葡萄冬季修剪枝條處理技術及設備研究現狀

馮曉靜，袁野，李建平，李新領

（河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071000）

葡萄園修剪包括冬季修剪和夏季修枝，是葡萄園中最重要的管理措施之一，主要作用是保持營養生長和果實生產之間的平衡[1]。秋冬季修剪產生的廢棄枝條產量可觀，是非常好的生物質能源的重要資源，國內外對葡萄園修剪枝條的收集利用進行了大量的研究。Georgios[2]研究表明，希臘葡萄園平均每年修剪量達5 t·hm-2，高于溫帶森林的平均產量。Velazquez-Marti等[3]對地中海不同葡萄園的廢棄生物量進行了量化，分析了葡萄品種、修剪目的、植株年齡、種植規模、作物產量和灌溉等因素對廢棄生物量的影響。結果表明，在鮮食葡萄園中，水平架式每株葡萄樹的廢棄最高，每株為3.5 kg，每公頃達4.2 t。不同釀酒葡萄架式的產枝量差別不大，每株樹的產枝量為0.8 kg，每公頃可產2.15 t。Pugli等[4]推測每公頃葡萄園每年修剪枝條的產量為1～5 t。Sun等[5]對國內外釀酒葡萄的冬季修剪枝條量進行了調查和估算，并對中國冬季修剪枝條的理化特性進行了分析。中國葡萄冬季修剪枝條量平均為每株2.35 kg，2017年全球冬季修剪枝條量4231萬 t，中國達到604萬 t。隨著人們對環境問題的日益關注和循環經濟的發展，越來越多的研究開始關注葡萄園廢棄物的安全處置和開發利用問題。從資源和環境可持續發展角度合理利用葡萄冬季修剪廢棄物具有重要的意義。

1 葡萄冬剪廢棄物利用途徑

目前，大多數葡萄園修剪后的枝條處理沒有有效的方式，一般采用粉碎覆蓋還田或焚燒處理，國內以焚燒為主[6-7]。葡萄枝條粉碎還田，會造成病蟲害的傳播，可能帶來果園病蟲害反復交叉感染，把葡萄枝條殘留物留在地上可能會增加真菌疾病的風險[8]。由于枝條腐爛過程消耗氮導致碳氮比的降低，會造成作物生長過程可吸收利用的氮減少[9]。收集和銷毀又消耗人力物力，而焚燒還可能帶來環境污染，造成重大的環境問題，意大利的一項研究表明，露天葡萄園燃燒修剪枝條可排放13.7萬 t的CO和13.7萬 t總懸浮顆粒[6]。而葡萄園修剪枝條等廢棄物的合理利用可能帶來巨大的經濟效益[10]。國外的利用主要有以下幾個方面[5]：（1）作為高性能燃料；（2）生產化學產品，包括生物炭、農用薄膜、吸附劑、纖維素納米晶體、生物表面活性劑、刨花板和高密度聚乙烯復合材料；（3）用于紙漿和造紙；（4）作為堆肥。Y?lmaz等[11]研究了葡萄園修剪枝條粉碎還田對于土壤團聚體形成、團聚體穩定性及碳含量的影響，結果表明，葡萄園修剪枝條粉碎還田有利于土壤有機質和團聚體的提高。美國、澳大利亞、新西蘭等使用葡萄枝條堆肥覆蓋葡萄園可以有效提高果實產量，降低果實含酸量，并提高果實鉀元素的含量[12]。

葡萄枝條中含有葡萄生長所需的大量元素和微量元素[13-14]。商佳胤等[15]進行了以葡萄修剪廢棄物為原料進行堆肥的研究，結果表明堆肥還田可以有效增加葡萄園土壤孔隙率與透氣性，最終達到果園廢物“零”排放和減少果園化肥施用量的目的。也有一些葡萄枝條處理后作為草莓及育苗用的培養基質，以及青貯等循環再利用途徑[16-18]，也可以提取有用的活性物質[19-20]，使葡萄修剪廢棄物得到有效利用。

2 葡萄園枝條處理機械設備

果園秋收后修剪的枝條形狀各異、粗細和長度不均勻，收集難度大。由于樹枝蓬松，導致運輸效率低，費時費力。為了較好的利用這些枝條，收集和處理機械設備尤為重要。除了枝條直接粉碎還田，整個處理過程包括：葡萄修剪、撿拾收集和枝條儲存、粉碎和篩選，最終獲得與利用途徑要求尺寸一致的葡萄枝條碎片。

2.1 枝條收集機

枝條收集是整個利用過程最重要的環節，人工收集工作量大，費時費力，目前國內還沒有葡萄枝條的收集機械。國外比較重視枝條收集的效果和經濟效益，有多種收集方式和機械，一種是撿拾、粉碎、收集；另一種是直接撿拾打包。意大利農業和林業工程部（DIAF）已經評估了同時收獲、切碎和包裝修剪枝條的可能性，與Nobili公司合作開發了一種粉碎機，該機通過三點懸掛裝置掛接在拖拉機后部，由拖拉機動力輸出軸提供動力，其前部裝有拾取裝置，可以撿拾并輸送修剪殘留物。然后，殘留物在粉碎室中被旋轉錘粉碎成小薄片，由于旋轉錘的高速轉動，通過由矩形管段和卸料彎頭組成的輸送系統將碎片吹入由液壓升降機推動的存儲箱或存儲袋內。該粉碎機可以在多石和山地上收獲、切碎并收集包裝，最大限度地降低成本和對環境的影響[21]。

