山东省果园机械化作业的现状与发展趋势

宋月鹏，耿晓阳，辛力，张明，高东升

(1.山东农业大学：1a.机械与电子工程学院，1b.园艺科学与工程学院，山东泰安 271018；2.山东省果树研究所；3.山东省聊城市农业科学研究院果树研究所)

果品产业是中国农业中最具国际竞争力的优势产业之一，目前已成为优势林果产区经济发展和农民增收致富的新亮点和支柱产业[1]。近年来，随着经济社会发展、城镇化建设、农业产业结构调整和供给侧改革的逐步推进，生产成本逐年提高，已经成为制约果品产业进一步发展的重要因素。大力发展果园管理的机械化作业，减轻果农劳动强度、提高生产效率和经济效益、节约劳动成本已成为业界共识[2-3]。

山东省是中国的主要水果产区之一，但是长期以来，果园生产装备差，机械化水平低。果园防灾减灾能力弱，全省90%以上的果园缺少防雹、防鸟、防霜冻等设施；配备管灌或滴灌、微喷等节水灌溉及肥水一体化设施的果园不足20%；经济实用型果园作业平台、弥雾机、耕翻机等生产装备类型少，机械化程度不足30%；果园管理劳动强度大，用工多，人工成本占生产成本的65%以上[4]。当前，世界果业的总体发展趋势是区域化布局、规模化种植、集约化栽培、机械化管理、品牌化销售、产业化经营，实现果园机械化作业成为山东省果品产业提质增效、转型升级极为迫切的任务之一。笔者综述了国内外果园机械化作业的发展概况，从土壤整理、除草、剪枝、灌溉、植保等果园管理方面，分析了山东省机械化作业现状，针对发展中存在的问题提出了相关建议。

1 国内外果园作业机械化的发展概况

1.1 国外果园作业机械化发展概况

19世纪中叶，法国首先使用喷雾器防治葡萄病虫害。20世纪40年代，欧美各国将大田使用的拖拉机和配套农机具，经改制后用于果园作业。60年代以来，果园机械发展较快，相继试制了多种果园专用动力机械和作业机械，包括不同功率的果园拖拉机系列及其相应的配套机具，使果园生产由人力操作逐渐转向机械化操作。同时进行了适应果园机械化作业要求的果树育种和栽培方式改革。目前，美国、德国、澳大利亚、日本等国的果园生产机械化程度较高，部分果园的土壤耕整、树体管理、病虫害防治、果品收获等环节基本实现了机械化，且机型种类繁多、功能多样[4]，与中国毗邻的日本、韩国在栽培方面、收获加工方面都实现了机械化作业，并且机械精巧耐用、操作方便[5]。国外主要的农业发达国家，果园种植前已考虑机械化作业要求，农艺形式、种植结构、作业模式非常标准，其中针对不同果园种植模式，进行了对应的果园专用拖拉机产品开发[6]。为减少空气污染，近年来美国、韩国等国研制出了以电动机作为动力的小型自走式旋耕机，日本研制出小型电动除草机[7]。总体来说发达国家的果园作业机械发展已较为成熟。

1.2 国内果园作业机械化发展概况

中国果园生产机械化的历史较短，整体上果园作业机械化程度不高。20世纪50年代才推广使用手动喷雾器，60年代中期开始发展动力喷雾机。1970年后在引进国外机械的同时，陆续研制成功果树栽植用挖坑机、果园中耕除草机、液压剪枝升降平台、果园风送弥雾机以及果品收获机、果品分级清选机等。目前果园作业应用较多的是植保施药机、果园动力机、中耕除草机和水肥一体化机械，有一些果园开沟机、培土机、挖坑机、施肥机、枝条粉碎机、多功能果园管理机等在部分地区也有应用。还有许多作业如育苗圃、疏花疏果、整枝修剪等主要依靠手工操作。果园作业机械的发展比较发达国家还有一些差距。由于各地地理环境和经济水平的差异、对发展果园机械化的认识不同以致管理机械化发展水平存在较大差异[8]。

