我國葡萄埋藤和清土作業機械的應用現狀

王彤心，楊繼紅，蘇媛，鞠延侖，房玉林，劉文政*

（西北農林科技大學葡萄酒學院，陜西楊凌 712100）

葡萄營養價值豐富，可鮮食、制干和釀酒，是我國主要的果品之一[1]。近年來，隨著我國經濟高速發展和人民生活水平的提高，葡萄產業取得了長足的進步，種植面積和產量持續增長[2]。北方是我國重要的葡萄種植區，然而北方地區冬季氣候寒冷干燥，如不及時采取防寒保溫措施，將造成葡萄藤風干和凍害，直接影響來年葡萄的品質和產量，甚至絕產。因此在入冬前需對葡萄藤采取必要的埋土[3-4]，并在來年春季進行清土上架。具體而言，一般先將修剪后的葡萄藤下架鋪放于地表，并用土將其掩埋，待來年春季將土清除干凈，再將葡萄藤立起上架[5]。葡萄埋土和清土環節勞動強度大、技術要求高、季節性強，人工成本約占全年總成本的50%以上[6]，因此開發并應用適宜的埋土和清土機械對于我國葡萄產業的發展具有十分重要的意義。基于此，本文概述了我國葡萄埋土和清土作業機械的研究現狀，并分析了幾種埋土和清土作業模式及存在的問題，為推進我國葡萄產業機械化發展提供參考。

1 葡萄冬季埋藤機械的發展現狀

葡萄埋藤作業，由于各地區生長環境、種植模式、土壤質地等有所差異，其農藝要求（埋土的厚度和寬度）也不盡相同。目前我國已研制開發出多種類型的埋藤作業機具[7]。根據作業方式和工作特點，現有葡萄埋藤機主要分為直拋式、犁耕式、旋耕式和聯合作業式等類型，并對其應用特點進行分析，見表1。

表1 葡萄埋藤機主要作業模式及特點分析Table 1 Analysis of the main operation modes and characteristics of grapevine burying machine

1.1 直拋式埋藤機

直拋式埋藤機采用行間取土并向葡萄藤側位翻轉的方式，結合拋土結構設計，進行側位逆旋拋土，提升了埋藤機的作業效率。

遼寧省北寧市農機推廣站研發了OPF-A型葡萄越冬覆土機，配套動力14.7～22 kW，覆土器葉輪將土取出并均勻拋撒至葡萄藤，2～3次往復拋土作業方可滿足埋土要求。該機結構簡單、覆土均勻、造價較低，適用于含水率在12%～25%以下的無石塊葡萄園土壤條件，但因作業時需重復覆土，作業效率不高[8]。

天津市農業機械研究所發明了行間取土并向兩側翻轉拋土的葡萄埋藤機[17]，該機主要由懸掛機架、變速器、刀軸、旋耕刀和罩板等組成。懸掛機架和拖拉機的懸掛架連接，刀軸配備旋耕刀9～12個，在刀軸的上方加裝罩板并置于機架上；旋耕刀采用逆旋方式切土，通過活動罩板調節拋土距離，將土拋向兩側，以掩埋葡萄藤。該機采用雙側逆旋拋土的工作原理和拋土結構設計，相較人工作業可提高效率20～30倍，且性能穩定，培土集中，作業質量較高；由于其雙側拋土方式，要求葡萄行距統一固定。

寧夏智源農業裝備有限公司開發了單邊橫向圓錐式埋藤機[18]，屬單側埋藤作業方式，旋耕刀組呈圓錐排列形式置于拋土裝置內，旋耕刀逆向旋耕取土，經導向罩將土壤向右側拋出，完成埋藤作業。該機需配套動力95 kW以上，埋藤高度≥60 cm，埋藤壟寬度≥130 cm，工作效率0.53 hm2·h-1，適于小行距葡萄種植環境。

寧夏大學研制了兩款圓錐式埋藤機（橫向、縱向）[9]，開展了運動學和動力學分析，對關鍵部件性能參數進行了優化，確定了拋土葉片中心軸轉速150 r·min-1，通過樣機田間試驗發現，兩款埋藤機取土量均在0.22 m3·m-1以上，拋土距離均＞83 cm，碎土率均高于87.2%，較好地滿足了埋藤作業要求。

1.2 犁耕式埋藤機

犁耕式埋藤機是在現有農業機具的基礎上改良而來，制造方便，但功耗較高，由犁體和犁架兩部分構成，通過犁體的翻垡，將地表土壤翻埋至葡萄藤。冬季土壤易板結，土壤碎土率不高，翻埋效果不佳，目前應用逐漸減少，主要作為輔助機型用于埋藤作業。

