沈 帥，何義川，楊 毅，弋曉康，湯智輝

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木綠洲農(nóng)業(yè)教育部重點實驗室（塔里木大學），新疆 阿拉爾 843300；3.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；4.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000）

0 引言

果樹及果實在食品、化工、醫(yī)療、生態(tài)等領域可以產(chǎn)生巨大的效益，并帶動地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截止到2021 年底我國果園種植面積為12 808 000 hm2[1]。果園除草是利用機械機具或者化學藥劑清除果園中的雜草，避免雜草與果樹爭水搶肥，是果園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)研究證實，雜草可使果園果樹減產(chǎn)10%～20%，而果園除草后可減少水分蒸發(fā)15%左右，土壤保水率增加33%[2]。去除雜草可抑制病蟲害，防止病蟲害侵染果樹造成減產(chǎn)，也能減少雜草與果樹根系之間的養(yǎng)分爭奪，改善土壤的理化性質(zhì)，特別是旋耕機械除草后還可以改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)，增加有機質(zhì)，提高土壤蓄水保墑的能力，利于果樹的增產(chǎn)增收[3-4]。

化學藥劑與農(nóng)業(yè)機械機具在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中均發(fā)揮著重要的作用，它們能夠增加產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保護生態(tài)環(huán)境等。其中，化學藥劑主要用于防治病蟲害和雜草，機械機具主要用于種植、植保、收獲等作業(yè)。在化學藥劑方面，目前研究的重點是綠色、環(huán)保型農(nóng)藥的研發(fā)和應用。傳統(tǒng)的農(nóng)藥有損作業(yè)人員的身體健康，對環(huán)境的污染也越來越大[5]，因此，開發(fā)更安全、更環(huán)保的農(nóng)藥是大勢所趨，并且基于農(nóng)藥應用的準確性和效果，精準農(nóng)藥噴灑技術(shù)、藥劑配方控制可靠性等方面的研究也在不斷推進[6-7]。在機械機具方面，農(nóng)機設備的智能化和自動化程度越來越高，越來越多的智能化機器人投入使用，極大地解放了人力；多種機具的集成化也成為了重點研究方向，如集成化的種植與灌溉一體化機械等。這些新技術(shù)的應用可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減輕人員勞動強度。

1 果園除草技術(shù)研究現(xiàn)狀

在果園管理過程中，雜草除了與作物爭水搶肥，雜草根分泌的毒素也影響著果樹生長，從而導致果樹減產(chǎn)[8]。現(xiàn)有的除草技術(shù)有生物克制除草、化學除草、機械除草等。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中，農(nóng)業(yè)作業(yè)主要由人工完成，農(nóng)民勞動強度大，作業(yè)效率低。英國人普拉克內(nèi)特在十九世紀初發(fā)明了第一臺割草機，可以在收割谷物時連帶雜草一起割除，極大解放了勞動力。1830 年比爾布丁發(fā)明了滾筒式割草機，后面被廣泛的應用于修剪綠化帶。目前，美國的迪爾和紐荷蘭是最大的農(nóng)機制造公司，現(xiàn)有13 個品種和49 個機型，其中牽引式往復割草機、自走式割草壓扁機設備處于世界領先地位。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，智能化的割草機已經(jīng)廣泛被使用，通過控制系統(tǒng)、視覺識別、路徑規(guī)劃等完成割草作業(yè)，無需人工參與。

在我國，七十年代至今旋轉(zhuǎn)式割草機得到快速的發(fā)展，取得了很大的進步[9-10]，上海天堤機械設備有限公司和洛陽馬斯特拖拉機有限公司生產(chǎn)的割草機等田間管理機械，采用無線遙控技術(shù)，遙控距離可以達到150 m。研究并推廣高效、安全、可持續(xù)發(fā)展的除草技術(shù)及相關(guān)設備，推進果園生產(chǎn)增收增產(chǎn)，是果園田間管理機械發(fā)展的趨勢。

2 果園除草工藝及相關(guān)技術(shù)

