我国葡萄埋藤和清土作业机械的应用现状

王彤心，杨继红，苏媛，鞠延仑，房玉林，刘文政*

（西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌 712100）

葡萄营养价值丰富，可鲜食、制干和酿酒，是我国主要的果品之一[1]。近年来，随着我国经济高速发展和人民生活水平的提高，葡萄产业取得了长足的进步，种植面积和产量持续增长[2]。北方是我国重要的葡萄种植区，然而北方地区冬季气候寒冷干燥，如不及时采取防寒保温措施，将造成葡萄藤风干和冻害，直接影响来年葡萄的品质和产量，甚至绝产。因此在入冬前需对葡萄藤采取必要的埋土[3-4]，并在来年春季进行清土上架。具体而言，一般先将修剪后的葡萄藤下架铺放于地表，并用土将其掩埋，待来年春季将土清除干净，再将葡萄藤立起上架[5]。葡萄埋土和清土环节劳动强度大、技术要求高、季节性强，人工成本约占全年总成本的50%以上[6]，因此开发并应用适宜的埋土和清土机械对于我国葡萄产业的发展具有十分重要的意义。基于此，本文概述了我国葡萄埋土和清土作业机械的研究现状，并分析了几种埋土和清土作业模式及存在的问题，为推进我国葡萄产业机械化发展提供参考。

1 葡萄冬季埋藤机械的发展现状

葡萄埋藤作业，由于各地区生长环境、种植模式、土壤质地等有所差异，其农艺要求（埋土的厚度和宽度）也不尽相同。目前我国已研制开发出多种类型的埋藤作业机具[7]。根据作业方式和工作特点，现有葡萄埋藤机主要分为直抛式、犁耕式、旋耕式和联合作业式等类型，并对其应用特点进行分析，见表1。

表1 葡萄埋藤机主要作业模式及特点分析Table 1 Analysis of the main operation modes and characteristics of grapevine burying machine

1.1 直抛式埋藤机

直抛式埋藤机采用行间取土并向葡萄藤侧位翻转的方式，结合抛土结构设计，进行侧位逆旋抛土，提升了埋藤机的作业效率。

辽宁省北宁市农机推广站研发了OPF-A型葡萄越冬覆土机，配套动力14.7～22 kW，覆土器叶轮将土取出并均匀抛撒至葡萄藤，2～3次往复抛土作业方可满足埋土要求。该机结构简单、覆土均匀、造价较低，适用于含水率在12%～25%以下的无石块葡萄园土壤条件，但因作业时需重复覆土，作业效率不高[8]。

天津市农业机械研究所发明了行间取土并向两侧翻转抛土的葡萄埋藤机[17]，该机主要由悬挂机架、变速器、刀轴、旋耕刀和罩板等组成。悬挂机架和拖拉机的悬挂架连接，刀轴配备旋耕刀9～12个，在刀轴的上方加装罩板并置于机架上；旋耕刀采用逆旋方式切土，通过活动罩板调节抛土距离，将土抛向两侧，以掩埋葡萄藤。该机采用双侧逆旋抛土的工作原理和抛土结构设计，相较人工作业可提高效率20～30倍，且性能稳定，培土集中，作业质量较高；由于其双侧抛土方式，要求葡萄行距统一固定。

宁夏智源农业装备有限公司开发了单边横向圆锥式埋藤机[18]，属单侧埋藤作业方式，旋耕刀组呈圆锥排列形式置于抛土装置内，旋耕刀逆向旋耕取土，经导向罩将土壤向右侧抛出，完成埋藤作业。该机需配套动力95 kW以上，埋藤高度≥60 cm，埋藤垄宽度≥130 cm，工作效率0.53 hm2·h-1，适于小行距葡萄种植环境。

宁夏大学研制了两款圆锥式埋藤机（横向、纵向）[9]，开展了运动学和动力学分析，对关键部件性能参数进行了优化，确定了抛土叶片中心轴转速150 r·min-1，通过样机田间试验发现，两款埋藤机取土量均在0.22 m3·m-1以上，抛土距离均＞83 cm，碎土率均高于87.2%，较好地满足了埋藤作业要求。

1.2 犁耕式埋藤机

犁耕式埋藤机是在现有农业机具的基础上改良而来，制造方便，但功耗较高，由犁体和犁架两部分构成，通过犁体的翻垡，将地表土壤翻埋至葡萄藤。冬季土壤易板结，土壤碎土率不高，翻埋效果不佳，目前应用逐渐减少，主要作为辅助机型用于埋藤作业。

