水田机械除草技术的研究现状与发展趋势

周志强

（昆山市农业机械化技术推广站，江苏 苏州 215300）

0 引言

水稻作为我国最重要的粮食产物之一，其年产量直接与国家粮食安全挂钩。杂草是影响水稻产量的关键因素之一，每年由草害引起的水稻产量损失率在15%以上[1]。一方面，杂草是病虫害的主要宿主；另一方面杂草会与水稻争夺生存资源。因此，水田除草作业是水稻生产中的重要一环，是保证水稻收获高产量和高质量的关键。

目前，我国水稻生产主要使用的除草方式为化学农药除草，它具有成本低、起效快、作用持久等优点。然而，长期、高频、无节制地使用化学除草剂也带来了许多严重的负面问题，例如杂草抗药性提高、食品安全水平降低、环境污染加重等[2-4]。随着时代的发展、人们环保意识的增强和消费者保健理念的提高，化学除草的方式开始受到限制，更多绿色生态、安全高效的除草技术得到大力推广，生态除草和机械除草等非化学除草技术得到快速发展[5]。

在众多环境友好的水田杂草防治技术中，机械除草技术发展迅速。机械除草作为物理除草的一种，其拥有环保、安全、高效、经济等优点[6-7]。机械除草在进行除草作业的同时还能翻扰土壤，提高肥料在土壤的利用率，提高水稻种植土壤的含氧量，促进水稻生长[8]。水田机械除草作为一种完全依靠物理方法来除草的方式，可以有效解决当前农药所带来的环境和食品安全问题[9]。本文结合相关研究资料，阐述水田机械除草装备的研究现状和存在的问题，以及对其未来发展趋势的展望。

1 国外研究现状

在欧美国家，水稻种植多以撒播为主，撒播下的稻田水稻分布无序，植保设备难以下田[10]。因此，欧美国家的水田杂草的防治大多是使用飞机喷洒农药的方式。对水稻田间机械除草技术的研究较少，机械除草技术多见于胡萝卜、甘蔗、马铃薯和棉花等旱地作物[11]。

研究水稻种植移栽技术的国家多集中于亚洲，其中日本的水稻移栽装备与机械化水平最高。近年来，日本有机食品发展迅速，一些研究机构和农机生产企业开发了水田除草机，非农药机械化除草设备也因此有了快速发展。

日本和同产业研制的MSJ-4型水田除草机[12]，行间与株间除草可同时进行。日本实产业公司研制的RW-50三轮乘坐式水田间除草机[13]，该款机具结构独特，操作者能在驾驶时时刻观察除草过程，及时作出调整。日本久保田生产的SJ-8N型乘坐式水田除草机[14]，可在同时进行行间和株间除草的基础上，将除草作业行数扩大至9行。日本美善株式会社研制的SMW型步进式水田除草机[15]，虽然工作效率较低，但是机具在水田可灵活转动，操作员可及时调整机具行进方向，因此对稻苗的损伤较小。日本三菱公司研制的LVW-8型乘坐式水田除草机[16]，株间除草作业深度为3 cm ~5 cm，株间除草效率高。

2 国内研究现状

我国进行水田除草的历史非常悠久，在过去，农民进行除草作业主要靠手拔和脚碾，效率极低[17]。新中国成立后，我国开始对水田机械除草设备进行研究，大致可分为以下三个阶段[18-20]：人力中耕除草装备的研究；畜力中耕除草机械的研究；动力中耕除草机械的研究。人力中耕除草装备有耘禾耙、耘禾刀、辊耙等，这些工具在一定程度上提高了作业质量，但是总体除草效率仍旧是极低的[17]。畜力中耕除草机械有单行、三行、四行等几种，大多是使用除草轮或者除草铲配合畜力进行工作，畜力除草器更进一步地提升了除草的质量，提高了除草的效率，但使用畜力多，南方的小垄密植栽培地区畜力机械也无法工作[18]。因此目前人力和畜力中耕除草机械已逐步被动力中耕除草机械所替代。国内外学者和企业已研制了多种动力水田机械化除草装备。

国内方面，陶桂香等[21]研制了一种弹齿爪盘，该种除草部件可在除草的同时保证较低的伤苗率。马旭等[8]研制了一种装备耙压式除草轮的轻型水田中耕除草机械，该机械可提起换行，不仅适应南方小规模水稻生产，也可避免行走装置碾压水田末端的横向栽种秧苗。齐龙等[22]研制的步进式水田中耕除草机3ZS-90，在田间行走的同时驱动复合式除草部件进行行间除草，该机的作业行数为3行，除草率高达83.7%。王金武等[23]研制了3ZS-150型水田除草机，分别通过中耕锄将泥浆连同行间杂草拔出、拉断或埋压等除去行间杂草，以及株间除草盘将杂草挑出、打掉和覆盖等除去株间杂草。李钟哲[24]研制了一种水田动力除草机，通过把泥水覆盖到杂草上，致使其停止生长。

3 水田机械除草部件研究现状

通常水田机械除草部件通过扰动土壤和直接拉断、砸压杂草的方法进行除草。根据除草原理，水田机械除草部件可分为机械式、机械气力式和机械液力式等。

3.1 机械式除草部件

水田行间机械除草技术已经相对成熟，由于水稻行间基本没有会破坏除草部件的障碍和需要避开的稻苗，行间杂草大多会直接被除草部件通过碾压、切割、覆土等方法除去。

水田的机械式株间除草部件一般有对转式、摆动式和固定式3种。

1）对转式株间除草[25]。对转式株间除草的除草原理是，通过在水稻行间两侧设置一对相对转动的除草部件来对株间杂草进行抽打和拉拔，除草部件的材料多为弹性材料，如此可降低除草过程中的伤苗率。