2 山东省果园管理机械的研究进展

山东省作为果业大省，对果园作业机械的需求越来越大。果品生产在经历了20世纪80年代末和90年代前期的大发展大调整之后，基本走上了优质高效的健康发展之路，表现为面积减少的同时产量大幅增加[9]，其中果园作业机械的发展发挥着重要作用。2015年与2010年相比，林果业机械由0.79万台增加到1.39万台，林果业机械总动力从5.92万千瓦增加到8.06万千瓦[10]，机械化程度稳步提升(图1)。

图1 2010～2016年山东省林果业机械发展变化情况

2.1 土壤整理机械

土壤整理机械主要包括挖坑机、开沟机。挖坑机用于果园栽种和施肥，有牵引式、悬挂式、自走式、手提式等。鲁西北地区多平地和缓坡丘陵地，主要采用悬挂式挖坑机，由传动轴、减速器、钻头、拉杆和机架等组成，通过液压悬挂装置挂在拖拉机后面，由拖拉机动力输出轴经传动系统驱动钻头进行挖坑作业，动力较大，功效高，可挖较大的坑；坡度大、小地块采用手提式挖坑机，由小型通用汽油机，超越离合器，高减速比传动箱及特殊设计的钻具组成，便携且使用方便(图2)。

图2 手提式挖坑机

针对丘陵、山地果园地形特点，山东农业大学与中国重汽泰安五岳专用汽车有限公司合作设计并实验了手推式液压挖坑机[11]，整体结构及样机如图3所示。机架平放时钻头尖距地面50mm，不工作时螺旋钻头可绕机架前后摆动。工作时螺旋钻头底部棱锥钻头起定位作用，确保螺旋钻头切土时与地面垂直，螺旋钻头可根据所挖坑的尺寸更换。防护罩在转运过程中可向上收起，便于操作者行走，在工作时可绕两侧摆臂罩于螺旋钻头后方，保证操作者作业安全。工作过程平稳可靠且实现螺旋钻头正反转，有效地降低了劳动强度，提高了挖坑效率，实现无极调速与无换向冲击，结构轻简、操作方便、适用性强[11]。

图3 液压挖坑机

开沟机用于果园开沟施肥，按作业方式可分为链式开沟机(图4)和圆盘式开沟机[12](图5)。链式开沟机应用较为广泛，它由动力系统、减速系统、链条传动系统和分土系统组成。柴油机经过皮带将转动传递到离合器，驱动行走变速箱、传动轴、后桥等实现链条式开沟机的向前或向后的直线运动。施肥均匀度是影响施肥作业效果的关键因素和评价作业机具性能和效果的重要指标[13-14]。山东农业大学机电学院与高密市益丰机械有限公司合作，运用离散元仿真设计对果园开沟施肥机的导肥机构进行优化设计，通过改善导肥插板和导肥插板曲率半径来优化施肥均匀度[15]。

图4 链条式开沟机

图5 圆盘式开沟机

2.2 动力机械

动力是实现机械化的首要条件[16]。果园动力机械主要是各种拖拉机、内燃机。专用的果园拖拉机有两种类型：一种类型的体形较矮、重心低、转弯半径小，适用于果树行间作业(图6)；另一种类型具有1m以上的离地间隙，适用于跨越果树行间作业[17](图7)。果园行间作业环境下主要配装“ALL-GROUND”全地形轮胎，可兼顾草坪沙质土壤硬化路面及部分耕作土壤工况，其优点为胎面宽、与地面接触面积大、比压小、对林下土壤表面破坏小、附着力大、具备一定牵引能力。

图6 果园行间作业拖拉机

2.3 除草机械

除草机械按工作原理可分为机械式、机械气力式、机械液力式。除草机的工作部件多为单翼铲或双翼铲，还有圆盘式、笼辊式、旋刀式、往复式、滚刀式等。图8为往复式割草机。圆盘式除草机的特点是除草刀工作速度快、除草效率较高，较为流行[18]。往复式割草机依靠切割器上动刀和定刀的相对剪切运动切割牧草，其特点是割茬整齐，单位割幅所需功率较小，但对牧草不同生长状态的适应性差，易堵塞，因切割器作业时振动大，也限制了作业速度的提高。滚刀式除草机由带有刀片的滚筒和床刀组成，滚刀旋转带动草茎相对转动实现剪草，在作业过程中可以有效破碎土块，增强土壤透气性。