单边双犁式是该类较为常见的机型[10]，即采用犁铧翻垡单侧埋土至葡萄藤，完成覆土作业。配置两个犁铧是为了保证足够的取土量，但该机型缺少碎土装置，土壤破碎效果较差，在推广使用上有其自身局限性。

辽宁农机所设计了3MT-5.0型埋藤机[11]，主要由起土犁、埋土器、传动系统等构成，经起土犁和埋土器的内切土刀片旋转复合作用切削土壤，且起土犁提升土壤，埋土器进行切土、碎土和抛土，进而以一定的土层厚度埋覆葡萄藤。该机结构简单，操作方便，可充分利用拖拉机的动力，实现小功率配套动力输出，但其碎土效果有待提升，且对于土质较硬地块，需多次作业才能满足覆土要求。

米尔拉提·买买提发明了一款葡萄埋藤机专用犁[19]，将铧式犁的犁壁加长并制造成扭柱面的形状，犁壁长度1～1.2 m，犁壁尾部高度0.6～0.8 m。作业时，埋藤机专用犁的动力由配套的拖拉机进行牵引，所需功耗较低，但该机需人工辅助操作，属于半机械化埋藤方式，作业效率较低。

1.3 旋耕式埋藤机

旋耕式葡萄埋藤机由旋耕组件和输送组件构成，旋耕组件将土壤松碎挖取，输送组件则将土壤运送至葡萄藤，两者配合完成埋藤作业。

佘慧燕[12]针对宁夏已推广使用的机具存在碎土效果较差、抛土距离低、作业效率低等问题，设计了旋抛式葡萄埋藤机，抛土距离为86 cm，碎土率为99%，能够完成碎土、埋藤作业要求，碎土率高、抛土性能好，整机设计满足葡萄埋藤作业要求。

刘忠军等[13]研制的葡萄埋藤机，采用旋耕取土与抛土相结合的方式，完成埋藤作业。该机覆土高度45 cm以上，覆土宽度110 cm，抛土距离50 cm，作业效率0.53 hm2·h-1。此外，整机机身较长，采用挂接形式，故转弯半径较大。

蒙贺伟等[20]基于“旋松、铲抛、输送、扒卸”的工作原理研制了PM-1200型悬挂式葡萄埋藤机，该机主要由取土装置、送土装置和换向齿箱等构成[11]。试验结果表明，该机取土宽度、厚度分别为122.7、9.8 cm，埋藤截面积0.25 m2，作业效率0.707 hm2·h-1，是人工作业的50～60倍。

北京现代农装科技股份有限公司结合新疆葡萄种植模式研制了PMT-75葡萄埋藤机[20]，采用三点悬挂方式挂接于拖拉机，配套动力18.4～22 kW。旋耕刀破土、碎土，经铲土板、斜式输送带、水平输送带将土输送至葡萄藤，完成埋藤作业。该机埋土的宽度和厚度均为400 mm，取土量可由旋耕土壤的深浅来控制。

戈壁等特殊地域葡萄园中密布石块，机械化埋藤作业设备受到石块的影响，经常发生卡滞甚至零部件损坏，阻碍了埋藤机械化作业在戈壁等特殊地域的应用。张科全等[21]针对戈壁特殊的地域条件，发明了一款戈壁土壤专用埋藤机，机架前部配备旋土滚筒，滚筒上相间布置旋刀和橡胶板，将土壤疏松并通过土壤导向板将其抛至输送带，同时机具设有刮土板、梯形槽等结构部件，可有效规避石块的影响，实现密布石块等特殊地域的机械化埋土防寒作业。

1.4 联合作业葡萄埋藤机

联合作业式埋藤机是一种集土地平整、除草、埋藤于一体的农业机具，主要由动力输出部分、传动齿轮箱、旋耕刀组等组成。该类机型由于集多种功能为一体，可较大程度提升机具利用率，有效降低种植户的农机投入成本，是葡萄埋藤机研究的发展方向。

高万军[22]设计了一种春季田间旋耕、夏秋季除草、秋末葡萄埋藤的多用机。其特点在于：可对一年生葡萄藤仅需一次作业即可满足覆土厚度的要求，且埋藤效果较好。该联合作业机集旋耕、除草和埋藤等多项功能于一体，机械投资少，生产成本低，充分发挥机具利用率。