單邊雙犁式是該類較為常見的機型[10]，即采用犁鏵翻垡單側埋土至葡萄藤，完成覆土作業。配置兩個犁鏵是為了保證足夠的取土量，但該機型缺少碎土裝置，土壤破碎效果較差，在推廣使用上有其自身局限性。

遼寧農機所設計了3MT-5.0型埋藤機[11]，主要由起土犁、埋土器、傳動系統等構成，經起土犁和埋土器的內切土刀片旋轉復合作用切削土壤，且起土犁提升土壤，埋土器進行切土、碎土和拋土，進而以一定的土層厚度埋覆葡萄藤。該機結構簡單，操作方便，可充分利用拖拉機的動力，實現小功率配套動力輸出，但其碎土效果有待提升，且對于土質較硬地塊，需多次作業才能滿足覆土要求。

米爾拉提·買買提發明了一款葡萄埋藤機專用犁[19]，將鏵式犁的犁壁加長并制造成扭柱面的形狀，犁壁長度1～1.2 m，犁壁尾部高度0.6～0.8 m。作業時，埋藤機專用犁的動力由配套的拖拉機進行牽引，所需功耗較低，但該機需人工輔助操作，屬于半機械化埋藤方式，作業效率較低。

1.3 旋耕式埋藤機

旋耕式葡萄埋藤機由旋耕組件和輸送組件構成，旋耕組件將土壤松碎挖取，輸送組件則將土壤運送至葡萄藤，兩者配合完成埋藤作業。

佘慧燕[12]針對寧夏已推廣使用的機具存在碎土效果較差、拋土距離低、作業效率低等問題，設計了旋拋式葡萄埋藤機，拋土距離為86 cm，碎土率為99%，能夠完成碎土、埋藤作業要求，碎土率高、拋土性能好，整機設計滿足葡萄埋藤作業要求。

劉忠軍等[13]研制的葡萄埋藤機，采用旋耕取土與拋土相結合的方式，完成埋藤作業。該機覆土高度45 cm以上，覆土寬度110 cm，拋土距離50 cm，作業效率0.53 hm2·h-1。此外，整機機身較長，采用掛接形式，故轉彎半徑較大。

蒙賀偉等[20]基于“旋松、鏟拋、輸送、扒卸”的工作原理研制了PM-1200型懸掛式葡萄埋藤機，該機主要由取土裝置、送土裝置和換向齒箱等構成[11]。試驗結果表明，該機取土寬度、厚度分別為122.7、9.8 cm，埋藤截面積0.25 m2，作業效率0.707 hm2·h-1，是人工作業的50～60倍。

北京現代農裝科技股份有限公司結合新疆葡萄種植模式研制了PMT-75葡萄埋藤機[20]，采用三點懸掛方式掛接于拖拉機，配套動力18.4～22 kW。旋耕刀破土、碎土，經鏟土板、斜式輸送帶、水平輸送帶將土輸送至葡萄藤，完成埋藤作業。該機埋土的寬度和厚度均為400 mm，取土量可由旋耕土壤的深淺來控制。

戈壁等特殊地域葡萄園中密布石塊，機械化埋藤作業設備受到石塊的影響，經常發生卡滯甚至零部件損壞，阻礙了埋藤機械化作業在戈壁等特殊地域的應用。張科全等[21]針對戈壁特殊的地域條件，發明了一款戈壁土壤專用埋藤機，機架前部配備旋土滾筒，滾筒上相間布置旋刀和橡膠板，將土壤疏松并通過土壤導向板將其拋至輸送帶，同時機具設有刮土板、梯形槽等結構部件，可有效規避石塊的影響，實現密布石塊等特殊地域的機械化埋土防寒作業。

1.4 聯合作業葡萄埋藤機

聯合作業式埋藤機是一種集土地平整、除草、埋藤于一體的農業機具，主要由動力輸出部分、傳動齒輪箱、旋耕刀組等組成。該類機型由于集多種功能為一體，可較大程度提升機具利用率，有效降低種植戶的農機投入成本，是葡萄埋藤機研究的發展方向。

高萬軍[22]設計了一種春季田間旋耕、夏秋季除草、秋末葡萄埋藤的多用機。其特點在于：可對一年生葡萄藤僅需一次作業即可滿足覆土厚度的要求，且埋藤效果較好。該聯合作業機集旋耕、除草和埋藤等多項功能于一體，機械投資少，生產成本低，充分發揮機具利用率。

