河北省梨園機械化生產現狀及展望

朱欣悅 張秀花 馮生 李江濤 孔德剛 張藝

(河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001)

引言

梨果汁多味甜，果肉脆嫩，富有蛋白質及維生素C等人體所需營養物質，適量鮮食解渴消暑，還可加工成梨酒、果脯等產品，梨也可入藥，有生津潤肺、清熱化痰等功效[1]。梨果是河北省主要生產的水果之一，其種植面積僅次于蘋果，但遠高于全國其他省份的種植面積，2020年總產量全國第1，占比19.66%[2]。梨產業機械化發展水平是河北省農業高質量、產業化發展中的重要一環，對河北省經濟可持續發展有重要意義。

1 河北省梨園產業基本特點

自2011年來近10a，河北省梨園種植面積逐年減少，見圖1；梨果年產量在320～360萬t之間波動，2019年達到峰值363.23萬t，見圖1；平均單位面積產量卻逐年遞增，見圖2，2019年平均每千公頃梨園產量為3.08萬t[2]。梨園產業的產值占農業總產值的30%以上[3]，同時，2020年河北省鮮梨出口交易額達到1.35億美元，是我國第1大梨果出口省份[4]。

近年來梨果栽培種品結構發生很大改變，現全省栽培的品種共有近300個[3]，梨產業向多元化發展。河北省梨產業形成了8個集群地，見圖3，集群地種植面積、產量、產值占全省總量的57.5%、70.6%、84.2%[5]。集群地梨果產業以家庭農場、合作社的形式培育與管理梨園，建立華北冷庫聚集群，促進了儲藏、物流、包裝箱、育果袋等關聯行業發展，建立了栽培、加工、物流、營銷、旅游等一體化的產業鏈條，果品遠銷歐盟、美、澳等十幾個國家和地區。

2 梨園機械化生產現狀

河北省果園機械化率在20%左右，果園生產管理人工成本占果農總收入的50%以上[6]。造成河北省梨園機械化程度低的主要原因：種植模式不利于機械進園工作，河北省40a樹齡以上的老齡梨園約6.67萬hm2，省力化密植梨園種植面積大約1.33萬hm2，圖4為老齡梨園和省力密植梨園，老齡梨園的種植模式不利于機械化作業；果園成熟的機械設備，對河北省梨園的栽培模式、作業環境、立地條件等適應性差；果農對于機械設備認知不足，機械設備推廣服務體系待優化，且引進機械設備成本高收益慢。

2.1 梨園建立與栽植環節

梨園由大冠稀植轉向矮化密植，現代化梨園建立應選排水性能好且肥沃的土地，并配備機井、排灌渠道等設施。栽植的株距×行距約為1～2m×4～5m，現代化建園包含多道工序。栽植苗木由人工在移栽機上輔助傳遞苗木進行作業，移栽機進行開溝、植苗與覆土，見圖5，相比人工進行栽植，效率大幅提高，但定距效果與栽植后樹苗直立度不理想[7]，尚未大面積推廣應用。在解決上述弊端的同時，苗木移栽作業機向智能化多功能聯合作業的方向發展，將自走、挖坑、排肥、混肥、回填和澆灌集于一體[8]。

2.2 梨園的樹下管理環節

梨園的樹下管理主要包括除草、施肥、土壤深松以及灌溉等環節[1]。

2.2.1 除草

傳統的除草方式為中耕機作業后打亂土壤表層，將雜草與土壤分離或將雜草掩埋地下[1]。現代化梨園提倡生草覆草與刈割，割草機其工作方式為刀盤帶動割刀做旋轉運動，割草機主要的形式有遙控式、坐騎式及懸掛式，如表1。割草機根據作業區域分為株間(行內)割草與行間割草，避障技術是株間除草的關鍵技術，避障方法[9]分為接觸式與非接觸式，接觸式避障方法多以四連桿機構偏擺式、繞立軸旋轉式等為主；非接觸式避障方法多利用傳感器、GPS等技術。株間除草機械尚未全面推廣，非接觸式智能避障技術尚處于研究階段；除草機械割幅與梨園行距不匹配等問題導致多次作業，農藝與農機結合不夠緊密。

