簧激振、扭簧擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)株間除草。由于固定彈齒式株間除草部件橫跨在作物兩側(cè)工作，與作物非常接近，準(zhǔn)確對行是減少傷苗率的關(guān)鍵。

3)彈齒耙式株間除草部件：主要由安裝在固定機(jī)架上的彈簧耙齒組成，工作深度和強(qiáng)度的變化通過調(diào)節(jié)彈簧齒的工作角度和張緊力完成，可同時(shí)完成行－株間除草作業(yè)。研究表明彈齒耙可用于玉米、向日葵、菜豆、胡蘿卜、洋蔥、豌豆、扁豆、冬季谷類作物等大田雜草防控[59-62]，對闊葉型雜草的除草效果更好。為了減少對作物的損傷，應(yīng)在作物苗期“四葉期”后進(jìn)行機(jī)械除草。日本農(nóng)研機(jī)構(gòu)聯(lián)合井關(guān)農(nóng)機(jī)公司合作開發(fā)了彈性耙齒式水田除草機(jī)，株間除草率為40%～50%(圖4)[63]。

圖4 彈性耙齒式除草部件Fig. 4 Flex-tine harrow weeding unit

2007年，日本農(nóng)研機(jī)構(gòu)聯(lián)合井關(guān)、久保田等公司共同開發(fā)了高精度乘坐式水田除草機(jī)，行間除草部件為旋轉(zhuǎn)耙齒，株間除草部件為擺動(dòng)彈性耙齒(圖5)[64]。該機(jī)具作業(yè)速度為0.4～0.6 m/s、行間作業(yè)深度40～60 mm、株間作業(yè)深度20～40 mm、作業(yè)時(shí)水深要求30～60 mm，機(jī)具工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)耙齒高速轉(zhuǎn)動(dòng)(100～200 r/min)除去行間雜草，利用左右擺動(dòng)(頻率3.7～7.3 Hz)的梳齒除去株間雜草，行間除草率大于85%，株間除草率為50%左右[65-66]。吳崇友等[13]研制的2BYS-6 型水田中耕除草機(jī)，其行間采用旋轉(zhuǎn)部件，株間使用擺動(dòng)部件除草，經(jīng)鑒定相對除凈率為78.1%。

2 新型水稻機(jī)械除草裝備研究現(xiàn)狀

2014年，日本OREC公司發(fā)明了“Weedman”水田除草機(jī)(圖6)[67]，并于2017年上市銷售。該機(jī)具通過對轉(zhuǎn)彈齒舀取深度約1 cm的株間土壤并將刮除的雜草混合到行間土壤中，再通過旋轉(zhuǎn)鏟刀式行間除草部件切割、掩埋雜草。這種除草機(jī)有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不僅可以在作物行間除草，在株間的除草效果也很好；通過將工作機(jī)放置在車身前，操作者可以直觀地觀測是否對行準(zhǔn)確以減少傷苗率；通過4輪轉(zhuǎn)向和4輪驅(qū)動(dòng)，最大限度地減少田間稻苗損失。

圖5 旋轉(zhuǎn)-擺動(dòng)式除草部件Fig. 5 Rotary-swing weeding unit

2015年，日本農(nóng)研機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種三輪乘坐式高精度水田除草機(jī)(圖7)[68]。在三輪式管理機(jī)中部搭載除草裝置，除草裝置可升降，行間采用旋轉(zhuǎn)指齒除草，除草深度可調(diào)整為 6級 (1、2、3、4、5和6 cm)；株間采用擺動(dòng)梳齒除草，除草深度可調(diào)整為3級(1、2和3 cm)，擺動(dòng)繼電器可根據(jù)雜草發(fā)生情況調(diào)節(jié)擺動(dòng)頻率。操作人員可以根據(jù)稻株和田間狀況進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)，工作速度是1.2 m/s，約為步行除草機(jī)(0.3 m/s)的4倍。二次作業(yè)的除草率達(dá)到80%以上，傷苗率小于3%，尾部結(jié)合鏈?zhǔn)匠莶考?，除草效果更好。與此機(jī)結(jié)構(gòu)相似的還有實(shí)產(chǎn)業(yè)公司2016年研制的三輪水田除草機(jī)(圖8)[69]，可同時(shí)作業(yè)8行，工作效率高；運(yùn)輸時(shí)除草部分可折疊，方便運(yùn)輸。