新疆农八师149团研制了1MP-500型多功能葡萄埋藤机[16]，主要由取土和输土部分构成，其中取土部分主体是旋耕装置，主要用于将输送的土壤粉碎，以利于铲运起土，并抛至后方，然后经铲土板送至输土部分；输土部分主要由铲土板、水平及斜式输送带构成，完成将输送带上的土壤抛至葡萄藤上进而实现埋土作业过程。此外，将前端铲土板和输土部分卸去，可作为微耕机用于葡萄园的松土除草，实现了一机多用，提升了机具的利用率。

敦煌市祥农农业机械有限责任公司研发的3LGS-90型葡萄埋藤及旋耕两用机[23]，采用三点悬挂，侧置式传动，配套动力8.82～12.50 kW。该机采用旋耕刀式专用刀片进行提土和抛土，可根据葡萄树的大小多次作业，通用性较好。该机可一机多用，春季作为旋耕机，夏季作为除草机，秋季则用于葡萄的埋土防寒。

2 葡萄春季清土机械的发展现状

春季清土是我国北方埋土防寒区葡萄种植不可或缺的环节，关乎葡萄品质和产量。葡萄清土作业机械受种植模式和埋土方式的影响，其通用性受到一定的限制。葡萄清土机械根据清土原理可分为刮板式、旋转式、螺旋式、螺旋绞龙式、回收防寒布式和气力结合式等类型，其主要特点分析如表2所示。

表2 葡萄清土机主要作业模式及特点分析Table 2 Analysis of the main operation mode and characteristic of soil-cleaning machine of grapevine

2.1 刮板式清土机

刮板式清土机采用铲土刮板将土垄侧边与顶部土壤刮至行间。该类机具结构简单，操作便捷，但刚性部件易损伤葡萄藤，多结合避障调节设备，且难以清除葡萄藤间土壤，清土率低，需要人工辅助操作。

施雷[24]对宁夏红寺堡区酿酒葡萄防寒土离散颗粒群与刮板的互作机理进行了研究，并系统性的提出了自动可调式双刮板清土起藤机的设计理论，试制了自动可调式双刮板清土起藤机。结果表明，该机清土率为75.03%，较传统单刮板清土起藤机提高了27.2%。

白洪君[32]创新设计了防阻振动式清土铲，铲刃设有橡胶护条，铲体则加装弹簧并配备振动器。工作时，清土铲将防寒土铲起，并在振动器作用下铲体振动进而松散地表土壤，使得铲体易于深入防寒土，降低功耗；同时，配备的弹簧可对清土铲起到缓冲和避障作用，避免铲体刚性破坏和对树体的损伤。

2.2 旋转式清土机

旋转式清土机主要由旋抛组件和控制组件构成，旋抛组件快速清运覆土，控制组件多有避障或清扬尘的功能，最大限度减少刚性部件对葡萄藤的损伤。该类机具清土效率高，缺点是易壅土伤机。

周文书[33]设计了旋转式双向单垄葡萄藤清土装置，主要由清土、除尘、拉动、调节等机构组成，具有自动除尘、自调节高度且稳定性高等特点，可改善清土环节扬尘影响，且可提升机具的适应性。该机一定程度上提升了清土效率，但仍需人工辅助操作除尘。

陈万才等[34]发明了一种葡萄埋藤清土机，主要结构有机架、驱动机构、清土机构和控制机构。清土机构包括旋转轴与柔性叶片，工作时，柔性叶片随旋转轴转动以清理葡萄藤表面覆土，且可小幅横向移动，减少清土过程中对葡萄藤的伤害。该机结构简单、操作方便，相较于搅龙式清土机，其清土效率高，对不同土壤适应性较强；但因缺少松土部件，不适宜过于坚实的土壤。

谢冬等[26]根据农艺需求，研发了一款适应不同树龄、具复合清土且效率较高的葡萄藤清土机。试验表明，机具工作性能稳定，对葡萄藤机械损伤较少，适应性强，机具清土合格率可达92.9%，工作效率为0.63 hm2·h-1，该机符合敦煌地区葡萄藤春季清土作业要求。

