水稻田間除草裝備現(xiàn)狀與分析

趙 晉，黃 赟，翁曉星，劉 丹，戴津婧

（金華市農(nóng)業(yè)科學研究院，浙江金華 321000）

0 引言

據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2020》統(tǒng)計，目前我國已有近3 000萬hm2的水稻播種，播種面積、產(chǎn)量占糧食作物比重大。在水稻生產(chǎn)過程中，除草作業(yè)是一個不可忽視的環(huán)節(jié)，雜草會與水稻爭奪生長所需的營養(yǎng)、空間、光照、水分等資源，還會使水稻分蘗數(shù)加重、分蘗數(shù)減少、病蟲害危害程度加重，對水稻產(chǎn)量和質(zhì)量造成嚴重影響。中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物保護總站近年的一項調(diào)查顯示，稻田中有約130種的雜草會對水稻生長造成危害，致使產(chǎn)量損失約15%[1]。由此可見，雜草防除對保障水稻豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的意義重大。

因噴灑化學除草劑具有經(jīng)濟成本低、操作簡便、省工高效的特點，稻田除草通常是采用這種方式。但化學除草劑的配比不當極易產(chǎn)生藥劑殘留，長期頻繁使用還會增強雜草抗藥性，破壞土壤肥力，以致稻米品質(zhì)下降和農(nóng)田環(huán)境受到污染。如今，隨著高質(zhì)量生產(chǎn)生活理念的不斷增強，國內(nèi)外研究機構(gòu)對綠色防控技術(shù)和裝備的研究也在逐步加大，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正向著品質(zhì)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。

機械除草技術(shù)是一項備受關(guān)注的物理除草技術(shù)。通過除草裝備的使用，完成對稻田雜草的拔除、切斷或埋壓，有效除去雜草的同時，還能疏松土壤，改善秧苗根部透氣性，從而利于作物的生長，作業(yè)過程無化學污染、生態(tài)環(huán)保，符合國家提出的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求。本文闡述水田除草裝備的研究現(xiàn)狀，剖析除草機械結(jié)構(gòu)和技術(shù)方法，展望其未來發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 步進式除草機

步進式除草機大多以汽油機為動力，驅(qū)動除草部件完成行間和株間雜草清除，整機結(jié)構(gòu)較為輕簡，易于生產(chǎn)與運輸，作業(yè)行數(shù)2～3行。和同產(chǎn)業(yè)株式會社的MSJ-4型除草機、美善株式會社的SMW型除草機，是日本早期研制的具有代表性的產(chǎn)品，行間除草部件為被動式[1]。齊龍[4]等研制的步進式水田中耕除草機，利用輥、刀輥組成的除草部件在步進式插秧機底盤的帶動下作主動旋轉(zhuǎn)，設(shè)置仿形和耕深調(diào)節(jié)機構(gòu)，除草深度隨農(nóng)藝要求可調(diào)節(jié)，平均除草率達83.7%。王金峰[5]等研制的3SCJ-2型水田雙行除草機，結(jié)構(gòu)輕簡，除草輪采用主動式、被動式結(jié)合，主動除草輪兼具行間除草和帶動除草機行走功能，被動除草輪則能進一步提高行間雜草除凈率，除草率達78%。步進式除草機的工作效率較低，需人工手持操作，作業(yè)強度較大，不適宜在面積大的地塊使用。

1.2 乘坐式除草機

乘坐式除草機一般采用三輪或四輪乘坐式插秧機底盤為動力，一次可完成5～9行除草作業(yè)，采用的行間/株間除草部件類型與步進式除草機相同。吳崇友[6]等設(shè)計的2BYS-6型水田中耕除草機，行間除草部件沿前進方向作旋轉(zhuǎn)運動，株間除草部件于秧苗兩側(cè)作小幅擺動，桿齒對土壤擾動少，并不會損傷秧苗，平均除凈率78.1%。齊龍[7]等研制的3GY-1920型寬幅水田中耕除草機，工作幅寬大，能夠同時完成19行秧苗的除草作業(yè)，可有效減少由于機具田間轉(zhuǎn)向時所產(chǎn)生秧苗碾壓損失，該機還搭載機器視覺系統(tǒng)，能實現(xiàn)除草輪的自動對行功能，平均除草率達82%。

