朱欣悅 張秀花 馮生 李江濤 孔德剛 張藝

(河北農(nóng)業(yè)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(zhì)及維生素C等人體所需營養(yǎng)物質(zhì)，適量鮮食解渴消暑，還可加工成梨酒、果脯等產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量全國第1，占比19.66%[2]。梨產(chǎn)業(yè)機械化發(fā)展水平是河北省農(nóng)業(yè)高質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的重要一環(huán)，對河北省經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

1 河北省梨園產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)量卻逐年遞增，見圖2，2019年平均每千公頃梨園產(chǎn)量為3.08萬t[2]。梨園產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)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(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變，現(xiàn)全省栽培的品種共有近300個[3]，梨產(chǎn)業(yè)向多元化發(fā)展。河北省梨產(chǎn)業(yè)形成了8個集群地，見圖3，集群地種植面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值占全省總量的57.5%、70.6%、84.2%[5]。集群地梨果產(chǎn)業(yè)以家庭農(nóng)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(guān)聯(lián)行業(yè)發(fā)展，建立了栽培、加工、物流、營銷、旅游等一體化的產(chǎn)業(yè)鏈條，果品遠銷歐盟、美、澳等十幾個國家和地區(qū)。

2 梨園機械化生產(chǎn)現(xiàn)狀

河北省果園機械化率在20%左右，果園生產(chǎn)管理人工成本占果農(nóng)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(yè)；果園成熟的機械設(shè)備，對河北省梨園的栽培模式、作業(yè)環(huán)境、立地條件等適應(yīng)性差；果農(nóng)對于機械設(shè)備認知不足，機械設(shè)備推廣服務(wù)體系待優(yōu)化，且引進機械設(shè)備成本高收益慢。

2.1 梨園建立與栽植環(huán)節(jié)

梨園由大冠稀植轉(zhuǎn)向矮化密植，現(xiàn)代化梨園建立應(yīng)選排水性能好且肥沃的土地，并配備機井、排灌渠道等設(shè)施。栽植的株距×行距約為1～2m×4～5m，現(xiàn)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(yè)，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(yīng)用。在解決上述弊端的同時，苗木移栽作業(yè)機向智能化多功能聯(lián)合作業(yè)的方向發(fā)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(huán)節(jié)

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(huán)節(jié)[1]。

2.2.1 除草

傳統(tǒng)的除草方式為中耕機作業(yè)后打亂土壤表層，將雜草與土壤分離或?qū)㈦s草掩埋地下[1]?，F(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)作業(yè)區(qū)域分為株間(行內(nèi))割草與行間割草，避障技術(shù)是株間除草的關(guān)鍵技術(shù)，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(gòu)偏擺式、繞立軸旋轉(zhuǎn)式等為主；非接觸式避障方法多利用傳感器、GPS等技術(shù)。株間除草機械尚未全面推廣，非接觸式智能避障技術(shù)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(yè)，農(nóng)藝與農(nóng)機結(jié)合不夠緊密。

表1 刈割割草機分類

2.2.2 施肥

施肥根據(jù)是否需要開溝進行根外追肥作業(yè)與開溝施肥作業(yè)。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(shè)備在施肥前進行開溝作業(yè)。開溝施肥利用的機械設(shè)備以開溝機與開溝施肥一體機為主，見表2?，F(xiàn)有施肥機械可滿足基本作業(yè)需求，但尚未普及與實現(xiàn)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(fā)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(lián)合整地作業(yè)機較少?，F(xiàn)有深松施肥機械作業(yè)深度較淺，一般在0.4m以內(nèi)，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(shù)正朝研究監(jiān)測入土阻力、探究新的深松方式、深松與施肥等環(huán)節(jié)聯(lián)合作業(yè)等方向發(fā)展。

