我国是世界水果生产大国，果树种植面积与产量已连续多年稳居全球首位。作为仅次于粮食、蔬菜的第三大农业种植产业，果业在吸纳农村劳动力就业、拓宽农民增收渠道、夯实乡村全面振兴产业基础等方面发挥着不可替代的战略性支撑作用[1-3]。然而，与发达国家相比，我国尚处于“果业大国”向“果业强国”转型的关键阶段，在生产效率、果品质量、产业效益等核心指标上仍存在一定差距。其中，机械化生产水平滞后问题尤为突出，在栽培种植、修剪、采摘等环节仍高度依赖人工，劳动强度大、作业效率低、成本投入高已成为制约产业升级的关键因素。因此，建立高效低损的果树生产全程机械化技术体系，突破关键环节“机器换人”技术瓶颈，已成为推动果业高质量发展、实现乡村产业振兴的迫切需求[4-7]。
为提升我国果树生产机械化水平，消除装备技术体系薄弱对果树产业发展的阻碍，综合分析了国内外果树生产机械化技术与装备发展现状，总结分析了制约我国果树生产全程机械化发展的问题，针对现有问题提出了我国果树生产机械化技术与装备的发展方向，以期为我国果树产业的机械化、现代化发展提供参考。
1 果树产业现状
1.1 世界果树种植分布与规模
根据联合国粮农组织（FAO）统计，2022年全球果园面积达6.75亿hm2，水果产量约9.33亿t，较2013年，种植面积和产量分别增长了6.49%和15.74%，全球果业呈现出连年高速发展的态势。全球果树种植主要集中在亚洲、美洲和非洲，水果产量前十的国家分别为中国、印度、巴西、土耳其、印度尼西亚、墨西哥、美国、意大利、尼日利亚、菲律宾。全球水果总产量中占比较高的果树种类有柑橘（6.49%）、苹果（8.90%）、葡萄（2.99%）、梨（2.67%）、香蕉（5.16%）。
1.2 中国果树种植分布与规模
据国家统计局统计数据[8]，2023年中国果树种植面积达1 273.8万hm2，水果总产量3.27亿t（占全球27.89%）。其中，柑橘、苹果、梨、葡萄、香蕉五大品种占主导地位，柑橘以299.5万hm2 种植面积、6433万t产量居全国首位，主产区为广西、湖南、江西等地，广西的柑橘产量占全省水果总产量的57.4%；苹果以195.5万hm2种植面积、4960万t产量位列全国第二，主产区集中于陕西、山东、甘肃的黄土高原及环渤海湾地区；梨、葡萄、香蕉产量分别为1985万t、1616万t、1170万t，主产区分布于河北、山东、新疆及两广地区。在区域分布上，山东、陕西、广西、云南、河南五大产区的产量占全国50%以上，形成“东部苹果-桃、中部柑橘-梨、西部苹果-猕猴桃-葡萄、南部热带水果”的格局。2015—2023年中国主要水果产量变化如图1所示。
图1 2015-2023年中国主要水果产量情况
Fig.1 Statistics on the production of major fruits in China from 2015 to 2023
1.3 果树生产全程机械化技术体系
果树生产全程机械化技术是指以果树为作业对象，重点突破标准化建园、栽培种植、田间管理、果品收获、果品加工等果树生产主要作业环节，推广选用合适的机械装备，建立适宜机械化生产作业模式的综合技术[9-10]。果树生产全程机械化作业模式的构建需要在实现各生产要素环节轴向串联覆盖的基础上，充分考虑不同产区的自然条件、经济水平、生产规模及机械化程度等因素，系统分析各关键环节的技术路线与工艺方法，建立具有区域适应性、工艺合理性和经济可行性的多元化、机械化生产体系[11-12]。基于此，结合我国果园主要种植区生产实践情况，在现有研究基础上，重点突破苗木繁育、标准化建园、生产管理、果实采收、果品加工等环节的机械化技术，经过系统集成与优化配置，提出一种适应我国果树生产的机械化作业模式。如图2所示，苗木繁育包括育苗、起苗、嫁接等作业环节，配套机具主要有育苗机械、起苗机、嫁接机等。标准化建园主要包括园区选址与规划、土地耕整与改良、架式搭建等环节，其配套机具主要有捡石机、犁、耙、旋耕机、挖掘机、激光平地机、施肥机、栽桩机等，该环节的机械化作业程度较高。生产管理是果树生产中最耗时耗工的环节，主要包括栽培定植、上架绑藤、机械除草与割草、中耕施肥、植保灌溉、枝条修剪、埋藤与清土、防灾减灾等环节，配备机型主要有苗木栽植机、嫁接机、绑藤器、除草机、割草机、开沟施肥机、水肥一体化设备、植保机、修剪机、埋藤机、清土机、防灾设备等，该环节的机械化作业程度发展不均衡。目前，苗木栽植、上架绑藤等环节仍主要依靠人力完成。果实采收是果树生产的关键环节，其作业效果直接影响果品质量和市场价值，目前，主要的机械化设备包括多功能采收平台、振动式收获机、智能采摘机器人、索轨运输机以及专用运输车等设备。果品加工主要包括清洗分选、去梗破碎、烘干（果干）、发酵（果酒、果汁、果醋）、包装等环节，主要机型有清洗机、光学分选机、振动筛分机、离心除梗机、破碎机、烘干机、发酵设备、包装机等，加工环节是果树生产机械化程度最高的作业环节。目前，已基本实现所有工序的机械化作业。
