新疆葡萄园机艺融合现状及需求分析

张付春，钟海霞，郝敬喆，韩守安，周晓明，潘明启，伍新宇

（1. 新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐 830091；2. 新疆农业科学院植物保护研究所，乌鲁木齐 830091）

葡萄栽培是劳动量相对较大、劳动强度相对较高的农业生产类型。为解放劳动力，降低劳动强度，提高生产效率，加快农业生产机械化进程是推动现代农业生产发展的关键。世界各国的经验表明，农业机械化是现代农业建设的重要科技支撑，为提高劳动生产率、土地产出率和资源利用率发挥重要作用[1]。近年来，中央政府及各级领导都对加快推进农业机械化转型升级做了重要批示。果园机械化是农业机械化的重要组成部分，将日益成为推广果树先进生产和管理技术的重要抓手[2]。国外主要葡萄生产国具有非常高的机械化程度，法国、美国、新西兰和意大利等国家的葡萄生产机械化管理水平处于世界领先地位，鲜食葡萄生产除了果穗整形和采摘环节采用人工操作外，从种植、整形、施肥、耕作、喷药及包装等均有相应的作业机械；酿酒葡萄生产中，除根据酿酒需要进行手工采摘外，在栽培技术和生产管理中已实现标准化、信息化和全程机械化，现正向自动化和智能化方向发展[3]。近年来，国内葡萄园机械迅猛发展，一批适于不同葡萄种植规模和类型的机械相继出现，如埋土机、施肥机、喷雾机、除草机等，类型各样，种类繁多，其设计原理、应用条件和造价也各有差异[2,4]。鉴于当前葡萄种植规模、种植行距以及架式不同的现状，农机的使用范围受到一定限制。因此，加大对行距、架形等方面与机械融合的研究和改进，仍是今后一定时期葡萄种植领域的研究方向[5-6]。果园机械化是农业机械化的重要组成部分，虽然近年来我国果园机械化水平有所提高，但总体来看，果园机械化仍处于初级起步阶段，果园机械的种类、性能及应用技术水平与世界先进国家相比都存在着巨大差距。

1 新疆葡萄园机械化现状

新疆平坦的地块便于机械化作业，尤其是在大田作物方面。自20世纪50年代，新疆从前苏联引进小麦播种机，60年代新疆生产建设兵团已经开始推广机械化播种技术。80年代至今，小麦、玉米、棉花等大田作物机械化的推进更加的显著，目前在施肥、植保、化控、秸秆处理等环节上已经实现机械化[3]。果园机械化发展进程相对缓慢，与多年来的种植规模、标准化程度、种植习惯及效益有一定关系。据2019年中国年鉴和新疆年鉴的统计，截止2018年底，新疆葡萄栽培面积超过14.55万 hm2，占全国栽培面积的20%。其中，吐鲁番地区3.79万 hm2、哈密地区0.41万 hm2、昌吉回族州0.74万 hm2、伊犁哈萨克州0.91万 hm2、伊犁州直属县市0.81万 hm2、巴音郭楞蒙古州1.63万 hm2、和田地区1.11万 hm2、阿克苏地区0.56万 hm2、克孜勒苏柯尔克孜自治州0.42万 hm2、喀什地区0.46万 hm2、生产建设兵团4.43万 hm2。除此以外，塔城、博州、乌市、克拉玛依等零星种植，共计0.13万 hm2。新疆以其种植规模理应成为全国葡萄园机械化利用的前沿阵地。