日本秋田縣立大學(xué)研制了一種水田除草機(jī)器人，如圖9所示[70]。運(yùn)用氣墊船的原理向下噴氣使其浮于水田表面，安裝天線后可根據(jù)GPS自動(dòng)導(dǎo)航行駛，按照預(yù)定路線或人為遙控進(jìn)行水田除草。這種自動(dòng)行走機(jī)器人采用柔性輥刷進(jìn)行除草，使得剛發(fā)芽的雜草浮在水面上枯萎，可大幅度減少除草劑的使用。由于旋轉(zhuǎn)的柔性輥刷可以一邊進(jìn)行行間、株間除草，一邊在水田里縱、橫、斜地自由行走，不需要像輪式除草機(jī)要到田邊掉頭轉(zhuǎn)彎，因此具有高效率、低傷苗率的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 農(nóng)研機(jī)構(gòu)研制的三輪水田除草機(jī)Fig. 7 Tricycle weeding machine for paddy field developed by agricultural research institute

圖8 實(shí)產(chǎn)業(yè)公司研制的三輪水田除草機(jī)Fig. 8 Tricycle weeding machine for paddy field developed by real estate company

圖9 柔性輥刷式水田除草機(jī)器人Fig. 9 Brush weeding robot for paddy field

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本文基于苗草根系差異特點(diǎn)的株間機(jī)械除草技術(shù)綜述了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并介紹了新型水稻機(jī)械除草裝備。通過對國內(nèi)外行株間機(jī)械除草新技術(shù)的綜述，尤其是水稻株間機(jī)械除草現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有水田除草機(jī)的株間除草裝置均不具備稻株或雜草的識別和定位功能，僅根據(jù)機(jī)械化移栽田水稻與雜草根系差異特點(diǎn)對水稻和雜草統(tǒng)一處理，株間除草率僅為60%左右[71]，需多次作業(yè)才能完成除草要求。然而多次作業(yè)不僅降低了生產(chǎn)效率，而且增加了機(jī)具對秧苗的碾壓概率。因此，水稻株間機(jī)械除草技術(shù)的研究可借鑒智能株間除草技術(shù)，通過智能除草的優(yōu)勢來提高除草精度和除草效果。

3.2 展望

水稻智能除草技術(shù)的研究主要集中在基于作物行的視覺導(dǎo)航方面[71-79]，鮮見根據(jù)稻株位置精確控制智能除草機(jī)械進(jìn)行株間除草作業(yè)的研究。要實(shí)現(xiàn)水稻株間智能化機(jī)械除草，提高除草率、降低傷苗率，今后需在一些機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)上做進(jìn)一步的研究，具體包括：

1)稻株精確識別和定位方法研究。稻株精確識別和定位是智能株間機(jī)械除草作業(yè)的前提，由于除草期內(nèi)相鄰稻穴(株)間頂部葉冠已有部分遮疊、禾本科雜草與水稻形態(tài)相似、稻穴內(nèi)稻株叢生、移栽時(shí)取秧量不同、生長過程中分蘗數(shù)不一以及氣流引起的自然形變等對稻株的視覺識別精度影響很大。因此，應(yīng)該根據(jù)水稻生長和種植的農(nóng)藝特點(diǎn)，研究適合的稻株識別和定位方法。

2)小株距作物株間除草－避苗狀態(tài)高速切換技術(shù)研究。由于機(jī)械化種植水稻株距較小，這就要求株間除草裝置應(yīng)具有較高的狀態(tài)切換速度和工作平穩(wěn)性。因此，應(yīng)加強(qiáng)對株間除草裝置工作機(jī)理的研究，探明影響除草裝置工作性能的主要原因，優(yōu)化除草裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3)機(jī)械除草(觸土)部件與水田土壤相互作用機(jī)理研究。除草部件主要通過對雜草周圍水田土壤的擾動(dòng)以及對雜草的直接機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)去除雜草的目的，除草效果可以通過土壤的形變體現(xiàn)出來。由于水田土壤復(fù)雜的流變特性，通過土槽或田間試驗(yàn)很難觀測到土壤顆粒的擾動(dòng)程度、位移以及力場，因此需要采用先進(jìn)的土壤－機(jī)器系統(tǒng)仿真方法，研究除草刀齒與水田土壤顆粒的相互作用過程，為除草刀齒結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

研制高精度、高效率的智能水稻除草機(jī)是當(dāng)今水稻機(jī)械除草研究急需攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，未來水田機(jī)械除草技術(shù)隨著圖像處理技術(shù)的不斷更新和應(yīng)用，這些問題將會(huì)得到解決，研制出定位精度高、作業(yè)速度快的智能水田除草機(jī)也將是未來水田機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。