2.1 化學除草工藝

無論是傳統(tǒng)的人工除草還是機械機具除草，都要對土壤進行翻耕作業(yè)，但對果園土壤進行頻繁的疏松會破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，不利于水分滲透，從而導致霉菌感染[11]。1932 年，二硝酚的發(fā)明，推動了工業(yè)除草劑產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展?；瘜W除草是通過使用化學藥劑抑制雜草中蛋白質(zhì)及其他元素的合成來抑制或殺滅雜草。需要注意的是，噴藥應在無風條件下，溫度10～30 ℃為宜，土壤干燥時不適宜噴藥[12]。在噴施藥劑的過程中，要根據(jù)雜草發(fā)芽前和雜草成草后這2種不同生長階段選取不同的化學除草劑。

2.1.1 雜草發(fā)芽前噴施藥劑類型

這一類型的使用方法是在雜草冒出地面前或發(fā)芽期在果園地面表層土壤進行均勻噴霧，噴灑后在土壤表面形成藥層，雜草發(fā)芽時接觸到藥層表面致死，其有效周期為30～60 d 左右，某些除草劑品種的有效期更長。由于在沙性土壤中藥層形成不穩(wěn)定，故在西北地區(qū)等沙質(zhì)果園土壤除草中難以適用。幾種常見的雜草發(fā)芽前藥劑如表1 所示。

表1 常見的雜草發(fā)芽前藥劑

2.1.2 雜草成草后噴施藥劑類型

這一類型的除草劑在雜草生長期使用，按照推薦用量和兌水量均勻噴施于雜草葉片，通過觸殺或葉片吸收后傳導，導致雜草光合作用、呼吸作用停止，破壞雜草生理過程中必需的生物酶等，使雜草死亡。幾種常見的成草后除草藥劑如表2 所示。

表2 常見的成草后除草藥劑

無論是發(fā)芽前還是成草后噴施化學藥劑，對于作物和土壤都有一定的污染，而這種污染隨著農(nóng)戶噴施藥量的不同有所差異[14]，但多數(shù)的農(nóng)戶沒有接受過科學的噴施培訓教學，在噴藥作業(yè)過程中多數(shù)會加大劑量，這就加劇了對果樹和土壤的污染，甚至會對作業(yè)人員的身體造成一定危害。為減少化學藥劑的污染，未來應研制低毒無污染的有機化學藥劑，并加強對農(nóng)戶的培訓，增強其防范和環(huán)保意識[15]。

2.2 生物除草工藝

生物除草指利用生物之間的克制關(guān)系消滅雜草，既存在植物之間的克制，又有動物對植物的覓食消除。這種方法不僅可以防治雜草、消滅病蟲害，還能獲得肉蛋等副產(chǎn)品，動物糞便中的氮、磷、鉀還可以為果樹提供養(yǎng)分，缺點是動物食性較單一，部分雜草不能被動物接受[16-18]。目前還提出一種植物之間的抑制，即植物防控除草，其原理為種植防治草，利用生物群落競爭關(guān)系遏制某些惡性雜草的滋生，種植綠肥作物還具有增加土壤有機質(zhì)含量、提高并保持地溫、維持土壤酸堿平衡等優(yōu)點，但由于技術(shù)不成熟仍未普及。

2.3 機械除草工藝

機械除草是利用各種形式的除草機械和表土作業(yè)機械切斷草根，干擾和抑制雜草生長，達到控制和清除雜草的目的。傳統(tǒng)的機械除草是利用微耕機、割草機、彈齒耙等切割和翻耕的方式殺滅雜草：微耕機通過動力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)割刀，然后對土壤進行深松，將雜草覆蓋到地下，從根部消滅雜草；割草機利用割刀將雜草莖部剪斷，不與土壤接觸，可以避免土壤的沙化，保護土地資源；彈齒耙無需動力傳輸，使用拖拉機進行牽引作業(yè)，可以將雜草根部鏟除，并且不會對土壤深層產(chǎn)生影響。果園除草機械可分為行間除草和株間除草，傳統(tǒng)除草作業(yè)多采用機械對行間雜草進行清除，果樹株間則多采用人工進行簡單清除。隨著科技的發(fā)展，研究人員研制了一系列可以進行株間除草的機具。

2.3.1 果園行間除草機械

在果園前期的種植過程中，通常使用鏵式犁和圓盤耙對果園進行整地作業(yè)，通過土壤的翻耕將雜草覆蓋在地下，達到消滅雜草的效果，如圖1 和圖2 所示。張斌等[19]開發(fā)了一款彈尺式除草機，如圖3 所示，該機采用彈簧鋼材料制成，使彈齒耙具有一定的彈性，能夠在遇到障礙物時不易受損。彈尺的顫動不僅增強了除草和碎土的能力，還在松土方面取得了良好的效果。該機適用于果園中的耕除草作業(yè)，經(jīng)過樣機試驗表明可靠性能夠滿足果園作業(yè)的要求。

