果園機械化生產(chǎn)技術(shù)研究進展

陸華忠 ，李 君, 李 燦

（1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

我國水果品種繁多, 果園種植面積和水果產(chǎn)量常年穩(wěn)居世界首位，水果已成為我國繼糧食和蔬菜之后的第三大農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)，據(jù)《中國農(nóng)業(yè)年鑒》統(tǒng)計，截至2018年，我國果園種植面積為1 187.5萬hm2，水果產(chǎn)量為2.57億t，穩(wěn)居世界第一。我國是世界第一大水果消費國，然而水果產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益并未增收［1］。現(xiàn)階段果園大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍以人工作業(yè)為主，效率低、強度大、耗時費力，加之勞動力日益短缺，果園面臨無人可用的生產(chǎn)管理困境，不能及時完成割草、施肥、采收等作業(yè)，迫切需要解決當(dāng)前果園生產(chǎn)瓶頸問題，而果園機械化的發(fā)展，是促進我國果業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要舉措。近年來，隨著國際水果產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和消費需求的急劇增加，世界水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，果業(yè)已逐漸成為不少國家和地區(qū)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，尤其是對促進山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保持具有主要意義，這對我國果園機械化的發(fā)展提出了新的要求。

水果產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的根本是要實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)集成化、勞動過程機械化和生產(chǎn)經(jīng)營信息化，其中機械化生產(chǎn)是最主要的生產(chǎn)方式和最重要的標(biāo)志［2-3］。與發(fā)達國家相比，我國果園綜合機械化研究、制造和實際作業(yè)水平均相對較低，人工成本占比居高不下、資源利用率和勞動生產(chǎn)率低下的問題依然存在，立地條件不理想、基礎(chǔ)設(shè)施不充足、種植模式不配套、栽培方式不統(tǒng)一、生產(chǎn)農(nóng)機具不適用等限制因素亟需改善，部分作業(yè)環(huán)節(jié)仍需大量的人力，施肥、割草、采收等環(huán)節(jié)尚未完全實現(xiàn)機械化作業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)化種植模式和規(guī)范化管理技術(shù)的缺失、農(nóng)機農(nóng)藝匹配程度較低等問題仍需攻克，傳統(tǒng)果園需要逐步升級改造，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、規(guī)模化的果園是現(xiàn)代果園發(fā)展的必然趨勢，果園機械化的重要性與應(yīng)用性具有廣闊的發(fā)展前景。

本文通過綜述近年來國內(nèi)外果園主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中機械化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點圍繞果園土壤與植被管理、病蟲害防治、冠層花果管理、水果采收及智能信息管控技術(shù)進行闡述，并對現(xiàn)階段技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來的研究方向進行展望，以期為我國果園生產(chǎn)機械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 土壤與植被管理技術(shù)

1.1 節(jié)水灌溉

我國南北水資源分布不均，東西部降雨差別較大，果園主要分布在我國西南丘陵山區(qū)，水資源匱乏是果園普遍存在的現(xiàn)象，且我國果園灌溉條件還相對落后，并無相對成熟的灌溉條件，灌溉周期長、技術(shù)落后、灌溉粗放等問題較為突出，水分無法充分有效的利用。因此，高效節(jié)水灌溉技術(shù)是我國果園灌溉發(fā)展的重點方向［4-5］。

