果园除草技术的研究现状及发展趋势

2024-03-12何义川弋晓康汤智辉

现代农业装备 2024年1期

沈帅，何义川，杨毅，弋晓康，汤智辉

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木绿洲农业教育部重点实验室（塔里木大学），新疆阿拉尔 843300；3.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300；4.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子 832000）

0 引言

果树及果实在食品、化工、医疗、生态等领域可以产生巨大的效益，并带动地区经济的发展。据统计，截止到2021 年底我国果园种植面积为12 808 000 hm2[1]。果园除草是利用机械机具或者化学药剂清除果园中的杂草，避免杂草与果树争水抢肥，是果园农业生产中的关键环节。经研究证实，杂草可使果园果树减产10%～20%，而果园除草后可减少水分蒸发15%左右，土壤保水率增加33%[2]。去除杂草可抑制病虫害，防止病虫害侵染果树造成减产，也能减少杂草与果树根系之间的养分争夺，改善土壤的理化性质，特别是旋耕机械除草后还可以改善土壤的团粒结构，增加有机质，提高土壤蓄水保墒的能力，利于果树的增产增收[3-4]。

化学药剂与农业机械机具在现代农业生产中均发挥着重要的作用，它们能够增加产量，提高农产品质量，降低生产成本，保护生态环境等。其中，化学药剂主要用于防治病虫害和杂草，机械机具主要用于种植、植保、收获等作业。在化学药剂方面，目前研究的重点是绿色、环保型农药的研发和应用。传统的农药有损作业人员的身体健康，对环境的污染也越来越大[5]，因此，开发更安全、更环保的农药是大势所趋，并且基于农药应用的准确性和效果，精准农药喷洒技术、药剂配方控制可靠性等方面的研究也在不断推进[6-7]。在机械机具方面，农机设备的智能化和自动化程度越来越高，越来越多的智能化机器人投入使用，极大地解放了人力；多种机具的集成化也成为了重点研究方向，如集成化的种植与灌溉一体化机械等。这些新技术的应用可以大大提高农业生产效率，减轻人员劳动强度。

1 果园除草技术研究现状

在果园管理过程中，杂草除了与作物争水抢肥，杂草根分泌的毒素也影响着果树生长，从而导致果树减产[8]。现有的除草技术有生物克制除草、化学除草、机械除草等。在传统的农业中，农业作业主要由人工完成，农民劳动强度大，作业效率低。英国人普拉克内特在十九世纪初发明了第一台割草机，可以在收割谷物时连带杂草一起割除，极大解放了劳动力。1830 年比尔布丁发明了滚筒式割草机，后面被广泛的应用于修剪绿化带。目前，美国的迪尔和纽荷兰是最大的农机制造公司，现有13 个品种和49 个机型，其中牵引式往复割草机、自走式割草压扁机设备处于世界领先地位。经过几十年的发展，智能化的割草机已经广泛被使用，通过控制系统、视觉识别、路径规划等完成割草作业，无需人工参与。

在我国，七十年代至今旋转式割草机得到快速的发展，取得了很大的进步[9-10]，上海天堤机械设备有限公司和洛阳马斯特拖拉机有限公司生产的割草机等田间管理机械，采用无线遥控技术，遥控距离可以达到150 m。研究并推广高效、安全、可持续发展的除草技术及相关设备，推进果园生产增收增产，是果园田间管理机械发展的趋势。

2 果园除草工艺及相关技术

2.1 化学除草工艺

无论是传统的人工除草还是机械机具除草，都要对土壤进行翻耕作业，但对果园土壤进行频繁的疏松会破坏土壤的物理结构，不利于水分渗透，从而导致霉菌感染[11]。1932 年，二硝酚的发明，推动了工业除草剂产业的迅速发展。化学除草是通过使用化学药剂抑制杂草中蛋白质及其他元素的合成来抑制或杀灭杂草。需要注意的是，喷药应在无风条件下，温度10～30 ℃为宜，土壤干燥时不适宜喷药[12]。在喷施药剂的过程中，要根据杂草发芽前和杂草成草后这2种不同生长阶段选取不同的化学除草剂。

2.1.1 杂草发芽前喷施药剂类型

这一类型的使用方法是在杂草冒出地面前或发芽期在果园地面表层土壤进行均匀喷雾，喷洒后在土壤表面形成药层，杂草发芽时接触到药层表面致死，其有效周期为30～60 d 左右，某些除草剂品种的有效期更长。由于在沙性土壤中药层形成不稳定，故在西北地区等沙质果园土壤除草中难以适用。几种常见的杂草发芽前药剂如表1 所示。

