田间锄草机

导读：　田间锄草机(共7篇)[我爱发明]锄草机松土机 杂草终结者（发明人张永功）[我爱发明] 20141127 杂草终结者 本期视频主要内容： 兰州红谷的张永功师傅种着几亩菜地，而松土锄草需借助非常原始的工具来完成，费时费力。张师傅为了不让爱人继续受累于繁重的田间工作，发明出了小型的自走式锄草松土机，比市面现有的都要小且轻，妇...

篇一 田间锄草机
[我爱发明]锄草机松土机 杂草终结者（发明人张永功）

　　[我爱发明] 20141127 杂草终结者

　　本期视频主要内容： 兰州红谷的张永功师傅种着几亩菜地，而松土锄草需借助非常原始的工具来完成，费时费力。张师傅为了不让爱人继续受累于繁重的田间工作，发明出了小型的自走式锄草松土机，比市面现有的都要小且轻，妇女老人都能操做的了，抵得上将近十个人工。 （《我爱发明》 20141127 杂草终结者）

　　发明人联系方式：张永功 13309460889

　　《杂草终结者》花絮：说起兰州，不只拉面好吃，这边的有机蔬菜也是销往西部各省，但是在乡村，机械化的程度还远远不够，很多工序依然依靠人力。老张设计的锄草机在当地蔬菜产区还没能让菜农们广泛应用，他为此遗憾，但是却很有信心，一直称呼他的锄草机叫“小家伙”，坚信“小家伙”总能派上大用场。

　　发明说明：本实用新型公开了一种手推式锄草机松土机，包括机架及安装在机架上的手推架和滚动轮，升降轮安装在升降器的下部，机架的下方设有刀架轴，该刀架轴通过轴承和轴承座连接有刀架，刀架上设有旋耕刀[来源:

　　

　　

　　

篇二 田间锄草机
[我爱发明]田间一霸 可以喷农药、撒化肥、播种的多用农用机械

　　[我爱发明] 20160121 田间一霸

　　本期视频主要内容： 众所周知，农作物在生长期间离不开田间管理，其中施肥和喷农药就是管理中最让人头疼的两大问题。从小在徐州沛县农村长大的刘庆峰发明了一种可以喷农药、撒化肥、播种的机器。他将喷农药的机构和撒化肥的机构一前一后分开放置，在机器行驶过程中，两个机构同时工作，共同帮助农民朋友完成这几项繁重的体力劳动，既省力又高效。（《我爱发明》 20160121 田间一霸）

　　发明人联系方式：刘庆峰（13813266806）

　　编导手记：这期节目的发明人叫刘庆峰，他是一名普通的农民。年轻的时候，他当过货车司机，开过工厂，最后开始承包土地种田。他当初决定发明农田管理一体机，就是为了减轻自己在干农活时候的体力劳动。拍摄期间，刘庆峰谈了自己很多关于农业机械化的畅想，让我看到了农业未来的希望。他有两个儿子和两个女儿，我对他的小儿子刘闯印象很深，因为在拍摄期间，基本都是他一直在忙前忙后，帮忙找场地，找人员，很是热心。刘庆峰告诉我们，其实从一开始搞发明，只有小儿子刘闯一直支持他，从来没有反对过他。即使是花光了家里的积蓄，刘闯也没有一句责怪和不满的话。当被问及为什么这么支持老爹的时候，刘闯说：老爹年轻的时候为这个家付出了很多，给了他们富足的生活，现在年纪大了，他唯一的愿望就是要做出这台机器。每天亲眼看着自己的老爹为了搞这个机器，没日没夜地付出。有时候大半夜醒了，还能看到老爹在画图纸，弄机器，从心里心疼他。这份父子情，在整个拍摄期间，给我的触动很深。我在想，如果没有刘闯的支持，不知道刘庆峰这条发明路会不会成功走到今天。（编导：黑赫萱）

　　

　　

　　

　　

篇三 田间锄草机
水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

第２７卷

１６２

第６期６月

农业工程学报

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅ

ＣＳＡＥ

Ｖｒ０１．２７ＮＯ．６

２０１１年

Ｊｕｎ．２０１１

水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

马旭１，一，齐龙１，２※，梁柏３，谭祖庭１，左彦军１

（１．华南农业大学工程学院，广州５１０６４２；

广州５１０６４２；

摘

２．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，３．华南农业大学校长办公室，广州５１０６４２）

要：水稻田间机械除草技术在减量除草剂防治和有机稻草害控制的研究和应用中具有重要作用。该文在收集、整理

国内外水稻田间机械除草装备与技术研究现状的基础上，指出了现有除草装备的不足之处，并总结了水稻田间机械除草技术的类型和特点，最后提出水稻田间机械除草技术应向着智能化、仿生化和多种除草技术联合化发展，进而提高除草精度，使其在水稻生产中发挥更大的作用。

关键词：除草，装备，技术，水田除草机，智能识别，机械仿生，水稻ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００２—６８１９．２０１１．０６．０３０

文献标志码：Ａ中图分类号：￥２２４．１

文章编号：１００２—６８１９（２０１１）一０６－０１６２—０７

马旭，齐龙，梁柏，等．水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势［Ｊ］．农业工程学报，２０１１，２７（６）：

１６２—１６８．

ＭａＸｕ，ＱｉＬｏｎｇ，ＬｉａｎｇＢａｉ，ｅｔａ１．Ｐｒｅｓｅｎｔ

ｓｔａｔｕｓ

ａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆ

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｗｅｅｄｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｐａｄｄｙｆｉｅｌｄ

