國內外機械式苗間除草裝備與技術的研究概況及趨勢,農業(yè)機械化論文農田雜草是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個組成部分，它直接或間接影響農業(yè)生產，若不將其除去，勢必與農作物爭奪養(yǎng)分、水分、光照和空間，傳染病蟲害，影響農作物生長發(fā)育，進而造成作物減產、品質降低。據聯合國糧農組織(FAO)報道，世界糧食產量因遭受草害平均損失10%左右，損失糧食為2．9億t。我們國家因雜草引起的糧食損失也約占總產量的10%，每年損失糧食就有上百億千克?；瘜W藥劑除草是當前應用最廣泛的一種除草方式，具有快速、高效、經濟等特點，85%～100%的作物生產中使用了除草劑。然而，20世紀80年代以來，世界范圍內除草劑的大量使用帶來了生態(tài)環(huán)境污染、雜草抗藥性加強、生物多樣性減少等眾多問題。由于人們對環(huán)境保衛(wèi)意識的加強及對食品質量安全問題的重視，一些國家做出了限制使用化學除草的規(guī)定。例如，歐盟2092/91條例明確規(guī)定，有機農田中只能使用非化學方式方法除草，如人工除草、機械方式方法除草等。由于人工除草工作效率低、勞動強度大，而機械方式方法除草工作效率高、對環(huán)境污染小，符合綠色農業(yè)的發(fā)展需要，故機械除草被視為有機農業(yè)種植經過中最佳的除草方式。機械除草作業(yè)是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項關鍵性生產技術。當前，傳統(tǒng)方式方法能夠除去80%的行間雜草，但苗間雜草對作物的生長發(fā)育有更大的影響，而雜草控制的最大難點也在于苗間雜草的防除。本文將介紹國內外機械式苗間除草裝備與技術的研究現在狀況，并指出我們國家苗間除草裝置研究的發(fā)展趨勢。1國外苗間除草裝置研究現在狀況作為保衛(wèi)性耕作的關鍵技術，國外從20世紀50年代就開場了對機械除草技術的研究。經太多年的研究改良，當前已經構成了一整套成熟的保衛(wèi)性耕作農機具。由于在耕作方式、生理特征等方面旱田作物和水田作物有很大差異不同，因而本文將國外苗間機械除草裝置分為兩類介紹:一類適用于旱田作物(如小麥、玉米、大豆等)，此類機械在美國、加拿大及歐洲國家發(fā)展迅速;另一類適用于水田作物(如水稻)，水田除草機械日本發(fā)展水平最高。這些機具經太多年的研究和生產運用，基本上能夠知足作業(yè)要求。1．1旱田苗間除草裝置研究現在狀況Dedousis等人設計了一種控制苗間雜草的旋轉閥掰鋤，如此圖1所示?！緢D1】其旋轉中心沿與作物行有一定距離且與作物行平行的直線移動，鋤上切除部分使鋤通過作物時避免與作物接觸，而鋤體在通過苗間區(qū)域時毀壞土壤，進而到達保衛(wèi)作物除去雜草的目的。田間試驗表示清楚，選用直徑175mm、切除部分156的圓盤和約15mm的入土深度能獲得較好效果。另外，在機器前行速度0．5m/s的情況下，該機構除草率超過87%。Vale．S等人研制的苗間除草裝置利用紅外線傳感器檢測作物，當檢測到作物時，信號傳輸至計算機，計算機通過控制命令驅動執(zhí)行機構將鋤刃離開作物以避免對其損傷，之后又回到原位進行除草作業(yè)。據報道，此裝置在高達5cm、8個葉片、株距在17～18cm的生菜田間進行試驗，性能良好。