新疆葡萄園機藝融合現狀及需求分析

張付春，鐘海霞，郝敬喆，韓守安，周曉明，潘明啟，伍新宇

（1. 新疆農業科學院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆農業科學院植物保護研究所，烏魯木齊 830091）

葡萄栽培是勞動量相對較大、勞動強度相對較高的農業生產類型。為解放勞動力，降低勞動強度，提高生產效率，加快農業生產機械化進程是推動現代農業生產發展的關鍵。世界各國的經驗表明，農業機械化是現代農業建設的重要科技支撐，為提高勞動生產率、土地產出率和資源利用率發揮重要作用[1]。近年來，中央政府及各級領導都對加快推進農業機械化轉型升級做了重要批示。果園機械化是農業機械化的重要組成部分，將日益成為推廣果樹先進生產和管理技術的重要抓手[2]。國外主要葡萄生產國具有非常高的機械化程度，法國、美國、新西蘭和意大利等國家的葡萄生產機械化管理水平處于世界領先地位，鮮食葡萄生產除了果穗整形和采摘環節采用人工操作外，從種植、整形、施肥、耕作、噴藥及包裝等均有相應的作業機械；釀酒葡萄生產中，除根據釀酒需要進行手工采摘外，在栽培技術和生產管理中已實現標準化、信息化和全程機械化，現正向自動化和智能化方向發展[3]。近年來，國內葡萄園機械迅猛發展，一批適于不同葡萄種植規模和類型的機械相繼出現，如埋土機、施肥機、噴霧機、除草機等，類型各樣，種類繁多，其設計原理、應用條件和造價也各有差異[2,4]。鑒于當前葡萄種植規模、種植行距以及架式不同的現狀，農機的使用范圍受到一定限制。因此，加大對行距、架形等方面與機械融合的研究和改進，仍是今后一定時期葡萄種植領域的研究方向[5-6]。果園機械化是農業機械化的重要組成部分，雖然近年來我國果園機械化水平有所提高，但總體來看，果園機械化仍處于初級起步階段，果園機械的種類、性能及應用技術水平與世界先進國家相比都存在著巨大差距。

1 新疆葡萄園機械化現狀

新疆平坦的地塊便于機械化作業，尤其是在大田作物方面。自20世紀50年代，新疆從前蘇聯引進小麥播種機，60年代新疆生產建設兵團已經開始推廣機械化播種技術。80年代至今，小麥、玉米、棉花等大田作物機械化的推進更加的顯著，目前在施肥、植保、化控、秸稈處理等環節上已經實現機械化[3]。果園機械化發展進程相對緩慢，與多年來的種植規模、標準化程度、種植習慣及效益有一定關系。據2019年中國年鑒和新疆年鑒的統計，截止2018年底，新疆葡萄栽培面積超過14.55萬 hm2，占全國栽培面積的20%。其中，吐魯番地區3.79萬 hm2、哈密地區0.41萬 hm2、昌吉回族州0.74萬 hm2、伊犁哈薩克州0.91萬 hm2、伊犁州直屬縣市0.81萬 hm2、巴音郭楞蒙古州1.63萬 hm2、和田地區1.11萬 hm2、阿克蘇地區0.56萬 hm2、克孜勒蘇柯爾克孜自治州0.42萬 hm2、喀什地區0.46萬 hm2、生產建設兵團4.43萬 hm2。除此以外，塔城、博州、烏市、克拉瑪依等零星種植，共計0.13萬 hm2。新疆以其種植規模理應成為全國葡萄園機械化利用的前沿陣地。

