果园除草技术的研究现状及发展趋势.pdf

24现代农业装备2024年果园除草技术的研究现状及发展趋势沈帅1,2,3，何义川1,2,3，杨毅1,2,3，弋晓康1,2,3，汤智辉4（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木绿洲农业教育部重点实验室（塔里木大学），新疆 阿拉尔 843300；3.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；4.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000）摘 要：随着我国发展特色林果业相关政策的出台，林果种植面积逐渐增多，同时果园管理问题也日益凸显。在果园种植生产管理过程中，杂草影响了果树的正常生长，降低了果品的产量和质量。目前国内外在果园除草方面开发了多种技术与方式，通过对不同的除草方式进行分析总结，指出不同除草方式的优点和存在的问题，并从化学除草、机械除草2个主要方面总结梳理了当下研究现状及技术应用，提出合理的除草方式，并指出了果园田间管理未来研究的发展趋势。关键词：果园除草；化学药剂；研究现状；田间管理中图分类号：S451.2，S224.15 文献标识码：A 文章编号：1673-2154（2024）01-0024-07收稿日期：2023-07-20基金项目：兵团财政科技计划资助（2021AA005，2021AA0050302）；师市科技攻关计划项目（2023GG2201）作者简介：沈帅（1996），男，硕士。E-mail：通讯作者：何义川（1984），男，硕士，副研究员，主要从事南疆智能农业机械装备方面的研究。E-mail：现代农业装备第45卷第1期2024年2月Vol.45No.1Feb.2024Modern Agricultural Equipment0 引言果树及果实在食品、化工、医疗、生态等领域可以产生巨大的效益，并带动地区经济的发展。据统计，截止到 2021 年底我国果园种植面积为 12 808 000 hm21。果园除草是利用机械机具或者化学药剂清除果园中的杂草，避免杂草与果树争水抢肥，是果园农业生产中的关键环节。经研究证实，杂草可使果园果树减产 10%20%，而果园除草后可减少水分蒸发 15%左右，土壤保水率增加 33%2。去除杂草可抑制病虫害，防止病虫害侵染果树造成减产，也能减少杂草与果树根系之间的养分争夺，改善土壤的理化性质，特别是旋耕机械除草后还可以改善土壤的团粒结构，增加有机质，提高土壤蓄水保墒的能力，利于果树的增产增收3-4。化学药剂与农业机械机具在现代农业生产中均发挥着重要的作用，它们能够增加产量，提高农产品质量，降低生产成本，保护生态环境等。其中，化学药剂主要用于防治病虫害和杂草，机械机具主要用于种植、植保、收获等作业。在化学药剂方面，目前研究的重点是绿色、环保型农药的研发和应用。传统的农药有损作业人员的身体健康，对环境的污染也越来越大5，因此，开发更安全、更环保的农药是大势所趋，并且基于农药应用的准确性和效果，精准农药喷洒技术、药剂配方控制可靠性等方面的研究也在不断推进6-7。在机械机具方面，农机设备的智能化和自动化程度越来越高，越来越多的智能化机器人投入使用，极大地解放了人力；多种机具的集成化也成为了重点研究方向，如集成化的种植与灌溉一体化机械等。这些新技术的应用可以大大提高农业生产效率，减轻人员劳动强度。1 果园除草技术研究现状在果园管理过程中，杂草除了与作物争水抢肥，杂草根分泌的毒素也影响着果树生长，从而导致果25第1期沈帅 等：果园除草技术的研究现状及发展趋势树减产8。现有的除草技术有生物克制除草、化学除草、机械除草等。在传统的农业中，农业作业主要由人工完成，农民劳动强度大，作业效率低。英国人普拉克内特在十九世纪初发明了第一台割草机，可以在收割谷物时连带杂草一起割除，极大解放了劳动力。1830 年比尔布丁发明了滚筒式割草机，后面被广泛的应用于修剪绿化带。