第二十届北方（烟台）国际果业博览会

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时间：2023-06-28

宋月鹏

（山东农业大学机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018）

摘要：山东省丘陵山区果园种植规模大、果品种类多，但机械化作业水平较低。分析了近几年来山东省果品产业经济社会生态化效益及劳动力分布情况，探讨了山东省大力发展丘陵山地果园机械化的必要性与紧迫性，综述了动力底盘、精准植保及割草作业三种典型丘陵山地果园机械装备和技术的研究进展，探讨了山东省丘陵山去果园机械化存在的问题，得出制约山东丘陵山地区果园机械化发展的因素，并对山东省果园机械装备的发展提出了建议。

关键词：丘陵山去果园；机械化作业；研究现状；发展策略

       山东省是中国果品的主要产区之一，果品种类资源丰富，在中国果品产业中居于重要的地位，2021年山东省果园种植面积达61.06万hm²，水果产量高达1913.92万t。同时，山东省也是国家果品主要供应基地和加工出口基地，以苹果为例，常年出口量稳定在50-70万t，占全国出口量的50％以上，出口量和出口额稳居全国第1，为果农增加经济收益、巩固脱贫攻坚成果、实现乡村振兴发挥了重要作用。

      丘陵山区是山东省重要的果品生产区域。受地形、种植模式等因素的影响，目前丘陵山区果园管理大多以人工作业为主。目前国内果园综合机械化率仅为5.75%12,山东省果园机械化率不足 30%81，丘陵山区果园机械化率更低。近年来,果品产业人员短缺导致劳动成本逐年增加，使得山东省丘陵山区果园机械化程度低的问题日益突出，提高果园产业的综合机械率显得尤为重要。2023 年中史一号文件提出，要加紧研发大型智能农机装备、丘陵山区适用小型机械和园艺机械。同时，新时期果农观念的快速转变和对新技术的渴求，为果园提供了种植管理模式改革的契机和产业升级驱动力，加速了林果产业结构调整与转型升级，规范化、标淮化、现代化成为果园的发展方向,也为果园机械化提供了发展机遇。

1山东省丘陵山地果园机械发展的必要性

       果品产业作为一个劳动力密集型和技术密型集于一身的优势产业，在优化农业产业机构、提供就业岗位,发恩农村经济、增加农民收人,支特新农村建设和改善人民生活环境、提高人民生活质量等方面,发挥了越来越重要的作用。据调查"，全省有1700万人直接或问接从事果业生产。全省有27 个县的果树生产面积在2万hm’（30万亩）以上,果品收人占农民年收人的比例达到 37%以上，目前山东省水果666.7m’乎均纯收益约5 100 元,栖霞、沂源、蒙阴、沾化等重点县农民收人的80%以上来源于果品产业31,成为山东省农村农民收人的重要来源。

       果品产业不仅可以促进农村经济发展和增加农民经济收人，同时具有防风固沙、涵养水源、保持水土、净化空气和改善生态环境的功能，对建设环境友好型社会和“大而强、富而美”的新山东发挥着重要作用。按照生态专家郎奎建教授生态效益计算方法3,利用 STATISTICA 统计软件分析，对山东省果树总体生态效益进行估算果园生态效益总计122.3亿元,其中,水士保持效益 66.15亿元，吸收二氧化碳的效益20.20 亿元，改善小气候的效益 13.87亿元,抑制风沙效益5.85 亿元,游憩资源效益7.17 亿元,野生资源保护效益9.06亿元。

      调查还发现，近年来果品产业的经济效益却存在明显下滑的趋势，究其原因是多方面的，从事果品产业生产劳动力数量减少、人工成本逐年提高是其中重要原因。表1为山东省 2017—2021 年劳动力就业产业分布情況。

       数据显示，从事第一产业的劳动力占比逐年降低，从2017 年的28.5%下降到 2021 年的24%;而从事第二和第三产业的劳动力数量在逐年的增加，尤其是第三产业的劳动力数量从 2017 年的 38%增加到2021 年的 42.2%。同时，随着城镇化的发展，农村劳动力转移加快，从事果园生产的劳动力短缺，且大多为农村留守人员，青壮年人员较少，谁来种果树、谁会种果树”已经成为制约山东省果品产业进一步发展的重要因素。大力发展果园机械化，不但可以大量节约果园管理费用，同时还可以有效降低劳动者的劳动强度，提高果园综合管理效益。通过对山东省苹果果园生产管理中用工量调查结果显示，以初进人盛果期的健壮树体果园为例,在果园病虫害防治、士壤施用有机肥 除草 等作业方面，机械化作业可以有效降低果园人工用量，每年可节约人工约9~13个/666.7m平方，按照山东省目前的果园人工费用价格 120 元/天计算，节约生产成本 1200 元以上,经济效益显著，且劳动条件显著得到改善。

