河北省梨园机械化生产现状及展望

朱欣悦 张秀花 冯生 李江涛 孔德刚 张艺

(河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001)

引言

梨果汁多味甜，果肉脆嫩，富有蛋白质及维生素C等人体所需营养物质，适量鲜食解渴消暑，还可加工成梨酒、果脯等产品，梨也可入药，有生津润肺、清热化痰等功效[1]。梨果是河北省主要生产的水果之一，其种植面积仅次于苹果，但远高于全国其他省份的种植面积，2020年总产量全国第1，占比19.66%[2]。梨产业机械化发展水平是河北省农业高质量、产业化发展中的重要一环，对河北省经济可持续发展有重要意义。

1 河北省梨园产业基本特点

自2011年来近10a，河北省梨园种植面积逐年减少，见图1；梨果年产量在320～360万t之间波动，2019年达到峰值363.23万t，见图1；平均单位面积产量却逐年递增，见图2，2019年平均每千公顷梨园产量为3.08万t[2]。梨园产业的产值占农业总产值的30%以上[3]，同时，2020年河北省鲜梨出口交易额达到1.35亿美元，是我国第1大梨果出口省份[4]。

近年来梨果栽培种品结构发生很大改变，现全省栽培的品种共有近300个[3]，梨产业向多元化发展。河北省梨产业形成了8个集群地，见图3，集群地种植面积、产量、产值占全省总量的57.5%、70.6%、84.2%[5]。集群地梨果产业以家庭农场、合作社的形式培育与管理梨园，建立华北冷库聚集群，促进了储藏、物流、包装箱、育果袋等关联行业发展，建立了栽培、加工、物流、营销、旅游等一体化的产业链条，果品远销欧盟、美、澳等十几个国家和地区。

2 梨园机械化生产现状

河北省果园机械化率在20%左右，果园生产管理人工成本占果农总收入的50%以上[6]。造成河北省梨园机械化程度低的主要原因：种植模式不利于机械进园工作，河北省40a树龄以上的老龄梨园约6.67万hm2，省力化密植梨园种植面积大约1.33万hm2，图4为老龄梨园和省力密植梨园，老龄梨园的种植模式不利于机械化作业；果园成熟的机械设备，对河北省梨园的栽培模式、作业环境、立地条件等适应性差；果农对于机械设备认知不足，机械设备推广服务体系待优化，且引进机械设备成本高收益慢。

2.1 梨园建立与栽植环节

梨园由大冠稀植转向矮化密植，现代化梨园建立应选排水性能好且肥沃的土地，并配备机井、排灌渠道等设施。栽植的株距×行距约为1～2m×4～5m，现代化建园包含多道工序。栽植苗木由人工在移栽机上辅助传递苗木进行作业，移栽机进行开沟、植苗与覆土，见图5，相比人工进行栽植，效率大幅提高，但定距效果与栽植后树苗直立度不理想[7]，尚未大面积推广应用。在解决上述弊端的同时，苗木移栽作业机向智能化多功能联合作业的方向发展，将自走、挖坑、排肥、混肥、回填和浇灌集于一体[8]。

2.2 梨园的树下管理环节

梨园的树下管理主要包括除草、施肥、土壤深松以及灌溉等环节[1]。

2.2.1 除草

传统的除草方式为中耕机作业后打乱土壤表层，将杂草与土壤分离或将杂草掩埋地下[1]。现代化梨园提倡生草覆草与刈割，割草机其工作方式为刀盘带动割刀做旋转运动，割草机主要的形式有遥控式、坐骑式及悬挂式，如表1。割草机根据作业区域分为株间(行内)割草与行间割草，避障技术是株间除草的关键技术，避障方法[9]分为接触式与非接触式，接触式避障方法多以四连杆机构偏摆式、绕立轴旋转式等为主；非接触式避障方法多利用传感器、GPS等技术。株间除草机械尚未全面推广，非接触式智能避障技术尚处于研究阶段；除草机械割幅与梨园行距不匹配等问题导致多次作业，农艺与农机结合不够紧密。

表1 刈割割草机分类

2.2.2 施肥

施肥根据是否需要开沟进行根外追肥作业与开沟施肥作业。根外追肥包含人工撒肥与灌溉施肥[1]，通过人工进行撒播施肥或在灌溉时将肥料混入水中进行施肥；开沟施肥需要利用机械设备在施肥前进行开沟作业。开沟施肥利用的机械设备以开沟机与开沟施肥一体机为主，见表2。现有施肥机械可满足基本作业需求，但尚未普及与实现精准定量施肥，从而造成大量肥料的浪费[10]。施肥方式正朝着智能化、精量化发展，定量施肥、分层施肥、精准施肥等施肥方式正处于研究阶段[11]。