新疆農八師149團研制了1MP-500型多功能葡萄埋藤機[16]，主要由取土和輸土部分構成，其中取土部分主體是旋耕裝置，主要用于將輸送的土壤粉碎，以利于鏟運起土，并拋至后方，然后經鏟土板送至輸土部分；輸土部分主要由鏟土板、水平及斜式輸送帶構成，完成將輸送帶上的土壤拋至葡萄藤上進而實現埋土作業過程。此外，將前端鏟土板和輸土部分卸去，可作為微耕機用于葡萄園的松土除草，實現了一機多用，提升了機具的利用率。

敦煌市祥農農業機械有限責任公司研發的3LGS-90型葡萄埋藤及旋耕兩用機[23]，采用三點懸掛，側置式傳動，配套動力8.82～12.50 kW。該機采用旋耕刀式專用刀片進行提土和拋土，可根據葡萄樹的大小多次作業，通用性較好。該機可一機多用，春季作為旋耕機，夏季作為除草機，秋季則用于葡萄的埋土防寒。

2 葡萄春季清土機械的發展現狀

春季清土是我國北方埋土防寒區葡萄種植不可或缺的環節，關乎葡萄品質和產量。葡萄清土作業機械受種植模式和埋土方式的影響，其通用性受到一定的限制。葡萄清土機械根據清土原理可分為刮板式、旋轉式、螺旋式、螺旋絞龍式、回收防寒布式和氣力結合式等類型，其主要特點分析如表2所示。

表2 葡萄清土機主要作業模式及特點分析Table 2 Analysis of the main operation mode and characteristic of soil-cleaning machine of grapevine

2.1 刮板式清土機

刮板式清土機采用鏟土刮板將土壟側邊與頂部土壤刮至行間。該類機具結構簡單，操作便捷，但剛性部件易損傷葡萄藤，多結合避障調節設備，且難以清除葡萄藤間土壤，清土率低，需要人工輔助操作。

施雷[24]對寧夏紅寺堡區釀酒葡萄防寒土離散顆粒群與刮板的互作機理進行了研究，并系統性的提出了自動可調式雙刮板清土起藤機的設計理論，試制了自動可調式雙刮板清土起藤機。結果表明，該機清土率為75.03%，較傳統單刮板清土起藤機提高了27.2%。

白洪君[32]創新設計了防阻振動式清土鏟，鏟刃設有橡膠護條，鏟體則加裝彈簧并配備振動器。工作時，清土鏟將防寒土鏟起，并在振動器作用下鏟體振動進而松散地表土壤，使得鏟體易于深入防寒土，降低功耗；同時，配備的彈簧可對清土鏟起到緩沖和避障作用，避免鏟體剛性破壞和對樹體的損傷。

2.2 旋轉式清土機

旋轉式清土機主要由旋拋組件和控制組件構成，旋拋組件快速清運覆土，控制組件多有避障或清揚塵的功能，最大限度減少剛性部件對葡萄藤的損傷。該類機具清土效率高，缺點是易壅土傷機。

周文書[33]設計了旋轉式雙向單壟葡萄藤清土裝置，主要由清土、除塵、拉動、調節等機構組成，具有自動除塵、自調節高度且穩定性高等特點，可改善清土環節揚塵影響，且可提升機具的適應性。該機一定程度上提升了清土效率，但仍需人工輔助操作除塵。

陳萬才等[34]發明了一種葡萄埋藤清土機，主要結構有機架、驅動機構、清土機構和控制機構。清土機構包括旋轉軸與柔性葉片，工作時，柔性葉片隨旋轉軸轉動以清理葡萄藤表面覆土，且可小幅橫向移動，減少清土過程中對葡萄藤的傷害。該機結構簡單、操作方便，相較于攪龍式清土機，其清土效率高，對不同土壤適應性較強；但因缺少松土部件，不適宜過于堅實的土壤。

謝冬等[26]根據農藝需求，研發了一款適應不同樹齡、具復合清土且效率較高的葡萄藤清土機。試驗表明，機具工作性能穩定，對葡萄藤機械損傷較少，適應性強，機具清土合格率可達92.9%，工作效率為0.63 hm2·h-1，該機符合敦煌地區葡萄藤春季清土作業要求。

