國(guó)內(nèi)外機(jī)械式苗間除草裝備與技術(shù)的研究概況及趨勢(shì),農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

國(guó)內(nèi)外機(jī)械式苗間除草裝備與技術(shù)的研究概況及趨勢(shì),農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文農(nóng)田雜草是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，它直接或間接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，若不將其除去，勢(shì)必與農(nóng)作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分、水分、光照和空間，傳染病蟲(chóng)害，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而造成作物減產(chǎn)、品質(zhì)降低。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)報(bào)道，世界糧食產(chǎn)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(guó)家因雜草引起的糧食損失也約占總產(chǎn)量的10%，每年損失糧食就有上百億千克。化學(xué)藥劑除草是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種除草方式，具有快速、高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，85%～100%的作物生產(chǎn)中使用了除草劑。然而，20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界范圍內(nèi)除草劑的大量使用帶來(lái)了生態(tài)環(huán)境污染、雜草抗藥性加強(qiáng)、生物多樣性減少等眾多問(wèn)題。由于人們對(duì)環(huán)境保衛(wèi)意識(shí)的加強(qiáng)及對(duì)食品質(zhì)量安全問(wèn)題的重視，一些國(guó)家做出了限制使用化學(xué)除草的規(guī)定。例如，歐盟2092/91條例明確規(guī)定，有機(jī)農(nóng)田中只能使用非化學(xué)方式方法除草，如人工除草、機(jī)械方式方法除草等。由于人工除草工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而機(jī)械方式方法除草工作效率高、對(duì)環(huán)境污染小，符合綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，故機(jī)械除草被視為有機(jī)農(nóng)業(yè)種植經(jīng)過(guò)中最佳的除草方式。機(jī)械除草作業(yè)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵性生產(chǎn)技術(shù)。當(dāng)前，傳統(tǒng)方式方法能夠除去80%的行間雜草，但苗間雜草對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有更大的影響，而雜草控制的最大難點(diǎn)也在于苗間雜草的防除。本文將介紹國(guó)內(nèi)外機(jī)械式苗間除草裝備與技術(shù)的研究現(xiàn)在狀況，并指出我們國(guó)家苗間除草裝置研究的發(fā)展趨勢(shì)。1國(guó)外苗間除草裝置研究現(xiàn)在狀況作為保衛(wèi)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)外從20世紀(jì)50年代就開(kāi)場(chǎng)了對(duì)機(jī)械除草技術(shù)的研究。經(jīng)太多年的研究改良，當(dāng)前已經(jīng)構(gòu)成了一整套成熟的保衛(wèi)性耕作農(nóng)機(jī)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(guó)外苗間機(jī)械除草裝置分為兩類(lèi)介紹:一類(lèi)適用于旱田作物(如小麥、玉米、大豆等)，此類(lèi)機(jī)械在美國(guó)、加拿大及歐洲國(guó)家發(fā)展迅速;另一類(lèi)適用于水田作物(如水稻)，水田除草機(jī)械日本發(fā)展水平最高。這些機(jī)具經(jīng)太多年的研究和生產(chǎn)運(yùn)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(xiàn)在狀況Dedousis等人設(shè)計(jì)了一種控制苗間雜草的旋轉(zhuǎn)閥掰鋤，如此圖1所示。【圖1】其旋轉(zhuǎn)中心沿與作物行有一定距離且與作物行平行的直線(xiàn)移動(dòng)，鋤上切除部分使鋤通過(guò)作物時(shí)避免與作物接觸，而鋤體在通過(guò)苗間區(qū)域時(shí)毀壞土壤，進(jìn)而到達(dá)保衛(wèi)作物除去雜草的目的。田間試驗(yàn)表示清楚，選用直徑175mm、切除部分156的圓盤(pán)和約15mm的入土深度能獲得較好效果。另外，在機(jī)器前行速度0．5m/s的情況下，該機(jī)構(gòu)除草率超過(guò)87%。Vale．S等人研制的苗間除草裝置利用紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)作物，當(dāng)檢測(cè)到作物時(shí)，信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)控制命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將鋤刃離開(kāi)作物以避免對(duì)其損傷，之后又回到原位進(jìn)行除草作業(yè)。據(jù)報(bào)道，此裝置在高達(dá)5cm、8個(gè)葉片、株距在17～18cm的生菜田間進(jìn)行試驗(yàn)，性能良好。