1.1.1 灌溉方式 我國農(nóng)業(yè)以傳統(tǒng)灌溉方式為主，用水灌溉利用系數(shù)僅為0.54，遠低于發(fā)達國家的0.7～0.8；傳統(tǒng)灌溉水資源浪費嚴(yán)重，灌溉效率僅為50%～60%，而噴灌和滴灌的效率則分別可達60%～70%和80%～90%［6-7］。果園常用的節(jié)水灌溉方式包括漫灌、溝灌、噴灌、微噴灌、滲灌和滴灌等，當(dāng)前水資源危機愈演愈烈，各國對節(jié)水灌溉技術(shù)也越來越重視。美、英等國以精準(zhǔn)灌溉為目標(biāo)建立了節(jié)水灌溉模型，對果園果樹是否需要灌溉、何時需要、需水量進行模型預(yù)測，實現(xiàn)了噴灌和滴灌面積達50%以上；以色列溫室種植采用先進的微灌技術(shù)，水資源利用率高達95%。隨著高效集約農(nóng)業(yè)的發(fā)展和節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，國外已開始普及信息傳感與自動管控技術(shù)，達到定時、定量及保質(zhì)有效的滿足作物的需水量，實現(xiàn)了高效節(jié)水灌溉［8］；國內(nèi)主要是采用合理安排改進灌溉制度、優(yōu)化田間覆蓋保水的方法，通過滴灌、管道輸水及地下痕量等技術(shù)，達到有效減少水分流失和提高水分利用率的目的。雖然部分果園進行了水肥一體化系統(tǒng)建設(shè)，節(jié)水節(jié)肥已初見成效，但由于產(chǎn)品性能和質(zhì)量較差、自動化程度較低、作物灌溉決策管理針對性不強等一系列問題，限制了該項技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1.1.2 灌溉管理技術(shù) 改進灌溉管理制度，確保果樹在生長關(guān)鍵期的供水需求，在果樹盛果期合理灌水，在其他時期做好蓄水保水工作，控制樹體生長。現(xiàn)階段水資源短缺、季節(jié)性干旱和作物養(yǎng)分需求脅迫的問題日益突出，國外在環(huán)境信息采集、自動灌溉控制、灌溉策略、灌溉生理響應(yīng)特性等方面研究較為深入，一些新的灌溉技術(shù)如虧灌、根區(qū)交替灌溉等已逐步在果園中實現(xiàn)，通過智能化管控技術(shù)，實現(xiàn)了果園水肥一體化精準(zhǔn)灌溉，滿足了果樹在不同生長期的灌水需求。以色列Netafim公司采用計算機智能控制模式，可根據(jù)氣候、土壤及作物等因素狀況，進行智能自動灌溉，無需人工操作；澳大利亞采用一種固定道機械作業(yè)模式，實現(xiàn)田間作業(yè)動力驅(qū)動輪和行走輪都在固定道上行走，增強土壤蓄水能力，有效減少了地表徑流；荷蘭利用衛(wèi)星遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可根據(jù)樹體大小和太陽輻射情況及時調(diào)整供水量，水分利用率提升顯著［9］。隨著現(xiàn)代信息傳感、通信傳輸及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，精準(zhǔn)灌溉管控技術(shù)在果園具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 機械化施肥

施肥是果園生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，當(dāng)前我國許多地區(qū)果園施肥仍采用人工作業(yè)為主，肥量的把控和施放難以做到精準(zhǔn)施用，合理有效的施肥技術(shù)可以最大限度地使用肥料，有效降低肥料流失、降低肥料對土壤的危害、提高肥料利用率，在農(nóng)業(yè)中對于環(huán)境保護和提高果樹肥料吸收效率至關(guān)重要［10］。

1.2.1 施肥方式 現(xiàn)階段我國果園施肥作業(yè)方式主要有人工挖穴施肥、機械化施肥和水肥一體化施肥等。人工挖穴施肥勞動強度大、效率低,肥量的把控和施放不均，粗施和過量偏施的現(xiàn)象普遍存在，不僅會造成土壤微量元素的流失，還會影響果樹生長；水肥一體化施肥技術(shù)受地域影響較大，無法滿足我國丘陵山區(qū)施肥作業(yè)的需求。果園機械化施肥有開溝施肥、挖穴施肥、氣爆深松施肥和注射施肥等方式［11-14］，其中溝施是現(xiàn)階段果園常用的施肥方式，作業(yè)機具通常是開溝機或小型挖掘機，按作業(yè)方式的不同，用于果園施肥的開溝機械可以分為圓盤式、犁鏵式、鏈?zhǔn)胶吐菪降?種類型［15］。

隨著計算機技術(shù)和各類傳感技術(shù)的快速發(fā)展，精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)已得到廣泛關(guān)注，其在果樹施肥的應(yīng)用也越來愈多。變量施肥技術(shù)是目前實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心內(nèi)容，從變量施肥裝備到變量施肥控制系統(tǒng)已形成相關(guān)體系，如美國約翰迪爾公司的Green Star變量施肥機、比利時基于土壤傳感器的變量施肥機、日本實時排肥傳感的控制系統(tǒng)、韓國氣吸式變量施肥機等已得到較好的應(yīng)用；國內(nèi)起步較晚，技術(shù)相對落后，通過吸收和借鑒國外技術(shù)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的基于處方圖的變量施肥機、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的香蕉變量施肥機、吉林大學(xué)自主研發(fā)的變量施肥系統(tǒng)、上海交通大學(xué)基于GPRS的變量施肥變量施肥系統(tǒng)等技術(shù)的應(yīng)用。為保證作業(yè)效率及質(zhì)量，越來越多的施肥機控制器采用了PDA或車載式計算機，利用微機處理來自圖像傳感器［19］、測距傳感器［20］、雙目攝像頭［21］、定位系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)等傳感方法獲取作物生長、土壤營養(yǎng)以及機器作業(yè)狀態(tài)的信息［22］，為果園變量施肥決策提供精準(zhǔn)的參考量。