楊啟志等[27]針對西北地區土壤干燥且沙性大的特點，結合該區釀酒葡萄種植模式，設計了分層旋拋式清土起藤機，明確了分層旋拋刀的關鍵參數，并開展理論分析、EDEM-Recurdyn耦合仿真和田間試驗，結果表明，旋拋刀焊接角度、刀具轉速和機器前進速度分別為30°、270 r·min-1和0.4 m·s-1時，清土率為49.1%，旋拋刀平均扭矩為13.09 N·m，土壤拋送距離為1.52～1.75 m。

2.3 螺旋攪龍式清土機

螺旋攪龍式清土機采用攪龍橫向送土，該類機具結構簡單，送土量大，但入土深度不易控制，易刮傷葡萄藤，對冬季埋土操作要求較高。

劉松[35]基于土壤特性分析設計了圓錐螺旋式葡萄挖藤機，其核心部件為圓錐螺旋式清土裝置，對整機結構和工作原理進行了分析，明確了挖藤清土速度為380 r·min-1，整機前進速度為1 km·h-1。該機結構簡單、操作方便、清土效果好，可實現大面積葡萄藤清土作業，但存在清土不徹底、易刮傷葡萄藤等問題。

張成福等[36-37]研制的螺旋攪龍式防寒土清除機，主要由機架、攪龍撥土裝置和液壓避障部件等組成。根據安裝位置可分為前置式和后置式，兩者均由控制器控制，驅動液壓油缸，調節擺動支架，進而避開葡萄架桿，達到避障的目的。該設備結構簡單，但攪龍入土的深度不易控制，需人工輔助操控。

劉芳建等[28]研制的自動避障葡萄藤扒土機，將推土鏟與攪龍相結合完成送土及側向推土，自動避障功能由與清土部件相連的液壓油缸的伸縮來實現。該機清土性能良好，避障快速、準確，且結構簡單可靠；但其液壓動力由拖拉機提供，缺乏單獨的散熱裝置，液壓油溫度可能過高，且該設備受埋藤效果影響較大，埋土厚度不均易造成葡萄藤損傷。

徐麗明等[38]設計了一款移位式葡萄清土開溝機。該機采用三點懸掛方式，基于螺旋輸送的原理，進行土壤破碎和側向輸送完成葡萄的清土開溝，同時結合傳感器和液壓控制技術，可有效避開葡萄藤架，實現清土開溝的自動化作業，提高了作業效率。此外，該機可用于其他作物的開溝作業，提高了機具的適用性和利用率。

2.4 回收防寒布式清土機

近年來，埋土防寒區開始采用防寒布輔助埋土防寒的模式，即在葡萄藤下架之后埋土之前鋪設防寒布，該模式對葡萄的保溫保墑效果更好。回收防寒布不僅能降低成本，還可減少清土環節對葡萄的傷害。

謝冬等[39]根據農藝要求研制了適合河西地區的葡萄藤清土機。工作時，拽膜輥向后拉拽埋藤時預留的防寒布，且配備絞龍機構，其中下部輸土絞龍反轉，上部清土絞龍則拉拽防寒布包裹的防寒土，并經變徑攪龍輸送到葡萄行中，完成防寒布回收和清土作業。該機作業效率較高，避免了機具與葡萄藤的直接接觸，不易損傷葡萄藤，但結構相對復雜，對防寒布的拉伸性能要求高，且對拖拉機手操作技術有較高的要求。

徐麗明等[40]發明了一款葡萄埋藤用的防寒布清土回收機，包括主機體、液壓系統、副機體、清土總成和卷布總成。清土作業時，先由刮土鏟將防寒布上的土刮至一側再由清土攪龍進一步清除防寒布上的土，最后卷布輥卷起防寒布實現回收作業。其中卷布輥的尺寸可根據防寒布的尺寸進行更換，其轉速亦可進行調節。

牛叢等[3]針對新疆地區籬架式葡萄清土作業中存在的機械清土不徹底、防寒布回收困難且效率低的問題，研制了冬季埋土清除與防寒布回收機，由機架、清土部件、卷布部件和液壓系統等組成。刮土板和清土葉輪先將防寒布上方的防寒土除去，再由卷布機構回收防寒布，試驗表明平均清土距離為271 mm，清土效果較好，工作效率高，為人工清土效率的10倍以上，且對葡萄藤和防寒布損傷小。

2.5 氣力結合式清土機

氣力結合式清土機主要由接觸式清土部件和非接觸式風力部件構成，先由刮板式、旋拋式等清土部件去除部分土壤，再由風力作用清除葡萄藤間土壤。該類機具清土徹底，傷藤率較低，易產生揚塵，是目前清土機械研究的熱點方向。

