1. 引言
大豆具有丰富的营养价值，含有植物性蛋白质、钙、磷、铁、胡萝卜素、大豆卵磷脂、蛋白酶抑制素及植物胆固醇等元素，是蛋白质含量最多的植物性食品。我国大豆已经有5000年左右的栽种史，直到20世纪40年代一直占据全世界90%左右的大豆产量。自从二战后，大豆生产逐渐向欧美国家转移，中国成为世界上最大的大豆消费国，世界上60%的大豆出口量进入中国市场。我国大豆依赖进口状况目前难以改变，必须提升大豆的生产质量和效率 [1] [2]。
四川是农业大省，2020年四川大豆种植面积达650万亩，根据对四川省大豆生产进行实地调查发现，丘陵山区为大豆的主要种植区，存在着有效种植面积小、土壤肥力不足等情况，大豆栽种与生长受此地形影响，杂草也在生长过程中与大豆争夺水、阳光、营养与成长空间，也严重影响大豆的产量，如图1所示。
大豆机械化除草是大豆全程机械化的关键环节。目前四川丘陵山区机械化除草技术存在空白，农户主要采用化学除草，虽然使用除草剂可以消灭杂草，并且操作便捷、效率高，但是在生产中经常出现因为除草剂使用不当而对土地、环境造成了污染。大豆的质量也会被农药损害，对人体健康造成很大的危害 [3] [4]。随着国家和公众关注食品安全以来，机械除草方法成为当前研究的热点 [5]。
2. 机械化除草发展现状
我国的机械化除草装备与技术研究始于20世纪60年代 [6]，目前，行间机械除草技术已经较为成熟，株间除草机械仍在研制探索中，除草机已向智能化、系列化、人性化等方向发展。近年来，我国许多专家学者开展了株间机械化除草装备与技术的研究。
2010年，梁远 [7] 研制了一款中耕除草机，能够综合完成施肥、除草、深松等工作，除草率达85%，具有良好的经济效果，它的除草关键部件如图2所示。该机械主要用于和大功率拖拉机配套，不适合在丘陵山地作业。
1.安装梁 2.套筒管 3.螺旋丝杠 4.齿轮箱 5.锥齿轮 6.梳齿 7.梳齿 8.螺钉
Figure 2. Spiral comb type weeding parts
图2. 螺旋梳齿式除草件
2012年，胡炼 [8] 研制了一种基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置，实现了作物株间的精确除草，伤苗率小于8%，但除草率会随着作业速度进行波动。
2015年，陈子文 [9] 针对除草机械手臂进行了设计。通过图像识别，机械臂能感知并躲避作物，进行株间除草。伤苗率为3.5%，除草率达89.3%，满足锄草作业要求。
2020年，韩豹 [10] 设计了一款大豆株间除草单体机构，如图3所示。应用行星轮解决了株间除草作业过程中梳齿易缠草、入土能力弱等问题，同时只需改变中心轴安装角度即可调整梳齿入土角度。
1.转轴 2.梳齿刷 3.外壳 4.传动链轮 5.中心转轴 6.牢固座 7.行星齿轮 8.惰轮 9.牢固座 10.太阳轮 11.输出轴
Figure 3. Planetary gears intra-row weeding mechanism
图3. 行星轮梳齿式株间除草机构
2021年，王玉鑫 [11] 根据鲜食玉米垄作模式研制了一款除草机，如图4所示。它的结构为14个除草刀片和轮毂组装成除草辊，除草辊工作角度由除草刀片的安装角度控制，便于进行精确除草。
1.除草辊轮毂总成 2.除草刀片 3.锁紧螺旋栓
Figure 4. Weed control roller
图4. 除草辊
2021年，权龙哲 [12] 设计了一款立式旋转智能株间机械除草装置，如图5所示。利用除草刀控制系统与视觉系统的协同作业，进行除草与避苗。伤苗率为4.54%，除草率达89.57%。满足锄草作业要求。
1.摄像头支架 2.控制系统 3.圆盘除草刀 4.挂接机架 5.除草装置控制面板 6.动力传动系统 7.倾斜角度调节机构
Figure 5. Intelligent inter-plant mechanical weeding device
图5. 智能株间机械除草装置
3. 机械化除草存在的问题
3.1. 机具标准不统一
四川省大豆的种植模式主要分为间作大豆与净种大豆，间作大豆主要形式为玉米间套作种植 [13]，如图6所示。因为种植模式的不同，种植机械、收获机械的参数都会有所不同，造成了机具的标准化水平低。四川省内不同地方的种植习惯也不一样，照成大豆行间距、株间距不一致，通常为了每一地区专门设计一款适合其种植习惯的机械。
Figure 6. Soybean corn interset planting
图6. 大豆玉米间套作种植
3.2. 先进技术应用存在空白
目前化学除草缺少喷施农药的先进技术 [14]，四川丘陵山区机械化除草技术也存在空白。农户普遍使用农药进行除草，由于化学除草技术规范的普及力度不够，农民基本上依据说明书与自己的经验来喷施农药，造成农药的有效利用率低，不到美国的一半，远远低于发达国家。
4. 对策及建议
4.1. 加强政策支持
农业农村部决定从2019年起实施大豆振兴计划，提出国产大豆2019年种植面积增加1000万亩，2020年达到1.4亿亩 [15]。大豆产量与质量从政策方面给予了鼓励与保障。
大豆除草机械化作为大豆全程机械化的关键环节，应该做好智能除草装备与技术、绿色除草装备与技术、复合除草装备与技术的研制与推广，这是四川丘陵山区农业机械化除草发展的前进方向。四川地区地形以丘陵山地为主，难以进行大型田间机械作业，需要在细化除草的机具类型、应用先进技术、制定技术规范上提供政策与支持。
4.2. 向复合技术发展机械除草
机械化除草不能单纯的依靠机械结构去除杂草 [16]，而是将化学除草、机械除草与农艺技术相结合起来，进行优势互补，提高除草效果。基于四川丘陵山区的地形特征，发展操作灵活的自动喷施农药的机械，并保证田间施药的便捷性与规范化。
4.3. 向绿色技术发展机械除草
近年来，随着对食品安全的不断重视，农业机械也必须朝着绿色和环保方向发展，降低田间污染与除草应该有机统一。研制降低污染，并能完成杂草还田进行保护性耕作的除草机械势在必行 [17]。
4.4. 向智能技术发展机械除草
智能化农机与农业机械人是进行高效能农业生产的有效途径，是农业机械化的前进方向。机械化除草也朝着智能技术发展。目前精准、高效地除去作物株间杂草的技术还未成熟，需要将机械结构、机器视觉、图像识别与处理、自动导航技术、等先进技术集合于一体，实现除草机的精确定位、精准作业，提高大豆株间除草的效果。
5. 结论
本文介绍了我国大豆机械化除草的发展现状，行间机械除草技术已经较为成熟，株间除草机械仍在研制探索中，除草机已向智能化、系列化、人性化等方向发展。针对四川丘陵山区大豆机械化除草，分析了目前存在着机具标准不统一、先进技术应用存在空白的问题，提出了加强政策支持、向复合技术发展机械除草、向绿色技术发展机械除草和向智能技术发展机械除草的建议。
基金项目
国家现代农业产业技术体系四川创新团队项目(SCCXTD-2021-20)。
NOTES
*通讯作者。