目前，美国的迪尔和纽荷兰是最大的农机制造公司，现有 13 个品种和 49 个机型，其中牵引式往复割草机、自走式割草压扁机设备处于世界领先地位。经过几十年的发展，智能化的割草机已经广泛被使用，通过控制系统、视觉识别、路径规划等完成割草作业，无需人工参与。在我国，七十年代至今旋转式割草机得到快速的发展，取得了很大的进步9-10，上海天堤机械设备有限公司和洛阳马斯特拖拉机有限公司生产的割草机等田间管理机械，采用无线遥控技术，遥控距离可以达到 150 m。研究并推广高效、安全、可持续发展的除草技术及相关设备，推进果园生产增收增产，是果园田间管理机械发展的趋势。2 果园除草工艺及相关技术2.1 化学除草工艺无论是传统的人工除草还是机械机具除草，都要对土壤进行翻耕作业，但对果园土壤进行频繁的疏松会破坏土壤的物理结构，不利于水分渗透，从而导致霉菌感染11。1932 年，二硝酚的发明，推动了工业除草剂产业的迅速发展。化学除草是通过使用化学药剂抑制杂草中蛋白质及其他元素的合成来抑制或杀灭杂草。需要注意的是，喷药应在无风条件下，温度1030 为宜，土壤干燥时不适宜喷药12。在喷施药剂的过程中，要根据杂草发芽前和杂草成草后这 2种不同生长阶段选取不同的化学除草剂。2.1.1 杂草发芽前喷施药剂类型这一类型的使用方法是在杂草冒出地面前或发芽期在果园地面表层土壤进行均匀喷雾，喷洒后在土壤表面形成药层，杂草发芽时接触到药层表面致死，其有效周期为 3060 d 左右，某些除草剂品种的有效期更长。由于在沙性土壤中药层形成不稳定，故在西北地区等沙质果园土壤除草中难以适用。几种常见的杂草发芽前药剂如表 1 所示。表1 常见的杂草发芽前药剂除草剂名称杀草原理适用类型特点圃草封杂环类除草剂可防除稗、马唐、狗尾草、画眉草等一年生杂草及马齿苋、苋藜等阔叶杂草防除多种禾本科及阔叶杂草，残效期长达 6090d，适用范围广；对莎草科杂草无效；和乙氧氟草醚配合使用效果更好甲草胺脂类合成抑制剂可杀灭多种单子叶杂草，对于阔叶杂草无效或药效不大甲草胺进入植物体内抑制蛋白酶活动,使蛋白质无法合成,造成芽和根停止生长,使不定根无法形成除草醚抑制叶绿素合成可杀灭一年生幼期杂草在光照条件下才产生毒性；以温度 20为临界点，毒性受温度的影响氟乐灵细胞有丝分裂抑制剂可杀灭多种一年生禾本科杂草、某些阔叶杂草与多年生杂草使用时需将药液溶解至 4cm 左右深的土层中，以防药剂光解和挥发，失去药效阿特拉津抑制光合作用可杀灭一年生和二年生单子叶杂草与阔叶类杂草9以根吸收为主，茎叶吸收很少，有效期受药剂量、土壤质地等影响，可长达半年左右乙氧氟草醚抑制光合作用可防除果园中的多种1年生阔叶杂草，仅对多年生杂草有抑制作用，对禾本科杂草防除效果差选择触杀型土壤处理剂，毒性极低，无残留，有效期可长达 90d2.1.2 杂草成草后喷施药剂类型这一类型的除草剂在杂草生长期使用，按照推荐用量和兑水量均匀喷施于杂草叶片，通过触杀或叶片吸收后传导，导致杂草光合作用、呼吸作用停止，破坏杂草生理过程中必需的生物酶等，使杂草死亡。几种常见的成草后除草药剂如表 2 所示。26现代农业装备2024年表2 常见的成草后除草药剂除草剂名称杀草原理除草剂类型特点百草枯抑制光合作用速效触杀型广谱灭生性除草剂，作茎叶喷施处理土壤处理无效；能杀死大部分禾本科和阔叶杂草，只对绿色组织起作用；见效快，施药半小时就能被杂草吸收(半小时后下雨不受影响)，一天黄三天死；但只能杀死地上部分，不能杀死地下部分草甘膦抑制芳香族氨基酸生物合成为内吸传导型广谱类除草剂，作茎叶喷施处理土壤处理无效；其使用易损伤果树根、叶、茎，根外渗入抑制植株合成蛋白质，容易引发小叶病，半衰期2060d，甚至更长，杂草耐药性逐年递增，与土壤中金属元素发生络合反应，导致果树的缺素病；豆科、百合科、茶科、樟科等叶面腊质层厚的植物抗药性较强，效果差；对土壤里潜藏种子和土壤微生物无影响草胺膦抑制谷氨酰胺合成为内吸传导型广谱类、链霉菌拟三肽类代谢物的除草剂，作茎叶喷施处理土壤处理无效；芽前、芽后均可用，用药量少，杀草谱广；持效期长，用药1次可保持数年内基本无草；植物根、叶都能吸收，主要通过木质部传导；施用后进入土壤中易被降解，对土壤中昆虫类、种子类造成危害性较小，但药效进程较慢，见效时间长13扑草净抑制光合作用对木质化杂草无效，作定向喷雾茎叶处理用药后 