表2 施肥机械

2.2.3 深松

深松机具类型如表3所示，以凿式深松机和振动深松机为主，见图8，深松联合整地作业机较少。现有深松施肥机械作业深度较浅，一般在0.4m以内，但梨树根系较深在1m左右的土壤层，长此以往不利于梨树根系向纵深扩展延伸[24]。深松技术正朝研究监测入土阻力、探究新的深松方式、深松与施肥等环节联合作业等方向发展。

表3 果园深松机类型

2.2.4 灌溉

传统老龄梨园灌溉以漫灌或在梨树周边挖沟渠灌溉为主；现代化梨园提倡节水灌溉，多为喷灌、微灌或利用水肥一体化设备进行灌溉。如图6，主要由控制系统、管道以及蓄水池组成，梨树株间设置滴灌管道，适用多种水质，施肥搅拌、过滤，可以一键设置水肥注射比例、终端灌溉等工序，智能化程度高，相比于传统漫灌可节水50%[14]。实现果园水肥智能化管理，可有效提高梨果品质。随着果园机械化发展，应结合多因素实现果园的水肥信息稳定获取、灌溉施肥的智能决策和精准控制[15]。

2.3 梨树树体管理环节

梨树树体管理环节分为疏花、蔬果、套袋与取袋、整形与修剪、植保等环节。

2.3.1 疏花与疏果

疏除花、果方式如表4，河北省主要以人工疏除为主，机械化疏除方式正处于研究阶段。研发自动化程度高、稳定性高、简单操作的高效高质作业的疏花疏果机械设备是当前梨产业机械化的发展方向。

表4 疏花疏果方式

2.3.2 套袋与取袋

梨果套袋可降低病虫害，减少化学药剂残留，改善梨果外观与品质，对绿色梨果生产有重要意义[18]。由于套袋和取袋环节作业难度大，目前主要依靠作业平台辅助人工作业，机械化程度低，并且套袋与取袋环节作业时间范围短，需大量人工。

梨树修剪时需要去除树体内部无用枝，由于树体内部结构杂乱，主要以人工作业配合作业平台搭配电动、气动剪枝机为主，剪枝设备价格便宜，见图7。

机械修剪主要适应于果园粗犷式修枝，在矮化密植的果园较为实用。现有仿形修剪设备主要有往复式与回转式，见图8，可根据梨园树体管理要求进行仿形修剪，提高作业效率。近年来，智能修剪也处于研发阶段，通过三维点云重建技术、激光扫描技术、图像采集技术等方式建立果树虚拟模型[19]，利用智能识别系统，确认被修剪枝条，由机械手臂进行无碰撞修剪[20]，从而取代人工修剪。

目前，果园适用的枝条粉碎设备较为成熟，现有枝条粉碎机分为悬挂式与移动式，见图9。悬挂式枝条粉碎机的末端执行机构为粉碎甩刀，同枝条收拢装置配合作业，作业对象是细小枝条，作业高效；移动式枝条粉碎机通过人工将枝条送入设备，可粉碎粗壮枝条。

2.3.4 植保

现代化植保设备主要以风送式喷雾机为主[21]，风送式喷雾机具有流量大、喷雾均匀、雾化效果好等优点。如表5所示，根据动力配套主可分为3类，牵引式、悬挂式、自走式；牵引式喷雾机和悬挂式喷雾机具有机动性强、通过性好、掉头方便等优势；遥控式打药机可实现人机分离，减少药液对果农的侵害。风送式喷雾机作业时，药物喷洒参数不能自动调节，叶片上会存在药物喷洒不匀的情况，导致果树局部药物喷洒过量或过少[22]，药物利用率低。果园植保机械将改善风量快速调控系统和喷雾位置快速响应系统，使果园植保机械向智能化、信息化发展。