       果树“上山、下滩”不占用耕地已成为今后果树种植发展常;态，因此,丘陵山区成为山东省果品产业的主阵地。由于地形复杂，立地条件差，丘陵山区果园机械普遍存在爬坡越障能力差、人机作业安全技术适用性差、先进适用智能作业装备缺三，功能单一不能满足经济型生产要求 等诸多问题，目 節基本处于“无机可用”•有机不能用”的尴尬境地。

        鉴于丘陵山区果园机械化对果品产业高质量发展、乡村振兴战咯实施及农村农业现代化建设重要意义,大力发展机械化作业的紧迫性，果树学专家束怀瑞院上来笔题词：大力发展丘陵山区果园机械,服务农业现代化建设（图1）。

2丘陵山地果园机械装备和技术研究进展

2.1动力底盘

       动力底盘是丘陵山地果园机械最基本组成部分，通过搭载、配套多种作业机具，如割草、植保、开沟、施肥、输运等，国外对于动力底盘及其功能装置的匹配优化工作较为完善。如美国 CASE、John Deere、爱科、丹麦Hedi 等公司,采用较为成熟的高压泵、行走马达和驱动桥技术,针对丘陵山区果园地形复杂，底盘通用性差等问题，开发了双动力输出自走式底盘,制造出多功能专用底盘,可以实现植保、高速精量播种、施肥等工作。同时，这些公司都非常注重研究与开发，每年都投人大量研发资金。

       动力底盘最早在欧洲国家出现并得到快速发展，在地形地势方面，意大利、日本等国家的果园种植环境与中国近似，果园运输机械正在向小型化和功能集中化方向发展,动力底盘多为小型履带式。图2为意大利 BCS 公司研制的果园专用拖拉机，使用铰接转向、四轮驱动，能够实现双向行驶，全车使用电液混合控制,湿式离合，并应用了Pro-Acl 系统，安全性和稳定性得到了提升;图3为日本久保田公司的 KBP43型小型履带式运输车，轻巧作业,转向灵活，并且可以实现智能化控制和远程遥控。

      动力底盐实现功能集中化是木来的发展方向，不仅可以提高果园动力庆盘的性能，还可以提升其对不同果园作业环境的适应性，根据山东省果园种植的特点,山东衣业大学与烟合成峰科技有限公司研发设计了3TC-50-2型履带拖拉机(图 4）。采用全齿轮轴传动变速箱，可以输出三点悬挂，后输出轴可以调节速度的大小,所有四轮拖拉机的农具都能安装，可以与碎枝机、弥妥机、割章机等模块配合使用，使用方向盘操作驾驶，有八个前进挡，两个倒档，以适应不同功能、不同士质、不同深度的作业要求，在丘陵山地果园有较好的通过性。多功能动力底盘可以大大提高果园作业效率，使其功能更加集中化。

      国内外丘陵山区果园动力底盘的研发将围绕动力传递与高效驱动、多点动力输出、姿态调整、自主导航等肉容展开，实现动力底盐的微小型结构、新型结构、遥控智能化、单一底盐配套多功能作业一体化。同时,针对丘陵山区复杂地形地貌及果树郁闭情况，密植或忝化果树遮蔽下信号传输和响应模型，以及果园乏信息条件下农机定位与自主导航方法。

2.2 果园植保机械

       山东省丘陵山地果园植保作业机械化水平较低，在山东烟合、临沂等丘陵山地果园种植区，大多还是人工施药和传统风送施药，这种施药方法 不仅效率低,而且会导致严重的农药浪费与环境污染。近年来,针对丘陵山区植保机械作业条件差,大型植保机具难以人地等缺点,山东省出现了多种新型植保机械化模式：无人机施药、果园多功能机器人施药及单轨自走式弥雾机施药等口。表2为果园植保施药措施及其优缺点。