1.3 機械化割草

果園每年一般要打3次除草劑或人工除草4次以上，費時費力，除草劑的使用還會造成環(huán)境污染和果樹藥害。雜草對果樹的危害很大，能直接或間接影響果園水果生長，科學(xué)、合理、有效的控制及清除雜草，對提升水果產(chǎn)量和品質(zhì)、降低果園蟲害的發(fā)生具有重要作用。

1.3.1 割草方式 目前，果園常用的除草方式主要有3種：人工除草、化學(xué)除草和機械除草。與人工除草和化學(xué)除草相比，機械化割草具有高效安全、綠色省工、環(huán)境友好等特點，是目前最為便捷、安全的除草方式［23］。除草技術(shù)的關(guān)鍵在于執(zhí)行部件的工作原理，可以分為機械式除草、機械氣力式除草和機械液力式除草；機械式除草按照切割方式的不同，可分為甩刀式切割、旋耕式切割、往復(fù)式切割、旋轉(zhuǎn)式切割和滾刀式切割5種。我國果園多分布于丘陵山區(qū)，由于地形、作業(yè)要求的限制，一般采用旋轉(zhuǎn)式切割的方式，且山地果園割草任務(wù)多半以半機械化作業(yè)為主，耗時費力效率低；機械氣力式除草是通過機械式先將雜草清除，然后用高壓氣體將雜草吹出的一種技術(shù)，在果園上的應(yīng)用較少。

1.3.2 割草技術(shù) 國外割草機發(fā)展起步較早，標(biāo)準(zhǔn)化種植模式的果園，割草機從傳統(tǒng)的大型化、單一化、機械式逐漸朝輕簡型、多功能、智能化的方向發(fā)展，果園機械化割草技術(shù)先進［24］。如日本筑水公司的割草機高度可調(diào)，斜坡適應(yīng)性好，配有減震的可調(diào)節(jié)座椅、可任意調(diào)整高度和角度的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；意大利必圣士公司研制的720/730系列的微耕機，通過配套多種機具用以完成不同的功能，實現(xiàn)一機多用。我國多數(shù)果園立地條件差且地塊細碎，以便攜式割草機和推車式割草機應(yīng)用為主，作業(yè)效率不高、勞動強度大。隨著果園機械化進程的推進，割草機器人［25］是機械化割草技術(shù)的重要發(fā)展方向，其能依靠智能系統(tǒng)自主完成預(yù)定區(qū)域的割草任務(wù)，工作期間無需人為干預(yù)，且具有高效、便捷、安全等特點。自動避障及路徑規(guī)劃的能力是衡量割草機器人智能化程度的重要標(biāo)志，依靠接觸式或非接觸式傳感器實現(xiàn)障礙物信息感知，路徑規(guī)劃有隨機覆蓋法、往復(fù)形式、口字形式和螺旋形式等形式，軌跡跟蹤算法比較成熟的有曲線軌跡擬合、預(yù)瞄控制、模型預(yù)測控制和純跟蹤算法等。在動力方面，割草機也由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機驅(qū)動向清潔能源電力驅(qū)動方向轉(zhuǎn)變，如利用太陽能電池板和蓄電池組合作為割草機作業(yè)的動力源。當(dāng)前國內(nèi)太陽能割草機相關(guān)技術(shù)研究工作還處于探索性起步階段，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在割草機上的應(yīng)用也只是局限在一些高等院校、科研單位進行。

2 病蟲害防治技術(shù)

病蟲害防治工作是果園生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)，平均每年噴施農(nóng)藥約8～15次，其工作量約占果園管理工作總量的30%［26］。在新發(fā)展理念的要求下，我國農(nóng)藥的用量正實現(xiàn)逐年減少，農(nóng)藥利用率仍十分低效，僅有極少數(shù)的藥劑沉積在靶標(biāo)上起到殺蟲作用，其余藥劑沉積在土壤或蒸發(fā)在空氣中，果園植保機械的應(yīng)用能大幅度地提高施藥的工作效率并能結(jié)合高效噴霧技術(shù)提高農(nóng)藥的利用率。

