葡萄冬季修剪枝條處理技術(shù)及設(shè)備研究現(xiàn)狀

馮曉靜，袁野，李建平，李新領(lǐng)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

葡萄園修剪包括冬季修剪和夏季修枝，是葡萄園中最重要的管理措施之一，主要作用是保持營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和果實(shí)生產(chǎn)之間的平衡[1]。秋冬季修剪產(chǎn)生的廢棄枝條產(chǎn)量可觀，是非常好的生物質(zhì)能源的重要資源，國(guó)內(nèi)外對(duì)葡萄園修剪枝條的收集利用進(jìn)行了大量的研究。Georgios[2]研究表明，希臘葡萄園平均每年修剪量達(dá)5 t·hm-2，高于溫帶森林的平均產(chǎn)量。Velazquez-Marti等[3]對(duì)地中海不同葡萄園的廢棄生物量進(jìn)行了量化，分析了葡萄品種、修剪目的、植株年齡、種植規(guī)模、作物產(chǎn)量和灌溉等因素對(duì)廢棄生物量的影響。結(jié)果表明，在鮮食葡萄園中，水平架式每株葡萄樹的廢棄最高，每株為3.5 kg，每公頃達(dá)4.2 t。不同釀酒葡萄架式的產(chǎn)枝量差別不大，每株樹的產(chǎn)枝量為0.8 kg，每公頃可產(chǎn)2.15 t。Pugli等[4]推測(cè)每公頃葡萄園每年修剪枝條的產(chǎn)量為1～5 t。Sun等[5]對(duì)國(guó)內(nèi)外釀酒葡萄的冬季修剪枝條量進(jìn)行了調(diào)查和估算，并對(duì)中國(guó)冬季修剪枝條的理化特性進(jìn)行了分析。中國(guó)葡萄冬季修剪枝條量平均為每株2.35 kg，2017年全球冬季修剪枝條量4231萬 t，中國(guó)達(dá)到604萬 t。隨著人們對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的研究開始關(guān)注葡萄園廢棄物的安全處置和開發(fā)利用問題。從資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展角度合理利用葡萄冬季修剪廢棄物具有重要的意義。

1 葡萄冬剪廢棄物利用途徑

目前，大多數(shù)葡萄園修剪后的枝條處理沒有有效的方式，一般采用粉碎覆蓋還田或焚燒處理，國(guó)內(nèi)以焚燒為主[6-7]。葡萄枝條粉碎還田，會(huì)造成病蟲害的傳播，可能帶來果園病蟲害反復(fù)交叉感染，把葡萄枝條殘留物留在地上可能會(huì)增加真菌疾病的風(fēng)險(xiǎn)[8]。由于枝條腐爛過程消耗氮導(dǎo)致碳氮比的降低，會(huì)造成作物生長(zhǎng)過程可吸收利用的氮減少[9]。收集和銷毀又消耗人力物力，而焚燒還可能帶來環(huán)境污染，造成重大的環(huán)境問題，意大利的一項(xiàng)研究表明，露天葡萄園燃燒修剪枝條可排放13.7萬 t的CO和13.7萬 t總懸浮顆粒[6]。而葡萄園修剪枝條等廢棄物的合理利用可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[10]。國(guó)外的利用主要有以下幾個(gè)方面[5]：（1）作為高性能燃料；（2）生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品，包括生物炭、農(nóng)用薄膜、吸附劑、纖維素納米晶體、生物表面活性劑、刨花板和高密度聚乙烯復(fù)合材料；（3）用于紙漿和造紙；（4）作為堆肥。Y?lmaz等[11]研究了葡萄園修剪枝條粉碎還田對(duì)于土壤團(tuán)聚體形成、團(tuán)聚體穩(wěn)定性及碳含量的影響，結(jié)果表明，葡萄園修剪枝條粉碎還田有利于土壤有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚體的提高。美國(guó)、澳大利亞、新西蘭等使用葡萄枝條堆肥覆蓋葡萄園可以有效提高果實(shí)產(chǎn)量，降低果實(shí)含酸量，并提高果實(shí)鉀元素的含量[12]。

葡萄枝條中含有葡萄生長(zhǎng)所需的大量元素和微量元素[13-14]。商佳胤等[15]進(jìn)行了以葡萄修剪廢棄物為原料進(jìn)行堆肥的研究，結(jié)果表明堆肥還田可以有效增加葡萄園土壤孔隙率與透氣性，最終達(dá)到果園廢物“零”排放和減少果園化肥施用量的目的。也有一些葡萄枝條處理后作為草莓及育苗用的培養(yǎng)基質(zhì)，以及青貯等循環(huán)再利用途徑[16-18]，也可以提取有用的活性物質(zhì)[19-20]，使葡萄修剪廢棄物得到有效利用。