图7 果园跨越式拖拉机

图8 往复式割草机

除草部件的作业效果是关键。目前割草机械的智能自动化控制还存在欠缺，据文献[19]所述，大部分智能割草机械只适用于草坪，对于山地丘陵地带的果园缺少正常工作能力。山东省大部分小型果园分布在山地丘陵地带，且果园规范化、标准化程度差，因此目前果园割草机的应用、研发方向为多功能、轻便型。

2.4 剪枝机械

果园剪枝机械的便携与高效性是发展的关键。传统果树剪枝主要凭借凳子、梯子进行人工修剪，效率低、质量差、劳动强度高且作业具有危险性。目前，美国、瑞典生产的手动速生树木修枝机械基本上是对市场上常用的鱼头锯进行改进的基础上，再增加一些必要的辅助机构或者再安装一些伸缩杆等构成，作业的高度一般在6m以下。机动型修枝机械生产厂商主要有日本的小松、爱丽斯(ARS)，瑞典的胡斯华纳，德国的斯蒂尔等公司，都以汽油机作为动力源，一般以液压传动为动力，带动链条锯工作，修枝直径可达20cm，高度6m以下。目前国内背负可调式树木修剪机以及多功能高枝修剪锯基本都以小型汽油机为动力通过轴传动来带动锯链或圆锯片进行作业[20]。

剪枝机按修剪高度分为高空、低空类型；按驱动方式分为手动式、气动式、电动式、油动式等；按工作方式分为手持背负式、车载式和智能自动式。

背负式果树剪枝机由动力系统、传动系统、剪枝工作系统等组成。剪枝部件为关键部件，其结构性能直接关系到剪枝效果。剪枝部件由剪刀和连接机构组成，剪刀分为定刀和动刀，由一个曲柄连杆机构连接，一端连接传动系的动力输出轴，一端连接动刀。工作时，传动系的动力输出轴驱动曲柄带动连杆运动，驱动动刀张开、闭合，完成剪切动作。

山东农业大学对林果剪枝机进行了较多研究，其中，高东升教授研究团队研制出一种适应性强(适用于φ40mm以下枝条的剪切与修整)的高效电动高空林果剪枝机[21]，苑进教授研究团队开发出爬树修枝机器人、高大树木修枝机。爬树修枝机器人由攀爬机构、转盘机构、回转机构和末端执行器组成。机器人动力采用直流电源，携带方便，成本较低。配套控制系统采用无线遥控修枝机器人完成修枝工作，适应于不同直径的树干，能攀越树瘤等树干凹凸部位[22]，操作方便，安全。高大树木修枝机由动力系统、升降系统、旋转系统、机械臂系统、末端执行系统组成，配套220v交流发电机，采用剪叉式液压升降平台，臂架式机械臂，提高末端执行装置的灵活性，增大工作空间，并配备导向自锁式剪枝锯进行修枝作业。该机能同时进行修剪枝条和茬口养护，避免病毒感染[23]。

2.5 果园水肥一体化装备

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，是借助压力系统或地形自然落差，将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点配兑肥液与灌溉水于一起。果园内设置湿度测试仪及微喷或滴灌装备，通过检测土壤含水量，由电脑控制供水[24]。各种喷灌设备和滴灌设备均可用于果园的灌溉作业，实现供水时间、供水量的自动控制。

目前大多数果园使用微喷灌技术，通过低压管道系统，以较大的流速由微喷头喷出，在空气阻力的作用下粉碎成细小的水滴以较小的流量，将水或可溶性化肥随灌溉水直接喷洒到作物叶面或根系周围的土壤表面，节省水肥用量，提高施肥效率。由于微喷头出流孔口和流速均大于滴灌的滴头流速和流量，从而大大减小了灌水器的堵塞。