同樣利用紅外線傳感器檢測作物，荷蘭瓦格寧根大學研究的苗間除草系統(tǒng)中，兩條或多條除草刀裝在垂直旋轉的圓盤上，當檢測目的為雜草時，圓盤高速旋轉，除草刀展開伸出至作物苗間將雜草切斷;當目的位作物時，轉速降低收回除草刀，避免除草刀與作物接觸而損傷作物。C．Cordill和T．E．Grift研制了一種利用激光控制的用于玉米苗間除草的裝置。該裝置由4組激光發(fā)射器和相應數量的、與之有一定距離的接收器組成。4組激光發(fā)射器與接收器均平行于地面且處于垂直地面的平面上，當玉米莖和雜草位于發(fā)射器和接收器之間時會產生二進制的脈沖，累積脈沖到達4組時即可判定此組脈沖對應的是玉米莖，其余為雜草。該裝置在不同條件下傷苗率不同。田間試驗分析表示清楚，在3行玉米苗間無草、3行玉米苗間充滿闊葉雜草、3行玉米苗間充滿禾本科雜草的情況下，傷苗率分別為8．8%、23．7%、23．7%，更深切進入的研究尚在進行。德國波恩大學開發(fā)了一種苗間除草系統(tǒng)，如此圖2所示。該系統(tǒng)由執(zhí)行機構、速度檢測器、數據采集單元和作物辨別系統(tǒng)等組成?？刂栖浖鶕昃?、當下鋤臂位置對數據采集單元所收集的作物辨別、機器前進速度、電機旋轉速度等相關數據進行實時計算，進而調整執(zhí)行機構的旋轉速度。據報道，該系統(tǒng)可用于缺苗、株距不一致等情況，但至2007年僅在虛擬環(huán)境中實現。一種基于GPS的苗間除草實時控制系統(tǒng)由M．Prez－Ruiz等人研制成功，它由苗間除草刀、GPS及實時控制系統(tǒng)(RTK)組成。當監(jiān)測系統(tǒng)RTK－GPS確定當下的植物為作物時，苗間除草刀自動張開以避免損傷作物，隨后關閉進行苗間雜草控制作業(yè)。對682顆番茄田間試驗表示清楚，前進速度為0．8、1．6km/h情況下，沒有傷苗出現。據報道，此技術可行，將來的研究工作在于評價此技術能否具有實在的經濟價值。歐美地區(qū)發(fā)達國家研制的苗間除草裝置所用技術先進，而由于經濟發(fā)展、土地條件等因素不同，我們國家仍需結合本國國情、因地制宜地研究本國當地所需的機械除草裝置與技術?！緢D2】1．2水田苗間除草裝置研究現在狀況日本的水田除草機研究水平較高，市場上常見的機具有久保田公司生產的SJ－8N型水田除草機和同產業(yè)研制的MSJ－4型水稻田間除草機等，其性能如表1所示。【表1】另外，在水田除草方面，日本市場上還存在機械液力式和機械氣力式除草機械。機械氣力式機具利用高壓氣體將苗間雜草吹除;機械液力式機具利用高壓液體沖洗雜草根部，使其漂浮致死。由于水稻根系與雜草根系生理構造不同，此種技術將雜草除去而水稻不受損害，除草效果良好。日本水田除草機苗間除草率固然不高，但仍可為我們國家水田苗間除草機械裝置提供一定借鑒。2國內苗間除草裝置研究現在狀況近年來，由于人們對化學除草負面影響意識的加強，我們國家在苗間除草方面的研究也獲得了較快發(fā)展，一些科技工作者和研究人員的研究成果初顯成效。江蘇大學張朋舉等人研制的除草裝置主要利用軌道變換滑塊來實現除草鏟齒轉軸的上、下移動，同時利用帶有螺旋軌道的套管來實現除草鏟齒轉軸的轉動，最終決定鏟齒在作物株間間隙內的轉人或伸出，進而實現苗間除草和避讓農作物的目的。室內土槽實驗結果表示清楚:平均株距30cm以上作物的傷苗率小于10%，苗間區(qū)域雜草控制率為50%。3ZCF－7700型多功能中耕除草機由韓豹等人設計，除草作業(yè)時，動力驅動苗間松土除草部件前后梳齒盤上的梳齒組件既圍繞各自的梳齒盤圓心旋轉，又以一定的作業(yè)速度前進。