表1 常见的杂草发芽前药剂

2.1.2 杂草成草后喷施药剂类型

这一类型的除草剂在杂草生长期使用，按照推荐用量和兑水量均匀喷施于杂草叶片，通过触杀或叶片吸收后传导，导致杂草光合作用、呼吸作用停止，破坏杂草生理过程中必需的生物酶等，使杂草死亡。几种常见的成草后除草药剂如表2 所示。

表2 常见的成草后除草药剂

无论是发芽前还是成草后喷施化学药剂，对于作物和土壤都有一定的污染，而这种污染随着农户喷施药量的不同有所差异[14]，但多数的农户没有接受过科学的喷施培训教学，在喷药作业过程中多数会加大剂量，这就加剧了对果树和土壤的污染，甚至会对作业人员的身体造成一定危害。为减少化学药剂的污染，未来应研制低毒无污染的有机化学药剂，并加强对农户的培训，增强其防范和环保意识[15]。

2.2 生物除草工艺

生物除草指利用生物之间的克制关系消灭杂草，既存在植物之间的克制，又有动物对植物的觅食消除。这种方法不仅可以防治杂草、消灭病虫害，还能获得肉蛋等副产品，动物粪便中的氮、磷、钾还可以为果树提供养分，缺点是动物食性较单一，部分杂草不能被动物接受[16-18]。目前还提出一种植物之间的抑制，即植物防控除草，其原理为种植防治草，利用生物群落竞争关系遏制某些恶性杂草的滋生，种植绿肥作物还具有增加土壤有机质含量、提高并保持地温、维持土壤酸碱平衡等优点，但由于技术不成熟仍未普及。

2.3 机械除草工艺

机械除草是利用各种形式的除草机械和表土作业机械切断草根，干扰和抑制杂草生长，达到控制和清除杂草的目的。传统的机械除草是利用微耕机、割草机、弹齿耙等切割和翻耕的方式杀灭杂草：微耕机通过动力传输到旋转割刀，然后对土壤进行深松，将杂草覆盖到地下，从根部消灭杂草；割草机利用割刀将杂草茎部剪断，不与土壤接触，可以避免土壤的沙化，保护土地资源；弹齿耙无需动力传输，使用拖拉机进行牵引作业，可以将杂草根部铲除，并且不会对土壤深层产生影响。果园除草机械可分为行间除草和株间除草，传统除草作业多采用机械对行间杂草进行清除，果树株间则多采用人工进行简单清除。随着科技的发展，研究人员研制了一系列可以进行株间除草的机具。

2.3.1 果园行间除草机械

在果园前期的种植过程中，通常使用铧式犁和圆盘耙对果园进行整地作业，通过土壤的翻耕将杂草覆盖在地下，达到消灭杂草的效果，如图1 和图2 所示。张斌等[19]开发了一款弹尺式除草机，如图3 所示，该机采用弹簧钢材料制成，使弹齿耙具有一定的弹性，能够在遇到障碍物时不易受损。弹尺的颤动不仅增强了除草和碎土的能力，还在松土方面取得了良好的效果。该机适用于果园中的耕除草作业，经过样机试验表明可靠性能够满足果园作业的要求。

图1 铧式犁

图2 圆盘耙

图3 弹尺式除草机

在目前的除草机械中，旋转式割草机应用最广泛，如图4 所示。刘学串等[20]研制的9GS-2.0 割草机不仅适用于平地，还可以在斜坡进行割草作业。在试验验证中，该割草机的割茬高度为52 mm，工作效率达到了1.18 hm2/h，碎草性能良好，各项指标均达到了设计要求。此外，贺占清等[21]通过试验验证了往复式割草机的优越性。当往复式割草机的振动频率为9 Hz 时，该机能够保持较高的工作效率，同时降低了切割失效的可能性（见图5）[22-24]。随着现代科技的进步，农业装备逐渐朝着智能化方向发展。张博远[25]基于PixHawk 开源硬件系统设计了一款智能履带式割草机，如图6 所示。该设计采用外接GNSS-RTK 高精度卫星信号接收机，支持多模多频模组和网络RTK 技术，实现了厘米级高精度定位输出。这款智能割草机能够通过智能导航系统完成除草作业，为现代果园除草提供了高效、精准的解决方案。

图4 旋转式割草机

图5 往复式割草机

图6 智能履带式割草机

针对不同地形的果园，选择合适的除草部件可以更加高效地完成除草作业。当前行间除草机械发展较为完善，可以满足多数地形的要求，但在除草作业过程中仍多采用拖拉机牵引作业，作业人员要全程参与作业，增加了作业人员的负担。为了进一步解放劳动力，应结合相关智能和信息化技术，研发推广无需人工参与作业的智能除草机械装备。