杨启志等[27]针对西北地区土壤干燥且沙性大的特点，结合该区酿酒葡萄种植模式，设计了分层旋抛式清土起藤机，明确了分层旋抛刀的关键参数，并开展理论分析、EDEM-Recurdyn耦合仿真和田间试验，结果表明，旋抛刀焊接角度、刀具转速和机器前进速度分别为30°、270 r·min-1和0.4 m·s-1时，清土率为49.1%，旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m，土壤抛送距离为1.52～1.75 m。

2.3 螺旋搅龙式清土机

螺旋搅龙式清土机采用搅龙横向送土，该类机具结构简单，送土量大，但入土深度不易控制，易刮伤葡萄藤，对冬季埋土操作要求较高。

刘松[35]基于土壤特性分析设计了圆锥螺旋式葡萄挖藤机，其核心部件为圆锥螺旋式清土装置，对整机结构和工作原理进行了分析，明确了挖藤清土速度为380 r·min-1，整机前进速度为1 km·h-1。该机结构简单、操作方便、清土效果好，可实现大面积葡萄藤清土作业，但存在清土不彻底、易刮伤葡萄藤等问题。

张成福等[36-37]研制的螺旋搅龙式防寒土清除机，主要由机架、搅龙拨土装置和液压避障部件等组成。根据安装位置可分为前置式和后置式，两者均由控制器控制，驱动液压油缸，调节摆动支架，进而避开葡萄架杆，达到避障的目的。该设备结构简单，但搅龙入土的深度不易控制，需人工辅助操控。

刘芳建等[28]研制的自动避障葡萄藤扒土机，将推土铲与搅龙相结合完成送土及侧向推土，自动避障功能由与清土部件相连的液压油缸的伸缩来实现。该机清土性能良好，避障快速、准确，且结构简单可靠；但其液压动力由拖拉机提供，缺乏单独的散热装置，液压油温度可能过高，且该设备受埋藤效果影响较大，埋土厚度不均易造成葡萄藤损伤。

徐丽明等[38]设计了一款移位式葡萄清土开沟机。该机采用三点悬挂方式，基于螺旋输送的原理，进行土壤破碎和侧向输送完成葡萄的清土开沟，同时结合传感器和液压控制技术，可有效避开葡萄藤架，实现清土开沟的自动化作业，提高了作业效率。此外，该机可用于其他作物的开沟作业，提高了机具的适用性和利用率。

2.4 回收防寒布式清土机

近年来，埋土防寒区开始采用防寒布辅助埋土防寒的模式，即在葡萄藤下架之后埋土之前铺设防寒布，该模式对葡萄的保温保墒效果更好。回收防寒布不仅能降低成本，还可减少清土环节对葡萄的伤害。

谢冬等[39]根据农艺要求研制了适合河西地区的葡萄藤清土机。工作时，拽膜辊向后拉拽埋藤时预留的防寒布，且配备绞龙机构，其中下部输土绞龙反转，上部清土绞龙则拉拽防寒布包裹的防寒土，并经变径搅龙输送到葡萄行中，完成防寒布回收和清土作业。该机作业效率较高，避免了机具与葡萄藤的直接接触，不易损伤葡萄藤，但结构相对复杂，对防寒布的拉伸性能要求高，且对拖拉机手操作技术有较高的要求。

徐丽明等[40]发明了一款葡萄埋藤用的防寒布清土回收机，包括主机体、液压系统、副机体、清土总成和卷布总成。清土作业时，先由刮土铲将防寒布上的土刮至一侧再由清土搅龙进一步清除防寒布上的土，最后卷布辊卷起防寒布实现回收作业。其中卷布辊的尺寸可根据防寒布的尺寸进行更换，其转速亦可进行调节。

牛丛等[3]针对新疆地区篱架式葡萄清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难且效率低的问题，研制了冬季埋土清除与防寒布回收机，由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。刮土板和清土叶轮先将防寒布上方的防寒土除去，再由卷布机构回收防寒布，试验表明平均清土距离为271 mm，清土效果较好，工作效率高，为人工清土效率的10倍以上，且对葡萄藤和防寒布损伤小。

2.5 气力结合式清土机

气力结合式清土机主要由接触式清土部件和非接触式风力部件构成，先由刮板式、旋抛式等清土部件去除部分土壤，再由风力作用清除葡萄藤间土壤。该类机具清土彻底，伤藤率较低，易产生扬尘，是目前清土机械研究的热点方向。