現(xiàn)有的乘坐式除草機一般機型較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與步進式除草機相比，作業(yè)效率大大提升。但因其除草部件與水田牽引車剛性連接，在彎曲的苗帶間行駛時，無法及時調(diào)整除草部件的作業(yè)位置，極易造成機具傷苗，機手操作會有較大的困難。此外，機具前進作業(yè)過程中，除草部件受到的阻力較大，也會對作業(yè)效率造成一定影響。

1.3 除草機器人

結(jié)合傳感信息等現(xiàn)代技術(shù)的集成應(yīng)用，國內(nèi)外相繼研發(fā)了一批水田除草機器人，使得除草作業(yè)更為簡便省力。日本秋田縣立大學[3]利用氣墊船原理開發(fā)的除草機器人，整機漂浮于水面，其除草部件為柔性輥刷，行間、株間除草同時完成，傷苗率低，作業(yè)路徑不受方向限制，無需到田邊調(diào)頭轉(zhuǎn)向，采用GPS自動導航實現(xiàn)自動除草作業(yè)，也可通過遙控作業(yè)。

李鑫[8]等研發(fā)的遙控式雙行水田行間除草機，采用履帶式行走機構(gòu)，利用除草耙齒拉拔、切除或壓埋雜草，阻礙雜草光合作用，進而完成除草工作。除草輪的間距、高度及轉(zhuǎn)速均可調(diào)節(jié)，通過攝像頭實時顯示田間路況信息，方便機手操控，整機結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)彎半徑小，很大程度上減少了由于田間調(diào)頭時引起的秧苗損傷。王凱[9]等設(shè)計的踩踏式除草機器人，采用輕量化設(shè)計原則，通過優(yōu)化箱體、驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)，并增設(shè)履帶前傾角調(diào)整模塊，以此改善機器人在水田不平整處作業(yè)時產(chǎn)生的沉陷、打滑和側(cè)翻等現(xiàn)象，轉(zhuǎn)彎和越障性能較好。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 行/株間除草部件結(jié)構(gòu)

水田除草部件按作業(yè)位置可分為行間除草部件和株間除草部件。按傳動形式又可分為兩類，一種是依靠機具前行帶動除草部件作被動旋轉(zhuǎn)，另一種則是采用液壓、電動或氣動裝置驅(qū)動除草部件作主動旋轉(zhuǎn)。由于水稻行間無秧苗序列干擾，作業(yè)路徑清晰，因此，通過機械方式完成除草的效果較好，該技術(shù)在水稻行間的應(yīng)用也較為成熟。行間除草部件采用的結(jié)構(gòu)形式主要有齒形除草耙、麻花齒輥、除草圓輥、除草鏟、耕耘鋤等[2-3]。

由于水稻株間間距小，僅為10～17 cm，機械設(shè)備難以通過。因此，株間除草主要是利用移栽秧苗與雜草的根系生長的深淺差異，通過除草部位的工作深度控制，達到不損傷秧苗且除草的目的。目前，與行間除草相比，株間除草效果較差。株間除草部件采用的結(jié)構(gòu)形式主要有除草鋼絲、傘狀除草盤、彈齒盤等，動作方式主要為對轉(zhuǎn)式、擺動式和固定式[2-3]。針對水田株間除草，實際應(yīng)用還不成熟，相關(guān)研究多集中在理論階段。陶桂香[10]等設(shè)計的水田株間除草機械，將兩組彈齒盤對稱安裝于兩側(cè)，轉(zhuǎn)動方向與機具前進方向垂直，利用鋼絲軟軸帶動兩個彈齒盤作相對旋轉(zhuǎn)，從而完成除草，采用球鉸聯(lián)軸器，可應(yīng)用于多種行距和株距的除草。陳學深[11]等設(shè)計的株間除草機無需避苗作業(yè)，采用雙排柔性刷指，前排縱向梳刷拉拔雜草，后排橫向振動撥耙雜草，建立了稻株倒伏狀態(tài)辨識模型，通過自動識別稻株倒伏狀態(tài)，實時控制振動作業(yè)的啟停，實現(xiàn)振動作業(yè)的自適應(yīng)控制。除了上述機械結(jié)構(gòu)的除草部件，日本的農(nóng)機公司還研制了采用噴射高壓氣體或液體的除草部件，利用瞬時強流體作用將雜草沖離泥土。移栽的水稻秧苗根系較發(fā)達，因此秧苗受到強流體沖擊的損傷很小[12]。

2.2 智能識別技術(shù)