表1 刈割割草機分類

2.2.2 施肥

施肥根據是否需要開溝進行根外追肥作業與開溝施肥作業。根外追肥包含人工撒肥與灌溉施肥[1]，通過人工進行撒播施肥或在灌溉時將肥料混入水中進行施肥；開溝施肥需要利用機械設備在施肥前進行開溝作業。開溝施肥利用的機械設備以開溝機與開溝施肥一體機為主，見表2。現有施肥機械可滿足基本作業需求，但尚未普及與實現精準定量施肥，從而造成大量肥料的浪費[10]。施肥方式正朝著智能化、精量化發展，定量施肥、分層施肥、精準施肥等施肥方式正處于研究階段[11]。

表2 施肥機械

2.2.3 深松

深松機具類型如表3所示，以鑿式深松機和振動深松機為主，見圖8，深松聯合整地作業機較少。現有深松施肥機械作業深度較淺，一般在0.4m以內，但梨樹根系較深在1m左右的土壤層，長此以往不利于梨樹根系向縱深擴展延伸[24]。深松技術正朝研究監測入土阻力、探究新的深松方式、深松與施肥等環節聯合作業等方向發展。

表3 果園深松機類型

2.2.4 灌溉

傳統老齡梨園灌溉以漫灌或在梨樹周邊挖溝渠灌溉為主；現代化梨園提倡節水灌溉，多為噴灌、微灌或利用水肥一體化設備進行灌溉。如圖6，主要由控制系統、管道以及蓄水池組成，梨樹株間設置滴灌管道，適用多種水質，施肥攪拌、過濾，可以一鍵設置水肥注射比例、終端灌溉等工序，智能化程度高，相比于傳統漫灌可節水50%[14]。實現果園水肥智能化管理，可有效提高梨果品質。隨著果園機械化發展，應結合多因素實現果園的水肥信息穩定獲取、灌溉施肥的智能決策和精準控制[15]。

2.3 梨樹樹體管理環節

梨樹樹體管理環節分為疏花、蔬果、套袋與取袋、整形與修剪、植保等環節。

2.3.1 疏花與疏果

疏除花、果方式如表4，河北省主要以人工疏除為主，機械化疏除方式正處于研究階段。研發自動化程度高、穩定性高、簡單操作的高效高質作業的疏花疏果機械設備是當前梨產業機械化的發展方向。

表4 疏花疏果方式

2.3.2 套袋與取袋

梨果套袋可降低病蟲害，減少化學藥劑殘留，改善梨果外觀與品質，對綠色梨果生產有重要意義[18]。由于套袋和取袋環節作業難度大，目前主要依靠作業平臺輔助人工作業，機械化程度低，并且套袋與取袋環節作業時間范圍短，需大量人工。

梨樹修剪時需要去除樹體內部無用枝，由于樹體內部結構雜亂，主要以人工作業配合作業平臺搭配電動、氣動剪枝機為主，剪枝設備價格便宜，見圖7。

機械修剪主要適應于果園粗獷式修枝，在矮化密植的果園較為實用。現有仿形修剪設備主要有往復式與回轉式，見圖8，可根據梨園樹體管理要求進行仿形修剪，提高作業效率。近年來，智能修剪也處于研發階段，通過三維點云重建技術、激光掃描技術、圖像采集技術等方式建立果樹虛擬模型[19]，利用智能識別系統，確認被修剪枝條，由機械手臂進行無碰撞修剪[20]，從而取代人工修剪。

目前，果園適用的枝條粉碎設備較為成熟，現有枝條粉碎機分為懸掛式與移動式，見圖9。懸掛式枝條粉碎機的末端執行機構為粉碎甩刀，同枝條收攏裝置配合作業，作業對象是細小枝條，作業高效；移動式枝條粉碎機通過人工將枝條送入設備，可粉碎粗壯枝條。

2.3.4 植保

現代化植保設備主要以風送式噴霧機為主[21]，風送式噴霧機具有流量大、噴霧均勻、霧化效果好等優點。如表5所示，根據動力配套主可分為3類，牽引式、懸掛式、自走式；牽引式噴霧機和懸掛式噴霧機具有機動性強、通過性好、掉頭方便等優勢；遙控式打藥機可實現人機分離，減少藥液對果農的侵害。風送式噴霧機作業時，藥物噴灑參數不能自動調節，葉片上會存在藥物噴灑不勻的情況，導致果樹局部藥物噴灑過量或過少[22]，藥物利用率低。果園植保機械將改善風量快速調控系統和噴霧位置快速響應系統，使果園植保機械向智能化、信息化發展。