1.3 統(tǒng)計分析 應(yīng)用SPSS20.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，計數(shù)資料采用率表示，計算NIPT的靈敏度，特異度，陽性預(yù)測值，陰性預(yù)測值。計數(shù)資料比較采用χ2檢驗，P<0.05。

2.1 施藥方式

果園常見的施藥方式有背負式、噴桿式、風(fēng)送噴霧式及無人機施藥，其中背負式噴霧器、擔(dān)架式噴霧機最早進入國內(nèi)果園應(yīng)用。背負式噴藥設(shè)備主要通過人工背負進行作業(yè)，因其價格低、操作簡單、攜帶運輸方便，在我國小規(guī)模耕地、果園以及地形不佳的丘陵山區(qū)使用較為廣泛，據(jù)統(tǒng)計背負式噴霧器占我國植保機械保有量的98%左右。噴桿式噴霧機作業(yè)幅寬大，但大田用的桿架結(jié)構(gòu)和噴頭并不能很好適應(yīng)果樹植保要求。近年來預(yù)埋管道式噴霧系統(tǒng)發(fā)展較快，出水口位置包括樹下和冠頂兩種，塔式、環(huán)形、多風(fēng)管式、多風(fēng)機式風(fēng)送噴霧機從原理上來看，均為利用風(fēng)送氣流把農(nóng)藥霧化成霧滴并沉積于葉片正反面，霧化好、射程遠、噴霧寬，在平地和緩坡地果園有廣闊的應(yīng)用前景。農(nóng)用航空無人機可以克服地形條件的限制，其旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場使得霧滴有一定的冠層穿透性，作業(yè)速度快，防治效果相比人工與機械作業(yè)提高15%～35%，適合在山地果園推廣［27］。

2.2 施藥技術(shù)

農(nóng)藥減量化、施藥精準(zhǔn)化、作業(yè)智能化是當(dāng)前國內(nèi)外機械化施藥技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。在以減少農(nóng)藥使用量為核心理念的推動下，靜電噴霧、變量噴霧、離心霧化技術(shù)在果園逐步得到應(yīng)用。近年來，基于超聲波、紅外傳感、機器視覺技術(shù)的對靶噴霧施藥技術(shù)發(fā)展較為成熟，通過流量控制系統(tǒng)，根據(jù)反饋信息，精準(zhǔn)判斷目標(biāo)有無靶標(biāo)位置和樹形情況進行施藥。在施藥過程中，防漂移、藥液回收等技術(shù)是提高藥液附著率、減少藥液流失、降低環(huán)境污染的重要舉措，國外已采用經(jīng)典噴霧技術(shù)和防漂移輔助裝備進行輔助施藥。變量噴霧技術(shù)和靜電噴霧技術(shù)是作為目前低容量、低污染的噴霧技術(shù)之一，而離心霧化技術(shù)是當(dāng)前世界公認的產(chǎn)出霧滴均勻性較好、霧滴粒譜范圍較窄、適用于可控噴霧施藥的先進技術(shù)。離心霧化器可根據(jù)轉(zhuǎn)速控制霧滴粒徑大小，以滿足不同條件需要、提高農(nóng)藥霧滴在靶標(biāo)作物上的附著能力及分布均勻性，已達到有效利用率與防治效果。劉德江等［28］設(shè)計了一種離心霧化裝置，通過邊緣帶齒的轉(zhuǎn)盤來產(chǎn)生較小的均勻分布霧滴，霧滴粒譜范圍較窄，適用于可控噴霧施藥。趙鋮等［29］設(shè)計了一種基于低容量離心霧化技術(shù)的噴霧機，試驗證明離心霧化方式可有效提高藥液的冠層穿透性2.9倍以上。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及不斷完善，高精度信息獲取以及定位技術(shù)的快速發(fā)展為植保智能化精準(zhǔn)作業(yè)提供了實現(xiàn)可能，融合多傳感器、導(dǎo)航自動作業(yè)、大數(shù)據(jù)云平臺等方法，基于冠層輪廓、密度或體積實時探測進行對靶精準(zhǔn)噴霧作業(yè)甚至無人化作業(yè)的相關(guān)施藥技術(shù)研究已有報道。

3 冠層花果管理技術(shù)