受到地塊平整度影響，水田各區(qū)域泥腳深度不一致。在實際插秧作業(yè)過程中，插秧機行進路線并非筆直，因此移栽的秧苗行存在彎曲的情況。當利用乘坐式除草機進行作業(yè)時，需要機手沿著移栽軌跡及時調(diào)整除草部件的作業(yè)位置，而插秧行距較小，且除草部件多懸掛于除草機后部，與機頭存在一定距離，存在方向調(diào)整滯后而造成的秧苗壓傷。因此，依靠機器視覺技術(shù)識別秧苗圖像，從中提取出秧苗行信息，以此信息實現(xiàn)除草部件與秧苗苗帶的行間自動對齊，保持除草前進軌跡與秧苗種植軌跡一致，減少由于地形和人為駕駛等原因?qū)е碌某葑鳂I(yè)傷苗情況。

崔宏偉[13]等研發(fā)的自動避苗系統(tǒng)，應(yīng)用圖像采集與處理技術(shù)，將水稻秧苗苗帶圖像實時采集。通過Hough變換分區(qū)邊緣擬合的方法提取出苗帶線，可編程邏輯控制器依據(jù)苗帶線偏轉(zhuǎn)角度和除草機前進速度，控制行間除草部件實現(xiàn)橫向和角度調(diào)整，使行間除草部件自動跟隨苗帶軌跡，并與其保持相對恒定距離，進而實現(xiàn)自動避苗。蔣郁[14]等研制的株間機械除草裝置，依靠機器視覺識別定位技術(shù)，采用氣動式控制裝置，當圖像檢測到除草刀齒進入秧苗保護區(qū)后，利用電磁閥控制刀具換向，以此完成避苗動作。通過秧苗后，再次利用電磁閥換向，刀具恢復(fù)除草狀態(tài)進行作業(yè)。

機器視覺和激光雷達技術(shù)是常用的作物行識別技術(shù)，但由于傳感器自身的局限性，僅靠運用單一種類的傳感器容易造成信息獲取不全面。賀靜[15]等采用多傳感器融合的方式，利用機器視覺和激光雷達識別水稻行，并在統(tǒng)一空間坐標信息的基礎(chǔ)上，擬合出中心線作為導航基準線，實現(xiàn)水稻行跟蹤導航。

3 展望

1）株間除草技術(shù)。水稻移栽1周后便進入分蘗期，且其株距窄，相鄰秧苗葉片容易互相覆蓋，僅依靠圖像采集處理技術(shù)實現(xiàn)秧苗和雜草的株間識別和定位，或兩者根系生長差別除草，準確度較差，是影響除草機整機效率提升的關(guān)鍵之一。應(yīng)深入探討水稻種植農(nóng)藝和農(nóng)機融合技術(shù)，探索適合機械作業(yè)的種植方式，研究秧苗和雜草區(qū)分技術(shù)，提高株間除草率。

2）導航定位技術(shù)。集成應(yīng)用傳感器、衛(wèi)星等技術(shù)手段，提高導航線提取精度。插秧機進行插秧作業(yè)時，同步采集存儲機具運動軌跡，利用北斗導航系統(tǒng)將軌跡路線共享給除草機，利用機器視覺對除草部件作業(yè)位置進行小幅修正，以此實現(xiàn)無人化除草作業(yè)，進一步降低勞動強度，減輕傷苗情況。

3）功能集成應(yīng)用。為最大限度減少由于機具在田間換行轉(zhuǎn)向作業(yè)時產(chǎn)生的秧苗碾壓，在除草機上疊加施肥、噴藥等功能模塊。一次作業(yè)可完成多項農(nóng)藝流程，減少了機具進田作業(yè)的次數(shù)，進一步提升了作業(yè)效率。

4 結(jié)語

作物行線提取技術(shù)多應(yīng)用于旱田作物的除草作業(yè)，因葉菜類作物與土壤顏色差別大，植株輪廓易于識別，便于提取導航線。而水田環(huán)境背景復(fù)雜，稗草、千金子等水田雜草與秧苗形態(tài)相近，且水層反光等因素，存在邊界識別不準確、精度低的問題，導航線提取難度較大，除草率還有待提升。隨著人們對稻米品質(zhì)要求的不斷提高，以及環(huán)保意識的不斷強化，今后水田機械除草機械的應(yīng)用將會更為迫切。通過對除草機理研究的深化，自動控制、圖像處理等技術(shù)的更新發(fā)展，水田除草裝備的性能將進一步提高。