Magagnotti等[22]對攜帶三個容量收集箱的粉碎機進行比較，用圓捆機做對照。這幾種機器都是由果園拖拉機三點掛接裝置連接，相關技術參數見表1。結果顯示，葡萄園平均收獲枝條量為2.3 t·hm-2，收獲成本為每噸15～60歐元，收獲損失率達總修剪量的3.4%～61.9%，機器間沒有明顯的差異。收獲成本受到拖拉機類型、收集箱容積、單位面積殘枝量及運輸距離的影響，是影響殘枝回收利用經濟性能的重要因素。

表1 粉碎收集機及圓捆機技術參數Table 1 Technical parameters of crushing and collecting machine and round baler

由于果樹枝條特性不同于農作物秸稈，國內還沒有枝條撿拾打捆機。國外有多種機型，Spinelli[23]進行了撿拾粉碎收集葡萄枝條和直接打捆對比，試驗機型技術參數見表2。結果表明，不考慮轉運運輸成本，收集加工成本在每噸19.7～32.3歐元。由于含水率、碎片顆粒度和密度等原因，直接撿拾粉碎收集的葡萄枝條顆粒不方便運輸和存儲，而采用方捆機和圓捆機進行撿拾打捆，打成一定外形尺寸和密度的大包，由于密度增加，更方便運輸和存放，可根據用途不同在利用地點處理成不同的顆粒，這又增加了處理環節的成本。回收葡萄園修剪枝條的經濟可行性取決于收獲成本、加工成本和運輸成本，以及最終的收益在葡萄園所有者、收獲承包商和生物質用戶之間重新分配。

表2 試驗機型技術參數Table 2 Technical parameters of the machine systems on trial

2.2 枝條粉碎還田機

葡萄冬剪枝條粉碎還田有直接還田、養殖利用后還田及發酵制作有機肥還田3種方式。直接還田采用由拖拉機配套的秸稈粉碎機，在田間直接粉碎后均勻拋撒在行間，秸稈枝條粉碎后與土壤混合，加速腐爛速度，增加土壤有機質，還有一定的保持水土和抑制雜草作用，但是要求枝條無病蟲害，否則會造成果園病蟲害反復交叉感染。因葡萄屬藤本植物，枝條木質化程度遠高于大田作物秸稈，尤其葡萄枝條失水后韌性極強，粉碎難度大，所用粉碎機不同于普通的大田秸稈粉碎機，注意刀具選擇、刀具速度和離地高度。國外采用粉碎機將枝條粉碎，由旋耕機和圓盤耙將碎屑與土壤混合。在葡萄行距3 m、株距2 m的條件下，綜合考慮能耗、適宜的枝條密度和工作條件，確定了枝條粉碎還田的平均幾何直徑為9.0～10.0 mm[24]，國內一般采用秸稈粉碎還田機在葡萄園內就地粉碎枝條，粉碎后枝條長度小于10 cm，合格率大于92%。為了適應國內葡萄園行距，整機寬度在1850～2250 mm可選，但注意配套拖拉機的選擇，除了滿足動力要求，拖拉機寬度和轉彎半徑應適合行距的大小，粉碎機技術參數見表3。

表3 葡萄冬剪枝條粉碎還田機技術參數Table 3 Technical parameters of vineyard prune residues chopper

2.3 單一枝條粉碎機

冬剪枝條在地面分散雜亂，可以人工收集或者機械撿拾后在固定地點集中粉碎。枝條粉碎機裝置的工作原理主要有壓碎、擊碎、磨碎和剪碎4種方式，按照粉碎機的結構形式，可以分為盤式粉碎機、鼓式粉碎機和錘式粉碎機3種[25]。新修剪的葡萄枝條含水率高、較脆，以擊碎和剪碎為主。放置一段時間失水后，葡萄枝條韌性很強，粉碎困難，當水分降低到一定程度，比較干燥的枝條由于水分含量低，脆性提高，比較容易粉碎。

3 結論與討論

葡萄剪下的枝條是一種重要的生物能源，應該進行妥善處理。隨著葡萄產業的發展，葡萄園冬季修剪的枝條量逐年增加，而人們對環境問題的日益關注和循環經濟的發展，從資源和環境可持續發展角度研究葡萄園廢棄物的合理開發利用具有重要的意義。國外已經從利用途徑、收集處理裝備和運輸管理等方面進行了較多研究，但中國的葡萄產業存在一些特殊性，為了更好地利用葡萄園修剪枝條，建議做好以下幾點：

（1）中國葡萄大多用作鮮食，以一家一戶的小規模種植為主，成片的種植園比例較低；而鮮食葡萄中有一定比例的設施栽培，其架式、修剪管理措施不同。尤其中國葡萄種植的行距一般較小，不利于機具在行間作業，給殘枝收集機械化作業帶來一定的困難。在葡萄園經濟效益較低的情況下將收集成本附加到種植戶勢必難以推廣。

（2）應進一步研究葡萄園修剪枝條更有效的利用途徑。利用現代化技術手段和儀器設備，準確測量和估算葡萄園枝條的多少和分布，對利用方式、需求量以及運輸半徑等進行規劃，以達到經濟有效的利用效果，提高其利用的經濟和環境效益。通過評估在達到一定的利用效益時，枝條利用者可以承擔收集成本，甚至為種植戶帶來收益。

（3）葡萄枝條直接粉碎還田。可以有效提高葡萄園土壤的有機質、微生物和土壤團聚體含量，并可以節省撿拾、運輸和處理加工等環節的作業成本，但可能帶來果園病蟲害反復交叉感染、導致碳氮比失調以及腐爛降解緩慢等問題，需進一步對機械粉碎的顆粒度、抑制病蟲害發生的方式方法等進行研究。

（4）國內還欠缺葡萄園修剪枝條有效的還田收集和處理機械設備的研究。應針對我國葡萄園的種植模式、規模和修剪量不同，研發適合的粉碎還田機械、枝條收集和處理機械，實現枝條利用過程機械化作業。