吐哈盆地的吐鲁番、哈密，塔里木盆地西南缘的克孜勒苏柯尔克孜、喀什、阿克苏以及和田地区为葡萄老产区，以鲜食、制干葡萄为主，多采用低矮的小棚架模式，不利于机械化作业，机械化利用比例较小。哈密、伊犁哈萨克及州直属县（市）的部分鲜食葡萄园改造为高棚架，为开展机械化栽培提供了条件。昌吉的鲜食葡萄采用棚架和篱架两种栽培模式，棚架栽培多采用高架，但少数葡萄园由于行距达不到机械要求，同样无法实现机械化作业。巴州、昌吉和伊犁州等地的酿酒葡萄多采用篱架栽培，行距大多满足机械作业需求。兵团葡萄园多采用高棚架或篱架栽培，机械化利用较高[3]。总体来看，全疆大部分产区正在积极推进葡萄园机械化作业，目前限制新疆葡萄机械化进程的因素主要是葡萄架面低矮、行距过窄等。由于传统意识、种植规模、种植成本等诸多因素，葡萄架式改造困难，机械化推进速度缓慢，尤其是吐鲁番、和田、克州、喀什、阿克苏等产区，葡萄栽培面积占全疆43.6%，是新疆的传统葡萄产区，也是机械化生产落后地区。吐鲁番葡萄栽培面积占全疆面积的26.5%，近年来吐鲁番市林业部门牵头对部分鲜食葡萄架式进行改造，将低矮小棚架改造为高棚架，为推动老产区机械化生产做出示范[7-8]，取得一些成绩，但要实现所有葡萄园架式改造，仍面临较大困难。虽然当地政府做出巨大努力，改架工作却仅推进1.33万 hm2，65%的葡萄园改架工作迟迟不能推进。

2 新疆常见葡萄园机械

目前，在新疆广泛应用的葡萄园机械有埋土机、出土机、喷药机、旋耕机、施肥机等，每种农机在使用时均需要葡萄架式、株行距、农技措施予以配合。就目前新疆常见的葡萄园机械在机艺融合现状及融合需求方面进行综述分析。

2.1 葡萄园埋土机

2.1.1 农机类型和参数

葡萄园埋土机是完成葡萄越冬埋土的机械。常见埋土机有转盘抛土式和铲土＋履带送土式。转盘抛土式埋土机设计简单，造价成本低，对土壤质地要求较低，外形尺寸（长×宽×高）80 cm×80 cm×50 cm。铲土＋履带送土分旋耕型和无旋耕型，结构相对复杂，成本较高，对土壤的质地有较高的要求。无旋耕型外形尺寸为110 cm×150 cm×80 cm，可变换左右方向；旋耕型外形尺寸150 cm×150 cm×80 cm，可变换左右方向。目前在兵团较多采用传统埋土方式，葡萄枝蔓下架顺沟后直接覆土，后来发展为埋土前由2名辅助工对枝蔓进行简单绑缚和地布覆盖，再由埋土机械覆土（表1）。

表1 葡萄埋土机相关指标Table 1 Indicators related of grape vine burying machine

2.1.2 融合度评价

各机型可通过调整取土深度来控制取土量，适应不同树龄葡萄园，辅助工作量小，埋土厚度可达到30 cm；实现方向变换，转盘抛土式埋土机变换方向分为机身旋转和部件变换两种方式[9]；铲土＋履带送土埋土机通过转向来变换方向。但是转盘抛土式埋土机，不能进行双向埋土同时作业，运行过程中均存在动力偏向问题，对驾驶员的驾驶技术要求高，安全性降低；取土深宽比较大，北疆冬季寒冷地区易发生根系冻害。铲土＋履带送土埋土机结构复杂[10-11]，故障率较高，价格昂贵；无旋耕型‘铲土＋履带送土’埋土机对土壤质地要求较高，适宜在土壤较疏松的葡萄园。

2.1.3 融合需求和融合途径

可通过双向作业设备的一体化设计，减少机械动力偏向；增加取土位置与根系的距离，黏土地＞50 cm，沙土地＞60 cm。解决土壤从取土位置到落地位置之间的传送，可通过设计转盘取土刀倾斜角带、增加转速的方式实现更长距离抛撒。

2.2 葡萄园出土机

2.2.1 农机类型和参数

葡萄园出土机是春季清理越冬葡萄枝蔓上覆土的机械。常见的出土机有滚轴＋地布抛土式、犁铧式、转盘刮土、毛刷扫土等（表2）。葡萄园出土机外形尺寸一般在150 cm×150 cm×100 cm以内。

2.2.2 融合度评价

秋季埋土前对葡萄蔓用地布覆盖，春季出土前将葡萄行头地布挖出与粗绳相连，粗绳穿过地布抛土式出土机竖立滚轴，捆绑在邻行立柱基部。出土机行进，粗绳牵引地布穿过竖立滚轴持续将地布斜向行间拉起，覆土被地布掀至行间，由于动力机械一方面受邻行立柱相连固定的粗绳拉力，一方面受地布与覆土拉力，不易出现动力偏向问题（图1）。该机器原理简单，设计科学，造价成本低，故障率低，枝蔓损伤率低，拖拉机悬挂不需动力输出，辅助工作量少[12]。改造犁铧式、转盘刮土式和毛刷扫土式均采用机械装置靠近葡萄蔓，拨去葡萄蔓外围的覆土。改造犁铧式和转盘刮土式的枝蔓损伤率高，后续工作量大；毛刷扫土式工作效率略低，对土壤质地要求较高，后续工作量大。