24h 内杂草停止生长，710d 内杂草开始变黄枯萎，1015d 死亡；对禾本科和阔叶类的杂草都有很好的抑制作用无论是发芽前还是成草后喷施化学药剂，对于作物和土壤都有一定的污染，而这种污染随着农户喷施药量的不同有所差异14，但多数的农户没有接受过科学的喷施培训教学，在喷药作业过程中多数会加大剂量，这就加剧了对果树和土壤的污染，甚至会对作业人员的身体造成一定危害。为减少化学药剂的污染，未来应研制低毒无污染的有机化学药剂，并加强对农户的培训，增强其防范和环保意识15。2.2 生物除草工艺生物除草指利用生物之间的克制关系消灭杂草，既存在植物之间的克制，又有动物对植物的觅食消除。这种方法不仅可以防治杂草、消灭病虫害，还能获得肉蛋等副产品，动物粪便中的氮、磷、钾还可以为果树提供养分，缺点是动物食性较单一，部分杂草不能被动物接受16-18。目前还提出一种植物之间的抑制，即植物防控除草，其原理为种植防治草，利用生物群落竞争关系遏制某些恶性杂草的滋生，种植绿肥作物还具有增加土壤有机质含量、提高并保持地温、维持土壤酸碱平衡等优点，但由于技术不成熟仍未普及。2.3 机械除草工艺机械除草是利用各种形式的除草机械和表土作业机械切断草根，干扰和抑制杂草生长，达到控制和清除杂草的目的。传统的机械除草是利用微耕机、割草机、弹齿耙等切割和翻耕的方式杀灭杂草：微耕机通过动力传输到旋转割刀，然后对土壤进行深松，将杂草覆盖到地下，从根部消灭杂草；割草机利用割刀将杂草茎部剪断，不与土壤接触，可以避免土壤的沙化，保护土地资源；弹齿耙无需动力传输，使用拖拉机进行牵引作业，可以将杂草根部铲除，并且不会对土壤深层产生影响。果园除草机械可分为行间除草和株间除草，传统除草作业多采用机械对行间杂草进行清除，果树株间则多采用人工进行简单清除。随着科技的发展，研究人员研制了一系列可以进行株间除草的机具。2.3.1 果园行间除草机械在果园前期的种植过程中，通常使用铧式犁和圆盘耙对果园进行整地作业，通过土壤的翻耕将杂草覆盖在地下，达到消灭杂草的效果，如图 1 和图 2 所示。张斌等19开发了一款弹尺式除草机，如图 3 所示，该机采用弹簧钢材料制成，使弹齿耙具有一定的弹性，能够在遇到障碍物时不易受损。弹尺的颤动不仅增强了除草和碎土的能力，还在松土方面取得了良好的效果。该机适用于果园中的耕除草作业，经过样机试验表明可靠性能够满足果园作业的要求。在目前的除草机械中，旋转式割草机应用最广泛，如图 4 所示。刘学串等20研制的 9GS-2.0 割草机不仅适用于平地，还可以在斜坡进行割草作业。在试验验证中，该割草机的割茬高度为 52 mm，工作效率达到了 1.18 hm2/h，碎草性能良好，各项指标27第1期沈帅 等：果园除草技术的研究现状及发展趋势均达到了设计要求。此外，贺占清等21通过试验验证了往复式割草机的优越性。当往复式割草机的振动频率为 9 Hz 时，该机能够保持较高的工作效率，同时降低了切割失效的可能性（见图 5）22-24。随着现代科技的进步，农业装备逐渐朝着智能化方向发展。张博远25基于 PixHawk 开源硬件系统设计了一款智能履带式割草机，如图 6 所示。该设计采用外接GNSS-RTK 高精度卫星信号接收机，支持多模多频模组和网络 RTK 技术，实现了厘米级高精度定位输出。这款智能割草机能够通过智能导航系统完成除草作业，为现代果园除草提供了高效、精准的解决方案。针对不同地形的果园，选择合适的除草部件可以更加高效地完成除草作业。当前行间除草机械发展较为完善，可以满足多数地形的要求，但在除草作业过程中仍多采用拖拉机牵引作业，作业人员要全程参与作业，增加了作业人员的负担。