2 葡萄園枝條處理機(jī)械設(shè)備

果園秋收后修剪的枝條形狀各異、粗細(xì)和長(zhǎng)度不均勻，收集難度大。由于樹枝蓬松，導(dǎo)致運(yùn)輸效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了較好的利用這些枝條，收集和處理機(jī)械設(shè)備尤為重要。除了枝條直接粉碎還田，整個(gè)處理過程包括：葡萄修剪、撿拾收集和枝條儲(chǔ)存、粉碎和篩選，最終獲得與利用途徑要求尺寸一致的葡萄枝條碎片。

2.1 枝條收集機(jī)

枝條收集是整個(gè)利用過程最重要的環(huán)節(jié)，人工收集工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，目前國(guó)內(nèi)還沒有葡萄枝條的收集機(jī)械。國(guó)外比較重視枝條收集的效果和經(jīng)濟(jì)效益，有多種收集方式和機(jī)械，一種是撿拾、粉碎、收集；另一種是直接撿拾打包。意大利農(nóng)業(yè)和林業(yè)工程部（DIAF）已經(jīng)評(píng)估了同時(shí)收獲、切碎和包裝修剪枝條的可能性，與Nobili公司合作開發(fā)了一種粉碎機(jī)，該機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置掛接在拖拉機(jī)后部，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力，其前部裝有拾取裝置，可以撿拾并輸送修剪殘留物。然后，殘留物在粉碎室中被旋轉(zhuǎn)錘粉碎成小薄片，由于旋轉(zhuǎn)錘的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過由矩形管段和卸料彎頭組成的輸送系統(tǒng)將碎片吹入由液壓升降機(jī)推動(dòng)的存儲(chǔ)箱或存儲(chǔ)袋內(nèi)。該粉碎機(jī)可以在多石和山地上收獲、切碎并收集包裝，最大限度地降低成本和對(duì)環(huán)境的影響[21]。

Magagnotti等[22]對(duì)攜帶三個(gè)容量收集箱的粉碎機(jī)進(jìn)行比較，用圓捆機(jī)做對(duì)照。這幾種機(jī)器都是由果園拖拉機(jī)三點(diǎn)掛接裝置連接，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。結(jié)果顯示，葡萄園平均收獲枝條量為2.3 t·hm-2，收獲成本為每噸15～60歐元，收獲損失率達(dá)總修剪量的3.4%～61.9%，機(jī)器間沒有明顯的差異。收獲成本受到拖拉機(jī)類型、收集箱容積、單位面積殘枝量及運(yùn)輸距離的影響，是影響殘枝回收利用經(jīng)濟(jì)性能的重要因素。

表1 粉碎收集機(jī)及圓捆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of crushing and collecting machine and round baler

由于果樹枝條特性不同于農(nóng)作物秸稈，國(guó)內(nèi)還沒有枝條撿拾打捆機(jī)。國(guó)外有多種機(jī)型，Spinelli[23]進(jìn)行了撿拾粉碎收集葡萄枝條和直接打捆對(duì)比，試驗(yàn)機(jī)型技術(shù)參數(shù)見表2。結(jié)果表明，不考慮轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸成本，收集加工成本在每噸19.7～32.3歐元。由于含水率、碎片顆粒度和密度等原因，直接撿拾粉碎收集的葡萄枝條顆粒不方便運(yùn)輸和存儲(chǔ)，而采用方捆機(jī)和圓捆機(jī)進(jìn)行撿拾打捆，打成一定外形尺寸和密度的大包，由于密度增加，更方便運(yùn)輸和存放，可根據(jù)用途不同在利用地點(diǎn)處理成不同的顆粒，這又增加了處理環(huán)節(jié)的成本?；厥掌咸褕@修剪枝條的經(jīng)濟(jì)可行性取決于收獲成本、加工成本和運(yùn)輸成本，以及最終的收益在葡萄園所有者、收獲承包商和生物質(zhì)用戶之間重新分配。

表2 試驗(yàn)機(jī)型技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of the machine systems on trial

2.2 枝條粉碎還田機(jī)