表3 果園深松機類型

2.2.4 灌溉

傳統(tǒng)老齡梨園灌溉以漫灌或在梨樹周邊挖溝渠灌溉為主；現(xiàn)代化梨園提倡節(jié)水灌溉，多為噴灌、微灌或利用水肥一體化設(shè)備進行灌溉。如圖6，主要由控制系統(tǒng)、管道以及蓄水池組成，梨樹株間設(shè)置滴灌管道，適用多種水質(zhì)，施肥攪拌、過濾，可以一鍵設(shè)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(tǒng)漫灌可節(jié)水50%[14]。實現(xiàn)果園水肥智能化管理，可有效提高梨果品質(zhì)。隨著果園機械化發(fā)展，應(yīng)結(jié)合多因素實現(xiàn)果園的水肥信息穩(wěn)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(huán)節(jié)

梨樹樹體管理環(huán)節(jié)分為疏花、蔬果、套袋與取袋、整形與修剪、植保等環(huán)節(jié)。

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(fā)自動化程度高、穩(wěn)定性高、簡單操作的高效高質(zhì)作業(yè)的疏花疏果機械設(shè)備是當前梨產(chǎn)業(yè)機械化的發(fā)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(zhì)，對綠色梨果生產(chǎn)有重要意義[18]。由于套袋和取袋環(huán)節(jié)作業(yè)難度大，目前主要依靠作業(yè)平臺輔助人工作業(yè)，機械化程度低，并且套袋與取袋環(huán)節(jié)作業(yè)時間范圍短，需大量人工。

梨樹修剪時需要去除樹體內(nèi)部無用枝，由于樹體內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜亂，主要以人工作業(yè)配合作業(yè)平臺搭配電動、氣動剪枝機為主，剪枝設(shè)備價格便宜，見圖7。

機械修剪主要適應(yīng)于果園粗獷式修枝，在矮化密植的果園較為實用?，F(xiàn)有仿形修剪設(shè)備主要有往復(fù)式與回轉(zhuǎn)式，見圖8，可根據(jù)梨園樹體管理要求進行仿形修剪，提高作業(yè)效率。近年來，智能修剪也處于研發(fā)階段，通過三維點云重建技術(shù)、激光掃描技術(shù)、圖像采集技術(shù)等方式建立果樹虛擬模型[19]，利用智能識別系統(tǒng)，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(shè)備較為成熟，現(xiàn)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(zhí)行機構(gòu)為粉碎甩刀，同枝條收攏裝置配合作業(yè)，作業(yè)對象是細小枝條，作業(yè)高效；移動式枝條粉碎機通過人工將枝條送入設(shè)備，可粉碎粗壯枝條。

2.3.4 植保

現(xiàn)代化植保設(shè)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(yōu)點。如表5所示，根據(jù)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(yōu)勢；遙控式打藥機可實現(xiàn)人機分離，減少藥液對果農(nóng)的侵害。風送式噴霧機作業(yè)時，藥物噴灑參數(shù)不能自動調(diào)節(jié)，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(diào)控系統(tǒng)和噴霧位置快速響應(yīng)系統(tǒng)，使果園植保機械向智能化、信息化發(fā)展。

表5 現(xiàn)代化植保設(shè)備分類

2.4 梨果的采收環(huán)節(jié)

梨果采收用工成本占生產(chǎn)總成本比重很大，現(xiàn)在梨果采摘主要依靠作業(yè)平臺，見圖10。作業(yè)平臺可分為自走式、牽引式和懸掛式，自走式作業(yè)平臺操作靈活，但價格較高；牽引式和懸掛式作業(yè)平臺相對自走式作業(yè)平臺價格略低，但機械整體較大，轉(zhuǎn)彎、進園不方便。作業(yè)平臺主要依靠底盤動力機械，研發(fā)適用性強的專用化底盤結(jié)構(gòu)，提高調(diào)平精度，使作業(yè)平臺朝著高質(zhì)量、高水平發(fā)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(shù)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(chǎn)存在問題及展望

3.1 梨園機械化生產(chǎn)存在問題

3.1.1 梨園老齡化制約機械化發(fā)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??；老齡梨園導致園中梨樹的株距、行距、基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)一，梨園機械化管理受到種植模式與地理環(huán)境的影響存在局限性。