为了进一步解放劳动力，应结合相关智能和信息化技术，研发推广无需人工参与作业的智能除草机械装备。图 1 铧式犁图 2 圆盘耙 图 3 弹尺式除草机图 4 旋转式割草机 图 5 往复式割草机图 6 智能履带式割草机2.3.2 果园株间除草技术株间除草是在利用割草装置在不接触树干的情况下将果树株间杂草清除，主要是利用传感器感应树干位置，并利用执行装置带动割草装置运动来避开树干。在传统果园作业过程中，株间杂草采用人工割除或者不割除的方式，需要耗费大量的人工，除草效率低下，未除净的杂草也会影响果树的生长，降低了果品质量和产量。因此，株间除草很有必要。针对果园避障除草目前的研究主要分为传感器感应型、网格化环境模型、视觉处理、感应触杆型等类型，各类型避障方式及机械特点如表 3 所示。表3 避障方式及机械特点避障类型特点代表机械机械特点传感器感应型可以提供高精度的检测和测距，使得除草设备能够在运行过程中精确感知障碍物并进行避障作业西北农林科技大学陈军等26设计的果园组合信息智能除草机器人通过卫星天线和移动基站定位，多传感器技术与舵机相结合，很好的将机器视觉应用于除草机器人的避障设计中网格化环境模型可以实时更新机器实时获取环境变化的信息，从而更好地适应复杂的场景刘玉洁等27研制的基于物联网的果园避障除草机定位导航系统采用红外传感器和物联网下的无线网络点定位技术，将 AOA 和 RSSI 测距定位算法相结合，利用 WIFI 通信，定位误差低于 5%，避障成功率大于 95%视觉处理视觉系统可以提供丰富的信息，包括颜色、纹理、形状等，有助于更全面地理解环境，但是对于光照条件较为敏感，光照强度会影响视觉处理的性能中国农业机械化科学研究所李佳等28设计的果园除草机及其树冠下方双模式除草方法和除草装置采用视觉处理的方式及获取的果园位置图像，并计算除草机与前方障碍物或树体的相对距离，控制除草机转向以达到避障的功能28现代农业装备2024年避障类型特点代表机械机械特点感应触杆型感应触杆能够实时感知周围环境，使得系统能够快速感应障碍物并采取相应的措施，可以检测各种复杂形状的障碍物且不受形状和颜色的限制，受外部环境影响较小张斌等19设计的果园株间除草机由避障触杆识别障碍，切草刀做成回转式便于避开障碍；行进速度 6.510.5km/h 时避障通过率为 100%河南中农华盛农业科技公司贾如安等29设计的果园株间除草自动避让装置该设计通过连接在带回力弹簧的振动臂上的避让护圈使切割刀具避让树体或其他障碍物，以达到最大限度的避障除草功能吉林大学马云海等30研制的果园环状除草机械使用平行四边形地面仿形装置，避障装置选择 C 型环状刀架以更好的贴合地面沈启扬等31基于液压控制原理设计的自动避障式割草机利用连杆带动液压缸进行收缩和伸出，整机的漏割率为 3.2%，平均避障损伤率为4.2%，能够很好地适用于苹果园、梨园的杂草清除续表现阶段的株间除草多采用机械接触式避障株间除草，结构简单，价格低廉，但是由于接触树干，会对树干造成损伤。基于感应式的智能避障很好地弥补了这个问题，但是不同传感器的使用对于避障的灵敏性也存在差异，验证不同传感器的避障效果和作业效率对于株间除草具有实际意义。2.4 其他除草技术2.4.1 激光除草激光除草是指利用短时间高强度激光束照射杂草，杂草内细胞水分子吸收一定波长内的激光从而产生高温，使杂草细胞裂解达到除草的目的，目前常采用 CO2激光，其性质为远红外激光。激光除草具备精度高、无侵害性、作业速度快、效率高等优势，但需要考虑投资成本、技术可行性和特定农业环境的适用性。当前对于激光除草的研究较少，潘雷等32利用机器视觉技术对杂草进行识别与定位,设计了一种包含电脑、控制器、激光器、透镜和振镜系统的除草装置，利用激光对区域内的杂草进行杀灭。昆明理工大学吴旺旺33设计了一种激光除草机器人，以定位基准作为识别的目标再经图像处理进行分区,准确的识别并杀死杂草。