［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

ｏｆｔｈｅ

ＣＳＡＥ，２０１１，２７（６）：１６２—１６８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ）

０引言

１

稻田杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、水、热等资源，影响水稻的生长发育，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一，每年由草害引起的水稻产量损失率在１５％以上［１】。因此，在水稻的生产过程中，科学有效地控制草害是确保水稻健康生长，实现高产、优质的必不可少的关键环节之一。

化学药剂除草是目前应用最广泛的一种除草方式，它具有快速、高效、经济等优点。然而２０世纪８０年代以来，世界范围内除草剂的大面积使用，带来了诸多负面问题，如杂草的抗药性【２］、作物药害［３］、生态环境污染等【４】。随着现代农业的发展，以及人们环境保护意识的加强和对食品质量安全问题的重视，除草剂减量防除技术逐渐发展起来，机械除草、农业防除和生物防治等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。在水稻田间非化学除草的防治技术中，机械除草技术发展迅速，并有相应的水稻田间除草装备在农业生产中应用。本文将介绍水稻田间机械除草装备与技术的国内外研究现状，并展望其发展趋势。

国内外水稻田间机械除草装备现状

１．１欧美及澳大利亚

欧美（美国、意大利等）及澳大利亚等国家水稻种植方式以直播为主。直播水稻田稻种与草种同时萌发，根系深度无明显差异，杂草个体生长空间大，草量是移栽水稻田自然发生量的数倍；此外，撒播稻田内秧苗无序生长，植保机具无法下田。因此，直播水稻田杂草防治以化学防治为主，即施用高效除草剂灭草，少见机械除草方式。近年来，随着传感器和人工智能技术的发展，杂草视觉识别技术发展迅速，并应用于除草机器人的研究。Ｌｅｅ等研究出一种应用机器视觉技术的除草机器人［５】，该机器人可以识别株问杂草，并控制喷头定点喷药。Ｌａｍｍ等建立了一个实时的棉田杂草视觉识别系统，识别杂草并进行喷药【６】。虽然欧美国家智能除草技术的研究主要针对旱田作物，但其技术带动了除草剂变量喷施、减量化学投入技术的发展，为水田智能除草机器人的开发提供了技术基础。

１．２

日本

亚洲国家的水稻种植方式通常以移栽为主，其中日

收稿日期：２０１０．１２－２１

修订日期：２０１１－０２－２５

本水稻移栽装备与机械化水平最高。近年来，有机农业在日本发展迅速，有机稻米颇受消费者的青睐，因此，根据市场的需求以及有机稻栽培的生产要求，一些研究机构和农机生产企业开发了水田除草机。市场上出售的水田除草机按照行走方式主要分为步进式和乘坐式２种，其中乘坐式又可细分为三轮乘坐式和四轮乘坐式，不同机种除草部件的相应结构如表１所示。

基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助２００７１１４］；高等学校博士学科点专项科研基金（２０１０４４０４１２０００２）广东省高等学校人才引进科研资

助２００８［８６】

作者简介：马旭（１９５９一），男，汉族，辽宁沈阳人，教授，博士生导师，主要从事现代农业技术装备方面的研究，农业工程学会会员。广州华南农

业大学工程学院，５１０６４２。Ｅｍａｉｌ：ｍａｘｕｌ９５９＠ｔｃｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

※通信作者：齐龙（１９７９一），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，助理研究员，博士，主要从事现代农业技术装备与精准农业方面的研究，农业工程学会会员。广州华南农业大学工程学院，５１０６４２。

万方数据

第６期

齐龙等：水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

１６３

表１

日本主要水田除草机类型

Ｔａｂｌｅ１

ＭａｉｎｔｙｐｅｏｆｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｎＪａｐａｎ

１．２．１

步进式水田除草机

图１ａ所示的和同产业ＭＳＪ．４型步进式水稻田间除草ｃｍ，作ｍ／ｓ时，作业效率为为０．４～

ｈｍ‰【８１。此外，美善株式会社研发的步进式水田除草

ａ．和同产业ＭＳＪ．４型ｂ．美善ＳＭＷ型

图１步进式水田除草机

Ｆｉｇ．１

Ｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｏｆｗａｌｋｉｎｇｔｙｐｅ

１９９８年至２０００年期间，日本生研机构、井关和久保

田公司合作开发了一种高精度水田除草机【１０】，且于２００３

ｒ／ｍｉｎ）的耙齿除去行间杂草，沿机具前Ｈｚ）的梳齿完成株间杂草的ｃｍ，作业深度４～

ｃｍ；株间除草作用幅宽１３ｏｍ，作业深度２～４ｃｍ。该机

ｍ／ｓ，作业效率为１．３～２ｈｌＴｌ２／ｈ［１１－１２］。

万方数据

图２旋转摆动式水田除草机

Ｆｉｇ．２

Ｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇａｎｄｓｗｉｎｇｔｙｐｅ

生研机构还研制了一种行、株间都应用摆动梳齿除图３摆动式水田除草机

Ｆｉｇ．３【田间锄草机】

Ｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｏｆｓｗｉｎｇｔｙｐｅ

表２

２种除草机作业性甜１３］

Ｔａｂｌｅ２

Ｗｏｒｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｏｆｔｗｏｋｉｎｄｏｆｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓ

４１——

９５４９摆动

式

一

０

９０

４３

行株平问间均

（作业前杂草数一作业后杂草数）／

ｃｒｕｘ５０ｃｌｎ；株间调查区：１０ｃｍＸ５０ｃｍ；三菱乘坐式水稻田间除草机有三轮和四轮２种，如４１，ｃｍ，作业ｃｍ。该机作业速度约为０．８ｍ／ｓ，作业效率为

ｈｍ２／ｈ左右［１５１。

草的水田除草机，并由井关公司试制，如图３所示。在生研机构附属农场对以上２种除草机的除草性能进行了

比较试验，如表２所示，试验结果表明驱动转动式的除草部件较摆动式除草部件的行间除草效果好，行间平均除草率可达到８５％以上，摆动梳齿式株间除草器的平均除草率在４０％～５０％之间。

