基于高速气体射流的稻田行间非接触式除草装置设计与优化研究

针对传统机械除草装置除草率低、伤苗率高的问题，中国农业大学团队创新设计了一种基于高速气体射流（gas jet）的非接触式稻田行间除草装置。通过理论分析结合三因素五水平二次旋转正交实验，优化喷嘴距苗距离（0.110 m）、前后喷嘴间距（0.080 m）及机具前进速度（0.25 m·s?1），实现除草率88.07%、伤苗率1.71%的突破，为水稻绿色生产提供新技术路径。

　　

水稻作为全球半数人口的主粮，其生产稳定性关乎粮食安全。然而，稻田杂草不仅争夺资源导致减产，传统化学除草还引发农药残留污染。虽然机械除草能改善土壤通气性并减少化学药剂依赖，但现有行间除草装置（如伞形除草盘、弹性齿杆等）因需物理接触作物，存在伤苗率高（seedling damage rate）和行距对齐要求严苛的问题。柔性工具如旋转除草刷虽降低伤苗风险，但行间除草率（weeding rate）仍不理想。更棘手的是，靠近稻苗的行内杂草因空间限制更难清除。中国农业大学团队为此提出革命性方案——基于高速气体射流（high-speed gas jet）的非接触式除草技术，相关成果发表于《Biosystems Engineering》。

研究团队整合气体动力学与泥浆非牛顿流体特性（non-Newtonian properties），通过理论推导确定声速射流条件及泥浆扰动判据。采用三因素（喷嘴距苗距离、前后喷嘴间距、机速）五水平二次旋转正交实验设计，结合Design-Expert软件回归分析，优化关键参数。实验验证了射流穿透长度（penetration length L）与喷嘴孔径d₀、压力p₀的定量关系，并发现倾斜射流可精准靶向杂草根部。

【总体结构与工作原理】
装置由空压机、储气罐、稳压阀及多喷嘴系统构成（图1a）。高压气体经喷嘴形成超音速射流，通过剪切力破坏杂草根系与泥浆的黏附，同时避免直接接触稻苗。理论计算表明，当射流马赫数Ma>1时，可产生足够冲击力扰动非牛顿流体特性的泥浆。

【回归方程与显著性分析】
穿透长度L的回归模型显示，孔径d₀与压力p₀交互作用显著（p<0.01）。最优参数组合下，水平穿透达0.15 m，满足行内杂草清除需求（表3-4）。

【结论】

1. 创新性提出气体射流行内除草方法，伤苗率仅1.71%，较传统机械装置降低80%以上；
2. 基于稻苗与杂草根系分布特征，确定15°射流倾角可最大化除草效率；
3. 射流扰动显著提升根区溶解氧（dissolved oxygen），潜在促进水稻生长。

该研究突破传统除草技术瓶颈，通过非接触物理机制实现“精准打击”杂草，为水稻绿色生产提供装备支撑。未来可结合智能导航进一步提升田间适应性，推动农业机械化向高效环保方向转型。