2.6 植保机械

植保机械主要有喷雾机、弥雾机、注液机等。喷雾机有手动背负式及手动压缩式喷雾器，手动踏板式喷雾器、手摇喷粉器，背负式机动喷雾喷粉机、担架式机动喷雾机、风送式喷雾机等[25]；弥雾机通常由汽油机驱动，效率高，缺点是易漂移。山东省植保机械在各项机械化作业中水平高，近期山东农业大学机电学院与山东华兴机械股份有限公司合作设计出了履带风送式喷雾机(图9)，适合于不同种植行距的果园植保作业，喷雾系统采用圆锥雾喷头，雾化效果好，果树冠层叶面附着率高，且通过增加两侧双喷杆进行喷雾，可进行双侧扇形喷头单独控制，针对不同靶标开启单侧或双侧喷雾，实现精确对靶控制[26]，提高农药利用率和发挥其高效控害作用[27]。动力系统采用履带式设计，提高了机械的通过性和适用性。

图9 履带风送式喷雾机

2.7 果园作业平台

果园作业平台可以搭配人工进行采摘、剪枝等半自动化作业，常用的升降作业平台有升缩式、折臂式、剪叉式、混合式等。由于倾斜导致人身伤害事故是果园作业平台的最大问题，目前国内外大多采用机械机构调平方式。山东农业大学宋月鹏教授团队设计了履带式(图10)和液压升降式(图11)两种果园作业升降平台。设计的自动调平控制系统先进行一级调平，通过平台几何结构位移传感器获得调平油缸伸缩量实现升降平台粗略调平；再进行二级调平，利用角度传感器获取角度信息对升降平台进行精准调平[28-31]，解决了丘陵山区果园作业生产中采摘运输等升降平台通过不强、调平不稳定、果农作业时有安全危险等问题。

图10 履带式果园作业平台

图11 液压果园升降作业平台

3 山东省果园作业机械化存在的问题及对策

3.1 山地丘陵地区果园机械化作业水平较低

山东省2/3以上的耕地面积是丘陵山地，也是重要的林果业种植基地。目前林果生产方式仍然以人工为主，成本高，效率低，迫切需要提高机械化水平。而山区地形复杂、崎岖不平成为制约农业机械化水平提高的瓶颈，现有的农机装备丘陵山区作业时通过性及稳定性差、容易侧翻造成人员伤害。必须大力研发推广轻便小巧的果园作业机械如微耕机、修剪机、喷灌机、动力喷雾机等小型果园机械[32]，当条件成熟时，可进行“梯改坡”实践，研发适用于规模化生产的大型的、智能化程度较高的果园作业机械。当然，就目前山地丘陵地区果品产业发展现状而言，完善山地果园的道路建设[33]应是当先，可以铺设果园轨道，通过果园运输机搭配各种功能机械，完成除草、采摘、喷雾等作业。

3.2 现代果园集约化、规范化程度低，提质增效面临较大困难

山东省低效果园比重较大。目前约有90%以上果园仍采用传统栽培模式，过分追求果品产量，致使枝量过大且重叠多，果园郁闭，通风透光条件差，果实藏在叶片中，喷药难度加大，病虫害发生重，既不利于果品质量和生产效益的提升，也制约了机械化管理水平的提高；老龄低效果园面积逐年增多，以苹果为主的老龄果园占25%以上，栖霞、沂源等苹果主产县的比例更高，有的超过50%；666.7m2产值5000元以下的成龄低效果园占15%左右。以板栗、核桃和枣为主的干果低产低效园13.3万hm2(200万亩)以上，占其栽培面积的30%左右。栽培模式转型、老果园改造升级、提质增效任务繁重。

为解决上述问题，应重点推广包括矮砧大苗建园、宽行密株、设立支架、起垄覆盖、行间生草等内容的适于机械化管理的苹果现代矮砧集约栽培模式，以及整形修剪、肥水调控、花果管理等配套技术。进行示范园建设，配套完善水电管网和节水灌溉设施，配备果园耕翻、施肥、喷药、割草等机械，逐步实现果园管理机械化；示范推广应用物联网技术，实现果园环境条件监测、病虫害预测预报以及生产过程实时监控和远程控制，促进果园管理的自动化、智能化。