       欧美、日本等国家果园植保机械化水平较高，在果园病虫害防治方面不仅效果好，而且效率更高。在欧美等国家植保机械种类多样，研发技术应用成熟，如德国的 LEMKEN公司、法国的 TECNOMA 公司、美国的 TROY -BILT 公司、日本的雅马哈公司、意大的A. G.PLANT公司。国外企业的植保机械，牵引式的大中型装备占据了欧美等国家的果园喷雾机械的大部分市场，这种植保机械大多为专机专用。

       中国丘陵山区果园的精准植保机械发展相对滞后,近年来,科研院所与相关企业合作,研发了多种精准植保机械。如中国农业大学何雄奎等人采用红外感探测技术对果树靶标进行自动识别和控制研制出了高压静电 喷雾装置,节省农药 50%~70%以上;吉林省林业科学研究院研发了一款新型适用于丘陵山区的高射程喷零机，其垂直射程高达20m 四,后对其进行改进，使其射程达到22m 以上;安徽农业大学的曹玮鑫等针对丘陵山区地形设计了一种可远程操控的喷药机器人，其最大爬坡角达33°,作业速度达5.65km/h，机械臂水平调节角度能达到 180°;西南大学马驰等u0针对丘陵山地柑桔果园设计了具备自动对靶、自动喷药功能的喷药系统，达到改善喷药质量、提升唢药效率等目的;山东省植保机械生产企业与科研院所合作，开发出一系列精准植保机械，如山东华盛中天机械、山东约翰迪农业装备有限公司 烟台新奇立农业机械有限公司等均开发出了适用于丘陵山区果园作业的精准植保机械产品;山东农业大学宋月鹏教授团队研制了一款基于单轨输运系统的自走式果园弥雾机。轨道弥雾机可遥控移动式作业，克服地形困难，精准施药，远程遥控，减少衣药对果农的人身伤害。轨道弥雾机送风效果好，覆盖范围广,针对果树高度调节喷头位置,精准控量,实现低量高效植保作业，现场使用效果良好(图 5)。

       在果园施药过程中，是否能够避免农药对果农的损害以及减少农药损失提高农业喷洒效率，降低衣药残留对环境的污染，是现代植保机械发展水平的重要标志。应尽快提高针对丘陵山区果园的植保机械的技术水平,研究和开发新的基础部件并开发新型产品,推动中国植保机械的全面更新换代。基于计算机数值模抄发展技术，优化设计离心式和轴流式风送喷雾结构。突破丘陵山区果园复杂地形制约，研究激光雷达探测变量喷雾控制技术,获得树冠的位置、尺寸和形态信息，集成开发果园精淮变量风送喷雾系统、果园精准喷雾决策系统、喷雾姿态自动调整系统，实现对靶仿形变量精准施药。

       国外的割草机械研究起步较早，已经有了多年的经验积累，并且也取得了一定的成果。如美国的约翰迪尔、克拉斯、库恩等公司研发出的带有三个切割器的大型苜蓿收割机械，采用一个切割器前置，另外两个侧后悬挂的布局，提高了工作效率;两个侧后悬挂的切割器能够在液压装置的作用下旋转 90°,减少了机器总宽便于运输"。丹麦研制出 CPS 导航的自动避障株间除草机,通过控制拖拉机及除草部件横向和纵向位移实现行问、株间除草。

       Husavarna Group 是世界上最大的户外电动设备厂商，在割草设备上的研制工作有着悠久的历史。其产品主要有智能割草机器人、电锯等。该公司于1995年发布了世界上第1个太阳能割草机器人 Au-toMower Solar Hybrid Robotic。 它采用电池和太阳能混合动力源，能运用太阳能有效地增长 工作时间,减少电池充电次数并延长电池寿命。 Worx Landroid机器人割草机，由美国设计中国制造。以外观来看，这款机器人割草机尺寸是 370 x 260 x 550 mm，重量约为8.3kg,很像机器人吸尘器。该割章机会自动调节割草深度适用于各种各样的地形。Worx 内置机械规澀传感器，当它碰到石头、玩具或会损坏刀片的障碍物时会自动的改变运作轨迹。

       近年来,山东省多个农机装备企业(高密益丰机械、烟合成峰机械、烟台新奇立机械等）与科研院所合作，在丘陵山区果园制草机研发力面取得较大进展。山东烟台新奇立农业机城有限公司根据果园的面积、地然的特性，开发研t丁 至放遥控划章机城：芒式果园，树下高度低、地面凸回不平，研发厂紧谈型低高度割草机；小型果园，地块窄，地形陡峭，研发了窄宽度割草机；大型果园，树间距宽，研发了大马力超宽割草机。新奇离公司研发的割草机结构合理紧凑、功能齐全、割草粉碎一体，能够节能、降耗、提高生产效率。