葡萄冬剪枝條粉碎還田有直接還田、養(yǎng)殖利用后還田及發(fā)酵制作有機(jī)肥還田3種方式。直接還田采用由拖拉機(jī)配套的秸稈粉碎機(jī)，在田間直接粉碎后均勻拋撒在行間，秸稈枝條粉碎后與土壤混合，加速腐爛速度，增加土壤有機(jī)質(zhì)，還有一定的保持水土和抑制雜草作用，但是要求枝條無病蟲害，否則會(huì)造成果園病蟲害反復(fù)交叉感染。因葡萄屬藤本植物，枝條木質(zhì)化程度遠(yuǎn)高于大田作物秸稈，尤其葡萄枝條失水后韌性極強(qiáng)，粉碎難度大，所用粉碎機(jī)不同于普通的大田秸稈粉碎機(jī)，注意刀具選擇、刀具速度和離地高度。國(guó)外采用粉碎機(jī)將枝條粉碎，由旋耕機(jī)和圓盤耙將碎屑與土壤混合。在葡萄行距3 m、株距2 m的條件下，綜合考慮能耗、適宜的枝條密度和工作條件，確定了枝條粉碎還田的平均幾何直徑為9.0～10.0 mm[24]，國(guó)內(nèi)一般采用秸稈粉碎還田機(jī)在葡萄園內(nèi)就地粉碎枝條，粉碎后枝條長(zhǎng)度小于10 cm，合格率大于92%。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)葡萄園行距，整機(jī)寬度在1850～2250 mm可選，但注意配套拖拉機(jī)的選擇，除了滿足動(dòng)力要求，拖拉機(jī)寬度和轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)適合行距的大小，粉碎機(jī)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 葡萄冬剪枝條粉碎還田機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of vineyard prune residues chopper

2.3 單一枝條粉碎機(jī)

冬剪枝條在地面分散雜亂，可以人工收集或者機(jī)械撿拾后在固定地點(diǎn)集中粉碎。枝條粉碎機(jī)裝置的工作原理主要有壓碎、擊碎、磨碎和剪碎4種方式，按照粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，可以分為盤式粉碎機(jī)、鼓式粉碎機(jī)和錘式粉碎機(jī)3種[25]。新修剪的葡萄枝條含水率高、較脆，以擊碎和剪碎為主。放置一段時(shí)間失水后，葡萄枝條韌性很強(qiáng)，粉碎困難，當(dāng)水分降低到一定程度，比較干燥的枝條由于水分含量低，脆性提高，比較容易粉碎。

3 結(jié)論與討論

葡萄剪下的枝條是一種重要的生物能源，應(yīng)該進(jìn)行妥善處理。隨著葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，葡萄園冬季修剪的枝條量逐年增加，而人們對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展角度研究葡萄園廢棄物的合理開發(fā)利用具有重要的意義。國(guó)外已經(jīng)從利用途徑、收集處理裝備和運(yùn)輸管理等方面進(jìn)行了較多研究，但中國(guó)的葡萄產(chǎn)業(yè)存在一些特殊性，為了更好地利用葡萄園修剪枝條，建議做好以下幾點(diǎn)：

（1）中國(guó)葡萄大多用作鮮食，以一家一戶的小規(guī)模種植為主，成片的種植園比例較低；而鮮食葡萄中有一定比例的設(shè)施栽培，其架式、修剪管理措施不同。尤其中國(guó)葡萄種植的行距一般較小，不利于機(jī)具在行間作業(yè)，給殘枝收集機(jī)械化作業(yè)帶來一定的困難。在葡萄園經(jīng)濟(jì)效益較低的情況下將收集成本附加到種植戶勢(shì)必難以推廣。

（2）應(yīng)進(jìn)一步研究葡萄園修剪枝條更有效的利用途徑。利用現(xiàn)代化技術(shù)手段和儀器設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量和估算葡萄園枝條的多少和分布，對(duì)利用方式、需求量以及運(yùn)輸半徑等進(jìn)行規(guī)劃，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的利用效果，提高其利用的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。通過評(píng)估在達(dá)到一定的利用效益時(shí)，枝條利用者可以承擔(dān)收集成本，甚至為種植戶帶來收益。

（3）葡萄枝條直接粉碎還田?？梢杂行岣咂咸褕@土壤的有機(jī)質(zhì)、微生物和土壤團(tuán)聚體含量，并可以節(jié)省撿拾、運(yùn)輸和處理加工等環(huán)節(jié)的作業(yè)成本，但可能帶來果園病蟲害反復(fù)交叉感染、導(dǎo)致碳氮比失調(diào)以及腐爛降解緩慢等問題，需進(jìn)一步對(duì)機(jī)械粉碎的顆粒度、抑制病蟲害發(fā)生的方式方法等進(jìn)行研究。

（4）國(guó)內(nèi)還欠缺葡萄園修剪枝條有效的還田收集和處理機(jī)械設(shè)備的研究。應(yīng)針對(duì)我國(guó)葡萄園的種植模式、規(guī)模和修剪量不同，研發(fā)適合的粉碎還田機(jī)械、枝條收集和處理機(jī)械，實(shí)現(xiàn)枝條利用過程機(jī)械化作業(yè)。