3.3 农机农艺融合程度低，专用果园机械与装备种类较少

现代农业生产主要包含两项基本内容，一是农艺，二是农机。农艺是指农作物的栽培﹑选种等技艺；农机是指为实现作物生产而设计制造的相应工具，现代农业发展离不开农机农艺相结合。许多发达国家果园管理机械化发展速度快、机械化水平高的一个重要原因就是农机与农艺结合的程度越来越完美。山东省果园管理机械化作业水平较低的一个重要原因就是农机农艺融合程度不高，果园管理作业机械进不去地，作业效果差，影响了果品产业进一步发展，这也是果品产业提质增效、结构性改革的重要内容。

基于此，应重点支持科研院所、高等院校、果树技术推广机构密切合作，研究推广农机农艺高度融合的果树省力化简约化栽培管理技术，与农机生产企业联合，引进集成、创新研发和推广作业平台、开沟机、弥雾机、耕翻施肥机等经济实用型果园机械，尤其是适合山地丘陵果园的中小型机械，增强果树栽植、耕翻施肥、整形修剪、病虫防治、果实采收等生产管理环节的农机农艺融合程度，提高生产效率、降低人工成本。

3.4 果园作业机械可靠性较差，全程机械化作业水平较低

果园作业机械的可靠性主要包括产品质量、作业效率、安全性等方面。山东省几乎无专业的果园作业机械生产企业，研发力量较为薄弱，企业自主创新能力不足，只能通过改造园艺、大田作物机械适应果园机械化作业需要，生产企业与果农过分强调成本，导致高质量果业作业机械关键零部件质量较差，归根结底还是技术不够成熟，生产不出高质量、低成本的产品。一些成熟先进的设备与方法比如飞行器植保设备、果园单轨运输机、高效减损的采摘机械、喷洒作业均匀的喷雾机等一系列设备得不到有效应用。

对此，应加强科研力度，增加科研财政支持，扶持省内现代果园管理机械专业生产企业，强化零部件的标准意识、质量意识及全程生产管控意识，加强对果农的示范与技术培训，从根本上改善果园作业机械可靠性差的问题。目前各个生产环节都初步形成机械化作业，但仍需提升完善适合果园作业的机械设备。果园管理机械应全面发展，针对植保、除草、采摘、灌溉、剪枝、施肥等各种功能的机械共同发展。只有实现果园作业的全程机械化，才能最大程度地实现果园机械化生产带来的便利。

3.5 新型果园管理机具推广机制有待优化

多种因素的制约(果园规模化程度低、栽培制度不合理、果园地形限制及果园管理新机具可靠性差等)导致山东省新型果园管理机具的推广应用机制落后。因此，对果园机械的推广应用要有针对性，对较为成熟的管理作业环节的机具(如弥雾机、施肥机等)应大力进行示范与推广；对技术不够成熟，但市场需求量大的机具应加大研发、实验力度，不断地完善。可结合有关项目的实施，重点支持在现代栽培模式的果园，大力推广应用节水灌溉、肥水一体化技术和经济实用型管理机械，实现果园耕翻、施肥、喷药、割草等管理的全程机械化和整形修剪、果实采收半机械化，示范带动全省果园管理机械化水平的提升。

要善于引进消化吸收国外现代果园管理作业的先进机具、技术，在不断实验的基础上完善中国薄弱环节。对于山东省果园作业机械的生产企业，应深入生产第一线，根据目前的果园栽培制度、种植模式，设计生产出适应果品产业发展的多功能、智能化作业机械，并要进行针对性的技术培训，加快推广进度。

4 小结

果园管理机械化作业水平低已成为制约山东省果品产业进一步发展的瓶颈，实现果园机械化作业是果品产业提质增效、转型升级极为迫切的任务之一；应重点支持科研院所、高等院校、果树技术推广机构密切合作，研究推广农机农艺高度融合的果树省力化简约化栽培管理技术及经济实用型果园机械；基于山东省果园地形差异较大的特点以及目前的栽培种植制度，因地制宜地发展多种果园管理作业机械，实现果品产业的全程机械化，实为果园作业机械的重要发展方向之一。

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