       对于智能避障除草机，今后的发展方向应以电控液压仿形升降和传感测距避障技术为主要突破口，提高传感器的测距识别性能。对丘陵山区果园除草机械工作幅度宽调节机构、信号采集机构、自动避障机构和除草刀等关键部件的结构及参数进行优化设计，解决除草作业部件液化压全方位伸缩回返、割叉自主调节、上下垄仿形等关键技术问题。

3山东省丘陵山区果园机械化存在的问题及发展策略

       目前,山东省果品产业及果园机械化存在的问题主要表现在6个方面;①农机农艺融合水平低。②对果园机械化发展的重视程度不够。③现有果园作业机械质量不稳定，可靠性低，智能化程度低。④缺乏适用于丘陵山地果园作业的专用机械。⑤科技支撑能力低,技术保障不宄善。⑥果园管理作业机械生产基础条件落后，生产管理方面薄弱。基于对山东省丘陵山区果园机械化研究现状及存在问题的分析，应从如下5个方面制定发展策略。

3.1 衣机与农艺相结合，系统全面地发展配套机械化技术

        从园艺角度出发,要尽量改良丘陵山区果园环境,研究推广衣机农艺高度融合的果树省力化简约化找培管理技术，与农机生产企业联合研发适用于丘陵山区果园的作业平台、开沟机、弥雾机、耕翻施肥机等经济实用型果园机城,增强果树栽植、耕翻施肥、整形修剪、病虫防治、果实采收等生产管理环节的农机农艺融合程度。同时，从机械技术角度出发，要选择推广或研发树下作业的小型机具，如施肥开沟机、除章割章机、土壤改良和施基肥机械，改进原水的喷雾机具,研发高效、家透性好的打药机械等。

3.2 一机多用和光机电液一体化

        随着丘陵山区果园产业的发展和新型果园的建立,能够实现一机多用，可以进行喷药、施肥开沟、割草控章、疏花修剪、果实套袋和采收等作业项目的果园多功能联合作业平台将成为新型果园的配套机器。同时，将光机电液多种技术集成于一体，实现机械的自动控制,将成为果园管理机械的发展趋势。

3.3 操作简单、小型化，具有更高的安全性、可靠性、适应性

       由于地形限制及作业安全性要求,应大力发展动力强劲、低噪声、排放少、低能耗、污染小的动力机械；为了节约更换农机具的时间和减轻操作者的劳动强度，机械与配套机具的挂接采用快速挂接装置，拆换衣具简单、快速。丘陵山区果园管理机械还要求具有较高的适应性，以满足不同环境下的作业要求。

3.4 着力推广现代栽培模式与智能化果园管理配套技术

       重点推广包括矮砧大苗建园、宽行密株、设立支架、起垄覆盖、行间生草等内容的适于机械化管理的现代矮砧集约栽培模式，以及整形修剪、肥水调控、花果管理等配套找术体系。建立健全配套水电管网和节水灌溉设施，配备果园耕翻、施肥、喷药、割草等机械,逐步实现果园管理机械化;示范推广应用物联网技术,实现果园环境条件监测、病虫害预测预报以及生产过程实时监控和远程控制，促进果园管理的自动化、智能化。

3.5 加强果园机械人 才队伍建设

山东省设立果园机械化技术及相关装备研发相关专业的高等院校较少，从事果园机械相关研究的人才缺乏，果园机械基础研究薄弱、创新能力不足、关键核心技术匮乏、专业人才短缺，又缺乏装备制造技术骨干，特别是基层实用技能型人才短缺极为严重。应健全果园机械人才培养体系，培养果园机械实用型人才,促进山东省果园机械化快速发展和转型升级。

4小结

丘陵山区是山东省果品产业重要生产基地，受地形及种植模式影响，果园作业机械化率较低，处于一种“无机可用、有机不能用”的尴尬局面，人口老龄化及劳动力产业转移，已经严重影响到山东省果品产业的进一步发展，提高果园机械化作业率成为亟需解次的问题。随着山东省各项惠农利农政策的实施，为丘陵山区果园机械化发展提供了难得机遇，分析了制约山东省丘陵山区果园机械化发展的因素,并对果园机械的研发提出了相关建议。

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