水稻田间除草装备现状与分析

赵 晋，黄 赟，翁晓星，刘 丹，戴津婧

（金华市农业科学研究院，浙江金华 321000）

0 引言

据《中国统计年鉴2020》统计，目前我国已有近3 000万hm2的水稻播种，播种面积、产量占粮食作物比重大。在水稻生产过程中，除草作业是一个不可忽视的环节，杂草会与水稻争夺生长所需的营养、空间、光照、水分等资源，还会使水稻分蘖数加重、分蘖数减少、病虫害危害程度加重，对水稻产量和质量造成严重影响。中国农业农村部植物保护总站近年的一项调查显示，稻田中有约130种的杂草会对水稻生长造成危害，致使产量损失约15%[1]。由此可见，杂草防除对保障水稻丰产、优质的意义重大。

因喷洒化学除草剂具有经济成本低、操作简便、省工高效的特点，稻田除草通常是采用这种方式。但化学除草剂的配比不当极易产生药剂残留，长期频繁使用还会增强杂草抗药性，破坏土壤肥力，以致稻米品质下降和农田环境受到污染。如今，随着高质量生产生活理念的不断增强，国内外研究机构对绿色防控技术和装备的研究也在逐步加大，农业产业正向着品质农业、绿色农业的方向发展。

机械除草技术是一项备受关注的物理除草技术。通过除草装备的使用，完成对稻田杂草的拔除、切断或埋压，有效除去杂草的同时，还能疏松土壤，改善秧苗根部透气性，从而利于作物的生长，作业过程无化学污染、生态环保，符合国家提出的农业可持续发展要求。本文阐述水田除草装备的研究现状，剖析除草机械结构和技术方法，展望其未来发展趋势。

1 国内外研究现状

1.1 步进式除草机

步进式除草机大多以汽油机为动力，驱动除草部件完成行间和株间杂草清除，整机结构较为轻简，易于生产与运输，作业行数2～3行。和同产业株式会社的MSJ-4型除草机、美善株式会社的SMW型除草机，是日本早期研制的具有代表性的产品，行间除草部件为被动式[1]。齐龙[4]等研制的步进式水田中耕除草机，利用辊、刀辊组成的除草部件在步进式插秧机底盘的带动下作主动旋转，设置仿形和耕深调节机构，除草深度随农艺要求可调节，平均除草率达83.7%。王金峰[5]等研制的3SCJ-2型水田双行除草机，结构轻简，除草轮采用主动式、被动式结合，主动除草轮兼具行间除草和带动除草机行走功能，被动除草轮则能进一步提高行间杂草除净率，除草率达78%。步进式除草机的工作效率较低，需人工手持操作，作业强度较大，不适宜在面积大的地块使用。

1.2 乘坐式除草机

乘坐式除草机一般采用三轮或四轮乘坐式插秧机底盘为动力，一次可完成5～9行除草作业，采用的行间/株间除草部件类型与步进式除草机相同。吴崇友[6]等设计的2BYS-6型水田中耕除草机，行间除草部件沿前进方向作旋转运动，株间除草部件于秧苗两侧作小幅摆动，杆齿对土壤扰动少，并不会损伤秧苗，平均除净率78.1%。齐龙[7]等研制的3GY-1920型宽幅水田中耕除草机，工作幅宽大，能够同时完成19行秧苗的除草作业，可有效减少由于机具田间转向时所产生秧苗碾压损失，该机还搭载机器视觉系统，能实现除草轮的自动对行功能，平均除草率达82%。

现有的乘坐式除草机一般机型较大、结构复杂，与步进式除草机相比，作业效率大大提升。但因其除草部件与水田牵引车刚性连接，在弯曲的苗带间行驶时，无法及时调整除草部件的作业位置，极易造成机具伤苗，机手操作会有较大的困难。此外，机具前进作业过程中，除草部件受到的阻力较大，也会对作业效率造成一定影响。

1.3 除草机器人

结合传感信息等现代技术的集成应用，国内外相继研发了一批水田除草机器人，使得除草作业更为简便省力。日本秋田县立大学[3]利用气垫船原理开发的除草机器人，整机漂浮于水面，其除草部件为柔性辊刷，行间、株间除草同时完成，伤苗率低，作业路径不受方向限制，无需到田边调头转向，采用GPS自动导航实现自动除草作业，也可通过遥控作业。

李鑫[8]等研发的遥控式双行水田行间除草机，采用履带式行走机构，利用除草耙齿拉拔、切除或压埋杂草，阻碍杂草光合作用，进而完成除草工作。除草轮的间距、高度及转速均可调节，通过摄像头实时显示田间路况信息，方便机手操控，整机结构紧凑，转弯半径小，很大程度上减少了由于田间调头时引起的秧苗损伤。王凯[9]等设计的踩踏式除草机器人，采用轻量化设计原则，通过优化箱体、驱动部件结构，并增设履带前倾角调整模块，以此改善机器人在水田不平整处作业时产生的沉陷、打滑和侧翻等现象，转弯和越障性能较好。