3.1 機械化修剪

果園整形修剪作業(yè)是一個季節(jié)性較強和勞動密集型的工作，果樹整形修剪每公頃所用工時約占整個生產(chǎn)過程所用工時的20%，通過科學(xué)合理的整形修剪, 不僅有利于高光效樹形及標(biāo)準(zhǔn)化果園的培育，還可改善果園小氣候生態(tài)環(huán)境，進而為后續(xù)的果園機械化管理創(chuàng)造便利條件［30］。

3.1.1 修剪方式 果樹修剪可分為人工選擇性修剪和機械化整形修剪［31］。前者是人工為主、機械為輔，通常借助電動剪、動力鋸等手持輔助修剪機具，選擇性修剪效率低、勞動強度大、對操作者的要求較高。就此，日本、意大利等國研發(fā)出針對不同樹形和環(huán)境的人工機械修剪機，以氣動源為動力，省時省力；后者主要針對矮化密植栽培的標(biāo)準(zhǔn)化果園以及一些可以中重程度修剪的果樹，適合于進行機械化整形修剪，通過在拖拉機懸掛或者專用底盤上安裝可以上下升降、左右移動的修剪刀具，以液壓或電動的方式驅(qū)動刀具進行往復(fù)切割運動，其切割裝置可根據(jù)需要調(diào)整角度，并將果樹修剪成一定的形狀，作業(yè)效率高，有利于果樹塑形及標(biāo)準(zhǔn)化果園的建立。果樹整形修剪按切割方式可以分為往復(fù)割刀式、轉(zhuǎn)刀式和圓盤鋸式；根據(jù)機架形式不同，又可分為前置式、側(cè)置式、雙側(cè)式、龍門架式等［32］。

3.1.2 修剪技術(shù) 國外對于果園修剪機械的研究較早，對于果園修剪機械的研究成果較多，先后針對不同地形的修剪需求，設(shè)計了不同類型的修剪機械。果園地域小的日韓地區(qū)研制了小型履帶式修剪機，丘陵山地居多的德國和意大利改裝了拖拉機式的修剪機，中小型農(nóng)場為主的英法等國改裝大、中型圓盤鋸修剪機，標(biāo)準(zhǔn)化大型農(nóng)場為主的美國研制出作業(yè)效率高的大型修剪機械和自動化程度較高的修剪機器人，大大提高了工作效率。國內(nèi)修剪機械起步較晚，大多以手持修剪器械為主，修剪機較少。近年來，針對不同果樹對修剪機械的修剪需求，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院［33］研制了一種雙邊齊切式柑橘修剪機，該機根據(jù)不同柑橘果園的樹寬、樹高等差異，可隨時調(diào)節(jié)修剪寬度、修剪高度和修剪形狀，然后進行整行齊切；河南科技大學(xué)［34］針對果樹仿形修剪設(shè)計需求及大多數(shù)果園的機械化管理需求,設(shè)計了一種液壓驅(qū)動前懸掛式果樹仿形修剪機，該機果樹漏剪率為10%；山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院［35］研制了一種果園寬幅聯(lián)合仿形修剪機，可根據(jù)修剪高度、修剪形狀進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)一機多用，該機修剪漏割率為7.3%，修剪合格率為90.9%。階段我國果園正向矮化密植栽培的標(biāo)準(zhǔn)果園過渡，可以采用自走式修剪機械進行整株修剪，用于整株整形修剪，其修剪裝置可根據(jù)需要調(diào)整角度，并將果樹修剪成一定的形狀。同時，通過整株修剪后的果樹也為后續(xù)的果園機械化管理創(chuàng)造便利條件。

3.2 機械化疏花疏果

疏花疏果是提高果實品質(zhì)、減少養(yǎng)分消耗和持續(xù)穩(wěn)定豐產(chǎn)的重要措施，是果園生產(chǎn)管理作業(yè)較為繁重的環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強、勞動強度大等特點。傳統(tǒng)果園栽培模式無法滿足現(xiàn)代果園生產(chǎn)，規(guī)?；默F(xiàn)代矮密集約栽培果園管理逐漸得到發(fā)展，由于果樹長勢易受控制，易成花成果，若不進行疏花疏果，盛果期果實過多將會影響果實產(chǎn)量，導(dǎo)致果實品質(zhì)下降。