樂晨俊[30]綜合接觸式和非接觸式清土設計了一款復合式釀酒葡萄清土機，該機通過清土刮板清除土壟兩側的部分土壤，隨后采用風力清除核心區域的土壤。該機所用風機流量為2.08 m3·s-1，且經EDEM-FLUENT耦合分析發現，風口截面為100 mm×200 mm，風口清土高度為25 mm，清土速度為0.5 m·s-1時效果較好。同時，田間試驗表明，該機作業清土率較傳統機型提升20%以上，露藤率提升90.5%，傷藤率降低至1.5%以下，且土壟的破碎時間越短，揚塵越低。

赫明勝[31]研制了釀酒葡萄分層旋拋-氣吹復式清土起藤機，采用旋拋部件與氣吹部件配合清土，試驗證明旋拋式與風機復式清土易于清除葡萄藤兩側的覆土，其清土率為90.26%，露藤率為94.4%，傷藤率為2.49%，滿足春季清土起藤的作業要求。該設備作業兩次，可以完成單壟葡萄覆土的有效清除，實現了清土環節的機械化，但該設備工作時易產生揚塵，需進一步優化。

施愛平[41]發明了一款智能化葡萄起藤清土裝備，主要包括挖土、清土和除塵等裝置。工作時，刮板快速清理土壟兩側的土壤，風機產生風力，擾動和輸送葡萄藤周圍的土壤，經電機帶動清土輪轉動，其毛刷能夠對葡萄藤周圍及其外表面的土壤進行清理，且位于后側的送風口可將風吹向葡萄藤外表面，實現二次清土；同時設置除塵裝置，進行有效降塵。

3 葡萄冬季埋藤和春季清土機械作業問題及分析

3.1 葡萄冬季埋藤機械作業的問題及分析

（1）埋土量不足。現階段，埋藤機需多次埋土作業方能滿足覆土要求，且機具取土時離根系較近，易對根造成損傷，導致凍害發生，影響來年葡萄產量。

（2）碎土率低。提高碎土率是現階段埋藤機研發聚焦的問題之一，我國葡萄種植分布較廣，土壤類型多樣，在埋土防寒區冬季土壤易板結，較低的碎土率影響了埋土效果、作業效率和機具使用壽命。

（3）能耗高。機具通過拖拉機提供動力，埋藤過程涉及挖土、覆土等環節，能耗普遍偏高，且埋藤作業大多需人工輔助操作，作業成本增加。

（4）機具適應性不佳。我國葡萄架形、種植模式、葡萄品種皆因地制宜，而埋藤機械受到了上述因素的制約，適應性有待提升。

（5）穩定性較差，維修困難。現有埋藤機雖然種類和數量較多，但由于制造工藝水平不高，機具的可靠性和穩定性有待提升，同時在制造方面缺乏統一的行業標準，機具維修難度和成本增加。

3.2 葡萄春季清土機械作業的問題及分析

（1）缺乏統一標準。國內葡萄種植模式、冬季埋土均未形成統一標準，清土作業面臨更大的挑戰，為適應不同的葡萄種植管理模式，清土機類型繁多，功能也較為多樣，但清土效果仍有待提升。

（2）葡萄藤易損傷。清土環節機具部件與埋土直接作用，不可避免與葡萄藤的無差別接觸，易對葡萄樹體萌發的新芽或葡萄藤本身造成損傷，因此清土機的運行速度、清土力度、清土部件材質不僅要兼顧作業效率還應顧及葡萄藤的保護。

（3）清土質量有待提升。近年來研制出的清土機部分可實現機械化，但多數機具清土后仍需人工輔助操作，且清除的土壤較難回填至原來取土的位置，導致行間不平整，影響后期機械在行間的通過性和第二年的埋藤取土。

（4）操作難度大。清土環節較埋土環節操作難度大，機具緊靠葡萄藤，易傷藤，且清土環節對拖拉機手要求較高，需保證機具運行路徑的合理性和穩定性。

4 總結與展望

北方葡萄種植區冬季埋藤和春季清土是種植管理中必不可少的環節，具有季節性強、作業成本高、勞動強度大等突出特點。本文系統地總結和分析了我國現有葡萄埋藤和清土機械設備的作業模式和特點，探索了本領域機械化水平發展現狀，為研發普適性高、性能更為優良的埋藤、清土設備提供參考。同時，針對目前存在的問題，應加強葡萄種植模式的宜機性研究，并研發可靠性高、適用性強、傷藤率低的新機型，此外，開展節能降耗仍將是未來研究的主要方向之一。