監(jiān)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(tǒng)的大型機械設(shè)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(jiān)控APP能夠接收到服務(wù)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(jiān)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(tǒng)一管理。監(jiān)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(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡

河北省梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要以集群地為主，其他地區(qū)受種植規(guī)模等限制區(qū)域發(fā)展不平衡；梨產(chǎn)業(yè)合作社多以小規(guī)模為主，服務(wù)層次低且創(chuàng)收能力弱，資金運行受限，機械化水平無法提升；果農(nóng)文化水平、管理與政策執(zhí)行力有限，不利于合作社可持續(xù)發(fā)展。

3.1.3 農(nóng)藝農(nóng)機融合度低

在農(nóng)機生產(chǎn)與研發(fā)過程中，企業(yè)忽視了對梨園栽培模式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的考慮，往往造成作業(yè)機具與梨園模式不匹配等問題，農(nóng)機生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)管理缺乏聯(lián)系；在考慮品種栽培上，多以豐產(chǎn)為主，對于是否適合標準化管理與機械化作業(yè)考慮欠缺。

3.1.4 高新技術(shù)與機械設(shè)備融合研究欠缺

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

3.2 梨園機械化生產(chǎn)展望

3.2.1 推動標準化梨園建設(shè)與管理

加快河北省老齡梨園向省力密植梨園的轉(zhuǎn)變，革新栽培管理技術(shù)，從源頭解決抑制梨果優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的問題；加強對新技術(shù)的創(chuàng)新與改良，歸納出更加可行的現(xiàn)代化梨園管理技術(shù)規(guī)程，為梨園機械化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 推動河北省農(nóng)村合作社高質(zhì)量發(fā)展

以梨產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)為主，擴大服務(wù)范圍和經(jīng)營規(guī)模，因地制宜進行供機供收、統(tǒng)一購銷等服務(wù)；鼓勵一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，引導合作社向智慧農(nóng)業(yè)、旅游農(nóng)業(yè)新方向拓展；不斷提高梨產(chǎn)業(yè)合作社標準化建設(shè)，提升創(chuàng)新服務(wù)方式，開展試點示范服務(wù)，規(guī)范梨產(chǎn)業(yè)合作社制度規(guī)范，完善對果農(nóng)指導服務(wù)，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(nóng)藝農(nóng)機融合建設(shè)

制造適合梨園規(guī)模的作業(yè)機械設(shè)備，考慮株距行距、樹形等影響因素，使機械設(shè)備配套動力及機器大小滿足梨園作業(yè)要求；研發(fā)適用于機械化作業(yè)的梨樹品種，統(tǒng)一梨園內(nèi)梨樹樹形，進行標準化種植與樹體管理，促使農(nóng)藝與農(nóng)機更加緊密的結(jié)合。

3.2.4 加大科研投入與科研成果轉(zhuǎn)化

針對梨園樹下管理和樹體管理要求，研發(fā)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(shè)備的研發(fā)，降低機械制造成本，提高機械使用效率；將高新技術(shù)融入梨園機械設(shè)備，充分利用衛(wèi)星導航、無人駕駛、深度識別等技術(shù)的優(yōu)勢，提升梨園機械的模塊化、智能化水平；加快科研成果轉(zhuǎn)化，加強科研院校與企業(yè)間合作，縮短產(chǎn)品上市周期。

4 總結(jié)

河北省梨產(chǎn)業(yè)機械化面臨很多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有大部分老齡梨園不適合機械化作業(yè)，由于果樹管理的復(fù)雜性，一些環(huán)節(jié)很難實現(xiàn)機械化作業(yè)，且適合梨園的作業(yè)機械產(chǎn)品有限。建議以家庭農(nóng)場、縣市合作社和果農(nóng)企業(yè)合作等多種梨果生產(chǎn)經(jīng)營模式為主，形成成方連片的作業(yè)規(guī)模，進行標準化種植與管理，提高農(nóng)藝農(nóng)機結(jié)合程度，實現(xiàn)梨園全程機械化生產(chǎn)，為梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅實保障。