2.4.2 火焰除草火焰除草是通过使用化石燃料尖端点燃得到较大扩散面的高温火焰，使得植物脱水死亡。火焰除草对杂草的抑制效果和尖端火焰扩散度、燃料种类、杂草品种、环境温湿度与叶表含水量等多种因素有关34。ANNE MERETE RASK 等35指出重复的火焰除草可抑制杂草的生长。火焰除草用于果园杂草防治具有作业速度快、防治效果好的优点，但因其燃料价格高、火焰控制难等因素未被广泛应用。2.4.3 覆盖除草覆盖除草是指用除草布、黑色地膜、秸秆等附着物覆盖地面，通过阻止草类植物接受光照或膜下高温杀死杂草。覆盖除草可以抑制杂草生长，保持土壤湿润，减少除草剂的使用，但成本较高，适用性和不同作物对于覆盖物的敏感度等问题阻碍了其推广。除草布是聚乙烯、聚丙烯合成材料，厚度约为地膜的 5 倍，可回收多次利用，经研究表明，除草布对于单子叶植物的杀伤力强，对于双子叶杂草的杀伤力较弱。云南优力农业发展公司的叶飞洲36设计了一种果园专用的快速收放除草膜装置，通过收放卷轴与张紧导向轴的作用，可简易快速地完成收放除草膜作业。黑色地膜遮光率大于 95%，覆盖后利用其吸热特性产生高温而除草。目前，现代农业常使用覆盖除草与化学除草相结合的方法以达到最佳的除草效果，即覆盖前喷洒除草剂或覆盖涂抹除草剂的膜类，地膜下可使用乙氧氟草醚乳油、仲灵异噁松乳油等（烟田膜下仲灵异噁松乳油试验总防效 95%左右）37，未盖膜的果园可以选用 5%精喹禾灵乳油。2.5 化学与机械相结合除草化学与机械相结合除草是目前新兴的除草理念，其结合了喷洒除草剂与机械切割除草技术或翻耕后土层土壤中混入除草剂的双重优势，具有除草彻底、29第1期沈帅 等：果园除草技术的研究现状及发展趋势反复率低等优势。许敏38设计了一种果园松土除草装置，该装置结合化学除草与机械除草技术，通过翻土轮松翻土壤，将药液箱中的药液喷洒到土层中以达到除草的目的。江苏省农业科学院的吕晓兰等39采用化学与机械除草一体技术发明了除草装置，在割草喷药的同时，喷头既可以对损伤的杂草进行进一步的消除，也可以对圆盘内的杂草残留进行清理。中江泽含良福农业公司的姚泽富研发的一种果园高效除草设备，设计了滚筒式切草刀，并在滚筒一端有进液孔以在切草同时注入除草剂，从而完成双重高效的除草作业。3 关于果园除草技术发展的建议1）化学药剂的无污染化。在施用完除草剂后，果园作物和土壤中都会有药物残留，在下季作物种植时残留的药物毒性会影响作物的生长，造成减产甚至颗粒无收。有机型化学除草剂毒性较小，有些甚至可以被作物的根茎吸收，应加大这方面的研究，在保证药剂无毒的同时降低杂草的耐药性。2）加强专业培训。加强对果园管理人员和农民的培训，通过化学药剂使用宣讲，传授他们有效的除草技术和管理方法，从而提高果园除草的效率。3）研发智能化除草装备。借助先进的技术，如机器视觉和人工智能技术，开发智能除草装备系统，通过识别和定位杂草并利用机械设备或激光技术进行精准除草，减少对作物的误伤。参考文献1 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2021M.北京：中国统计出版社，20212 王磊，张斌，张宏文，等.果园株间除草自动让树装置的设计 J.农机化研究，2018，40（10）：69-74.3 牛雅琼，吴兴洪，冉斌，等.豆科绿肥翻压对猕猴桃产质量和土壤肥力的影响 J.北方园艺，2020（5）：87-94.4 王得伟，王伟，弋晓康，等.果园绿肥机械化现状与发展趋势 J.果树学报，2021，38（3）：421-434.5 熊维亮，张映杰，杨鹏，等.绿肥翻压后减肥和基施控释肥对烟叶产质量和土壤肥力的影响 J.中国农学通报，2020，36（7）：29-36.6 王彦.新疆农业面源污染的经济分析与政策研究D.石河子：石河子大学，2018.7 薛利红，何世颖，段婧婧，等.基于养分回用化肥替代的农业面源污染氮负荷削减策略及技术J.