2.2.3 融合需求和融合途径

提高地布耐拉性能，设计解决动力偏向问题，或出土前预刮土，减少地布上的覆土量；推荐采用第1款出土机，地布一头捆绑立柱基部，不易出现动力偏向问题；需设计悬挂式的土壤恢复原位的作业机器，实现冬季埋土作业的反向操作。

2.3 葡萄园喷雾机

2.3.1 农机类型和参数

葡萄园喷雾机是葡萄园喷洒农药、叶面肥或植物生长调节剂的机械。吐鲁番常用柱塞泵拉管式喷雾机，目前，风送弥雾型喷雾机已逐渐普及，有自带动力喷雾机和不带动力喷雾机，不带动力有悬挂式或牵引式。目前葡萄园较少使用无人机。葡萄园喷雾机型号较多，规格尺寸不一。自走式喷雾机，外形尺寸一般在200～350 cm×100～150 cm×100～120 cm不等；悬挂式或牵引式喷雾机外形尺寸一般在100～300 cm×120～150 cm×100～150cm不等（表3）。

2.3.2 融合度评价

通过高雾化喷头实现小雾滴，通过风送增加喷雾对叶幕的穿透力，调节喷头开关，可实现喷雾位置和角度的调节；部分自走式喷雾机实现人机分离，提高安全性，减少驾驶员与药物的接触。对于花果喷雾的精细化管理，可通过柱塞泵拉管式喷雾机实现灵活精准施药。拖拉机动力牵引型喷雾机对驾驶员的防护设备或保护措施不足；柱塞泵拉管式喷雾机人工需求大，作业效率低。

2.3.3 融合需求和融合途径

技术进步和农机设计制造部门对产品的升级，实现自走式喷雾机自动导航；增加对驾驶员的防护设备或改进保护措施设施，增设防护型驾驶棚。

表2 葡萄出土机相关指标Table 2 Indicators of grape excavator

图1 滚轴＋地布抛土式葡萄出土机工作原理Figure 1 Working principle of the roller＋floor cloth type grape excavator

2.4 葡萄园施肥机系统

2.4.1 农机系统和参数

葡萄园化肥施用一般推荐水肥耦合的滴灌水溶方式，田间施肥农机一般用在有机肥深施中。有的葡萄园未实现开沟和肥料同步施入，需要拖拉机运送肥料、带犁铧覆土填埋，多部机械组合为葡萄园农机施肥系统，也有少数施肥系统尝试将开沟、施肥、覆土一体化[8]，但多见于乔木果园，葡萄园应用较少。常见的施肥开沟农机有转盘式开沟机、链条式开沟机和打孔机等，主要用途是开施肥沟和挖施肥孔。葡萄园施肥用农机机身尺寸一般在150～250 cm×150 cm×100 cm以内（表4）。

2.4.2 融合度评价

果园侧边开沟机和转盘式开沟机可实现满足有机肥施入的开沟深度和宽度；需要拖拉机运送肥料和带犁铧填埋，即开沟、运送肥料、土壤填埋需要拖拉机分别悬挂3种不同机械，用工量大，步骤繁琐，作业效率低，各种机械在运行过程中均存在动力偏向问题。

表3 葡萄喷雾机相关指标Table 3 Indicators of grape sprayer

表4 葡萄开沟打孔机相关指标Table 4 Indicators related to grape punching machine

2.4.3 融合需求和融合途径

通过机械动力设计解决农机一体化需求和动力偏向问题，或建立组合作业模式，从多环节简化操作，提高效率，减少用工。

2.5 葡萄园旋耕除草机

2.5.1 农机类型和参数

葡萄园除草机是葡萄园中用来去除行间或行内杂草的机械，一般使用旋耕机。旋耕机多用于行间和行内旋耕除草、松土，有不带动力型和自带动力履带旋耕机类型，新疆葡萄园多种农机设备都需要拖拉机提供动力，因此，行间除草多使用不带动力型（表5）。行间旋耕机外形尺寸一般在150 cm×100 cm×50cm以内，行内旋耕机外形尺寸一般在100～150 cm×40 cm×90 cm。