吐哈盆地的吐魯番、哈密，塔里木盆地西南緣的克孜勒蘇柯爾克孜、喀什、阿克蘇以及和田地區為葡萄老產區，以鮮食、制干葡萄為主，多采用低矮的小棚架模式，不利于機械化作業，機械化利用比例較小。哈密、伊犁哈薩克及州直屬縣（市）的部分鮮食葡萄園改造為高棚架，為開展機械化栽培提供了條件。昌吉的鮮食葡萄采用棚架和籬架兩種栽培模式，棚架栽培多采用高架，但少數葡萄園由于行距達不到機械要求，同樣無法實現機械化作業。巴州、昌吉和伊犁州等地的釀酒葡萄多采用籬架栽培，行距大多滿足機械作業需求。兵團葡萄園多采用高棚架或籬架栽培，機械化利用較高[3]。總體來看，全疆大部分產區正在積極推進葡萄園機械化作業，目前限制新疆葡萄機械化進程的因素主要是葡萄架面低矮、行距過窄等。由于傳統意識、種植規模、種植成本等諸多因素，葡萄架式改造困難，機械化推進速度緩慢，尤其是吐魯番、和田、克州、喀什、阿克蘇等產區，葡萄栽培面積占全疆43.6%，是新疆的傳統葡萄產區，也是機械化生產落后地區。吐魯番葡萄栽培面積占全疆面積的26.5%，近年來吐魯番市林業部門牽頭對部分鮮食葡萄架式進行改造，將低矮小棚架改造為高棚架，為推動老產區機械化生產做出示范[7-8]，取得一些成績，但要實現所有葡萄園架式改造，仍面臨較大困難。雖然當地政府做出巨大努力，改架工作卻僅推進1.33萬 hm2，65%的葡萄園改架工作遲遲不能推進。

2 新疆常見葡萄園機械

目前，在新疆廣泛應用的葡萄園機械有埋土機、出土機、噴藥機、旋耕機、施肥機等，每種農機在使用時均需要葡萄架式、株行距、農技措施予以配合。就目前新疆常見的葡萄園機械在機藝融合現狀及融合需求方面進行綜述分析。

2.1 葡萄園埋土機

2.1.1 農機類型和參數

葡萄園埋土機是完成葡萄越冬埋土的機械。常見埋土機有轉盤拋土式和鏟土＋履帶送土式。轉盤拋土式埋土機設計簡單，造價成本低，對土壤質地要求較低，外形尺寸（長×寬×高）80 cm×80 cm×50 cm。鏟土＋履帶送土分旋耕型和無旋耕型，結構相對復雜，成本較高，對土壤的質地有較高的要求。無旋耕型外形尺寸為110 cm×150 cm×80 cm，可變換左右方向；旋耕型外形尺寸150 cm×150 cm×80 cm，可變換左右方向。目前在兵團較多采用傳統埋土方式，葡萄枝蔓下架順溝后直接覆土，后來發展為埋土前由2名輔助工對枝蔓進行簡單綁縛和地布覆蓋，再由埋土機械覆土（表1）。

表1 葡萄埋土機相關指標Table 1 Indicators related of grape vine burying machine

2.1.2 融合度評價

各機型可通過調整取土深度來控制取土量，適應不同樹齡葡萄園，輔助工作量小，埋土厚度可達到30 cm；實現方向變換，轉盤拋土式埋土機變換方向分為機身旋轉和部件變換兩種方式[9]；鏟土＋履帶送土埋土機通過轉向來變換方向。但是轉盤拋土式埋土機，不能進行雙向埋土同時作業，運行過程中均存在動力偏向問題，對駕駛員的駕駛技術要求高，安全性降低；取土深寬比較大，北疆冬季寒冷地區易發生根系凍害。鏟土＋履帶送土埋土機結構復雜[10-11]，故障率較高，價格昂貴；無旋耕型‘鏟土＋履帶送土’埋土機對土壤質地要求較高，適宜在土壤較疏松的葡萄園。

2.1.3 融合需求和融合途徑

可通過雙向作業設備的一體化設計，減少機械動力偏向；增加取土位置與根系的距離，黏土地＞50 cm，沙土地＞60 cm。解決土壤從取土位置到落地位置之間的傳送，可通過設計轉盤取土刀傾斜角帶、增加轉速的方式實現更長距離拋撒。

2.2 葡萄園出土機

2.2.1 農機類型和參數

葡萄園出土機是春季清理越冬葡萄枝蔓上覆土的機械。常見的出土機有滾軸＋地布拋土式、犁鏵式、轉盤刮土、毛刷掃土等（表2）。葡萄園出土機外形尺寸一般在150 cm×150 cm×100 cm以內。

2.2.2 融合度評價

秋季埋土前對葡萄蔓用地布覆蓋，春季出土前將葡萄行頭地布挖出與粗繩相連，粗繩穿過地布拋土式出土機豎立滾軸，捆綁在鄰行立柱基部。出土機行進，粗繩牽引地布穿過豎立滾軸持續將地布斜向行間拉起，覆土被地布掀至行間，由于動力機械一方面受鄰行立柱相連固定的粗繩拉力，一方面受地布與覆土拉力，不易出現動力偏向問題（圖1）。該機器原理簡單，設計科學，造價成本低，故障率低，枝蔓損傷率低，拖拉機懸掛不需動力輸出，輔助工作量少[12]。改造犁鏵式、轉盤刮土式和毛刷掃土式均采用機械裝置靠近葡萄蔓，撥去葡萄蔓外圍的覆土。改造犁鏵式和轉盤刮土式的枝蔓損傷率高，后續工作量大；毛刷掃土式工作效率略低，對土壤質地要求較高，后續工作量大。