机［７】，行间除草部件为随动的除草辊，株问除草部件为一对驱动转动的弹齿盘。该机工作时水深为８～ｌＯ业速度为０．２～０．３０．６

机的株间除草部件也具有一定特色，株问除草工作由一对随动转动的伞状除草盘完成，行间除草部件与洋马步进式除草机类似［９１，如图１ｂ所示。步进式除草机的优点是其在地头转向灵活，伤苗较少，但其工作效率较乘坐式除草机低。

１．２．２乘坐式水田除草机

年上市出售。结构相似的产品有洋马ＳＪＶＰ系列、久保田ＳＪ一６（８）Ｎ系列和井关ＳＪ一６（８）ＩＶＺ系列，如图２所示。该类产品的行间除草部件为旋转耙齿，株问除草部件为摆动梳齿。以久保田ＳＪ－８Ｎ为例，机具工作时，驱动高速转动（１００～２００进方向左右摆动（频率３．７～７．３去除工作。其行间除草作用幅宽为１８６

作业前杂草数；３．行间调查区：２０４．平均值为３个行间与３个株间调查区合计面积内的除草率

注：１．插秧日期０６．０９；２．除草率慨：

图４所示。株间除草部件均为固定机架上的除草钢丝【ｌ行间除草部件有随动耙齿和除草辊２种。图４ａ所示的三菱Ｌｖｗ．８型除草机株间除草作业深度为３～５幅宽１６３．３作业速度为０．４～０．６

１６４

农业工程学报

２０１１年

ａ．三菱Ｌｖｗ一８型

ｂ．三菱ＭＲＷ一５型

图４三菱水田除草机

Ｆｉｇ．４

ＰａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｏｆｔｈｅＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ

此外，实产业公司生产的三轮乘坐式水稻田间除草机，其株问除草部件为羽轮结构‘Ｍ】，如图５所示。三轮乘坐式除草机除草部件在前后两轮之间，在作业过程中，更有利于操作者观察，可减少除草过程中对稻苗的损伤。

图５

ＲＷ．５０型水田除草机

Ｆｉｇ．５

Ｐａｄｄｙ

ｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｏｆｔｈｅＲＷ一５０

ｔｙｐｅ

目前日本市场上出售的水田除草机种类较多，已经在水稻生产中实际应用，但机械除草效果（除草率）仍较化学除草有很大差距，尤其是株间除草率不高，因此，急需加强对株间除草部件的研究和改进，改善株间除草效果。

１．３

中国

中国早在２０世纪５０年代开始机动水田中耕除草机的研究，到２０世纪８０年代初相继有十余种机型。如浙江省机械科学研究所设计的立旋式水稻中耕除草机［２１］；东北农学院研制的ＳＺＤ一６旋耕式水田中耕除草机［２２］等，但当时研制的除草机只适用于行间除草，而不能除掉株间杂草。随着除草剂在中国水稻生产中的广泛应用，在相当一段时间内，水田机械除草方式在中国几乎绝迹。近年来，随着人们对环保和健康的重视，减量或无化学药剂除草方式得到提倡，水田机械除草技术又被重新关注，部分研究机构和农机企业研制了新型水田除草机，但目前仍未大面积应用。图６为南京农业机械化研究所研制的２ＢＹＳ．６型水田中耕除草机［２３１，其行间采用旋转部件，株间使用摆动部件除草，经鉴定相对除净率为７８．１％。

延吉市农机推广中心研制生产的３ｚＳ—ｌ水田除草机

应用水平旋转的除草刀和起垄部件，把泥水覆盖到杂草上，致使其停止生长，该机既能消灭行间杂草，又能消灭株间杂草【２４１。东北农业大学设计了一种株间除草装置，通过钢丝软轴驱动弹齿除草盘转动，将土壤搅动、翻转并连同杂草翻出地表并将其覆盖，完成除草作业，除草率可达７０％以上【２５。。

中国水田行株间除草机研究尚处在理论和试验研究阶段，尚未完成成熟；高地隙水田拖拉机的研究滞后，

万方数据

１．行间旋转除草部件２．株间摆动除草部件３．动力传递系统４．机架５．液压仿行机构

图６

２ＢＹＳ．６型水稻田间除草机

Ｆｉｇ．６

Ｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｏｆｔｈｅ２ＢＹＳ一６ｔｙｐｅ

也是制约水田中耕除草装备发展的主要原因。目前，日本市场上出售的水田除草机尚未对中国市场开放，因此，急需借鉴国外先进的技术并结合中国水稻生产实际，开发水田中耕除草装备，为中国有机稻米的生产提供技术保障。

１．４亚洲其它主要水稻种植国

亚洲一些水稻主产国如印度、印尼、孟加拉等国家，

水田杂草防治主要以化学防治为主，辅以简易除草器【１７Ｊ或人工除草。近年来，印度也有机动水田除草机的研究，仅能进行行间除草，Ｔａｊｕｄｄｉｎ等研制的水田行间除草机可同时进行３行作业，作业效率为０．０７５ｈｍ２／ｈｔｌ８］。

韩国水稻机械化种植程度较高，目前杂草防治也主要以化学防治为主【１９１。部分机械除草设备主要从日本引进，然后结合当地实际，对除草关键部件进行改进，最后通过试验取得了良好的除草效果【２…。

２水田机械除草关键部件研究现状

水田机械除草关键部件通过与稻田泥土、杂草的相互作用，完成杂草拔出、拉断或埋压等除草过程。机械除草技术的关键是除草部件的工作原理和执行效果。目前，水田机械除草关键部件从工作原理上可分为：机械式、机械气力式及机械液力式等。２．１机械式