图2 果树生产全程机械化技术模式
Fig.2 Full-process mechanized technology model for fruit tree production
2 苗木繁育技术与装备
育苗机械是专门用于果树苗木培育的设备，主要包括小型播种机、筑床机、起苗机、断根机（实生苗）、移栽机（嫁接苗）、苗圃植保机及嫁接机、平茬机、除萌机、苗圃管理作业车等。苗圃播种机一般集开沟、播种、覆土等功能于一体，同时可调节播种株距与深度，实现单粒精密点播或多粒穴播；筑床机通过旋耕整地与苗床成型一体化作业，优化土壤透气性并调节地温，以促进种子发芽和幼苗生长；现代起苗机可完成挖苗、拔苗、抖土、计数、装箱或捆苗等全流程作业，适用于直径2～40 cm树木的取苗作业，设备采用汽油动力与便携式设计，能适应软土、硬土及含石块的复杂地形，通过保留苗木根系显著提高移植成活率。国内的起苗机主要有单铲式、振动式、双侧翻转式等多种机型[13]。霍鹏等[14]设计了摆动式果树起苗清土一体机（图3），可一次性实现起苗、运苗、清土等工序作业。
图3 果树起苗机
Fig.3 Tree balling machine
1.减速机；2.主传动链；3.支传动链；4.起苗装置；5.机架；6.清土装置；7.起苗铲。
1.Reducer;2.Main drive chain;3.Supporting drive chain;4.Seedling lifting device;5.Rack;6.Soil cleaning device;7.Seedling lifting shovel.
嫁接技术通过将优良品种的接穗与适应性强、抗逆性好的砧木结合，实现品种改良、提早结果、增强抗病性等目标，已广泛应用于苹果、柑橘、葡萄及樱桃等果树育苗，配备机械主要有半自动化嫁接机（图4）和全自动化嫁接机器人。全自动化嫁接机器人基于机器视觉和AI算法，实现智能上苗与多工位同步嫁接，一次性完成切割、贴接、包扎等工序，目前相关技术还不成熟，处于实验室阶段。张玉晶[15]设计了一种果树嫁接装置，其主要由送苗部件、进夹机构、对接贴合检测系统等组成，可自动完成果树苗木的嫁接作业。晏芳等[16]基于果树苗木力学特性，构建了果树嫁接机切刀有限元模型，通过应力云图和寿命曲线分析，优化了切刀结构参数。
图4 果树嫁接机械
Fig.4 Fruit tree grafting machine
3 标准化建园技术与装备
标准化建园通过优化株行距和园区布局，显著提高土地利用率与通风透光性，从而降低病虫害发生率，保障果实品质和产量的稳定性。标准化的基础设施（如统一架式、作业通道）为大型农业机械作业创造条件，是实现果树生产全程机械化的必要基础。该环节配套机具主要有捡石机、旋耕机、激光平地机、施肥机、栽桩机等。
3.1 园区选址与规划设备
果园选址需综合考量气候、土壤及地理条件，优先选择光照充足、降水适中、土层深厚且排水良好的坡地，避开污染源并确保交通便利。选址阶段可采用无人机（如大疆M4M）搭载多光谱传感器进行地块扫描，结合土壤检测仪分析土层导电率，筛选pH=5.5～7.0、排水良好的缓坡地（坡度＜15°）；规划环节通过RTK（real-time kinematic positioning）测绘系统生成数字高程模型，利用3D软件建模模拟光照和排水路径，自动生成初步规划方案（道路网格、种植区块等），为规划师设计与决策提供思路和依据。
3.2 捡石机械
园区选址后，一般要对所选地块进行捡石作业，清除土壤中较大的石块和垃圾，改善土壤结构，为后续耕整地作业提供便利。捡石机一般前端装有捡拾铲和4～6根链条传动的拨石齿杆，工作时将耕层（深度＜30 cm）土壤中的石块拨入后部集石箱，作业速度通常为1.5～5.0 km·h-1，含石量高的地块可降至0.8 km·h-1以保证清理效果，集石箱满载后需及时清运。