2.2.3 融合需求和融合途徑

提高地布耐拉性能，設計解決動力偏向問題，或出土前預刮土，減少地布上的覆土量；推薦采用第1款出土機，地布一頭捆綁立柱基部，不易出現動力偏向問題；需設計懸掛式的土壤恢復原位的作業機器，實現冬季埋土作業的反向操作。

2.3 葡萄園噴霧機

2.3.1 農機類型和參數

葡萄園噴霧機是葡萄園噴灑農藥、葉面肥或植物生長調節劑的機械。吐魯番常用柱塞泵拉管式噴霧機，目前，風送彌霧型噴霧機已逐漸普及，有自帶動力噴霧機和不帶動力噴霧機，不帶動力有懸掛式或牽引式。目前葡萄園較少使用無人機。葡萄園噴霧機型號較多，規格尺寸不一。自走式噴霧機，外形尺寸一般在200～350 cm×100～150 cm×100～120 cm不等；懸掛式或牽引式噴霧機外形尺寸一般在100～300 cm×120～150 cm×100～150cm不等（表3）。

2.3.2 融合度評價

通過高霧化噴頭實現小霧滴，通過風送增加噴霧對葉幕的穿透力，調節噴頭開關，可實現噴霧位置和角度的調節；部分自走式噴霧機實現人機分離，提高安全性，減少駕駛員與藥物的接觸。對于花果噴霧的精細化管理，可通過柱塞泵拉管式噴霧機實現靈活精準施藥。拖拉機動力牽引型噴霧機對駕駛員的防護設備或保護措施不足；柱塞泵拉管式噴霧機人工需求大，作業效率低。

2.3.3 融合需求和融合途徑

技術進步和農機設計制造部門對產品的升級，實現自走式噴霧機自動導航；增加對駕駛員的防護設備或改進保護措施設施，增設防護型駕駛棚。

表2 葡萄出土機相關指標Table 2 Indicators of grape excavator

圖1 滾軸＋地布拋土式葡萄出土機工作原理Figure 1 Working principle of the roller＋floor cloth type grape excavator

2.4 葡萄園施肥機系統

2.4.1 農機系統和參數

葡萄園化肥施用一般推薦水肥耦合的滴灌水溶方式，田間施肥農機一般用在有機肥深施中。有的葡萄園未實現開溝和肥料同步施入，需要拖拉機運送肥料、帶犁鏵覆土填埋，多部機械組合為葡萄園農機施肥系統，也有少數施肥系統嘗試將開溝、施肥、覆土一體化[8]，但多見于喬木果園，葡萄園應用較少。常見的施肥開溝農機有轉盤式開溝機、鏈條式開溝機和打孔機等，主要用途是開施肥溝和挖施肥孔。葡萄園施肥用農機機身尺寸一般在150～250 cm×150 cm×100 cm以內（表4）。

2.4.2 融合度評價

果園側邊開溝機和轉盤式開溝機可實現滿足有機肥施入的開溝深度和寬度；需要拖拉機運送肥料和帶犁鏵填埋，即開溝、運送肥料、土壤填埋需要拖拉機分別懸掛3種不同機械，用工量大，步驟繁瑣，作業效率低，各種機械在運行過程中均存在動力偏向問題。

表3 葡萄噴霧機相關指標Table 3 Indicators of grape sprayer

表4 葡萄開溝打孔機相關指標Table 4 Indicators related to grape punching machine

2.4.3 融合需求和融合途徑

通過機械動力設計解決農機一體化需求和動力偏向問題，或建立組合作業模式，從多環節簡化操作，提高效率，減少用工。

2.5 葡萄園旋耕除草機

2.5.1 農機類型和參數

葡萄園除草機是葡萄園中用來去除行間或行內雜草的機械，一般使用旋耕機。旋耕機多用于行間和行內旋耕除草、松土，有不帶動力型和自帶動力履帶旋耕機類型，新疆葡萄園多種農機設備都需要拖拉機提供動力，因此，行間除草多使用不帶動力型（表5）。行間旋耕機外形尺寸一般在150 cm×100 cm×50cm以內，行內旋耕機外形尺寸一般在100～150 cm×40 cm×90 cm。