2.5.2 融合度评价

旋耕除草、松土是农业常规作业手段，但不适合戈壁砾石地的葡萄园。行间除草机因为旋耕机宽度固定，对行间地面除草面覆盖不足，不能实现全部除尽。行内除草机容易对葡萄树体造成损伤，或触碰立柱，对操作技术要求较高，人工把持操作强度大。

2.5.3 融合需求

解决行间除草机除草面宽度不足与触碰立柱和葡萄藤的矛盾；避免行内旋耕机损伤葡萄树根干或立柱。设计增加行间除草机适度摆动避障功能，既能通过摆动扩大除草面，又能避免损伤立柱和葡萄藤；设计优化行内除草机避障功能。

表5 葡萄园旋耕除草机相关指标Table 5 Related indexes of rotary lawn mower in grape garden

表6 葡萄平地机相关指标Table 6 Indicators of grape grader

2.6 葡萄园平地机

2.6.1 农机类型和参数

葡萄园行间土壤平整机又称平（耙）地机，是在葡萄园出土后将出土土壤回填至行间，并平整行间土地而设计的机械。小型葡萄园平地常见的是采用犁铧作业加行间旋耕机作业，一些规模化葡萄园采用小型圆盘耙平整土地（表6）。犁铧一般采用2犁铧，外形尺寸100 cm×100 cm；小型圆盘耙外形尺寸150 cm×100 cm×100 cm。

2.6.2 融合度评价

几种机型均可较好实现葡萄园行间土壤恢复，达到行间平整的目标，其中葡萄园平（耙）地机平整效果好，动力偏向小，安全性高，故障率低。行间犁铧+旋耕平整土地不是专业平整土地工具，效果差，效率低，易伤树体，动力消耗和浪费多，动力偏向大，安全性低。由于出土土壤抛距不足，各农机均存在取土不彻底的情况。

2.6.3 融合需求和融合途径

要实现葡萄行间土壤的平整，根据行距设计适合的平地机。改进优化葡萄园出土机对土壤的更大抛距，为耙地机提供便利。

3 机艺融合的范例

3.1 架式改造推动农用机械进入葡萄园

传统鲜食葡萄产区采用低矮小棚架栽培，一般农用机械很难进入，近年来在政府的推动和部分种植户的响应下，吐鲁番已完1.33万 hm2葡萄园架式改造，将传统低矮小棚架改造为高棚架，将根柱与梢柱间距拉开，高度分别提高到1.7 m和1.9 m[13]，有的将梢柱与邻行根柱合一，还有的采用水平棚架或水平连棚架，架面提高到1.8～2.0 m[14]。相较于传统低矮小棚架，新架势增加农机进入行间的高度空间，可以直接或间接地实现葡萄埋土机、出土机、旋耕机、施肥机、喷雾机的作业。

3.2 树形改造加速部分果园机械的研发应用

鲜食葡萄传统树形主蔓上架后垂直于栽培行方向，果穗散布于架面上。经过改造，新的高“厂”形树形葡萄主蔓上架后沿栽培行方向绑缚，新梢向两边延伸绑缚，果穗呈带状分布于栽培行两侧的架面上，树形改造使得果穗成行排列[15-16]，实现植物生长调节剂喷施机械化。同时，新梢平行排列，为葡萄摘心修剪机的设计应用带来便利[17-18]。酿酒葡萄采用立架栽培，传统树形为多主蔓扇形和多龙干柱形，葡萄果穗散布于整个篱架架面。改造为“厂”形后，葡萄果穗集中在一条水平线附近，降低葡萄采收机械的设计难度。同时，所有新梢全部竖直绑缚，向上生长，为葡萄新梢修剪机的研发提供便利。

3.3 低矮型拖拉机进入葡萄园

多种动力的大棚王拖拉机由于其外形尺寸小巧，动力大，可以满足果园的动力需求，为埋土机、出土机、旋耕机、施肥机、喷雾机等机械提供动力。同时，降低了葡萄园架式改造的难度。在传统认识中，需将传统低矮小棚架架高提高到2.0 m左右才能使农机顺利进入葡萄园，如今仅需提高到1.8 m即可，既降低改架难度和成本，又减轻葡萄园管理人员劳动强度。