同樣利用紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)作物，荷蘭瓦格寧根大學(xué)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(zhuǎn)的圓盤(pán)上，當(dāng)檢測(cè)目的為雜草時(shí)，圓盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，除草刀展開(kāi)伸出至作物苗間將雜草切斷;當(dāng)目的位作物時(shí)，轉(zhuǎn)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(yīng)數(shù)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(dāng)玉米莖和雜草位于發(fā)射器和接收器之間時(shí)會(huì)產(chǎn)生二進(jìn)制的脈沖，累積脈沖到達(dá)4組時(shí)即可判定此組脈沖對(duì)應(yīng)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(yàn)分析表示清楚，在3行玉米苗間無(wú)草、3行玉米苗間充滿(mǎn)闊葉雜草、3行玉米苗間充滿(mǎn)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(jìn)入的研究尚在進(jìn)行。德國(guó)波恩大學(xué)開(kāi)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(jī)構(gòu)、速度檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集單元和作物辨別系統(tǒng)等組成?？刂栖浖鶕?jù)株距、當(dāng)下鋤臂位置對(duì)數(shù)據(jù)采集單元所收集的作物辨別、機(jī)器前進(jìn)速度、電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，進(jìn)而調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度。據(jù)報(bào)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(shí)現(xiàn)。一種基于GPS的苗間除草實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RTK)組成。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)RTK－GPS確定當(dāng)下的植物為作物時(shí)，苗間除草刀自動(dòng)張開(kāi)以避免損傷作物，隨后關(guān)閉進(jìn)行苗間雜草控制作業(yè)。對(duì)682顆番茄田間試驗(yàn)表示清楚，前進(jìn)速度為0．8、1．6km/h情況下，沒(méi)有傷苗出現(xiàn)。據(jù)報(bào)道，此技術(shù)可行，將來(lái)的研究工作在于評(píng)價(jià)此技術(shù)能否具有實(shí)在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。歐美地區(qū)發(fā)達(dá)國(guó)家研制的苗間除草裝置所用技術(shù)先進(jìn)，而由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地條件等因素不同，我們國(guó)家仍需結(jié)合本國(guó)國(guó)情、因地制宜地研究本國(guó)當(dāng)?shù)厮璧臋C(jī)械除草裝置與技術(shù)。【圖2】1．2水田苗間除草裝置研究現(xiàn)在狀況日本的水田除草機(jī)研究水平較高，市場(chǎng)上常見(jiàn)的機(jī)具有久保田公司生產(chǎn)的SJ－8N型水田除草機(jī)和同產(chǎn)業(yè)研制的MSJ－4型水稻田間除草機(jī)等，其性能如表1所示。【表1】另外，在水田除草方面，日本市場(chǎng)上還存在機(jī)械液力式和機(jī)械氣力式除草機(jī)械。機(jī)械氣力式機(jī)具利用高壓氣體將苗間雜草吹除;機(jī)械液力式機(jī)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(gòu)造不同，此種技術(shù)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(jī)苗間除草率固然不高，但仍可為我們國(guó)家水田苗間除草機(jī)械裝置提供一定借鑒。2國(guó)內(nèi)苗間除草裝置研究現(xiàn)在狀況近年來(lái)，由于人們對(duì)化學(xué)除草負(fù)面影響意識(shí)的加強(qiáng)，我們國(guó)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(xué)張朋舉等人研制的除草裝置主要利用軌道變換滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)除草鏟齒轉(zhuǎn)軸的上、下移動(dòng)，同時(shí)利用帶有螺旋軌道的套管來(lái)實(shí)現(xiàn)除草鏟齒轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終決定鏟齒在作物株間間隙內(nèi)的轉(zhuǎn)人或伸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)苗間除草和避讓農(nóng)作物的目的。室內(nèi)土槽實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)由韓豹等人設(shè)計(jì)，除草作業(yè)時(shí)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)苗間松土除草部件前后梳齒盤(pán)上的梳齒組件既圍繞各自的梳齒盤(pán)圓心旋轉(zhuǎn)，又以一定的作業(yè)速度前進(jìn)。