3.2.1 疏花疏果方式 目前常見的疏花疏果方式包括人工疏花疏果、化學(xué)疏花疏果和機械疏花疏果。人工疏花是操作者按照經(jīng)驗，通過使用簡單的工具進行均勻性保花留果，該方式對操作者的要求較高，效率低、成本高、花費時間長，用工投入和資金投入均占果園投入的20%～30%；化學(xué)疏花是在花果開花期或者是幼果期進行噴施化學(xué)藥劑，使一部分的花或幼果不能長成果實而脫落，具有較強的隨機疏除性，雖然化學(xué)疏花疏果比傳統(tǒng)的人工疏花疏果作業(yè)效率大幅度提高，但目前用于稀釋核果類的試劑有限，且果樹易受藥劑種類、噴施時間、配制濃度、作業(yè)現(xiàn)場溫度、及果樹品種等諸多因素的影響，極易導(dǎo)致花和幼果疏除過度或疏除不足現(xiàn)象，這與后期手工定果的農(nóng)藝要求不一致，同時，也無法解決果品農(nóng)藥殘留和環(huán)境友好性的問題；機械疏花疏果作為一種對花果管控的友好型技術(shù)，運用柔性疏刷裝置對樹冠進行擊打，通過使樹干樹冠振動的方式達到疏花疏果的目的，與以上兩種方法相比，該方法機械作業(yè)效率高，且不存在農(nóng)藥殘留、污染環(huán)境、受氣候條件影響等問題，將成為今后該領(lǐng)域的重點發(fā)展方向。

3.2.2 疏花疏果技術(shù) 國外機械化疏花疏果技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，根據(jù)作業(yè)方式的不同，可分為樹冠或樹干振動式、高壓水噴射式、柔性繩旋轉(zhuǎn)式［36］。Romano等［37］基于振動原理設(shè)計了可通過改變頻率和振幅獲得花、芽、幼果、青果最佳值的振動測試實驗臺。Martin等［38］試驗發(fā)現(xiàn)單株產(chǎn)量、坐果率和平均單果質(zhì)量與人工處理無顯著差異，且手持式疏花疏果裝置將每棵桃樹作業(yè)成本節(jié)約了近90%，比人工疏花疏果效率提高了6～15倍；Barreto等［39］使用手持式修剪和離心疏花疏果機械進行田間試驗表明，兩種方式均能提高產(chǎn)量和果實大小。為滿足大規(guī)?，F(xiàn)代化果園的高效作業(yè)要求，多節(jié)臂式、門架式等新型疏花疏果機已投入研發(fā)和試驗。

機械化疏花疏果技術(shù)在國內(nèi)研究起步較晚，近年來青島農(nóng)業(yè)大學(xué)［40］、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)［41］、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)［42］、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院［43］等高校及科研機構(gòu)進行了探索研究，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出基于超聲波探測的手持式以及懸掛式荔枝樹仿形柔性疏花疏果機，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院分別研制出矮密蘋果樹主軸式、棚架Y形梨園三節(jié)臂機載式疏花疏果機等。受國內(nèi)傳統(tǒng)果樹栽培模式以及農(nóng)藝管理方法的限制，現(xiàn)已無法滿足現(xiàn)代果園生產(chǎn)需求，規(guī)?；默F(xiàn)代矮密集約栽培果園管理逐漸得到發(fā)展。

4 水果采收技術(shù)

水果采收作為果園生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，具有季節(jié)性強和作業(yè)強度大等特點，采收用工成本占生產(chǎn)總成本的35%～40%，我國水果采收機械化程度低，機械采收率僅為2.33%［44］。現(xiàn)階段主要以人工采收為主，耗時費力、效率低和人工成本高等問題突出，而機械化采收不僅能減輕果農(nóng)的勞動強度、節(jié)省成本和提高作業(yè)效率，而且還能提高水果的經(jīng)濟效益，符合國家大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略性決策，加大研究和發(fā)展水果采收技術(shù)對果園現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

4.1 采收方式

目前，常用的水果采收方式有3種：一是人工采收，通過人工搭載半自動化的采摘作業(yè)平臺，運用一些輔助器械進行人工采收；二是機械化采收，使用振動或撞擊等方法使果實與果樹分離；三是機器人采摘，運用智能化程度較高的采摘機械手進行采摘。

國內(nèi)丘陵山地果園有別于國外大規(guī)模種植的果園，相比于糧食作物機械化收獲技術(shù)，果園采收機械的研究與應(yīng)用相比較晚。早在20世紀(jì)40年代，國外開始對水果機械化采收技術(shù)進行研究，振動式［45］、梳刷式［46］、剪切式［47］和氣力式［48］等采收方式均有報道，其中振動式采收機比較常見。20世紀(jì)70年代，國內(nèi)果園采收機械開始得到發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了振動式采果機、手持剪切式采果機等小型采收機械；為省時省力，一些簡易的便攜式采摘器逐漸出現(xiàn)在果園生產(chǎn)應(yīng)用中；為提高鮮食水果采收作業(yè)的安全性，一些輔助采收裝置得到廣泛應(yīng)用，如單人升降平臺、多人作業(yè)平臺等相繼問世。水果商品化處理作為機械化采收的后續(xù)配套環(huán)節(jié)，也已不再局限于工廠化生產(chǎn)，而是走入果園，開始嘗試與采收作業(yè)集成的模式。