2.5.2 融合度評價

旋耕除草、松土是農業常規作業手段，但不適合戈壁礫石地的葡萄園。行間除草機因為旋耕機寬度固定，對行間地面除草面覆蓋不足，不能實現全部除盡。行內除草機容易對葡萄樹體造成損傷，或觸碰立柱，對操作技術要求較高，人工把持操作強度大。

2.5.3 融合需求

解決行間除草機除草面寬度不足與觸碰立柱和葡萄藤的矛盾；避免行內旋耕機損傷葡萄樹根干或立柱。設計增加行間除草機適度擺動避障功能，既能通過擺動擴大除草面，又能避免損傷立柱和葡萄藤；設計優化行內除草機避障功能。

表5 葡萄園旋耕除草機相關指標Table 5 Related indexes of rotary lawn mower in grape garden

表6 葡萄平地機相關指標Table 6 Indicators of grape grader

2.6 葡萄園平地機

2.6.1 農機類型和參數

葡萄園行間土壤平整機又稱平（耙）地機，是在葡萄園出土后將出土土壤回填至行間，并平整行間土地而設計的機械。小型葡萄園平地常見的是采用犁鏵作業加行間旋耕機作業，一些規?；咸褕@采用小型圓盤耙平整土地（表6）。犁鏵一般采用2犁鏵，外形尺寸100 cm×100 cm；小型圓盤耙外形尺寸150 cm×100 cm×100 cm。

2.6.2 融合度評價

幾種機型均可較好實現葡萄園行間土壤恢復，達到行間平整的目標，其中葡萄園平（耙）地機平整效果好，動力偏向小，安全性高，故障率低。行間犁鏵+旋耕平整土地不是專業平整土地工具，效果差，效率低，易傷樹體，動力消耗和浪費多，動力偏向大，安全性低。由于出土土壤拋距不足，各農機均存在取土不徹底的情況。

2.6.3 融合需求和融合途徑

要實現葡萄行間土壤的平整，根據行距設計適合的平地機。改進優化葡萄園出土機對土壤的更大拋距，為耙地機提供便利。

3 機藝融合的范例

3.1 架式改造推動農用機械進入葡萄園

傳統鮮食葡萄產區采用低矮小棚架栽培，一般農用機械很難進入，近年來在政府的推動和部分種植戶的響應下，吐魯番已完1.33萬 hm2葡萄園架式改造，將傳統低矮小棚架改造為高棚架，將根柱與梢柱間距拉開，高度分別提高到1.7 m和1.9 m[13]，有的將梢柱與鄰行根柱合一，還有的采用水平棚架或水平連棚架，架面提高到1.8～2.0 m[14]。相較于傳統低矮小棚架，新架勢增加農機進入行間的高度空間，可以直接或間接地實現葡萄埋土機、出土機、旋耕機、施肥機、噴霧機的作業。

3.2 樹形改造加速部分果園機械的研發應用

鮮食葡萄傳統樹形主蔓上架后垂直于栽培行方向，果穗散布于架面上。經過改造，新的高“廠”形樹形葡萄主蔓上架后沿栽培行方向綁縛，新梢向兩邊延伸綁縛，果穗呈帶狀分布于栽培行兩側的架面上，樹形改造使得果穗成行排列[15-16]，實現植物生長調節劑噴施機械化。同時，新梢平行排列，為葡萄摘心修剪機的設計應用帶來便利[17-18]。釀酒葡萄采用立架栽培，傳統樹形為多主蔓扇形和多龍干柱形，葡萄果穗散布于整個籬架架面。改造為“廠”形后，葡萄果穗集中在一條水平線附近，降低葡萄采收機械的設計難度。同時，所有新梢全部豎直綁縛，向上生長，為葡萄新梢修剪機的研發提供便利。

3.3 低矮型拖拉機進入葡萄園

多種動力的大棚王拖拉機由于其外形尺寸小巧，動力大，可以滿足果園的動力需求，為埋土機、出土機、旋耕機、施肥機、噴霧機等機械提供動力。同時，降低了葡萄園架式改造的難度。在傳統認識中，需將傳統低矮小棚架架高提高到2.0 m左右才能使農機順利進入葡萄園，如今僅需提高到1.8 m即可，既降低改架難度和成本，又減輕葡萄園管理人員勞動強度。

