机械除草技术装备应用调研及发展建议

摘 要： 除草技术装备是农业生产中不可缺少的农具。通过查阅资料、电话访谈、企业座谈和实地观摩等方式，针对除草技术装备开展了深入调查研究。分析了机械除草节本增效情况、国内机械除草装备推广应用情况及高端智能除草装备研发进展情况等，剖析了黑龙江省智能除草装备应用存在的主要问题及原因，在此基础上提出了发展建议对策。

关键词：机械除草；除草装备；种植成本；智能装备；除草机器人

中图分类号：S224.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）09-0019-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.09.003

0 引言

在农业生产中，除草是保障作物健康生长和产量的关键环节。传统的除草方式，如人工除草和化学除草，不仅效率低，而且可能会对环境产生负面影响。相对于化学药剂除草而言，机械除草是一种物理除草方式。随着农业科技的飞速发展，机械除草装备在农业生产中得到广泛应用。研制定位精度高、作业速度快的智能除草机将是机械除草未来技术发展的趋势[1]。在实际应用中，机械除草技术装备还存在一些问题，如机械除草多次作业会增加伤苗率，株间机械除草技术是机械除草的瓶颈问题[2]。除草机器人在一定程度可以应用于小部分作物，但是存在局限性，现有的末端执行器尺寸不能满足高密度种植的作物进行除草作业[3]。对机械除草技术装备的应用情况进行调查研究，对于进一步推动除草装备研发、成果转化及推广应用具有重要意义。

1 机械除草重要意义

1.1 发展有机农业的重要保证

随着人们对生命健康和食物品质要求不断提高，消费者已经从吃饱向吃好转变，有机食品逐渐被消费者认可。当前我国已经进入老龄化社会，农村劳动力不足。据抽样统计，农村一线劳动力年龄偏大，并且鲜有年轻劳动力补充，人工除草面临劳动力不足和成本逐年升高的局面。因此，采用机械替代人力除草已经成为发展必然，机械除草是促进有机农业发展的重要保证。

1.2 解决杂草问题的有效手段

受气候和种植习惯等限制，黑龙江省北部的大兴安岭地区、黑河市、伊春市等以大豆种植为主，较少轮作，导致大豆田间的野大豆泛滥，很难用除草剂清除，严重影响大豆产量，红苋菜、灰菜、龙葵等也很难用化学药剂清除，而采用机械除草是解决这一问题的最有效手段。机械除草具有除草效率高、劳动强度低、绿色环保等优点，并且具有改良土质、保肥保水、提高土壤渗透性和含氧量等功能[4-5]。

1.3 发展北药种植的得力帮手

黑龙江省是重要的北药产地，近年来种植面积已达到20 万hm2，而且还有上升趋势。然而中药材品种繁杂，一些中药材在传统农业中本身就被定义为杂草，少有针对中药材的除草剂，并且大部分中药材对于农残也有一定要求，因此发展机械除草能有效解决中草药除草环节瓶颈问题。

1.4 农业提质增效的重要措施

化学药剂在清除杂草的同时，对作物生长也有一定的抑制作用。经过北大荒红星农场近年来在同地块、同品种大豆不同除草方法产量对比，物理除草比化学除草增产8%～12%，并且能有效降低农药残留。

2 调研对象

2.1 农机企业

调研对象包括哈尔滨北垦农机有限公司英国嘉福德公司中国代理、雷肯农业机械（青岛）有限公司、黑龙江北大荒众荣农机有限公司、黑龙江省鑫元丰农业机械有限责任公司和孙吴县农发农业机械有限公司等。

2.2 除草机农户

走访了北大荒集团红星农场、赵光农场、鹤山农场、八五二农场和宝泉岭农场，以及黑龙江省依安县、嫩江县、绥棱县的除草技术装备使用者，了解行间除草机器人、全方位除草机器人及行间除草机的使用情况。

3 调研现状

20 世纪60—70 年代，机械除草曾在黑龙江省大面积应用，随着除草剂的推广应用，传统机械除草效率低、效果差等弊端很快显现，化学除草得以推广普及。除草剂对于农作物的产量和品质都有一定的负面影响，同时也在加速杂草的进化过程。随着杂草抗药性逐年提高，人们开始重新认识和使用机械除草装备。

3.1 有机种植与常规种植成本调查

3.1.1 有机种植

以有机大豆为例，大豆人工除草成本0.2 元/m2 左右，除草机器人除草（3 次除草作业+1 次人工辅助除草）平均成本0.09 元/m2。每台除草机器人可承担作业面积666.67 万m2，理论上每年节省成本0.09 元/m2。