4.2 采收技術(shù)

隨著計算機技術(shù)的興起以及自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是機器人、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，國外水果采摘機器人的研究和開發(fā)得到了快速發(fā)展。20世紀(jì)70年代，農(nóng)業(yè)機器人開始取代傳統(tǒng)的采收機械進入到采摘作業(yè)模式；20世紀(jì)80年代，美國最早研發(fā)出世界上第一臺采摘機器人，隨后西方國家經(jīng)過研發(fā)和不斷的試驗，先后成功研制出了葡萄、柑橘、番茄、蘋果、藍莓等采摘機器人［49-53］。20世紀(jì)90年代中期，我國開始進行農(nóng)業(yè)機器人研究，主要集中在末端執(zhí)行器的設(shè)計及不同條件下果實的識別及定位技術(shù)研究，雖然相較于西方國家起步較晚，但還是取得了一些顯著性成果［54-57］：如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的荔枝采摘機器人，每小時能采摘20 kg的荔枝，是人工的兩倍；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)針對高架草莓設(shè)計的“采摘童1號”采摘樣機，采摘成功率達88%，單果采摘平均耗時18.54 s；國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心針對吊栽番茄開發(fā)設(shè)計的軌道移動平臺式采摘機器人，單果采摘作業(yè)用時24 s，采摘成功率為83.9%。目前大部分研究都處于實驗階段，普遍存在適應(yīng)性差、精確性低、靈活性差、用時處理較長等缺點，投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用還需時日。

5 信息化管控技術(shù)

隨著智能應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將把農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推向新高度，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到果園生產(chǎn)種植中，賦能水果產(chǎn)業(yè)“新機遇”。國內(nèi)外科研人員利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，在果樹生長環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺等方面進行了深入研究，將信息化技術(shù)與果園生產(chǎn)技術(shù)進行了融合。

5.1 果園環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)

果樹的生長受日照、土壤、濕度、溫度、病蟲害等環(huán)境因素影響，其生長狀況直接決定樹葉的光合作用、樹體的生長速度、果實的質(zhì)量和產(chǎn)量。在大面積的果園中主要通過傳統(tǒng)的人工管理和監(jiān)測方式判斷果樹的種植、生長、病蟲害等狀況，不僅增加了大量的勞動力成本，而且具有盲目性和隨機性，無法高效、全面的實現(xiàn)果園的信息化管理。近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”發(fā)展方式深入的研究，通過在果園安裝智能氣象監(jiān)測設(shè)施［58］，利用傳感器可以采集到果園的空氣溫（濕）度、光照強度、CO2溶度、土壤溫濕度EC值、土壤酸堿性等環(huán)境信息，實現(xiàn)果樹生長環(huán)境的在線監(jiān)測，并根據(jù)環(huán)境信息預(yù)測可能給果樹帶來的危害，進而采取防護措施，是降低果園損失的重要手段［59-63］。

5.2 數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺

現(xiàn)階段，現(xiàn)代果園示范園區(qū)正逐步通過建立數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺，融合農(nóng)業(yè)裝備與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息管理技術(shù)，幫助果園實現(xiàn)高效管理和產(chǎn)銷一體化。云平臺主要通過在移動端搭建APP管理系統(tǒng)和在PC機上設(shè)計大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，達到實現(xiàn)果樹生長環(huán)境實時在線監(jiān)測、遠程控制水肥灌溉、視頻監(jiān)控果園病蟲害狀況、控制蟲控設(shè)備安全噴藥、追溯水果質(zhì)量管理等效果。當(dāng)前，我國正在努力實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，提升果園生產(chǎn)環(huán)境狀況，開展對基于數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺的果園智能設(shè)施研究，以進一步提高果園生產(chǎn)的效率及保障各類水果的質(zhì)量安全，為實現(xiàn)智慧果園建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