2 关键技术分析

2.1 行/株间除草部件结构

水田除草部件按作业位置可分为行间除草部件和株间除草部件。按传动形式又可分为两类，一种是依靠机具前行带动除草部件作被动旋转，另一种则是采用液压、电动或气动装置驱动除草部件作主动旋转。由于水稻行间无秧苗序列干扰，作业路径清晰，因此，通过机械方式完成除草的效果较好，该技术在水稻行间的应用也较为成熟。行间除草部件采用的结构形式主要有齿形除草耙、麻花齿辊、除草圆辊、除草铲、耕耘锄等[2-3]。

由于水稻株间间距小，仅为10～17 cm，机械设备难以通过。因此，株间除草主要是利用移栽秧苗与杂草的根系生长的深浅差异，通过除草部位的工作深度控制，达到不损伤秧苗且除草的目的。目前，与行间除草相比，株间除草效果较差。株间除草部件采用的结构形式主要有除草钢丝、伞状除草盘、弹齿盘等，动作方式主要为对转式、摆动式和固定式[2-3]。针对水田株间除草，实际应用还不成熟，相关研究多集中在理论阶段。陶桂香[10]等设计的水田株间除草机械，将两组弹齿盘对称安装于两侧，转动方向与机具前进方向垂直，利用钢丝软轴带动两个弹齿盘作相对旋转，从而完成除草，采用球铰联轴器，可应用于多种行距和株距的除草。陈学深[11]等设计的株间除草机无需避苗作业，采用双排柔性刷指，前排纵向梳刷拉拔杂草，后排横向振动拨耙杂草，建立了稻株倒伏状态辨识模型，通过自动识别稻株倒伏状态，实时控制振动作业的启停，实现振动作业的自适应控制。除了上述机械结构的除草部件，日本的农机公司还研制了采用喷射高压气体或液体的除草部件，利用瞬时强流体作用将杂草冲离泥土。移栽的水稻秧苗根系较发达，因此秧苗受到强流体冲击的损伤很小[12]。

2.2 智能识别技术

受到地块平整度影响，水田各区域泥脚深度不一致。在实际插秧作业过程中，插秧机行进路线并非笔直，因此移栽的秧苗行存在弯曲的情况。当利用乘坐式除草机进行作业时，需要机手沿着移栽轨迹及时调整除草部件的作业位置，而插秧行距较小，且除草部件多悬挂于除草机后部，与机头存在一定距离，存在方向调整滞后而造成的秧苗压伤。因此，依靠机器视觉技术识别秧苗图像，从中提取出秧苗行信息，以此信息实现除草部件与秧苗苗带的行间自动对齐，保持除草前进轨迹与秧苗种植轨迹一致，减少由于地形和人为驾驶等原因导致的除草作业伤苗情况。

崔宏伟[13]等研发的自动避苗系统，应用图像采集与处理技术，将水稻秧苗苗带图像实时采集。通过Hough变换分区边缘拟合的方法提取出苗带线，可编程逻辑控制器依据苗带线偏转角度和除草机前进速度，控制行间除草部件实现横向和角度调整，使行间除草部件自动跟随苗带轨迹，并与其保持相对恒定距离，进而实现自动避苗。蒋郁[14]等研制的株间机械除草装置，依靠机器视觉识别定位技术，采用气动式控制装置，当图像检测到除草刀齿进入秧苗保护区后，利用电磁阀控制刀具换向，以此完成避苗动作。通过秧苗后，再次利用电磁阀换向，刀具恢复除草状态进行作业。

机器视觉和激光雷达技术是常用的作物行识别技术，但由于传感器自身的局限性，仅靠运用单一种类的传感器容易造成信息获取不全面。贺静[15]等采用多传感器融合的方式，利用机器视觉和激光雷达识别水稻行，并在统一空间坐标信息的基础上，拟合出中心线作为导航基准线，实现水稻行跟踪导航。

3 展望

1）株间除草技术。水稻移栽1周后便进入分蘖期，且其株距窄，相邻秧苗叶片容易互相覆盖，仅依靠图像采集处理技术实现秧苗和杂草的株间识别和定位，或两者根系生长差别除草，准确度较差，是影响除草机整机效率提升的关键之一。应深入探讨水稻种植农艺和农机融合技术，探索适合机械作业的种植方式，研究秧苗和杂草区分技术，提高株间除草率。

2）导航定位技术。集成应用传感器、卫星等技术手段，提高导航线提取精度。插秧机进行插秧作业时，同步采集存储机具运动轨迹，利用北斗导航系统将轨迹路线共享给除草机，利用机器视觉对除草部件作业位置进行小幅修正，以此实现无人化除草作业，进一步降低劳动强度，减轻伤苗情况。

3）功能集成应用。为最大限度减少由于机具在田间换行转向作业时产生的秧苗碾压，在除草机上叠加施肥、喷药等功能模块。一次作业可完成多项农艺流程，减少了机具进田作业的次数，进一步提升了作业效率。

4 结语

作物行线提取技术多应用于旱田作物的除草作业，因叶菜类作物与土壤颜色差别大，植株轮廓易于识别，便于提取导航线。而水田环境背景复杂，稗草、千金子等水田杂草与秧苗形态相近，且水层反光等因素，存在边界识别不准确、精度低的问题，导航线提取难度较大，除草率还有待提升。随着人们对稻米品质要求的不断提高，以及环保意识的不断强化，今后水田机械除草机械的应用将会更为迫切。通过对除草机理研究的深化，自动控制、图像处理等技术的更新发展，水田除草装备的性能将进一步提高。