2）摆动式株间除草[26]。摆动式株间除草的除草原理是，通过往复摆动的除草部件对株间杂草进行抽打和拉拔，机具做匀速运动，除草部件如同钟摆一样规律摆动，以此避免除草部件击打稻苗。

3）固定式株间除草[27]。固定式株间除草的除草原理是，通过改变除草部件的空间姿态来改变除草深度，通过调节除草部件的空间位置来改变除草工作强度，除草期间，跨在水稻行间的除草部件通过牵引机具前进，前进过程中将对接触到的杂草进行拔除、掩埋。

3.2 机械气力式除草部件

机械气力式除草技术主要通过对杂草进行高压气体的喷射来除草。

日本日精电机株式会社研制了一种机械气力式水田除草机[28]。这种除草机通过从喷射口将空气压缩机产生的高压气体喷出，吹动喷口安装的拍打型除草部件，使株间杂草受到强气流吹拂的同时还会被拍打部件压砸，由于水稻的根系比杂草的根系发达，因此强气流吹拂仅仅只会使水稻植株短暂弯曲，而不会对其造成伤害。

3.3 机械液力式除草部件

机械液力式除草技术主要通过对杂草进行高压液体的喷射来进行除草。

日本石井农机公司研制了一种水田除草设备[29]，通过高压水枪冲击杂草的根部，使杂草脱离泥土，而后漂浮、死亡。王金武等[30]通过研究射流压力、射流距离、喷口口径等对除草效果的影响，提出了一种水射流除草方法。

除上述除草方式外，还有电力除草、激光除草、泡沫除草等绿色环保的除草方式，但目前还未在水田除草中应用。电力除草是用导线和杂草接触，通过瞬间高压放电杀灭杂草，电力除草能除掉各种杂草并且没有化学残留[31]；激光除草是通过将高密度能量作用于杂草，从而使杂草停止或延迟生长[32]；泡沫除草主要通过一种泡沫发生器来除草[33]，泡沫发生器生成的泡沫表面有一层薄膜，可以降低泡沫的热量损失速度。如果将泡沫以一定的温度和压力附着至杂草，则可以将其炙烤并杀死。随着相关技术的不断完善和发展，这些新的除草技术有望在水田除草中得到应用。

4 存在的问题

1）除草效率需提高。目前水田机械除草的效率仍旧不及化学除草方式，且漏除现象很难避免，需要进一步提高除草效率。

2）劳动强度相对更高。机械除草需要在水田进行多次作业，不同于化学除草不需要进行多次重复。

3）株间除草问题。目前水田除草机具大多只能进行行间除草，无法进行株间除草。虽然有可同时进行株间和行间除草的机具，但伤苗率高、株间除草率低的问题一直没有得到较好的解决[34]。

4）泛用性需要加强。多数水田机械除草设备的除草行距和工作宽幅不能改变，水稻种植区地表高度存在高差，因此导致地块的不规则化，有些地块面积过小，或者到丘陵地区，机具便无法进行作业。

5）机具工作精准性需要提高。除草的精准度大多依赖农机手，容易对秧苗造成损伤。

6）缺少相关农业技术人才的培养，影响机具的长期使用与维护。

7）功能单一。目前所开发的水田除草机大多只有单一除草功能，未来可集成施肥等工序降低劳动强度，提高中耕效率。

8）国内研究缺乏合理的支持。农民相关知识薄弱，更相信化学除草，国家政府宣传力度不足。

9）有机水稻市场不规范。市场内以次充好情况严重，一般农户种植的有机水稻很难受到消费者的认可。

10）缺少销售渠道。小户种植的有机水稻难以争得市场份额，只得挂靠大厂或大型合作社，利润大部分被其分割，因此农民种植有机水稻的积极性不高。

5 我国水田机械除草技术发展方向

1）高效化发展。通过不断设计改进除草结构、改变除草方式等，不断提高行间与株间除草的效果。

2）智能化发展。通过传感器、光谱仪器、卫星等装置识别杂草的分布、密度等情况，进而控制除草机械实施精准除草，降低伤苗率，提高除草率[35]。

3）集成化发展。通过将多种功能的水田作业装置集成至一台机具上，降低劳动强度，提升作业效率，降低成本。

4）仿生化发展。通过对自然界中的土壤动物和食草动物的生物结构和生物功能进行研究，设计仿生除草部件，该种除草部件相对于传统除草部件有更高的除草效率、更低的伤苗率，还可以减少除草机具的能源消耗。

5）无人化发展。通过利用我国北斗导航系统、美国GPS等定位系统和研发拖拉机的无人驾驶系统实现水田的无人驾驶作业，在缓解农机手短缺问题的同时，提高除草的精度和作业的效率。

6）多技术交叉融合。通过将机械除草技术、生态除草技术等多种除草技术有机结合，提高除草机具的除草效率，扩大除草机具的可除杂草类别[36]。

7）国内外合作。通过国内外交流合作等方式，利用好国内的劳动力优势和大规模生产优势，利用好国外的软件程序以及硬件设备，提高水田机械除草的除草率和精准度，降低开发成本。

8）专业人才培育。通过对专业人才进行包括结构优化、系统调试等方面的培训，提升相关人才和农机手的技能水平和职业素养。

9）政府宣传管控。通过政府的影响力对水田机械除草进行宣传，并对市场进行监管，提升农民的认知和使用水田机械除草设备的积极性。

6 结语

随着时代的发展，水稻的有机化种植生产越来越受到消费者的青睐。但是，水田机械除草的研究仍需进一步加强，无论是国内还是国外开发的水田机械除草机，其除草效率都不能达到化学除草那么高。但随着绿色生态除草技术的不断发展，水田机械除草技术将因为其独有的优势，在有机水稻种植中发挥不可替代的作用。