农业环境科学学报，2017，36（7）：1226-1231.8 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SHENShuai1,2,3,HEYichuan1,2,3,YANGYi1,2,3,YIXiaokang1,2,3,TANGZhihui4(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,TarimUniversity,Alar843300,China;2.KeyLaboratoryofTarimOasisAgriculture(TarimUniversity),MinistryofEducation,Alar843300,China;3.ModernAgriculturalEngineeringKeyLaboratoryatUniversitiesofEducationDepartmentofXinjiangUygurAutonomousRegion,Alar843300,China;4.MachineryEquipmentResearchInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationScience,Shihezi832000,China)Abstract:With the introduction of relevant policies for the development of characteristic forest and fruit industry in China,the planting area of forest fruits has gradually increased,and the problem of orchard management has became increasingly prominent.In the process of orchard planting and production management,the presence of weeds affects the normal growth of fruit trees and reduces the yield and quality of fruit trees.At present,a variety of technologies and methods have been developed in orchard weeding at home and abroad,and through the research of analyzing the current status of orchard weeding technology,the current research status and technical application are summarized from the two main aspects of chemical weeding and mechanical weeding,and reasonable weeding methods are proposed.The significance and research progress of key technologies such as chemical agents and mechanical tools are reviewed,the problems existing in the current technology are pointed out,and the development trend of future research on orchard field management is predicted.Key words:orchard weeding;chemical agents;research status;field management