2.3.2 果园株间除草技术

株间除草是在利用割草装置在不接触树干的情况下将果树株间杂草清除，主要是利用传感器感应树干位置，并利用执行装置带动割草装置运动来避开树干。在传统果园作业过程中，株间杂草采用人工割除或者不割除的方式，需要耗费大量的人工，除草效率低下，未除净的杂草也会影响果树的生长，降低了果品质量和产量。因此，株间除草很有必要。针对果园避障除草目前的研究主要分为传感器感应型、网格化环境模型、视觉处理、感应触杆型等类型，各类型避障方式及机械特点如表3 所示。

表3 避障方式及机械特点

现阶段的株间除草多采用机械接触式避障株间除草，结构简单，价格低廉，但是由于接触树干，会对树干造成损伤。基于感应式的智能避障很好地弥补了这个问题，但是不同传感器的使用对于避障的灵敏性也存在差异，验证不同传感器的避障效果和作业效率对于株间除草具有实际意义。

2.4 其他除草技术

2.4.1 激光除草

激光除草是指利用短时间高强度激光束照射杂草，杂草内细胞水分子吸收一定波长内的激光从而产生高温，使杂草细胞裂解达到除草的目的，目前常采用CO2激光，其性质为远红外激光。激光除草具备精度高、无侵害性、作业速度快、效率高等优势，但需要考虑投资成本、技术可行性和特定农业环境的适用性。当前对于激光除草的研究较少，潘雷等[32]利用机器视觉技术对杂草进行识别与定位,设计了一种包含电脑、控制器、激光器、透镜和振镜系统的除草装置，利用激光对区域内的杂草进行杀灭。昆明理工大学吴旺旺[33]设计了一种激光除草机器人，以定位基准作为识别的目标再经图像处理进行分区,准确的识别并杀死杂草。

2.4.2 火焰除草

火焰除草是通过使用化石燃料尖端点燃得到较大扩散面的高温火焰，使得植物脱水死亡。火焰除草对杂草的抑制效果和尖端火焰扩散度、燃料种类、杂草品种、环境温湿度与叶表含水量等多种因素有关[34]。ANNE MERETE RASK 等[35]指出重复的火焰除草可抑制杂草的生长。火焰除草用于果园杂草防治具有作业速度快、防治效果好的优点，但因其燃料价格高、火焰控制难等因素未被广泛应用。

2.4.3 覆盖除草

覆盖除草是指用除草布、黑色地膜、秸秆等附着物覆盖地面，通过阻止草类植物接受光照或膜下高温杀死杂草。覆盖除草可以抑制杂草生长，保持土壤湿润，减少除草剂的使用，但成本较高，适用性和不同作物对于覆盖物的敏感度等问题阻碍了其推广。除草布是聚乙烯、聚丙烯合成材料，厚度约为地膜的5 倍，可回收多次利用，经研究表明，除草布对于单子叶植物的杀伤力强，对于双子叶杂草的杀伤力较弱。云南优力农业发展公司的叶飞洲[36]设计了一种果园专用的快速收放除草膜装置，通过收放卷轴与张紧导向轴的作用，可简易快速地完成收放除草膜作业。黑色地膜遮光率大于95%，覆盖后利用其吸热特性产生高温而除草。目前，现代农业常使用覆盖除草与化学除草相结合的方法以达到最佳的除草效果，即覆盖前喷洒除草剂或覆盖涂抹除草剂的膜类，地膜下可使用乙氧氟草醚乳油、仲灵·异噁松乳油等（烟田膜下仲灵·异噁松乳油试验总防效95%左右）[37]，未盖膜的果园可以选用5%精喹禾灵乳油。

2.5 化学与机械相结合除草

化学与机械相结合除草是目前新兴的除草理念，其结合了喷洒除草剂与机械切割除草技术或翻耕后土层土壤中混入除草剂的双重优势，具有除草彻底、反复率低等优势。许敏[38]设计了一种果园松土除草装置，该装置结合化学除草与机械除草技术，通过翻土轮松翻土壤，将药液箱中的药液喷洒到土层中以达到除草的目的。江苏省农业科学院的吕晓兰等[39]采用化学与机械除草一体技术发明了除草装置，在割草喷药的同时，喷头既可以对损伤的杂草进行进一步的消除，也可以对圆盘内的杂草残留进行清理。中江泽含良福农业公司的姚泽富研发的一种果园高效除草设备，设计了滚筒式切草刀，并在滚筒一端有进液孔以在切草同时注入除草剂，从而完成双重高效的除草作业。