機械除草技術研究現狀及作業模式選擇

摘 要： 介紹了機械除草技術的基本原理、分類及現狀，通過機械除草作業模式應用案例，分析機械除草作業和影響因素。結果表明，機械除草作業模式具有高效、省力等優點，選擇機械除草作業模式需要考慮土壤類型、種植方式和品種特性、地形和除草設備性能等因素。同時，還需要根據具體的農田情況進行合理的作業模式設計和參數調整，以獲得最佳的除草效果，促進農業環境保護與作物產量、質量的雙重提升。

關鍵詞：機械除草；作業模式；除草機器人；應用案例

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0010-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.002

0 引言

目前，機械除草技術已成為農業生產中的重要手段。在可持續農業發展的諸多議題中，機械除草技術作為一項減少化學農藥施用、保護環境的關鍵技術，一直是農業工程領域研究的熱點。研究認為，國外除草機研發重視技術改良適應農田和草原等地域地形，智能化程度愈加明顯，除草機器人技術成熟，商品化競爭優勢領先，但是價格較高。國產機械除草設備在可靠性和穩定性等方面有較大的發展潛力，在選擇適宜推廣的機械除草作業模式時，存在對影響因素常常考慮不夠周全問題。本研究主要分析了國內外機械除草技術研究的現狀；介紹了機械除草技術的基本原理、分類及現狀，以及機械除草作業模式的應用案例等。通過查閱資料、電話訪談、調查研究等方式，研究了適宜本地推廣的機械除草作業模式、影響因素，為進一步改進和完善機械除草技術提供參考，推動其在農業生產中的廣泛應用。本研究不僅在于推動機械除草技術的發展，也在于為實現農業的綠色可持續發展作出貢獻。

1 研究現狀

1.1 國外現狀

國外除草機械設計大多為牽引式大型除草機具，工作幅面較大、效率較高，已經得到了廣泛的應用。除草機研發重視技術方面的改良來適應農田、草原、旱地等地域地形[1]。起步時間比較早，除草機從傳統的大型化、單一化正在向簡便化、智能化、多動能方向發展[2]。如水田除草機配備行間和株間除草作業裝置[3]。智能感知技術在機械除草中得到廣泛的關注，特別是作物行識別技術和雜草識別技術，可以確保在不損傷作物的同時有效地去除雜草。如瑞士ECOProcess amp; Solutions 公司2021 年研制的Moondino 稻田除草機器人，是一款利用機器視覺識別技術研發的比較成熟的除草機器人產品，可以確保在不損傷作物的同時有效地去除雜草[4]。國外多用大型耕作農機，200～250 mm 窄距除草機研究較少[5]。雖然技術成熟，但價位較高，其結構和工作性能并不完全符合我國國情[6]。

1.2 國內現狀

國外種植模式及相關地形地貌與國內大不相同，國內受到地形等因素的限制，規模化果園種植密植化程度較高，大型除草機械實用性有限，國外相關除草設備并不適合我國果園除草作業[7-8]。到20 世紀70 年代，我國在引進國外果園機械的同時才研制應用除草機、打藥機等，逐漸促進了果園機械的發展[9]。對水稻田除草機的研究起步相對較晚，早期主要是借鑒國外除草機，對其進行改進，如 2BYS-6 型乘坐式水稻田除草機[10]。受地理環境不一的影響，我國不同地區的除草機械化程度并不相同，除草機械化技術還面臨挑戰，除草裝備技術的智能性、系統性、可靠性、靈活性和操作穩定性還有挖掘潛力[11]。

2 原理及特點

2.1 傳統機械除草技術

機械除草技術的基本原理主要是利用機械力對農田進行除草。具體來說，通過驅動裝置帶動旋轉機械刀片或鈍器，使其在地表切割或摧毀雜草，從而達到除草的目的。驅動裝置一般由內燃機或電動機提供動力，機械刀片設計合理，能有效切割或攪動雜草。

傳統機械除草使用機械力量直接去除雜草，通常需要人工操作和控制。主要依賴物理方式去除雜草，如切割、碾壓或拔起。優點：效率較高，能夠快速大面積去除雜草，成本相對較低，維護和操作簡單，對于特定種類的雜草，物理方式可以起到較好的防治效果。缺點：部分機械除草設備會對土壤和環境造成一定程度的危害，對于某些堅韌或根深的雜草，去除效果不理想。

2.2 智能機械除草技術

智能機械除草技術是一種利用傳感器、機器視覺等技術進行雜草識別，并采用自動化手段進行除草的先進技術。智能機械除草系統通過高清攝像頭和傳感器來獲取地面信息，然后利用計算機視覺技術和深度學習算法對圖像進行處理和識別，以區分雜草和目標植物。一旦識別到雜草，智能機械就會自動規劃除草路徑并控制除草機械進行精準除草。常見的除草方式包括機械鏟除和激光除草等。優點：對土壤和環境友好；能夠精準定位和識別雜草，提高除草效率；自動化操作減輕了勞動強度，降低了人工成本。缺點：成本較高，初期投入較大；技術復雜，維護和操作需要專業知識和技能。

3 作業模式選擇與設計

3.1 機械除草作業影響因素

3.1.1 作物種植方式和品種特性

不同作物種植方式和品種特性對機械除草的要求不同，以玉米和蔬菜種植為例。

（1）玉米種植。玉米是一種密植作物，其種植行距較小，需要更加精細的除草作業。由于玉米生長速度快，機械除草需要定期進行，以保持田間的清潔。山西農業大學[12] 發明了一套玉米苗期機械除草識別裝置。