乐晨俊[30]综合接触式和非接触式清土设计了一款复合式酿酒葡萄清土机，该机通过清土刮板清除土垄两侧的部分土壤，随后采用风力清除核心区域的土壤。该机所用风机流量为2.08 m3·s-1，且经EDEM-FLUENT耦合分析发现，风口截面为100 mm×200 mm，风口清土高度为25 mm，清土速度为0.5 m·s-1时效果较好。同时，田间试验表明，该机作业清土率较传统机型提升20%以上，露藤率提升90.5%，伤藤率降低至1.5%以下，且土垄的破碎时间越短，扬尘越低。

赫明胜[31]研制了酿酒葡萄分层旋抛-气吹复式清土起藤机，采用旋抛部件与气吹部件配合清土，试验证明旋抛式与风机复式清土易于清除葡萄藤两侧的覆土，其清土率为90.26%，露藤率为94.4%，伤藤率为2.49%，满足春季清土起藤的作业要求。该设备作业两次，可以完成单垄葡萄覆土的有效清除，实现了清土环节的机械化，但该设备工作时易产生扬尘，需进一步优化。

施爱平[41]发明了一款智能化葡萄起藤清土装备，主要包括挖土、清土和除尘等装置。工作时，刮板快速清理土垄两侧的土壤，风机产生风力，扰动和输送葡萄藤周围的土壤，经电机带动清土轮转动，其毛刷能够对葡萄藤周围及其外表面的土壤进行清理，且位于后侧的送风口可将风吹向葡萄藤外表面，实现二次清土；同时设置除尘装置，进行有效降尘。

3 葡萄冬季埋藤和春季清土机械作业问题及分析

3.1 葡萄冬季埋藤机械作业的问题及分析

（1）埋土量不足。现阶段，埋藤机需多次埋土作业方能满足覆土要求，且机具取土时离根系较近，易对根造成损伤，导致冻害发生，影响来年葡萄产量。

（2）碎土率低。提高碎土率是现阶段埋藤机研发聚焦的问题之一，我国葡萄种植分布较广，土壤类型多样，在埋土防寒区冬季土壤易板结，较低的碎土率影响了埋土效果、作业效率和机具使用寿命。

（3）能耗高。机具通过拖拉机提供动力，埋藤过程涉及挖土、覆土等环节，能耗普遍偏高，且埋藤作业大多需人工辅助操作，作业成本增加。

（4）机具适应性不佳。我国葡萄架形、种植模式、葡萄品种皆因地制宜，而埋藤机械受到了上述因素的制约，适应性有待提升。

（5）稳定性较差，维修困难。现有埋藤机虽然种类和数量较多，但由于制造工艺水平不高，机具的可靠性和稳定性有待提升，同时在制造方面缺乏统一的行业标准，机具维修难度和成本增加。

3.2 葡萄春季清土机械作业的问题及分析

（1）缺乏统一标准。国内葡萄种植模式、冬季埋土均未形成统一标准，清土作业面临更大的挑战，为适应不同的葡萄种植管理模式，清土机类型繁多，功能也较为多样，但清土效果仍有待提升。

（2）葡萄藤易损伤。清土环节机具部件与埋土直接作用，不可避免与葡萄藤的无差别接触，易对葡萄树体萌发的新芽或葡萄藤本身造成损伤，因此清土机的运行速度、清土力度、清土部件材质不仅要兼顾作业效率还应顾及葡萄藤的保护。

（3）清土质量有待提升。近年来研制出的清土机部分可实现机械化，但多数机具清土后仍需人工辅助操作，且清除的土壤较难回填至原来取土的位置，导致行间不平整，影响后期机械在行间的通过性和第二年的埋藤取土。

（4）操作难度大。清土环节较埋土环节操作难度大，机具紧靠葡萄藤，易伤藤，且清土环节对拖拉机手要求较高，需保证机具运行路径的合理性和稳定性。

4 总结与展望

北方葡萄种植区冬季埋藤和春季清土是种植管理中必不可少的环节，具有季节性强、作业成本高、劳动强度大等突出特点。本文系统地总结和分析了我国现有葡萄埋藤和清土机械设备的作业模式和特点，探索了本领域机械化水平发展现状，为研发普适性高、性能更为优良的埋藤、清土设备提供参考。同时，针对目前存在的问题，应加强葡萄种植模式的宜机性研究，并研发可靠性高、适用性强、伤藤率低的新机型，此外，开展节能降耗仍将是未来研究的主要方向之一。