3.4 葡萄園機械改進升級

在生產實踐中不難看到，一批葡萄園機械得到富有成效的改進升級，實現更大范圍的穩定應用。如最初因埋土效果被廣泛認可的履帶式埋土機在實際生產中被反映故障率高的問題，后經強化部件質量、簡化零件類型、優化動力傳輸等改進措施，已大幅降低故障率；經過大量機械設計制造人員的不懈努力，葡萄園出土機設計形式多樣，功能和效果不斷改進，推出‘滾軸+地布拋土’式高效葡萄園出土機[13]；噴霧機的噴頭位置和數量可調節，適合多種類型葡萄園的應用，滿足不同作業需求；旋耕機出現規格多樣的機型，適用于多種類型的葡萄園；開溝施肥機不斷改進，滿足葡萄園對開溝位置、溝深、溝寬等指標的要求。

3.5 推動葡萄園機械管理的精細化作業

近年來一批小型機械的出現，加速棚架式葡萄園管理機械化進程，如單雙刀翻轉犁、微型旋耕機、小型圓盤耙，迅速進入葡萄園埋土和出土、除草、平地等生產應用中，推動葡萄園機械管理的規范化、精細化作業，也為加速葡萄園機械的優化改進提供實踐數據。新疆一些產區土壤類型多樣，需要特定的專用農機，如戈壁礫石葡萄園，需要在生產中逐步清理石塊，目前已經出現葡萄園撿石機和碎石機，取得一定效果[19]。在一些釀酒葡萄園和籬架栽培鮮食葡萄園，可通過設計和試驗調整改進無人機噴霧作業。同時，無人機在遙感、葡萄園測繪、產業規劃和葡萄園營養診斷、病蟲害發生預警等方面應用前景廣闊。

4 結語

國內外實踐證明，農機農藝有機融合是實現果園機械化生產的內在要求和必然選擇。不僅關系到關鍵環節機械化的突破，也關系到先進適用農業技術的推廣普及應用，影響農機化的發展速度和質量[2]。我國疆土廣闊，地理環境和經濟水平千差萬別，同時發展果園機械化的認識存在差異，不同區域的果園機械化管理水平差異加大。丘陵地區大部分果園管理作業仍然依靠人工完成；平原地區果園立地條件好，由于果園規模、果農的購買力、種植模式、機械產品質量等因素影響，大部分果園管理還是依靠人工完成，這也導致了我國水果優勢產區綜合機械化水平不到20%，非優勢產區綜合機械化水平不到10%，因此推進我國果園的機械化發展任重道遠[20]。但可喜的是，近年來隨著農業部對農業機械化的支持力度不斷加大，產業發展對機械化的需求不斷增強，以及勞動力短缺和用工成本的提高，一系列因素將加快推動我國農業機械化發展步伐。

新疆農業規?；潭容^高，葡萄栽培面積始終位居全國之首，勞動力匱乏的現實使葡萄園機械化壓力加劇。近年來，新疆各地逐步摸索適合當地發展的葡萄栽培模式、架式和樹形，并逐步開展規范化種植，為加速發展適合新疆產區栽培模式的葡萄園機械和推進葡萄園機械化、智能化管理提供有利條件。目前，國內已有部分企業研發生產葡萄園修剪機、釀酒葡萄采收機、枝條粉碎機等，但由于疆內葡萄園栽培模式標準化程度不能滿足機械需求，因此機械的應用較少；農業機械化利用是推動農業自動化、智能化的前提和載體，需要農機設計制造方和葡萄種植方的共同努力，尤其需要種植方加快推進葡萄園種植的標準化水平。因此，葡萄生產管理部門應打破傳統思想的局限，加速推進葡萄園標準化建設，為葡萄園生產機械化提供便利。新疆維吾爾自治區“十四五”農業農村經濟發展規劃提綱指出，將加快農作物生產全程機械化，推動林果、蔬菜、畜牧、水產和特色產業農機裝備研發推廣，同時加快釀酒葡萄標準化基地建設，相信隨著農業生產機械化需求的不斷加大，葡萄園標準化建設的步伐將更加穩步和快速推進，也將加速新疆葡萄園機械化管理的步伐。