前后梳齒盤同轉速相對向內旋轉的前后梳齒對苗帶進行梳理后，苗帶被梳齒劃出網格狀齒跡，使苗帶15～30mm厚表土發(fā)生位移或翻轉，與秧苗相比，扎根較淺的草根系被梳齒毀壞或被翻至壟表曬枯而死。試驗表示清楚，在梳齒數目為6、梳齒間距50mm、梳齒盤轉速180r/min和作業(yè)速度2．3m/s的條件下，苗間除草裝置傷苗率為2．73%，苗間除草率可達87．6%。車剛等人研究的3ZFC－7型全方位復式中耕機苗間除草裝置采用除草性能高的單組仿形螺旋梳齒式除草器。工作時，以兩個地輪作為驅動器，以鏈條進行傳動，對稱分配動力經中間傳動軸，將動力分配給每個除草單體和種肥箱下部的槽輪式排肥器，同時進行苗間除草和側深施肥作業(yè)。大豆田間試驗表示清楚，傷苗率小于4%，苗間除草率76．2%。王金武等人設計的水田中耕除草機，其動力由插秧機底盤輸出，最終由鋼絲軟軸驅動苗間除草盤轉動，使每對除草盤在垂直于前進方向的平面內轉動除草;采用二次旋轉正交試驗方式方法分析了除草盤轉速、前進速度和除草深度之間交互作用對除草率及傷秧率的影響。經田間試驗驗證，苗間除草裝置的工作較優(yōu)參數組合為:轉速186r/min，機器前進速度0．47m/s，除草深度37mm。此時傷秧率為3．9%，除草率為75%。我們國家對田間除草技術尚處于研究階段，從國內研究人員所研制除草機械實驗數據能夠看出，國內苗間除草裝置的除草率有待提高，傷苗率有待降低。當前，急需借鑒國外先進技術并結合當地詳細狀況，研制開發(fā)田間除草裝備和技術，為我們國家糧食安全提供技術保障。3我們國家苗間除草裝置研究的發(fā)展趨勢3．1多學科多技術聯合研究當前，單靠傳統(tǒng)機械技術研制的苗間除草裝置并不能知足當下農業(yè)科技發(fā)展的需求，運用機械、計算機、自動控制、視覺辨別及神經網路等多學科、多技術聯合開發(fā)智能化苗間除草系統(tǒng)是研究和發(fā)展苗間除草技術的必然趨勢，進而進一步提高除草效果，降低傷苗率。歐美地區(qū)農業(yè)機器人研究時間較早，除了使用陀螺羅盤、雷達、激光束等導航設備之外，近些年也有用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。針對路面不平坦和傾斜等問題，采用模糊控制和人工智能等控制方式方法，實現智能除草。3．2農機農藝互相配合研究苗間除草機械作業(yè)環(huán)境非常復雜，單靠機器來知足其要求比擬困難，因而需要將農業(yè)科學與農機嚴密配合。研究作物的生長形態(tài)、特性及適用于苗間除草的農藝措施，培育出合適苗間除草要求的作物品種，這對提高機械化水平具有重要意義。在改良插秧機工作質量方面，日本研究并實行了旱育稀植方式方法。在這里新農藝方式下，日本農機工作者發(fā)明了一系列農業(yè)機械，為插秧機的工作質量改良和迅速推廣起到了決定性作用。因而，苗間除草機械與農藝方式配合研究可以成為苗間除草裝置研究和發(fā)展的趨勢之一。3．3多功能于一體融合研究隨著我們國家農業(yè)機械水平與技術的提高，研究具有多種功能的田間機械將成為可能。3ZCF－7700型多功能中耕除草機將除草、施肥作業(yè)裝置集于一體，不僅相對于傳統(tǒng)節(jié)省了研發(fā)和制造成本，同時減少了中耕次數。因而，融除草、施肥及滅蟲等功能于一體的田間機械也將成為苗間除草裝置研究和發(fā)展的趨勢之一。4結束語隨著對化學除草危害的重視，機械式環(huán)保除草顯得越來越重要。當前，我們國家研究的行間除草裝置已可基本知