圖1 鏵式犁

圖2 圓盤耙

圖3 彈尺式除草機

在目前的除草機械中，旋轉(zhuǎn)式割草機應用最廣泛，如圖4 所示。劉學串等[20]研制的9GS-2.0 割草機不僅適用于平地，還可以在斜坡進行割草作業(yè)。在試驗驗證中，該割草機的割茬高度為52 mm，工作效率達到了1.18 hm2/h，碎草性能良好，各項指標均達到了設計要求。此外，賀占清等[21]通過試驗驗證了往復式割草機的優(yōu)越性。當往復式割草機的振動頻率為9 Hz 時，該機能夠保持較高的工作效率，同時降低了切割失效的可能性（見圖5）[22-24]。隨著現(xiàn)代科技的進步，農(nóng)業(yè)裝備逐漸朝著智能化方向發(fā)展。張博遠[25]基于PixHawk 開源硬件系統(tǒng)設計了一款智能履帶式割草機，如圖6 所示。該設計采用外接GNSS-RTK 高精度衛(wèi)星信號接收機，支持多模多頻模組和網(wǎng)絡RTK 技術(shù)，實現(xiàn)了厘米級高精度定位輸出。這款智能割草機能夠通過智能導航系統(tǒng)完成除草作業(yè)，為現(xiàn)代果園除草提供了高效、精準的解決方案。

圖4 旋轉(zhuǎn)式割草機

圖5 往復式割草機

圖6 智能履帶式割草機

針對不同地形的果園，選擇合適的除草部件可以更加高效地完成除草作業(yè)。當前行間除草機械發(fā)展較為完善，可以滿足多數(shù)地形的要求，但在除草作業(yè)過程中仍多采用拖拉機牽引作業(yè)，作業(yè)人員要全程參與作業(yè)，增加了作業(yè)人員的負擔。為了進一步解放勞動力，應結(jié)合相關(guān)智能和信息化技術(shù)，研發(fā)推廣無需人工參與作業(yè)的智能除草機械裝備。

2.3.2 果園株間除草技術(shù)

株間除草是在利用割草裝置在不接觸樹干的情況下將果樹株間雜草清除，主要是利用傳感器感應樹干位置，并利用執(zhí)行裝置帶動割草裝置運動來避開樹干。在傳統(tǒng)果園作業(yè)過程中，株間雜草采用人工割除或者不割除的方式，需要耗費大量的人工，除草效率低下，未除凈的雜草也會影響果樹的生長，降低了果品質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，株間除草很有必要。針對果園避障除草目前的研究主要分為傳感器感應型、網(wǎng)格化環(huán)境模型、視覺處理、感應觸桿型等類型，各類型避障方式及機械特點如表3 所示。

表3 避障方式及機械特點

現(xiàn)階段的株間除草多采用機械接觸式避障株間除草，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但是由于接觸樹干，會對樹干造成損傷?；诟袘降闹悄鼙苷虾芎玫貜浹a了這個問題，但是不同傳感器的使用對于避障的靈敏性也存在差異，驗證不同傳感器的避障效果和作業(yè)效率對于株間除草具有實際意義。

2.4 其他除草技術(shù)

2.4.1 激光除草

激光除草是指利用短時間高強度激光束照射雜草，雜草內(nèi)細胞水分子吸收一定波長內(nèi)的激光從而產(chǎn)生高溫，使雜草細胞裂解達到除草的目的，目前常采用CO2激光，其性質(zhì)為遠紅外激光。激光除草具備精度高、無侵害性、作業(yè)速度快、效率高等優(yōu)勢，但需要考慮投資成本、技術(shù)可行性和特定農(nóng)業(yè)環(huán)境的適用性。當前對于激光除草的研究較少，潘雷等[32]利用機器視覺技術(shù)對雜草進行識別與定位,設計了一種包含電腦、控制器、激光器、透鏡和振鏡系統(tǒng)的除草裝置，利用激光對區(qū)域內(nèi)的雜草進行殺滅。昆明理工大學吳旺旺[33]設計了一種激光除草機器人，以定位基準作為識別的目標再經(jīng)圖像處理進行分區(qū),準確的識別并殺死雜草。

