葡萄冬季修剪枝条处理技术及设备研究现状

冯晓静，袁野，李建平，李新领

（河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000）

葡萄园修剪包括冬季修剪和夏季修枝，是葡萄园中最重要的管理措施之一，主要作用是保持营养生长和果实生产之间的平衡[1]。秋冬季修剪产生的废弃枝条产量可观，是非常好的生物质能源的重要资源，国内外对葡萄园修剪枝条的收集利用进行了大量的研究。Georgios[2]研究表明，希腊葡萄园平均每年修剪量达5 t·hm-2，高于温带森林的平均产量。Velazquez-Marti等[3]对地中海不同葡萄园的废弃生物量进行了量化，分析了葡萄品种、修剪目的、植株年龄、种植规模、作物产量和灌溉等因素对废弃生物量的影响。结果表明，在鲜食葡萄园中，水平架式每株葡萄树的废弃最高，每株为3.5 kg，每公顷达4.2 t。不同酿酒葡萄架式的产枝量差别不大，每株树的产枝量为0.8 kg，每公顷可产2.15 t。Pugli等[4]推测每公顷葡萄园每年修剪枝条的产量为1～5 t。Sun等[5]对国内外酿酒葡萄的冬季修剪枝条量进行了调查和估算，并对中国冬季修剪枝条的理化特性进行了分析。中国葡萄冬季修剪枝条量平均为每株2.35 kg，2017年全球冬季修剪枝条量4231万 t，中国达到604万 t。随着人们对环境问题的日益关注和循环经济的发展，越来越多的研究开始关注葡萄园废弃物的安全处置和开发利用问题。从资源和环境可持续发展角度合理利用葡萄冬季修剪废弃物具有重要的意义。

1 葡萄冬剪废弃物利用途径

目前，大多数葡萄园修剪后的枝条处理没有有效的方式，一般采用粉碎覆盖还田或焚烧处理，国内以焚烧为主[6-7]。葡萄枝条粉碎还田，会造成病虫害的传播，可能带来果园病虫害反复交叉感染，把葡萄枝条残留物留在地上可能会增加真菌疾病的风险[8]。由于枝条腐烂过程消耗氮导致碳氮比的降低，会造成作物生长过程可吸收利用的氮减少[9]。收集和销毁又消耗人力物力，而焚烧还可能带来环境污染，造成重大的环境问题，意大利的一项研究表明，露天葡萄园燃烧修剪枝条可排放13.7万 t的CO和13.7万 t总悬浮颗粒[6]。而葡萄园修剪枝条等废弃物的合理利用可能带来巨大的经济效益[10]。国外的利用主要有以下几个方面[5]：（1）作为高性能燃料；（2）生产化学产品，包括生物炭、农用薄膜、吸附剂、纤维素纳米晶体、生物表面活性剂、刨花板和高密度聚乙烯复合材料；（3）用于纸浆和造纸；（4）作为堆肥。Yılmaz等[11]研究了葡萄园修剪枝条粉碎还田对于土壤团聚体形成、团聚体稳定性及碳含量的影响，结果表明，葡萄园修剪枝条粉碎还田有利于土壤有机质和团聚体的提高。美国、澳大利亚、新西兰等使用葡萄枝条堆肥覆盖葡萄园可以有效提高果实产量，降低果实含酸量，并提高果实钾元素的含量[12]。

葡萄枝条中含有葡萄生长所需的大量元素和微量元素[13-14]。商佳胤等[15]进行了以葡萄修剪废弃物为原料进行堆肥的研究，结果表明堆肥还田可以有效增加葡萄园土壤孔隙率与透气性，最终达到果园废物“零”排放和减少果园化肥施用量的目的。也有一些葡萄枝条处理后作为草莓及育苗用的培养基质，以及青贮等循环再利用途径[16-18]，也可以提取有用的活性物质[19-20]，使葡萄修剪废弃物得到有效利用。

2 葡萄园枝条处理机械设备

果园秋收后修剪的枝条形状各异、粗细和长度不均匀，收集难度大。由于树枝蓬松，导致运输效率低，费时费力。为了较好的利用这些枝条，收集和处理机械设备尤为重要。除了枝条直接粉碎还田，整个处理过程包括：葡萄修剪、捡拾收集和枝条储存、粉碎和筛选，最终获得与利用途径要求尺寸一致的葡萄枝条碎片。

2.1 枝条收集机

枝条收集是整个利用过程最重要的环节，人工收集工作量大，费时费力，目前国内还没有葡萄枝条的收集机械。国外比较重视枝条收集的效果和经济效益，有多种收集方式和机械，一种是捡拾、粉碎、收集；另一种是直接捡拾打包。意大利农业和林业工程部（DIAF）已经评估了同时收获、切碎和包装修剪枝条的可能性，与Nobili公司合作开发了一种粉碎机，该机通过三点悬挂装置挂接在拖拉机后部，由拖拉机动力输出轴提供动力，其前部装有拾取装置，可以捡拾并输送修剪残留物。然后，残留物在粉碎室中被旋转锤粉碎成小薄片，由于旋转锤的高速转动，通过由矩形管段和卸料弯头组成的输送系统将碎片吹入由液压升降机推动的存储箱或存储袋内。该粉碎机可以在多石和山地上收获、切碎并收集包装，最大限度地降低成本和对环境的影响[21]。

