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国内外机械式苗间除草装备与技术的研究概况及趋势

时间:2014-10-08 来源:未知 作者:小韩 本文字数:4051字
论文摘要

  引言

  农田杂草是农业生态系统中的一个组成部分,它直接或间接影响农业生产,若不将其除去,势必与农作物争夺养分、水分、光照和空间,传染病虫害,影响农作物生长发育,进而造成作 物 减 产、品 质 降低。据联合国粮农组织( FAO) 报道,世界粮食产量因遭受草害平均损失 10% 左右,损失粮食为 2. 9 亿t。我国因杂草引起的粮食损失也约占总产量的10% ,每年损失粮食就有上百亿千克。化学药剂除草是目前应用最广泛的一种除草方式,具有快速、高效、经济等特点,85% ~ 100% 的作物生产中使用了除草剂。然而,20 世纪 80 年代以来,世界范围内除草剂的大量使用带来了生态环境污染、杂草抗药性增强、生物多样性减少等诸多问题。由于人们对环境保护意识的增强及对食品质量安全问题的重视,一些国家政府做出了限制使用化学除草的规定。例如,欧盟 2092/91 条例明确规定,有机农田中只能使用非化学方法除草,如人工除草、机械方法除草等。由于人工除草工作效率低、劳动强度大,而机械方法除草工作效率高、对环境污染小,符合绿色农业的发展需要,故机械除草被视为有机农业种植过程中最佳的除草方式。

  机械除草作业是农业可持续发展的一项关键性生产技术。目前,传统方法可以除去 80% 的行间杂草,但苗间杂草对作物的生长发育有更大的影响,而杂草控制的最大难点也在于苗间杂草的防除。本文将介绍国内外机械式苗间除草装备与技术的研究现状,并指出我国苗间除草装置研究的发展趋势。

  1 国外苗间除草装置研究现状

  作为保护性耕作的关键技术,国外从 20 世纪 50年代就开始了对机械除草技术的研究。经过多年的研究改进,目前已经形成了一整套成熟的保护性耕作农机具。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别,因此本文将国外苗间机械除草装置分为两类介绍: 一类适用于旱田作物( 如小麦、玉米、大豆等) ,此类机械在美国、加拿大及欧洲国家发展迅速; 另一类适用于水田作物( 如水稻) ,水田除草机械日本发展水平最高。这些机具经过多年的研究和生产运用,基本上能够满足作业要求。
  
  1. 1 旱田苗间除草装置研究现状

  Dedousis 等人设计了一种控制苗间杂草的旋转阀掰锄,如图 1 所示。【图1】

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  其旋转中心沿与作物行有一定距离且与作物行平行的直线移动,锄上切除部分使锄通过作物时避免与作物接触,而锄体在通过苗间区域时破坏土壤,从而达到保护作物除去杂草的目的。田间试验表明,选用直径 175mm、切除部分 156°的圆盘和约 15mm 的入土深度能取得较好效果。另外,在机器前行速度0. 5m / s 的情况下,该机构除草率超过 87%。

  Vale. S 等人研制的苗间除草装置利用红外线传感器检测作物,当检测到作物时,信号传输至计算机,计算机通过控制命令驱动执行机构将锄刃离开作物以避免对其损伤,之后又回到原位进行除草作业。

  据报道,此装置在高达 5cm、8 个叶片、株距在 17 ~18cm 的生菜田间进行试验,性能良好。同样利用红外线传感器检测作物,荷兰瓦格宁根大学研究的苗间除草系统中,两条或多条除草刀装在垂直旋转的圆盘上,当检测目标为杂草时,圆盘高速旋转,除草刀展开伸出至作物苗间将杂草切断; 当目标位作物时,转速降低收回除草刀,避免除草刀与作物接触而损伤作物。C. Cordill 和 T. E. Grift 研制了一种利用激光控制的用于玉米苗间除草的装置。该装置由 4 组激光发射器和相应数量的、与之有一定距离的接收器组成。4 组激光发射器与接收器均平行于地面且处于垂直地面的平面上,当玉米茎和杂草位于发射器和接收器之间时会产生二进制的脉冲,累积脉冲达到 4 组时即可判断此组脉冲对应的是玉米茎,其余为杂草。该装置在不同条件下伤苗率不同。田间试验分析表明,在 3 行玉米苗间无草、3 行玉米苗间充满阔叶杂草、3行玉米苗间充满禾本科杂草的情况下,伤苗率分别为8. 8% 、23. 7% 、23. 7% ,更深入的研究尚在进行。