3.1.2 常规种植

以大豆为例，化学除草机械作业费0.009 元/m2×3 次=0.027 元/m2， 药剂0.03 元/m2， 生产成本约为0.057 元/m2；采用机器人除草，成本0.09 元/m2，大豆增产10%～12%。两项对比增收0.091 9 ～0.117 2 元/m2，按每台除草机器人作业面积666.67 万m2 计算，每年可增收61 万～78 万元。

3.2 国内机械除草装备推广应用情况

通过调研得知，目前黑龙江省推广应用的物理除草机械主要有以下3 种。

一是以英国嘉福德公司InRow 为代表的全方位除草机器人。北大荒集团红星农场在2021 年引进1 台12 行全方位除草机器人，采用先进的视觉单株识别技术，结合自动纠偏对行技术，杂草除净率98% 以上，作业速度4～5 km/h，单铲最多可以处理6 棵/s 秧苗，主要应用在白菜等大株距蔬菜种植方面。

二是以英国嘉福德公司InterRow 行间除草机器人和雷肯农业机械（青岛）有限公司Steketee 行间除草机器人为代表的高端智能除草装备。主要用于玉米大豆除草作业， 杂草除净率90%～ 95%， 作业速度12～15 km/h，目前在北大荒集团的红星农场、赵光农场、八五二农场、宝泉岭农场和鹤山农场，以及依安县、嫩江市等地都有应用。德国豪狮和奥地利博田行间除草机也已进入中国，挪威格兰公司除草机于2024 年进入中国。

三是以黑龙江省鑫元丰农业机械有限责任公司（以下简称鑫元丰） 为代表的国内企业制造的纯机械式除草机，因其价格低在黑龙江省得到大面积推广。此类除草机结合拖拉机导航系统使用， 作业速度5～6 km/h，杂草除净率70%～80%。鑫元丰除草松土机多年试验证明，可提前1～3 d 出苗，增产6%～10%；伤苗率较低，节约成本500～700 元/hm2，减少农药抑制作物生长7～10 d，增产5%～7%；松土促进作物生长，增产6%～10%。

3.3 国内高端智能除草装备研发情况

智能田间除草机器人的研发是当代农业发展现代化、精细化、智能化的重要体现，国内智能除草装备研发已呈现出多元化态势。具体到技术层面，智能除草机器人的关键技术包括智能感知技术、机器人平台和除草装置。智能感知技术是基于多源信息融合，能够综合分析环境和作业对象的种类与属性，达到智能感知的目的。人工智能、智能感知、机器人技术不断融入农业生产，智能除草机器人应运而生[6-7]。

史扬杰[8] 提出了一种缓释肥料一次性集中减量深施+机械化除草的肥药减施模式。除草性能试验结果表明，在不同除草作业时期和不同作业速度下（3、4、5 km/h），机具除草率均gt;80%，伤苗率均lt;4%。杨硕等[9] 对近年来国内外株间除草机的研究现状进行了分析和比对，并强调适应稳定作业要求的株间避障技术和高速、高效的机械除草技术是果园株间机械除草的研究重点。多天宇[10] 认为，驱动式水田中耕除草机械除草率超过90%， 在水层深度60 mm 和泥脚深度200 mm 时，除草效果最佳，达到98.4%。

2011 年，科技部启动实施“十二五”国家科技支撑计划项目“农田作业机器人关键技术与装备研发”，由中国农业大学、中国农业机械化科学研究院、黑龙江省农业机械工程科学研究院等单位联合承担田间锄草机器人研究任务。项目突破了农田环境下作物苗草信息获取、苗间锄草视觉伺服控制、农业机器人动力系统控制等多项技术，形成蔬菜类田间锄草机器人系统样机，为产品开发奠定了坚实基础。

2023 年3 月，黑龙江贝克锐斯现代农业科技有限公司推出第一代行间智能中耕除草机，哈尔滨工业大学、中国农业大学等高校也开始研发智能除草机器人。2023 年6 月，黑龙江省科技厅通过“揭榜挂帅”方式启动科技攻关项目“智能除草机器人控制系统研发应用”，黑龙江八一农垦大学、黑龙江北大荒现代农业服务集团众荣农机有限公司、哈尔滨北垦农机有限公司等多家单位开展协同攻关。项目研究内容主要包括：①研究单体仿形机构、仿形调节机构，可人工智能控制除草单体入土深度和对地压力；②开发触摸屏电脑控制终端、逻辑中央控制系统，可以通过控制屏控制并实时监控除草机工作状态；③研究农作物苗带识别技术，开发智能视觉系统，能有效对农作物苗带进行快速、准确地检测和识别，并传递给中央控制系统；④开发数据采集处理系统，形成作物秧苗数据库，作业时统计作业数据，包括行距、作业面积等。智能除草机器人的控制系统作为整个系统的管理者，承担着对数据的采集、传输和控制机械结构精准动作等重要任务[10]。全面掌握智能除草机器人的发展状况，并将嵌入式操作系统引入到控制系统中，树莓派环境的搭建及传感器感知模块等协同通讯确定了整个系统的控制过程[11]。研发生产成本高，维修难度大，复杂工况下的性能也难以保证，智能除草机器人在农田无法大规模使用[12-13]。