目前，水稻行问杂草机械式除草技术已经相对成熟。由于，水稻行问无稻列干扰，可使用旋转、抛切、拉拔或埋压等机械动作，完成行间除草作业，而不必担心稻苗损伤。常用的行间除草器通常为转动的除草辊或除草齿爪，行间除草部件如图７所示。

ａ．笼辊式

ｂ．麻花齿辊式

ｃ．双排耙齿式ｄ．单耙齿式

图７几种行间除草部件

Ｆｉｇ．７

Ｓｅｖｅｒａｌｉｎｔｅｒ・ｒＯＷｗｅｅｄｉｎｇ

ｐａｒｔｓ

第６期齐龙等：水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

１６５

株间除草主要是根据移栽水稻田杂草与稻株根系深浅差异，控制除草部件工作深度，除去杂草而不损伤稻苗。水田株间除草部件的动作方式一般有３种，即对转式、摆动式和固定式，如图８所示。对转式株间除草通常是由两个作相对转动的弹齿盘，或者其变形形式拔出株间杂草，由于弹齿或其它弹性材料的弹性特征，可减少稻苗损伤；摆动式株间除草即通过与稻列垂直方向作往复摆动的梳齿完成与杂草的相互作用，完成除草工作；固定式株间除草使用固定机架上的除草钢丝，通过调节其倾斜角度和高度改变作业深度，通过调节内侧除草钢丝的上下位置调节除草作业强度，机具工作时，株间除草部件横跨在秧苗列两侧，随着机具前进拖、拔或埋没株问杂草。目前，３种不同动作方式的株间除草部件的除草效果无明显差异，除草率均在５０％左右。

图８常用株间除草部件

Ｆｉｇ．８

Ｓｅｖｅｒａｌｉｎｔｒａ－ｒｏｗｗｅｅｄｉｎｇｐａｒｔｓ

２．２机械气力式

机械气力式除草技术应用机械式和气力式２种除草方式联合除草。一般来说，水稻行间杂草采用机械式方法去除，株间杂草利用高压气体吹除。图９所示的是日精电

１．电源２．空气压缩机３．电动机４．气管５．压铁６喷射口

图９机械气力式水田除草机

Ｆｉｇ．９

Ｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｐｎｅｕｍａｔｉｃｔｙｐｅ

万方数据

机和－厶步一公司发明的机械气力式水田除草机【２６１，行间除草部件为随动转动耙齿，株间采用高压气体配合机械拍打运动除草。株间除草的工作原理是电源带动空气压缩机工作，形成高压气体，通过管路至喷射口吹出，喷射口顶部的压铁材料不断拍打泥土，完成杂草的吹出和打压动作，除去株间杂草，由于移栽稻稻株根系比杂草根系发达，气流仅将稻株吹至变形，却不损坏稻苗。２．３机械液力式

机械液力式除草技术行间应用机械部件除草，株间由高压液体除草。图１０所示石井农机公司发明的水田除草装置【２７１，行间杂草采用除草辊去除，株间杂草使用高压液体冲洗杂草根部，使其漂浮、枯萎。石田恭正等人研究应用高压水流除草技术，研究了压力、喷射距离、喷口直径、喷射角度和机具行驶速度对切断效果的影响［２８】。

１．浮板２．液体管路３．机架４行间除草部件５．株间除草部件

图１０机械液力式水田除草机

Ｆｉｇ．１０

Ｐａｄｄｙｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｙｐｅ

除了上述介绍的几种除草技术外，也有应用电力和热力除草的研究，但目前尚未应用到水田中，仅对旱田进行了试验。电力式除草原理主要依据的是杂草和作物对电流敏感程度的差异，强电流能有效地消除杂草，而

对农作物无害【２９】；热力除草方法是通过专门器具用丙烷火焰把杂草烧热，使杂草细胞受热膨胀，胀破细胞壁，蛋白质凝固，使杂草枯萎，除草率可达到８０％以上【３…。随着相关技术的成熟和发展，这两种新型的除草技术有望应用于水稻田间除草的实际生产中。

２水稻田间机械除草技术发展趋势

水稻田间机械除草装备和技术的研究取得了一些研究进展，但是水稻株间机械除草效果仍然有待提高。为了提高除草精度，减少伤苗率，降低能耗，水田机械除草技术应朝着智能化、仿生化和多技术联合化发展，使机械除草技术在水稻生产中得到更多的应用并发挥更大的作用。

２．１智能机械除草技术

智能机械除草技术是指除草机械具有智能识别功能，能够识别或感知杂草的分布信息、位置、密度等生长情况，进而指令除草执行部件精确去除杂草的技术。应用机器视觉技术识别农田杂草的研究较多，比较成熟的专用杂草识别产品如美国ＮＴｅｃｈ公司生产的ＷｅｅｄＳｅｅｋｅｒ［３１］。由于杂草与稻株在生长过程中有时相互

遮掩，仅利用机器视觉技术并不能完全将杂草识别出来，

１６６

农业工程学报

２０１ｌ在

因此，还需要一种新的智能识别技术作为视觉识别技术的补充。机器触觉技术利用触觉传感器与被测物体的接触感知与接触有关的感觉，不同被测物的触觉不同，可用来补充视觉所不能识别的情况，如杂草与作物的相互遮掩情况。如果将机器视觉技术与机器触觉技术相融合，一定能够提高水田杂草的识别精度。近年来，日本已有水田智能除草机器人的研究［３２－３３］，主要应用机器知觉技术识别杂草，实现智能机械除草。如果除草机上配套杂草智能识别系统，一定能够提高除草效果，减少除草过程中对稻株的损伤。２．２仿生机械除草技术