  德国波恩大学开发了一种苗间除草系统,如图 2所示。该系统由执行机构、速度检测器、数据采集单元和作物识别系统等组成。控制软件根据株距、当前锄臂位置对数据采集单元所收集的作物识别、机器前进速度、电机旋转速度等相关数据进行实时计算,进而调整执行机构的旋转速度。据报道,该系统可用于缺苗、株距不一致等情况,但至 2007 年仅在虚拟环境中实现。

  一种基于 GPS 的苗间除草实时控制系统由M. Pérez - Ruiz 等人研制成功,它由苗间除草刀、GPS及实时控制系统( RTK) 组成。当监测系统 RTK-GPS确定当前的植物为作物时,苗间除草刀自动张开以避免损伤作物,随后关闭进行苗间杂草控制作业。对682 颗番茄田间试验表明,前进速度为 0. 8、1. 6km /h情况下,没有伤苗出现。据报道,此技术可行,将来的研究工作在于评价此技术是否具有实在的经济价值。

  欧美地区发达国家研制的苗间除草装置所用技术先进,而由于经济发展、土地条件等因素不同,我国仍需结合本国国情、因地制宜地研究本国当地所需的机械除草装置与技术。【图2】

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  1. 2 水田苗间除草装置研究现状

  日本的水田除草机研究水平较高,市场上常见的机具有久保田公司生产的 SJ-8N 型水田除草机和同产业研制的 MSJ-4 型水稻田间除草机等,其性能如表 1所示。【表1】
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  另外,在水田除草方面,日本市场上还存在机械液力式和机械气力式除草机械。机械气力式机具利用高压气体将苗间杂草吹除; 机械液力式机具利用高压液体冲洗杂草根部,使其漂浮致死。由于水稻根系与杂草根系生理结构不同,此种技术将杂草除去而水稻不受损害,除草效果良好。日本水田除草机苗间除草率虽然不高,但仍可为我国水田苗间除草机械装置提供一定借鉴。

  2 国内苗间除草装置研究现状

  近年来,由于人们对化学除草负面影响意识的增强,我国在苗间除草方面的研究也取得了较快发展,一些科技工作者和研究人员的研究成果初显成效。江苏大学张朋举等人研制的除草装置主要利用轨道变换滑块来实现除草铲齿转轴的上、下移动,同时利用带有螺旋轨道的套管来实现除草铲齿转轴的转动,最终决定铲齿在作物株间间隙内的转人或伸出,从而实现苗间除草和避让农作物的目的。室内土槽实验结果表明: 平均株距 30cm 以上作物的伤苗率小于 10% ,苗间区域杂草控制率为 50%。

  3ZCF- 7700 型多功能中耕除草机由韩豹等人设计,除草作业时,动力驱动苗间松土除草部件前后梳齿盘上的梳齿组件既围绕各自的梳齿盘圆心旋转,又以一定的作业速度前进。前后梳齿盘同转速相对向内旋转的前后梳齿对苗带进行梳理后,苗带被梳齿划出网格状齿迹,使苗带 15 ~ 30mm 厚表土发生位移或翻转,与秧苗相比,扎根较浅的草根系被梳齿破坏或被翻至垄表晒枯而死。试验表明,在梳齿数目为6、梳齿间距 50mm、梳齿盘转速 180r / min 和作业速度2. 3m / s 的条件下,苗间除草装置伤苗率为 2. 73% ,苗间除草率可达 87. 6%。