Magagnotti等[22]对携带三个容量收集箱的粉碎机进行比较，用圆捆机做对照。这几种机器都是由果园拖拉机三点挂接装置连接，相关技术参数见表1。结果显示，葡萄园平均收获枝条量为2.3 t·hm-2，收获成本为每吨15～60欧元，收获损失率达总修剪量的3.4%～61.9%，机器间没有明显的差异。收获成本受到拖拉机类型、收集箱容积、单位面积残枝量及运输距离的影响，是影响残枝回收利用经济性能的重要因素。

表1 粉碎收集机及圆捆机技术参数Table 1 Technical parameters of crushing and collecting machine and round baler

由于果树枝条特性不同于农作物秸秆，国内还没有枝条捡拾打捆机。国外有多种机型，Spinelli[23]进行了捡拾粉碎收集葡萄枝条和直接打捆对比，试验机型技术参数见表2。结果表明，不考虑转运运输成本，收集加工成本在每吨19.7～32.3欧元。由于含水率、碎片颗粒度和密度等原因，直接捡拾粉碎收集的葡萄枝条颗粒不方便运输和存储，而采用方捆机和圆捆机进行捡拾打捆，打成一定外形尺寸和密度的大包，由于密度增加，更方便运输和存放，可根据用途不同在利用地点处理成不同的颗粒，这又增加了处理环节的成本。回收葡萄园修剪枝条的经济可行性取决于收获成本、加工成本和运输成本，以及最终的收益在葡萄园所有者、收获承包商和生物质用户之间重新分配。

表2 试验机型技术参数Table 2 Technical parameters of the machine systems on trial

2.2 枝条粉碎还田机

葡萄冬剪枝条粉碎还田有直接还田、养殖利用后还田及发酵制作有机肥还田3种方式。直接还田采用由拖拉机配套的秸秆粉碎机，在田间直接粉碎后均匀抛撒在行间，秸秆枝条粉碎后与土壤混合，加速腐烂速度，增加土壤有机质，还有一定的保持水土和抑制杂草作用，但是要求枝条无病虫害，否则会造成果园病虫害反复交叉感染。因葡萄属藤本植物，枝条木质化程度远高于大田作物秸秆，尤其葡萄枝条失水后韧性极强，粉碎难度大，所用粉碎机不同于普通的大田秸秆粉碎机，注意刀具选择、刀具速度和离地高度。国外采用粉碎机将枝条粉碎，由旋耕机和圆盘耙将碎屑与土壤混合。在葡萄行距3 m、株距2 m的条件下，综合考虑能耗、适宜的枝条密度和工作条件，确定了枝条粉碎还田的平均几何直径为9.0～10.0 mm[24]，国内一般采用秸秆粉碎还田机在葡萄园内就地粉碎枝条，粉碎后枝条长度小于10 cm，合格率大于92%。为了适应国内葡萄园行距，整机宽度在1850～2250 mm可选，但注意配套拖拉机的选择，除了满足动力要求，拖拉机宽度和转弯半径应适合行距的大小，粉碎机技术参数见表3。

表3 葡萄冬剪枝条粉碎还田机技术参数Table 3 Technical parameters of vineyard prune residues chopper

2.3 单一枝条粉碎机

冬剪枝条在地面分散杂乱，可以人工收集或者机械捡拾后在固定地点集中粉碎。枝条粉碎机装置的工作原理主要有压碎、击碎、磨碎和剪碎4种方式，按照粉碎机的结构形式，可以分为盘式粉碎机、鼓式粉碎机和锤式粉碎机3种[25]。新修剪的葡萄枝条含水率高、较脆，以击碎和剪碎为主。放置一段时间失水后，葡萄枝条韧性很强，粉碎困难，当水分降低到一定程度，比较干燥的枝条由于水分含量低，脆性提高，比较容易粉碎。

3 结论与讨论

葡萄剪下的枝条是一种重要的生物能源，应该进行妥善处理。随着葡萄产业的发展，葡萄园冬季修剪的枝条量逐年增加，而人们对环境问题的日益关注和循环经济的发展，从资源和环境可持续发展角度研究葡萄园废弃物的合理开发利用具有重要的意义。国外已经从利用途径、收集处理装备和运输管理等方面进行了较多研究，但中国的葡萄产业存在一些特殊性，为了更好地利用葡萄园修剪枝条，建议做好以下几点：

（1）中国葡萄大多用作鲜食，以一家一户的小规模种植为主，成片的种植园比例较低；而鲜食葡萄中有一定比例的设施栽培，其架式、修剪管理措施不同。尤其中国葡萄种植的行距一般较小，不利于机具在行间作业，给残枝收集机械化作业带来一定的困难。在葡萄园经济效益较低的情况下将收集成本附加到种植户势必难以推广。

（2）应进一步研究葡萄园修剪枝条更有效的利用途径。利用现代化技术手段和仪器设备，准确测量和估算葡萄园枝条的多少和分布，对利用方式、需求量以及运输半径等进行规划，以达到经济有效的利用效果，提高其利用的经济和环境效益。通过评估在达到一定的利用效益时，枝条利用者可以承担收集成本，甚至为种植户带来收益。

（3）葡萄枝条直接粉碎还田。可以有效提高葡萄园土壤的有机质、微生物和土壤团聚体含量，并可以节省捡拾、运输和处理加工等环节的作业成本，但可能带来果园病虫害反复交叉感染、导致碳氮比失调以及腐烂降解缓慢等问题，需进一步对机械粉碎的颗粒度、抑制病虫害发生的方式方法等进行研究。

（4）国内还欠缺葡萄园修剪枝条有效的还田收集和处理机械设备的研究。应针对我国葡萄园的种植模式、规模和修剪量不同，研发适合的粉碎还田机械、枝条收集和处理机械，实现枝条利用过程机械化作业。