4 存在问题和原因剖析

4.1 主要问题

除草机器人在国外已经进入普及阶段，但仍属于新鲜事物。目前，黑龙江省推广应用的高端智能除草装备均为进口品牌，价格高昂，普通农户买不起用不起。

4.2 原因剖析

一是对除草机器人具有刚需的有机作物种植面积偏少。二是设备造价过高，普通用户难以承受支付压力。如我国西南地区的玉米种植产业迫切需要一款高效节能、体型小巧、价格便宜并且能够保护环境的智能除草机器人[14]。国家对除草机器人没有相应补贴政策，如果能获得一定额度的购置补贴，必将对除草机器人的推广起到极大的促进作用。三是国内管理者和土地经营者对除草机器人认识不够，大多持怀疑态度，需要积极引导。四是很多用户把中耕和除草混为一谈，容易错过除草最佳时机，应加强宣传引导和技术培训。五是一线农机驾驶员年龄结构偏高，对智能设备的操控领悟能力较差，需要更多有知识、有思想、有技能的年轻人补充到行业队伍中。

5 发展建议

5.1 推进装备研发及产业化

目前我国智能除草机器人处于产业的初期，学界和业界对智能除草装备进行了研究与开发，但暂未形成成熟的产业与市场[15]。由政府相关部门牵头，组织相关科研院所、高等院校及企业加快推进高端智能除草装备（除草机器人）研发和成果转化，提高高端智能除草装备技术水平。政府相关部门在推动高端智能除草装备（除草机器人）的研发和产业化过程中，应鼓励支持多学科交叉研究，引导支持各方力量共同攻关智能除草关键技术和核心技术。①提高智能感知技术。这是智能除草机器人的核心技术之一，基于多源信息融合的智能感知技术可综合分析环境和作业对象的类别与属性。通过加强智能感知技术的研究，实现对作物行与杂草的精准识别和定位。②建立除草机器人平台。政府相关部门应支持相关智能除草机器人研究，并扶持其运作的相关基础平台，以提高平台的稳健性和适应性。③加强机械除草装置研究。机械除草装置是实现除草任务的关键部件，通过加强机械除草装置的研究，可以提高除草效率和质量。

5.2 制定推广扶持政策

市场如此广阔，但是价格是其制约因素，因此制定推广扶持政策，将智能除草机器人纳入到购机补贴范畴，降低购机门槛，减小购机户的经济压力。为了推广智能除草机器人在农业生产中的应用，政府相关部门可以制定扶持政策。首先，将智能除草机器人纳入购机补贴范畴，降低农民购买机器人的门槛和经济压力。其次，提供贷款贴息和税收优惠等措施，鼓励农民购买和使用智能除草机器人。

5.3 实施示范应用项目

政府相关部门可组织实施高端智能除草装备示范应用项目，充分展示除草机器人的技术优势，发挥示范带动作用。积极鼓励农机制造企业加大研发和市场推广力度，通过政府采购、农技推广等方式，促进智能除草装备在农业生产中的广泛应用。

5.4 加大宣传推广力度

机械除草是一种环保、高效、省力的除草方法，能够有效地减少化学农药施用量，降低对环境的污染。要大力宣传机械除草的优点，让更多人认识到使用机械除草的好处。

6 结束语

机械除草技术在农业生产中具有广泛的应用前景。目前机械除草技术装备在实际应用中仍存在一些问题和挑战，如对除草机器人具有刚需的有机作物种植面积偏少；设备造价过高，普通用户难以承受支付压力；国内管理者和土地经营者对除草机器人认识不够，大多持怀疑态度；很多用户把中耕和除草混为一谈，容易错过除草最佳时机；一线农机驾驶员年龄结构偏高，对智能设备的操控领悟能力较差。发展建议：一是推进高端智能除草装备（除草机器人）研发和产业化，加快技术创新和成果转化；二是制定推广扶持政策，减小购机户的经济压力；三是开展示范工程和推广应用，扩大影响力；四是采取多种方式加大先进除草技术装备宣传力度，提高用户认识。

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