6 啟示與展望

國外許多發(fā)達國家在土壤耕作、水肥管理、疏花疏果、物理割草、整形修剪、病蟲害防控和災(zāi)害預(yù)防等環(huán)節(jié)已經(jīng)實現(xiàn)了機械化，配套生產(chǎn)經(jīng)濟效益明顯，當(dāng)前正朝著自動化、智能化方向發(fā)展。我國果園生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)與裝備已經(jīng)具備，部分地區(qū)正在推廣與應(yīng)用，宜機化改造初見成效。但由于果園種植模式與機械不配套問題較為突出，規(guī)?；鸵?guī)范化程度差，且各環(huán)節(jié)的單項機械化技術(shù)不能有效集成應(yīng)用，導(dǎo)致節(jié)本增效不顯著、農(nóng)機裝備技術(shù)供給與需求的矛盾依然突出，為此對我國果園機械化發(fā)展提出了新的要求。

（1）土壤與植被管理技術(shù)。隨著地理信息系統(tǒng)、傳感器和圖像處理技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，果園機械化除草和施肥裝備研發(fā)及灌溉管控技術(shù)將向智能化、自動化發(fā)展，高效節(jié)水灌溉技術(shù)、精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)、自動化割草技術(shù)的開展，更多的向環(huán)保、綠色、有機方向發(fā)展，發(fā)展節(jié)能環(huán)保型果園機械除草，水、肥精準(zhǔn)施控技術(shù)，這也是我國未來土壤與植被管理機械發(fā)展的重中之重。

（2）病蟲害防治技術(shù)。受果園作業(yè)環(huán)境的限制，大型施藥機械難以在國內(nèi)果園推廣應(yīng)用，一些小型或輕簡型的噴霧機仍將是主流選擇，而無人機航空施藥、無人駕駛施藥技術(shù)是未來研究方向的發(fā)展趨勢。采用先進的施藥技術(shù)，結(jié)合先進的檢測、圖像識別、自動化控制和噴霧技術(shù)，開展高效施藥裝備的研發(fā)，以提高農(nóng)藥利用率和施藥質(zhì)量、減少農(nóng)藥的使用量為目的，促進果園健康發(fā)展。

（3）冠層花果管理技術(shù)。我國果園處在傳統(tǒng)果園向標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；默F(xiàn)代果園過渡的階段，傳統(tǒng)的修剪及花果管控機械大部分是通過懸掛在拖拉機上，通過人工操作完成作業(yè)，適應(yīng)性較低。針對不同栽培種植模式和樹形修剪要求的果園，實現(xiàn)修剪機械的通用性、自適應(yīng)以及集多功能（剪枝、收集與粉碎）于一體的修剪機械的研發(fā)，以及從結(jié)構(gòu)和技術(shù)上對疏花疏果機械進行升級改造，通用性強的花果管控機械是未來的發(fā)展選擇。

（4）水果采收技術(shù)。果園采收是制約果園機械化發(fā)展的瓶頸問題，不同水果采收原理不同，現(xiàn)階段主要以人工為主，半自動化采收作業(yè)平臺及采收機械得到較大的發(fā)展及應(yīng)用；計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)及機器視覺等技術(shù)的發(fā)展，機器人采摘技術(shù)得到較大的研究進展，但大部分仍處在試驗階段，是我國果園未來發(fā)展的新方向；而開發(fā)適用我國國情的結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、操作簡單的小型采收機是當(dāng)下研究重點方向。

（5）信息化管控技術(shù)。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展及在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，通過對果園苗情、病蟲害、草情、果實成熟度、環(huán)境等數(shù)據(jù)收集及分類處理，構(gòu)建關(guān)于灌溉、病蟲害、施肥以及采收等模型，以實現(xiàn)對果園果樹生長環(huán)節(jié)進行分析和預(yù)測，對果園農(nóng)情進行精準(zhǔn)決策判斷，實行智能化管理操作，智慧果園的建設(shè)將會得到發(fā)展。

推進農(nóng)機農(nóng)藝深度融合將來依然會是果園機械化技術(shù)的重要研究方向，其核心內(nèi)容是構(gòu)建現(xiàn)代果園全程機械化生產(chǎn)技術(shù)模式。機械化技術(shù)發(fā)展上則是通過深入信息感知、定量決策、自主導(dǎo)航、智能控制、精準(zhǔn)作業(yè)等方面研究，集成互聯(lián)網(wǎng)信息交換和智能作業(yè)管控技術(shù)，未來在地面管理、樹體管理、花果管理等果園生產(chǎn)全過程作業(yè)機械上實現(xiàn)高度自動化、智能化。