仿生机械除草技术是指对食草动物和土壤动物的生物性能和行为进行模仿，将其结构特征、运动机理以及行为特征运用到除草机械的设计中，完成仿生机械除草的技术。自然界的生物经过千万年的优胜劣汰的进化过程，形成了具有特殊功能的本领［３４１。如土壤动物的遇黏不粘功能，某些食草动物食草不食稻的特殊习性，如果能够应用机械仿生的相关理论，融合土壤动物和食草动物的生物功能，设计仿生除草关键部件，一定能够改善除草效果、降低伤苗率，降低机械能耗、提高工作效率。因此，仿生机械除草技术的研究，也是水稻田间机械除草技术发展方向之一。２．３多技术联合除草

多技术联合除草方式将多种除草技术，如机械除草技术、化学除草技术、生物除草技术以及其它方式的多种除草技术有机结合在一起，提高除草效果。目前，水田株间机械除草方法的除草精度不高，如果一台除草机上行间杂草采用机械除草方式，株间杂草采用化学除草方式，这样既能提高除草率，又能减少除草剂的施用量［３５１。此外，据

报道稻糠除草‘３６１、稻鸭共育【３７】、纸膜覆盖㈤等有机稻田

草荒控制技术也有较好的除草效果。因此，合理、有效地将机械除草技术与其它各种除草技术有机结合，形成系列化的联合除草技术，也是水田机械除草技术发展趋势之一。

３结论

在水稻机械化生产中，中耕除草机械的研究相对落后，国内外研制的除草机械，株间除草率都比较低，除草精度还有待提高。【田间锄草机】

中国各大稻区目前以喷洒化学药剂除草为主，然而化学除草带来的环境污染和食品安全问题已不容忽视，随着除草剂减量防除和有机稻田草害控制技术的发展，机械除草技术将以其独有的优势（机械除草不仅能有效控制稻田草害，而且有利于水田有害气体的排除，增加氧气；提高地表温度：促进肥料吸收；促进根系发育等）在稻田的杂草控制中起重要的作用。

研制高精度的水田除草机已经是水稻生产上的迫切需求。本文在总结了国内外水稻田间机械除草装备和技术的基础上，提出了水稻田间机械除草技术应向智能、仿生、多技术联合方向发展，以提高除草精度和除草效果。

万方数据

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ｏｎ

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Ｚｈａｏ

Ｘｕｅｐｉｎｇ，Ｗａｎｇ

Ｘｉｕｍｅｉ，ＷａｎｇＱｉａｎｇ，ｅｔ

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Ｐｈｙｔｏｔｏｘｉｃｉｔｙｏｆｂｉｓｐｙｒｉｂａｃｓｏｄｉｕｍａｎｄｏｔｈｅｒｈｅｒｂｉｃｉｄｅｓｔｏ

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Ｒｅｂｉｃｈ

Ｒ

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Ｈ，Ｔｕｒｍａｎ

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篇四 田间锄草机
智能锄草机器人系统设计与仿真_张春龙

篇五 田间锄草机
水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

162

第27卷2011年第6期6月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.27No.6Jun.2011

水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

马旭1,2，齐龙1,2※，梁柏3，谭祖庭1，左彦军1

（1.华南农业大学工程学院，广州510642；2.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，

广州510642；3.华南农业大学校长办公室，广州510642）

摘要：水稻田间机械除草技术在减量除草剂防治和有机稻草害控制的研究和应用中具有重要作用。该文在收集、整理国内外水稻田间机械除草装备与技术研究现状的基础上，指出了现有除草装备的不足之处，并总结了水稻田间机械除草技术的类型和特点，最后提出水稻田间机械除草技术应向着智能化、仿生化和多种除草技术联合化发展，进而提高除草精度，使其在水稻生产中发挥更大的作用。

关键词：除草，装备，技术，水田除草机，智能识别，机械仿生，水稻doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.06.030中图分类号：S224.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-06-0162-07马旭，齐龙，梁柏，等.水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势[J].农业工程学报，2011，27(6)：162－168.

MaXu,QiLong,LiangBai,etal.Presentstatusandprospectsofmechanicalweedingequipmentandtechnologyinpaddyfield[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(6):162－168.(inChinesewithEnglishabstract)

0引

言

1

1.1

稻田杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、水、热等资源，影响水稻的生长发育，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一，每年由草害引起的水稻产量损失率在15%以上[1]。因此，在水稻的生产过程中，科学有效地控制草害是确保水稻健康生长，实现高产、优质的必不可少的关键环节之一。

化学药剂除草是目前应用最广泛的一种除草方式，它具有快速、高效、经济等优点。然而20世纪80年代以来，世界范围内除草剂的大面积使用，带来了诸多负面问题，如杂草的抗药性[2]、作物药害[3]、生态环境污染等[4]。随着现代农业的发展，以及人们环境保护意识的加强和对食品质量安全问题的重视，除草剂减量防除技术逐渐发展起来，机械除草、农业防除和生物防治等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。在水稻田间非化学除草的防治技术中，机械除草技术发展迅速，并有相应的水稻田间除草装备在农业生产中应用。本文将介绍水稻田间机械除草装备与技术的国内外研究现状，并展望其发展趋势。