表5 現代化植保設備分類

2.4 梨果的采收環節

梨果采收用工成本占生產總成本比重很大，現在梨果采摘主要依靠作業平臺，見圖10。作業平臺可分為自走式、牽引式和懸掛式，自走式作業平臺操作靈活，但價格較高；牽引式和懸掛式作業平臺相對自走式作業平臺價格略低，但機械整體較大，轉彎、進園不方便。作業平臺主要依靠底盤動力機械，研發適用性強的專用化底盤結構，提高調平精度，使作業平臺朝著高質量、高水平發展[23]。很多高校也在研究利用機械手臂進行果實采摘，通過傳感器、視覺識別等高新技術感知果實的成熟度及位置[25]，由機械手臂進行無碰撞采摘。

3 梨園機械化生產存在問題及展望

3.1 梨園機械化生產存在問題

3.1.1 梨園老齡化制約機械化發展

河北省梨園多是老齡梨園，標準化省力密植梨園種植面積占比較小；老齡梨園導致園中梨樹的株距、行距、基礎設施等都會不同，大型機械進園工作存在困難；機械化推廣難度大，管理標準難以統一，梨園機械化管理受到種植模式與地理環境的影響存在局限性。

監控APP軟件的主要功能包括:當安裝輸電線路防外力破壞報警系統的大型機械設備在施工時,吊臂頂端距離輸電線路的距離小于安全距離,監控APP能夠接收到服務器推送的報警信息,同時能夠獲取工程車輛的位置信息,便于電力運維人員及時采取措施。監控APP能夠查看工程車輛的運行軌跡,便于對工程車輛進行統一管理。監控APP的報警界面和車輛的運行軌跡如圖10所示。

3.1.2 梨產業發展不均衡

河北省梨產業發展主要以集群地為主，其他地區受種植規模等限制區域發展不平衡；梨產業合作社多以小規模為主，服務層次低且創收能力弱，資金運行受限，機械化水平無法提升；果農文化水平、管理與政策執行力有限，不利于合作社可持續發展。

3.1.3 農藝農機融合度低

在農機生產與研發過程中，企業忽視了對梨園栽培模式、農業生產需求的考慮，往往造成作業機具與梨園模式不匹配等問題，農機生產與農業管理缺乏聯系；在考慮品種栽培上，多以豐產為主，對于是否適合標準化管理與機械化作業考慮欠缺。

3.1.4 高新技術與機械設備融合研究欠缺

機械化發展勢必朝智能化、信息化發展，融合發展處于研究階段；很多具有創新性的科研成果只停留在試驗階段，沒有進行批量化、商業化生產，造成科研浪費。

3.2 梨園機械化生產展望

3.2.1 推動標準化梨園建設與管理

加快河北省老齡梨園向省力密植梨園的轉變，革新栽培管理技術，從源頭解決抑制梨果優質豐產的問題；加強對新技術的創新與改良，歸納出更加可行的現代化梨園管理技術規程，為梨園機械化發展奠定基礎。

3.2.2 推動河北省農村合作社高質量發展

以梨產業集群建設為主，擴大服務范圍和經營規模，因地制宜進行供機供收、統一購銷等服務；鼓勵一二三產業融合發展，引導合作社向智慧農業、旅游農業新方向拓展；不斷提高梨產業合作社標準化建設，提升創新服務方式，開展試點示范服務，規范梨產業合作社制度規范，完善對果農指導服務，落實扶持政策，推動梨園機械水平不斷攀升。

3.2.3 提高梨園農藝農機融合建設

制造適合梨園規模的作業機械設備，考慮株距行距、樹形等影響因素，使機械設備配套動力及機器大小滿足梨園作業要求；研發適用于機械化作業的梨樹品種，統一梨園內梨樹樹形，進行標準化種植與樹體管理，促使農藝與農機更加緊密的結合。

3.2.4 加大科研投入與科研成果轉化

針對梨園樹下管理和樹體管理要求，研發專用型果園機械，提高機械使用率；加大多功能一體果園機械設備的研發，降低機械制造成本，提高機械使用效率；將高新技術融入梨園機械設備，充分利用衛星導航、無人駕駛、深度識別等技術的優勢，提升梨園機械的模塊化、智能化水平；加快科研成果轉化，加強科研院校與企業間合作，縮短產品上市周期。

4 總結

河北省梨產業機械化面臨很多挑戰，現有大部分老齡梨園不適合機械化作業，由于果樹管理的復雜性，一些環節很難實現機械化作業，且適合梨園的作業機械產品有限。建議以家庭農場、縣市合作社和果農企業合作等多種梨果生產經營模式為主，形成成方連片的作業規模，進行標準化種植與管理，提高農藝農機結合程度，實現梨園全程機械化生產，為梨產業發展提供堅實保障。