3.4 葡萄园机械改进升级

在生产实践中不难看到，一批葡萄园机械得到富有成效的改进升级，实现更大范围的稳定应用。如最初因埋土效果被广泛认可的履带式埋土机在实际生产中被反映故障率高的问题，后经强化部件质量、简化零件类型、优化动力传输等改进措施，已大幅降低故障率；经过大量机械设计制造人员的不懈努力，葡萄园出土机设计形式多样，功能和效果不断改进，推出‘滚轴+地布抛土’式高效葡萄园出土机[13]；喷雾机的喷头位置和数量可调节，适合多种类型葡萄园的应用，满足不同作业需求；旋耕机出现规格多样的机型，适用于多种类型的葡萄园；开沟施肥机不断改进，满足葡萄园对开沟位置、沟深、沟宽等指标的要求。

3.5 推动葡萄园机械管理的精细化作业

近年来一批小型机械的出现，加速棚架式葡萄园管理机械化进程，如单双刀翻转犁、微型旋耕机、小型圆盘耙，迅速进入葡萄园埋土和出土、除草、平地等生产应用中，推动葡萄园机械管理的规范化、精细化作业，也为加速葡萄园机械的优化改进提供实践数据。新疆一些产区土壤类型多样，需要特定的专用农机，如戈壁砾石葡萄园，需要在生产中逐步清理石块，目前已经出现葡萄园捡石机和碎石机，取得一定效果[19]。在一些酿酒葡萄园和篱架栽培鲜食葡萄园，可通过设计和试验调整改进无人机喷雾作业。同时，无人机在遥感、葡萄园测绘、产业规划和葡萄园营养诊断、病虫害发生预警等方面应用前景广阔。

4 结语

国内外实践证明，农机农艺有机融合是实现果园机械化生产的内在要求和必然选择。不仅关系到关键环节机械化的突破，也关系到先进适用农业技术的推广普及应用，影响农机化的发展速度和质量[2]。我国疆土广阔，地理环境和经济水平千差万别，同时发展果园机械化的认识存在差异，不同区域的果园机械化管理水平差异加大。丘陵地区大部分果园管理作业仍然依靠人工完成；平原地区果园立地条件好，由于果园规模、果农的购买力、种植模式、机械产品质量等因素影响，大部分果园管理还是依靠人工完成，这也导致了我国水果优势产区综合机械化水平不到20%，非优势产区综合机械化水平不到10%，因此推进我国果园的机械化发展任重道远[20]。但可喜的是，近年来随着农业部对农业机械化的支持力度不断加大，产业发展对机械化的需求不断增强，以及劳动力短缺和用工成本的提高，一系列因素将加快推动我国农业机械化发展步伐。

新疆农业规模化程度较高，葡萄栽培面积始终位居全国之首，劳动力匮乏的现实使葡萄园机械化压力加剧。近年来，新疆各地逐步摸索适合当地发展的葡萄栽培模式、架式和树形，并逐步开展规范化种植，为加速发展适合新疆产区栽培模式的葡萄园机械和推进葡萄园机械化、智能化管理提供有利条件。目前，国内已有部分企业研发生产葡萄园修剪机、酿酒葡萄采收机、枝条粉碎机等，但由于疆内葡萄园栽培模式标准化程度不能满足机械需求，因此机械的应用较少；农业机械化利用是推动农业自动化、智能化的前提和载体，需要农机设计制造方和葡萄种植方的共同努力，尤其需要种植方加快推进葡萄园种植的标准化水平。因此，葡萄生产管理部门应打破传统思想的局限，加速推进葡萄园标准化建设，为葡萄园生产机械化提供便利。新疆维吾尔自治区“十四五”农业农村经济发展规划提纲指出，将加快农作物生产全程机械化，推动林果、蔬菜、畜牧、水产和特色产业农机装备研发推广，同时加快酿酒葡萄标准化基地建设，相信随着农业生产机械化需求的不断加大，葡萄园标准化建设的步伐将更加稳步和快速推进，也将加速新疆葡萄园机械化管理的步伐。