前后梳齒盤(pán)同轉(zhuǎn)速相對(duì)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的前后梳齒對(duì)苗帶進(jìn)行梳理后，苗帶被梳齒劃出網(wǎng)格狀齒跡，使苗帶15～30mm厚表土發(fā)生位移或翻轉(zhuǎn)，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(yàn)表示清楚，在梳齒數(shù)目為6、梳齒間距50mm、梳齒盤(pán)轉(zhuǎn)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(dá)87．6%。車(chē)剛等人研究的3ZFC－7型全方位復(fù)式中耕機(jī)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(shí)，以?xún)蓚€(gè)地輪作為驅(qū)動(dòng)器，以鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，對(duì)稱(chēng)分配動(dòng)力經(jīng)中間傳動(dòng)軸，將動(dòng)力分配給每個(gè)除草單體和種肥箱下部的槽輪式排肥器，同時(shí)進(jìn)行苗間除草和側(cè)深施肥作業(yè)。大豆田間試驗(yàn)表示清楚，傷苗率小于4%，苗間除草率76．2%。王金武等人設(shè)計(jì)的水田中耕除草機(jī)，其動(dòng)力由插秧機(jī)底盤(pán)輸出，最終由鋼絲軟軸驅(qū)動(dòng)苗間除草盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，使每對(duì)除草盤(pán)在垂直于前進(jìn)方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)除草;采用二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)方式方法分析了除草盤(pán)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度和除草深度之間交互作用對(duì)除草率及傷秧率的影響。經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，苗間除草裝置的工作較優(yōu)參數(shù)組合為:轉(zhuǎn)速186r/min，機(jī)器前進(jìn)速度0．47m/s，除草深度37mm。此時(shí)傷秧率為3．9%，除草率為75%。我們國(guó)家對(duì)田間除草技術(shù)尚處于研究階段，從國(guó)內(nèi)研究人員所研制除草機(jī)械實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠看出，國(guó)內(nèi)苗間除草裝置的除草率有待提高，傷苗率有待降低。當(dāng)前，急需借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)并結(jié)合當(dāng)?shù)卦敿?xì)狀況，研制開(kāi)發(fā)田間除草裝備和技術(shù)，為我們國(guó)家糧食安全提供技術(shù)保障。3我們國(guó)家苗間除草裝置研究的發(fā)展趨勢(shì)3．1多學(xué)科多技術(shù)聯(lián)合研究當(dāng)前，單靠傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)研制的苗間除草裝置并不能知足當(dāng)下農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的需求，運(yùn)用機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、視覺(jué)辨別及神經(jīng)網(wǎng)路等多學(xué)科、多技術(shù)聯(lián)合開(kāi)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(shù)的必然趨勢(shì)，進(jìn)而進(jìn)一步提高除草效果，降低傷苗率。歐美地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究時(shí)間較早，除了使用陀螺羅盤(pán)、雷達(dá)、激光束等導(dǎo)航設(shè)備之外，近些年也有用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。針對(duì)路面不平坦和傾斜等問(wèn)題，采用模糊控制和人工智能等控制方式方法，實(shí)現(xiàn)智能除草。3．2農(nóng)機(jī)農(nóng)藝互相配合研究苗間除草機(jī)械作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜，單靠機(jī)器來(lái)知足其要求比擬困難，因而需要將農(nóng)業(yè)科學(xué)與農(nóng)機(jī)嚴(yán)密配合。研究作物的生長(zhǎng)形態(tài)、特性及適用于苗間除草的農(nóng)藝措施，培育出合適苗間除草要求的作物品種，這對(duì)提高機(jī)械化水平具有重要意義。在改良插秧機(jī)工作質(zhì)量方面，日本研究并實(shí)行了旱育稀植方式方法。在這里新農(nóng)藝方式下，日本農(nóng)機(jī)工作者發(fā)明了一系列農(nóng)業(yè)機(jī)械，為插秧機(jī)的工作質(zhì)量改良和迅速推廣起到了決定性作用。因而，苗間除草機(jī)械與農(nóng)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(shì)之一。3．3多功能于一體融合研究隨著我們國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械水平與技術(shù)的提高，研究具有多種功能的田間機(jī)械將成為可能。3ZCF－7700型多功能中耕除草機(jī)將除草、施肥作業(yè)裝置集于一體，不僅相對(duì)于傳統(tǒng)節(jié)省了研發(fā)和制造成本，同時(shí)減少了中耕次數(shù)。因而，融除草、施肥及滅蟲(chóng)等功能于一體的田間機(jī)械也將成為苗間除草裝置研究和發(fā)展的趨勢(shì)之一。4結(jié)束語(yǔ)隨著對(duì)化學(xué)除草危害的重視，機(jī)械式環(huán)保除草顯得越來(lái)越重要。當(dāng)前，我們國(guó)家研究的行間除草裝置已可基本知