国内外水稻田间机械除草装备现状

欧美及澳大利亚

欧美（美国、意大利等）及澳大利亚等国家水稻种植方式以直播为主。直播水稻田稻种与草种同时萌发，根系深度无明显差异，杂草个体生长空间大，草量是移栽水稻田自然发生量的数倍；此外，撒播稻田内秧苗无序生长，植保机具无法下田。因此，直播水稻田杂草防治以化学防治为主，即施用高效除草剂灭草，少见机械除草方式。近年来，随着传感器和人工智能技术的发展，杂草视觉识别技术发展迅速，并应用于除草机器人的研究。Lee等研究出一种应用机器视觉技术的除草机器人[5]，该机器人可以识别株间杂草，并控制喷头定点喷药。Lamm等建立了一个实时的棉田杂草视觉识别系统，识别杂草并进行喷药[6]。虽然欧美国家智能除草技术的研究主要针对旱田作物，但其技术带动了除草剂变量喷施、减量化学投入技术的发展，为水田智能除草机器人的开发提供了技术基础。1.2日本

亚洲国家的水稻种植方式通常以移栽为主，其中日本水稻移栽装备与机械化水平最高。近年来，有机农业在日本发展迅速，有机稻米颇受消费者的青睐，因此，根据市场的需求以及有机稻栽培的生产要求，一些研究机构和农机生产企业开发了水田除草机。市场上出售的水田除草机按照行走方式主要分为步进式和乘坐式2种，其中乘坐式又可细分为三轮乘坐式和四轮乘坐式，不同机种除草部件的相应结构如表1所示。

收稿日期：2010-12-21修订日期：2011-02-25

基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助2007[14]；高等学校博士学科点专项科研基金（20104404120002）广东省高等学校人才引进科研资助2008[86]

作者简介：马旭（1959－），男，汉族，辽宁沈阳人，教授，博士生导师，主要从事现代农业技术装备方面的研究，农业工程学会会员。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:maxu1959@tcsau.edu.cn

※通信作者：齐龙（1979－），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，助理研究员，博士，主要从事现代农业技术装备与精准农业方面的研究，农业工程学会会员。广州华南农业大学工程学院，510642。

第6期齐龙等：水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

163

表1日本主要水田除草机类型

Table1

MaintypeofpaddyweedingmachineinJapan

行走除草部件除草部件样式

方式安装位置代表型号

厂家

行间株间步进式

拖拉机前方（两轮）

除草辊

转动弹齿盘MSJ-4(W)和同产业转动伞状盘

MSJ-6(W)SMW美善SJVP6(8)D

洋马农机旋转耙齿

摆动梳齿

SJ-6(8)N久保田拖拉机尾部（四轮）

SJ-6(8)IVZ

井关农机

摆动乘坐式

梳齿摆动梳齿井关农机耙齿

固定除草钢丝LVW-6(8)三菱农机固定除前后轮之间草钢丝MRW-5三菱农机

（三轮）

除草辊

转动弹RW-40齿盘

RW-50RW-80

实产业

1.2.1步进式水田除草机

图1a所示的和同产业MSJ-4型步进式水稻田间除草机[7]，行间除草部件为随动的除草辊，株间除草部件为一对驱动转动的弹齿盘。该机工作时水深为8～10cm，作业速度为0.2～0.3m/s时，作业效率为为0.4～0.6hm2/h[8]。此外，美善株式会社研发的步进式水田除草机的株间除草部件也具有一定特色，株间除草工作由一对随动转动的伞状除草盘完成，行间除草部件与洋马步进式除草机类似[9]，如图1b所示。步进式除草机的优点是其在地头转向灵活，伤苗较少，但其工作效率较乘坐

式除草机低。

a.和同产业MSJ-4型

b.美善SMW型

图1步进式水田除草机

Fig.1Paddyweedingmachineofwalkingtype

1.2.2乘坐式水田除草机

1998年至2000年期间，日本生研机构、井关和久保田公司合作开发了一种高精度水田除草机[10]，且于2003年上市出售。结构相似的产品有洋马SJVP系列、久保田SJ-6(8)N系列和井关SJ-6(8)IVZ系列，如图2所示。该类产品的行间除草部件为旋转耙齿，株间除草部件为摆动梳齿。以久保田SJ-8N为例，机具工作时，驱动高速转动（100～200r/min）的耙齿除去行间杂草，沿机具前进方向左右摆动(频率3.7～7.3Hz)的梳齿完成株间杂草的去除工作。其行间除草作用幅宽为18cm，作业深度4～6cm；株间除草作用幅宽13cm，作业深度2～4cm。该机作业速度为0.4～0.6m/s，作业效率为1.3～2hm2/h[11-12]

。

b.久保田SJ-8N

a.洋马SJVP8D型

c.

井关SJ-8IVZ型图2旋转摆动式水田除草机

Fig.2Paddyweedingmachinesofrotatingandswingtype

生研机构还研制了一种行、株间都应用摆动梳齿除草的水田除草机，并由井关公司试制，如图3所示。在生研机构附属农场对以上2种除草机的除草性能进行了比较试验，如表2所示，试验结果表明驱动转动式的除草部件较摆动式除草部件的行间除草效果好，行间平均除草率可达到85%以上，摆动梳齿式株间除草器的平均除草率在40%～50%

之间。

图3摆动式水田除草机

Fig.3Paddyweedingmachineofswingtype表22种除草机作业性能

[13]

Table2

Workingperformanceoftwokindofweedingmachines

除草率/%

机具样式

除草位置

06-20

06-2707-04全作业行间86868888转动摆动式

株间56114241平均

73445762行间

41—9549摆动式

株间—09043平均

24

—

93

48

注：1.插秧日期06-09；2.除草率/%：（作业前杂草数-作业后杂草数）/作业前杂草数；3.行间调查区：20cm×50cm；株间调查区：10cm×50cm；4.平均值为3个行间与3个株间调查区合计面积内的除草率

三菱乘坐式水稻田间除草机有三轮和四轮2种，如图4所示。株间除草部件均为固定机架上的除草钢丝[14]，行间除草部件有随动耙齿和除草辊2种。图4a所示的三菱LVW-8型除草机株间除草作业深度为3～5cm，作业幅宽16cm。该机作业速度约为0.8m/s，作业效率为3.3hm2/h左右[15]。