2.4.2 火焰除草

火焰除草是通過使用化石燃料尖端點燃得到較大擴散面的高溫火焰，使得植物脫水死亡?；鹧娉輰﹄s草的抑制效果和尖端火焰擴散度、燃料種類、雜草品種、環(huán)境溫濕度與葉表含水量等多種因素有關(guān)[34]。ANNE MERETE RASK 等[35]指出重復的火焰除草可抑制雜草的生長?；鹧娉萦糜诠麍@雜草防治具有作業(yè)速度快、防治效果好的優(yōu)點，但因其燃料價格高、火焰控制難等因素未被廣泛應用。

2.4.3 覆蓋除草

覆蓋除草是指用除草布、黑色地膜、秸稈等附著物覆蓋地面，通過阻止草類植物接受光照或膜下高溫殺死雜草。覆蓋除草可以抑制雜草生長，保持土壤濕潤，減少除草劑的使用，但成本較高，適用性和不同作物對于覆蓋物的敏感度等問題阻礙了其推廣。除草布是聚乙烯、聚丙烯合成材料，厚度約為地膜的5 倍，可回收多次利用，經(jīng)研究表明，除草布對于單子葉植物的殺傷力強，對于雙子葉雜草的殺傷力較弱。云南優(yōu)力農(nóng)業(yè)發(fā)展公司的葉飛洲[36]設計了一種果園專用的快速收放除草膜裝置，通過收放卷軸與張緊導向軸的作用，可簡易快速地完成收放除草膜作業(yè)。黑色地膜遮光率大于95%，覆蓋后利用其吸熱特性產(chǎn)生高溫而除草。目前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)常使用覆蓋除草與化學除草相結(jié)合的方法以達到最佳的除草效果，即覆蓋前噴灑除草劑或覆蓋涂抹除草劑的膜類，地膜下可使用乙氧氟草醚乳油、仲靈·異噁松乳油等（煙田膜下仲靈·異噁松乳油試驗總防效95%左右）[37]，未蓋膜的果園可以選用5%精喹禾靈乳油。

2.5 化學與機械相結(jié)合除草

化學與機械相結(jié)合除草是目前新興的除草理念，其結(jié)合了噴灑除草劑與機械切割除草技術(shù)或翻耕后土層土壤中混入除草劑的雙重優(yōu)勢，具有除草徹底、反復率低等優(yōu)勢。許敏[38]設計了一種果園松土除草裝置，該裝置結(jié)合化學除草與機械除草技術(shù)，通過翻土輪松翻土壤，將藥液箱中的藥液噴灑到土層中以達到除草的目的。江蘇省農(nóng)業(yè)科學院的呂曉蘭等[39]采用化學與機械除草一體技術(shù)發(fā)明了除草裝置，在割草噴藥的同時，噴頭既可以對損傷的雜草進行進一步的消除，也可以對圓盤內(nèi)的雜草殘留進行清理。中江澤含良福農(nóng)業(yè)公司的姚澤富研發(fā)的一種果園高效除草設備，設計了滾筒式切草刀，并在滾筒一端有進液孔以在切草同時注入除草劑，從而完成雙重高效的除草作業(yè)。

3 關(guān)于果園除草技術(shù)發(fā)展的建議

1）化學藥劑的無污染化。在施用完除草劑后，果園作物和土壤中都會有藥物殘留，在下季作物種植時殘留的藥物毒性會影響作物的生長，造成減產(chǎn)甚至顆粒無收。有機型化學除草劑毒性較小，有些甚至可以被作物的根莖吸收，應加大這方面的研究，在保證藥劑無毒的同時降低雜草的耐藥性。

2）加強專業(yè)培訓。加強對果園管理人員和農(nóng)民的培訓，通過化學藥劑使用宣講，傳授他們有效的除草技術(shù)和管理方法，從而提高果園除草的效率。

3）研發(fā)智能化除草裝備。借助先進的技術(shù)，如機器視覺和人工智能技術(shù)，開發(fā)智能除草裝備系統(tǒng)，通過識別和定位雜草并利用機械設備或激光技術(shù)進行精準除草，減少對作物的誤傷。