（2）蔬菜種植。蔬菜種植通常采用密植的方式，行距較小，生長周期也較短，對機械除草的要求較高。都澤鑫等[13] 將Faster-RCNN 模型引入到蔬菜幼苗識別檢測中，蔬菜幼苗平均識別率達93.92%，平均檢測時間34.4 ms，具有識別速度快和準確率高等優點。雜草控制在蔬菜生產中極其重要，采用自動化機械除草去除田間雜草，可以有效提高作業精度，降低農業生產對于環境的影響。

3.1.2 土壤條件和地形地貌

土壤條件和地形地貌對機械除草的效果和操作難度有較大的影響。如在黏性土壤中進行機械除草會遇到困難，而在平坦地形上進行機械除草則相對容易。選擇機械除草作業模式時，需要考慮土壤條件和地形地貌的特點，并選擇適合的模式。

3.1.3 機械除草設備性能和要求

不同的機械除草設備具有不同的性能和要求。如有適用于大面積農田作業的除草設備，還有適用于小面積農田或坡地作業的除草設備。因此，在選擇機械除草作業模式時，需要考慮設備的適應性和性能要求。

（1）拖拉機懸掛除草機。主要適用于大面積農田除草作業，通常由拖拉機驅動，具有較大的割幅和較強的動力，可以高效地清除大面積雜草。方會敏等[14]研究表明，機械除草方式能夠疏松土壤，使除草區域的土壤緊實度降低64.4% 以上；試驗時用拖拉機掛接除草機進行機械除草作業，行間機械除草的株防效83.4%，優于株間機械除草的株防效46.7%。

（2）手持式電動除草機。主要適用于小面積農田或坡地除草作業，具有便攜性和靈活性，由電池供電，使用方便，適用于精細化除草作業。曹成茂等[15] 針對丘陵山區前胡種植使用除草機時存在草土不分離，導致雜草復生、碎石飛射傷人的問題，研制出一款適用于坡地的手持式除草機，除草深度35 mm，平均除凈率86.7%。

（3）自走式除草機。結合了拖拉機和除草機的功能，可在農田中自動行駛并進行除草作業，無須人工操作，適用于大面積農田除草作業，具有較高的效率和節省人力的特點。劉宇[16] 研制了自走式田間作業機器平臺，不僅能進行播種、施肥和除草等作業，還能夠獲取作物的表型信息。

3.2 機械除草作業模式設計原則和方法

3.2.1 對作物生長的影響最小化

設計機械除草作業模式時應盡量減少對作物生長的干擾。可以通過調整刀具或壓力裝置的高度、角度和速度等參數來減少對作物的傷害。此外，還可以選擇適當的作業時間，避免對作物的生長關鍵期造成影響。

3.2.2 高效除草效果

設計機械除草作業模式時應確保能夠有效控制雜草的生長。選擇合適的刀具或壓力裝置，以及合理的作業速度和頻率來實現高效除草效果。

3.2.3 操作簡便性和安全性

設計機械除草作業模式時應考慮操作者的簡便性和安全性。設計簡單易用的操作系統和人機交互界面，降低操作者的技能要求。還應考慮設備的安全性能，如防止誤操作和意外傷害的發生。

4 應用案例

在不同地區條件下，機械除草作業模式也需要根據實際情況進行調整和應用。以下是兩個典型的作業模式應用案例。

4.1 平原地區

平原地區土壤條件相對平坦，適合使用大型機械設備進行除草[1，11，17]。在我國東北地區大豆種植區，使用拖拉機牽引式大型除草機進行大面積的除草作業。旋耕式除草模式是最常用的除草模式，拖拉機將除草機固定在后方，將除草機下刀的深度設置在正確的位置；拖拉機拖動除草機前進，旋轉刀片將土壤掀起，同時切割雜草根部。這種模式優勢在于，不會破壞土壤結構，較好地控制雜草的生長，提高除草效率，減少人工勞動強度。

4.2 丘陵地區

丘陵地區的地形地貌復雜多變，需要根據具體情況選擇合適的機械除草作業模式。無人駕駛激光除草模式是一種先進的技術模式，利用激光掃描地面，識別并測量草坪或土地上的雜草位置和高度信息；基于獲取的數據，無人駕駛裝置準確地控制激光束，將激光定位在每一株雜草的葉片上，瞬間燒灼目標雜草的葉片。這種模式具有智能化感知系統，依據丘陵地區的地形變化，能夠實現高效、精準地除草，減少對土壤的破壞和侵蝕，而且避免使用化學除草劑對環境造成的污染，是未來機械除草作業發展方向。如甘肅省機械科學研究院有限責任公司研制的無人駕駛激光除草機[18]。

5 結束語

本研究在分析機械除草技術現狀和機械除草作業模式應用案例的基礎上，闡述了影響機械除草作業模式選擇與設計應該考慮的因素，即作物種植方式和品種特性、土壤條件和地形地貌、機械除草設備的性能和要求。提出了機械除草作業模式的設計原則和方法，為機械除草技術改善提供一些參考思路，希望能夠推動相關機械除草技術在農業生產中的廣泛應用。