164

农业工程学报2011年

a.三菱LVW-8型b.三菱MRW-5型

图4三菱水田除草机

Fig.4PaddyweedingmachinesoftheMitsubishi

此外，实产业公司生产的三轮乘坐式水稻田间除草机，其株间除草部件为羽轮结构[16]，如图5所示。三轮乘坐式除草机除草部件在前后两轮之间，在作业过程中，

更有利于操作者观察，可减少除草过程中对稻苗的损伤。

图5RW-50型水田除草机

Fig.5PaddyweedingmachineoftheRW-50type

目前日本市场上出售的水田除草机种类较多，已经在水稻生产中实际应用，但机械除草效果（除草率）仍较化学除草有很大差距，尤其是株间除草率不高，因此，急需加强对株间除草部件的研究和改进，改善株间除草效果。

1.3中国

中国早在20世纪50年代开始机动水田中耕除草机的研究，到20世纪80年代初相继有十余种机型。如浙江省机械科学研究所设计的立旋式水稻中耕除草机[21]；东北农学院研制的SZD-6旋耕式水田中耕除草机[22]等，但当时研制的除草机只适用于行间除草，而不能除掉株间杂草。随着除草剂在中国水稻生产中的广泛应用，在相当一段时间内，水田机械除草方式在中国几乎绝迹。近年来，随着人们对环保和健康的重视，减量或无化学药剂除草方式得到提倡，水田机械除草技术又被重新关注，部分研究机构和农机企业研制了新型水田除草机，但目前仍未大面积应用。图6为南京农业机械化研究所研制的2BYS-6型水田中耕除草机[23]，其行间采用旋转部件，株间使用摆动部件除草，经鉴定相对除净率为78.1%。

延吉市农机推广中心研制生产的3ZS—1水田除草机应用水平旋转的除草刀和起垄部件，把泥水覆盖到杂草上，致使其停止生长，该机既能消灭行间杂草，又能消灭株间杂草[24]。东北农业大学设计了一种株间除草装置，通过钢丝软轴驱动弹齿除草盘转动，将土壤搅动、翻转并连同杂草翻出地表并将其覆盖，完成除草作业，除草率可达70%以上[25]。

中国水田行株间除草机研究尚处在理论和试验研究

阶段，尚未完成成熟；高地隙水田拖拉机的研究滞后，

1.行间旋转除草部件2.株间摆动除草部件3.动力传递系统4.机架5.液压仿行机构

图62BYS-6型水稻田间除草机

Fig.6Paddyweedingmachineofthe2BYS-6type

也是制约水田中耕除草装备发展的主要原因。目前，日本市场上出售的水田除草机尚未对中国市场开放，因此，急需借鉴国外先进的技术并结合中国水稻生产实际，开发水田中耕除草装备，为中国有机稻米的生产提供技术保障。

1.4亚洲其它主要水稻种植国

亚洲一些水稻主产国如印度、印尼、孟加拉等国家，水田杂草防治主要以化学防治为主，辅以简易除草器[17]或人工除草。近年来，印度也有机动水田除草机的研究，仅能进行行间除草，Tajuddin等研制的水田行间除草机可同时进行3行作业，作业效率为0.075hm2/h[18]。

韩国水稻机械化种植程度较高，目前杂草防治也主要以化学防治为主[19]。部分机械除草设备主要从日本引进，然后结合当地实际，对除草关键部件进行改进，最后通过试验取得了良好的除草效果[20]。

2水田机械除草关键部件研究现状

水田机械除草关键部件通过与稻田泥土、杂草的相互作用，完成杂草拔出、拉断或埋压等除草过程。机械除草技术的关键是除草部件的工作原理和执行效果。目前，水田机械除草关键部件从工作原理上可分为：机械式、机械气力式及机械液力式等。2.1机械式

目前，水稻行间杂草机械式除草技术已经相对成熟。由于，水稻行间无稻列干扰，可使用旋转、抛切、拉拔或埋压等机械动作，完成行间除草作业，而不必担心稻苗损伤。常用的行间除草器通常为转动的除草辊或除草齿爪，行间除草部件如图7

所示。

a.笼辊式b.麻花齿辊式c.双排耙齿式d.单耙齿式

图7几种行间除草部件

Fig.7Severalinter-rowweedingparts

第6期齐龙等：水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

165

株间除草主要是根据移栽水稻田杂草与稻株根系深浅差异，控制除草部件工作深度，除去杂草而不损伤稻苗。水田株间除草部件的动作方式一般有3种，即对转式、摆动式和固定式，如图8所示。对转式株间除草通常是由两个作相对转动的弹齿盘，或者其变形形式拔出株间杂草，由于弹齿或其它弹性材料的弹性特征，可减少稻苗损伤；摆动式株间除草即通过与稻列垂直方向作往复摆动的梳齿完成与杂草的相互作用，完成除草工作；固定式株间除草使用固定机架上的除草钢丝，通过调节其倾斜角度和高度改变作业深度，通过调节内侧除草钢丝的上下位置调节除草作业强度，机具工作时，株间除草部件横跨在秧苗列两侧，随着机具前进拖、拔或埋没株间杂草。目前，3种不同动作方式的株间除草部件的除草效果无明显差异，除草率均在50%

左右。

a.

对转式

b.