  车刚等人研究的 3ZFC-7 型全方位复式中耕机苗间除草装置采用除草性能高的单组仿形螺旋梳齿式除草器。工作时,以两个地轮作为驱动器,以链条进行传动,对称分配动力经中间传动轴,将动力分配给每个除草单体和种肥箱下部的槽轮式排肥器,同时进行苗间除草和侧深施肥作业。大豆田间试验表明,伤苗率小于 4% ,苗间除草率 76. 2% 。

  王金武等人设计的水田中耕除草机,其动力由插秧机底盘输出,最终由钢丝软轴驱动苗间除草盘转动,使每对除草盘在垂直于前进方向的平面内转动除草; 采用二次旋转正交试验方法分析了除草盘转速、前进速度和除草深度之间交互作用对除草率及伤秧率的影响。经田间试验验证,苗间除草装置的工作较优参数组合为: 转速 186r/min,机器前进速度 0. 47m/s,除草深度 37mm。此时伤秧率为 3. 9% ,除草率为75%。

  我国对田间除草技术尚处于研究阶段,从国内研究人员所研制除草机械实验数据可以看出,国内苗间除草装置的除草率有待提高,伤苗率有待降低。目前,急需借鉴国外先进技术并结合当地具体状况,研制开发田间除草装备和技术,为我国粮食安全提供技术保障。

  3 我国苗间除草装置研究的发展趋势

  3. 1 多学科多技术联合研究

  目前,单靠传统机械技术研制的苗间除草装置并不能满足当前农业科技发展的需求,运用机械、计算机、自动控制、视觉识别及神经网路等多学科、多技术联合开发智能化苗间除草系统是研究和发展苗间除草技术的必然趋势,从而进一步提高除草效果,降低伤苗率。欧美地区农业机器人研究时间较早,除了使用陀螺罗盘、雷达、激光束等导航设备之外,近些年也有用卫星定位系统。针对路面不平坦和倾斜等问题,采用模糊控制和人工智能等控制方法,实现智能除草。

  3. 2 农机农艺相互配合研究

  苗间除草机械作业环境非常复杂,单靠机器来满足其要求比较困难,因此需要将农业科学与农机紧密配合。研究作物的生长形态、特性及适用于苗间除草的农艺措施,培育出适合苗间除草要求的作物品种,这对提高机械化水平具有重要意义。在改进插秧机工作质量方面,日本研究并实行了旱育稀植方法。

  在此新农艺方式下,日本农机工作者发明了一系列农业机械,为插秧机的工作质量改进和迅速推广起到了决定性作用。因此,苗间除草机械与农艺方式配合研究也可成为苗间除草装置研究和发展的趋势之一。

  3. 3 多功能于一体融合研究

  随着我国农业机械水平与技术的提高,研究具有多种功能的田间机械将成为可能。3ZCF-7700 型多功能中耕除草机将除草、施肥作业装置集于一体,不仅相对于传统节省了研发和制造成本,同时减少了中耕次数。因此,融除草、施肥及灭虫等功能于一体的田间机械也将成为苗间除草装置研究和发展的趋势之一。

  4 结束语

  随着对化学除草危害的重视,机械式环保除草显得越来越重要。目前,我国研究的行间除草装置已可基本满足除草要求,而苗间杂草的精确控制尚有待突破。国外学者对机械式苗间除草装置与技术研究较早,所用技术先进。近年来,国内对此领域的研究也有成效,但尚未能满足现实需求。本文综述了国内外机械式苗间除草装置与技术的研究现状,并结合国外先进技术与我国具体国情,提出我国在苗间除草方面应采用多学科多技术联合、农机农艺相互配合及多功能于一体融合的研究方法研制智能化除草系统,以期提高我国农业机械化水平、保障我国粮食安全生产。

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