表5 现代化植保设备分类

2.4 梨果的采收环节

梨果采收用工成本占生产总成本比重很大，现在梨果采摘主要依靠作业平台，见图10。作业平台可分为自走式、牵引式和悬挂式，自走式作业平台操作灵活，但价格较高；牵引式和悬挂式作业平台相对自走式作业平台价格略低，但机械整体较大，转弯、进园不方便。作业平台主要依靠底盘动力机械，研发适用性强的专用化底盘结构，提高调平精度，使作业平台朝着高质量、高水平发展[23]。很多高校也在研究利用机械手臂进行果实采摘，通过传感器、视觉识别等高新技术感知果实的成熟度及位置[25]，由机械手臂进行无碰撞采摘。

3 梨园机械化生产存在问题及展望

3.1 梨园机械化生产存在问题

3.1.1 梨园老龄化制约机械化发展

河北省梨园多是老龄梨园，标准化省力密植梨园种植面积占比较小；老龄梨园导致园中梨树的株距、行距、基础设施等都会不同，大型机械进园工作存在困难；机械化推广难度大，管理标准难以统一，梨园机械化管理受到种植模式与地理环境的影响存在局限性。

监控APP软件的主要功能包括:当安装输电线路防外力破坏报警系统的大型机械设备在施工时,吊臂顶端距离输电线路的距离小于安全距离,监控APP能够接收到服务器推送的报警信息,同时能够获取工程车辆的位置信息,便于电力运维人员及时采取措施。监控APP能够查看工程车辆的运行轨迹,便于对工程车辆进行统一管理。监控APP的报警界面和车辆的运行轨迹如图10所示。

3.1.2 梨产业发展不均衡

河北省梨产业发展主要以集群地为主，其他地区受种植规模等限制区域发展不平衡；梨产业合作社多以小规模为主，服务层次低且创收能力弱，资金运行受限，机械化水平无法提升；果农文化水平、管理与政策执行力有限，不利于合作社可持续发展。

3.1.3 农艺农机融合度低

在农机生产与研发过程中，企业忽视了对梨园栽培模式、农业生产需求的考虑，往往造成作业机具与梨园模式不匹配等问题，农机生产与农业管理缺乏联系；在考虑品种栽培上，多以丰产为主，对于是否适合标准化管理与机械化作业考虑欠缺。

3.1.4 高新技术与机械设备融合研究欠缺

机械化发展势必朝智能化、信息化发展，融合发展处于研究阶段；很多具有创新性的科研成果只停留在试验阶段，没有进行批量化、商业化生产，造成科研浪费。

3.2 梨园机械化生产展望

3.2.1 推动标准化梨园建设与管理

加快河北省老龄梨园向省力密植梨园的转变，革新栽培管理技术，从源头解决抑制梨果优质丰产的问题；加强对新技术的创新与改良，归纳出更加可行的现代化梨园管理技术规程，为梨园机械化发展奠定基础。

3.2.2 推动河北省农村合作社高质量发展

以梨产业集群建设为主，扩大服务范围和经营规模，因地制宜进行供机供收、统一购销等服务；鼓励一二三产业融合发展，引导合作社向智慧农业、旅游农业新方向拓展；不断提高梨产业合作社标准化建设，提升创新服务方式，开展试点示范服务，规范梨产业合作社制度规范，完善对果农指导服务，落实扶持政策，推动梨园机械水平不断攀升。

3.2.3 提高梨园农艺农机融合建设

制造适合梨园规模的作业机械设备，考虑株距行距、树形等影响因素，使机械设备配套动力及机器大小满足梨园作业要求；研发适用于机械化作业的梨树品种，统一梨园内梨树树形，进行标准化种植与树体管理，促使农艺与农机更加紧密的结合。

3.2.4 加大科研投入与科研成果转化

针对梨园树下管理和树体管理要求，研发专用型果园机械，提高机械使用率；加大多功能一体果园机械设备的研发，降低机械制造成本，提高机械使用效率；将高新技术融入梨园机械设备，充分利用卫星导航、无人驾驶、深度识别等技术的优势，提升梨园机械的模块化、智能化水平；加快科研成果转化，加强科研院校与企业间合作，缩短产品上市周期。

4 总结

河北省梨产业机械化面临很多挑战，现有大部分老龄梨园不适合机械化作业，由于果树管理的复杂性，一些环节很难实现机械化作业，且适合梨园的作业机械产品有限。建议以家庭农场、县市合作社和果农企业合作等多种梨果生产经营模式为主，形成成方连片的作业规模，进行标准化种植与管理，提高农艺农机结合程度，实现梨园全程机械化生产，为梨产业发展提供坚实保障。