摆动式

c.固定式

图8常用株间除草部件

Fig.8Severalintra-rowweedingparts

2.2

机械气力式

机械气力式除草技术应用机械式和气力式2种除草方式联合除草。一般来说，水稻行间杂草采用机械式方法去除，株间杂草利用高压气体吹除。图9

所示的是日精电【田间锄草机】

1.电源2.空气压缩机3.电动机4.气管5.压铁6.喷射口

图9机械气力式水田除草机

Fig.9Paddyweedingmachineofmechanicalandpneumatictype

机和エムケー公司发明的机械气力式水田除草机[26]，行间除草部件为随动转动耙齿，株间采用高压气体配合机械拍打运动除草。株间除草的工作原理是电源带动空气压缩机工作，形成高压气体，通过管路至喷射口吹出，喷射口顶部的压铁材料不断拍打泥土，完成杂草的吹出和打压动作，除去株间杂草，由于移栽稻稻株根系比杂草根系发达，气流仅将稻株吹至变形，却不损坏稻苗。2.3机械液力式

机械液力式除草技术行间应用机械部件除草，株间由高压液体除草。图10所示石井农机公司发明的水田除草装置[27]，行间杂草采用除草辊去除，株间杂草使用高压液体冲洗杂草根部，使其漂浮、枯萎。石田恭正等人研究应用高压水流除草技术，研究了压力、喷射距离、喷口直径、喷射角度和机具行驶速度对切断效果的影响[28]

。

1.浮板2.液体管路3.机架4.行间除草部件5.株间除草部件

图10机械液力式水田除草机

Fig.10Paddyweedingmachineofmechanicalandhydraulictype

除了上述介绍的几种除草技术外，也有应用电力和热力除草的研究，但目前尚未应用到水田中，仅对旱田进行了试验。电力式除草原理主要依据的是杂草和作物对电流敏感程度的差异，强电流能有效地消除杂草，而对农作物无害[29]；热力除草方法是通过专门器具用丙烷火焰把杂草烧热，使杂草细胞受热膨胀，胀破细胞壁，蛋白质凝固，使杂草枯萎，除草率可达到80%以上[30]。随着相关技术的成熟和发展，这两种新型的除草技术有望应用于水稻田间除草的实际生产中。

2水稻田间机械除草技术发展趋势

水稻田间机械除草装备和技术的研究取得了一些研究进展，但是水稻株间机械除草效果仍然有待提高。为了提高除草精度，减少伤苗率，降低能耗，水田机械除草技术应朝着智能化、仿生化和多技术联合化发展，使机械除草技术在水稻生产中得到更多的应用并发挥更大的作用。

2.1智能机械除草技术

智能机械除草技术是指除草机械具有智能识别功能，能够识别或感知杂草的分布信息、位置、密度等生长情况，进而指令除草执行部件精确去除杂草的技术。应用机器视觉技术识别农田杂草的研究较多，比较成熟的专用杂草识别产品如美国NTech公司生产的WeedSeeker[31]。由于杂草与稻株在生长过程中有时相互遮掩，仅利用机器视觉技术并不能完全将杂草识别出来，

166

农业工程学报2011年

因此，还需要一种新的智能识别技术作为视觉识别技术的补充。机器触觉技术利用触觉传感器与被测物体的接触感知与接触有关的感觉，不同被测物的触觉不同，可用来补充视觉所不能识别的情况，如杂草与作物的相互遮掩情况。如果将机器视觉技术与机器触觉技术相融合，一定能够提高水田杂草的识别精度。近年来，日本已有水田智能除草机器人的研究[32-33]，主要应用机器知觉技术识别杂草，实现智能机械除草。如果除草机上配套杂草智能识别系统，一定能够提高除草效果，减少除草过程中对稻株的损伤。2.2仿生机械除草技术

仿生机械除草技术是指对食草动物和土壤动物的生物性能和行为进行模仿，将其结构特征、运动机理以及行为特征运用到除草机械的设计中，完成仿生机械除草的技术。自然界的生物经过千万年的优胜劣汰的进化过程，形成了具有特殊功能的本领[34]。如土壤动物的遇黏不粘功能，某些食草动物食草不食稻的特殊习性，如果能够应用机械仿生的相关理论，融合土壤动物和食草动物的生物功能，设计仿生除草关键部件，一定能够改善除草效果、降低伤苗率，降低机械能耗、提高工作效率。因此，仿生机械除草技术的研究，也是水稻田间机械除草技术发展方向之一。2.3多技术联合除草

多技术联合除草方式将多种除草技术，如机械除草技术、化学除草技术、生物除草技术以及其它方式的多种除草技术有机结合在一起，提高除草效果。目前，水田株间机械除草方法的除草精度不高，如果一台除草机上行间杂草采用机械除草方式，株间杂草采用化学除草方式，这样既能提高除草率，又能减少除草剂的施用量[35]。此外，据报道稻糠除草[36]、稻鸭共育[37]、纸膜覆盖[38]等有机稻田草荒控制技术也有较好的除草效果。因此，合理、有效地将机械除草技术与其它各种除草技术有机结合，形成系列化的联合除草技术，也是水田机械除草技术发展趋势之一。

3结论

在水稻机械化生产中，中耕除草机械的研究相对落后，国内外研制的除草机械，株间除草率都比较低，除草精度还有待提高。

中国各大稻区目前以喷洒化学药剂除草为主，然而化学除草带来的环境污染和食品安全问题已不容忽视，随着除草剂减量防除和有机稻田草害控制技术的发展，机械除草技术将以其独有的优势（机械除草不仅能有效控制稻田草害，而且有利于水田有害气体的排除，增加氧气；提高地表温度；促进肥料吸收；促进根系发育等）在稻田的杂草控制中起重要的作用。

研制高精度的水田除草机已经是水稻生产上的迫切需求。本文在总结了国内外水稻田间机械除草装备和技术的基础上，提出了水稻田间机械除草技术应向智能、仿生、多技术联合方向发展，以提高除草精度和除草效果。

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