国外捡石机研究起步较早且已形成系列化技术体系，现阶段研发重点聚焦于智能化、高效化与多功能化技术融合。以德国、荷兰为代表的欧洲国家通过多传感器融合与闭环控制系统，开发出具备地形自适应能力的智能机型，如格立莫CS系列通过集成实时筛分模块，使作业精度提升30%以上。美国则侧重发展大型化作业装备，纽荷兰康斯开尔SB5200型（图5）采用模块化折叠设计，实现5.2 m超宽作业幅面与便捷运输的平衡，单台设备日均处理量可达10 hm2。国内研究始于20世纪80年代，近年来呈现跨越式发展态势。用于葡萄园捡石作业的机型较多，但主流产品仍集中于中小型机械领域，如山东新圣泰公司生产的XJS-130型捡石机（图6）。马俊等[17]基于疣猪生物仿生学原理设计的1JS-200型起石铲，张佳等[18]设计了一种基于阿基米德曲线的螺旋拨齿式捡石机，卜明杰等[19]设计了新型链式捡拾机械等。目前，国内在自动化捡石机械的研发与应用层面仍存在显著短板，尚未形成成熟的智能化技术解决方案[20]。
图5 SB5200型捡石机
Fig.5 Model SB5200 stone remover
图6 XJS-130型捡石机
Fig.6 Model XJS-130 stone remover
3.3 耕整地机械
建园时，需利用耕整地设备对园区土地进行整理，所用耕整地机械与大田的基本相同，其关键技术一般包括耕地、耙磨和镇压[12]，可选用的机具包括铧式犁、圆盘耙、旋耕机等。可先用铧式犁进行翻耕，然后用圆盘耙进行耙地，以细碎土块、平整土地；也可直接利用旋耕机一次性完成耕整地环节。旋耕作业后地表平整、土壤细碎，在我国广泛应用。耕后对土壤可适当进行镇压，以进一步细碎土质、压实土层，达到蓄水保墒的作用。发达国家果园耕整地环节大多采用复式大型作业机具，一次性可完成耕整地、深松等联合作业，其效率高且有效减轻对土壤的破坏和压实。目前，主要的生产厂家有约翰迪尔、凯斯—纽荷兰、雷肯等公司。
3.4 激光平地机
为了便于后续管理及机械化作业，果园建园要求地势平缓，耕整地作业后可利用平地机、铲运机等进行平地作业。随着技术的发展，近年来国内外开始研发激光平地机（图7），进一步提高了平整的精确度。国外主要发展大型自动化激光平地机，设备价格较高，生产厂家有美国卡特彼勒公司、约翰迪尔公司等；国内则以经济实惠的中小型平地机为主，生产厂家有山东雷创重工、济宁丰雷益机械等。同时，国内学者也研发了系列激光平地机，如胡炼等[21]设计了一种悬挂式多轮支撑旱地激光平地机，姚东伟等[22]设计了JPD-360型旱地激光平地机以及李腾等[23]设计了12PJY-3A型液控智能激光平地机等。
图7 激光平地机
Fig.7 Laser land leveler
3.5 果园架式搭建装备
土壤耕整与改良作业完成后，部分果树种类（如葡萄、猕猴桃、百香果等）需要进行架式搭建。搭建时需先立支柱（水泥柱、木柱或钢柱），然后安装横梁与铁丝（构成支撑果树藤蔓的架面）。目前，国内外果园架势搭建多采用通用机械作业，主要有挖穴机、架杆机、打桩机、拉丝机等，各类机械相关技术均已成熟。国内外生产厂家和机型较多，其技术特点如表1所示。同时，相关学者也对部分装备进行改进设计，例如马丽娜等[24-25]分别设计了基于三星齿轮换向原理的自动升降挖坑装置和开合螺母式自动进给挖坑装置，均实现了自动化挖坑与快速回程；苏宁等[26]设计了3WG-400型机载挖坑机，其与林业机械配套使用，平均挖坑效率可达110个·h-1。
表1 果园架式搭建装备类型及特点
Table 1 Types and characteristics of equipment for vineyard trellis construction
4 生产管理技术与装备
生产管理是果树生产中最耗时耗工的环节，主要包括定植、机械除草、中耕追肥、植保灌溉、枝条修剪等作业环节，机械主要有苗木栽植机、绑藤机、除草机、施肥机、修剪机等。
4.1 苗木栽植机
现有的定植方法一般按果树的行距及行向进行机械化挖穴，穴直径30～40 cm、深20～40 m（视苗木大小而定），随后采用自动化或半自动化定植机定植苗木，并填土、压实。目前，国内关于果树栽植机械的研究还处于起步阶段，可用机型较少，多数地区仍以人工栽植为主。中国农业大学刘飞等[27]设计了一种株距可调式葡萄苗木栽植机（图8），其主要由移栽机构、苗箱、控制系统、开沟器、镇压轮、覆土轮等结构组成，可根据前进速度和设置的株距值，实时调节电机转速，从而完成在不同株距下的夹苗和投苗作业。同时，配备开沟器、镇压轮和覆土轮，可一次性完成葡萄苗木栽植的开沟、定植、覆土、镇压等整套工序流程。
图8 葡萄苗木移栽机
Fig.8 Seedling transplanter with adjustable in-row spacing
林悦香等[28]设计了两点夹持式苹果树幼苗栽植机（图9），在连续开沟定距栽植机的基础上进行了全面改进，其采用上下两点夹持提高了苗木直立度，以2条同步带改进原有夹持输送形式，有效降低了滑移率与株距变异系数，同时加装了限深轮以增强栽植深度稳定性，且开沟深宽、栽植株距均可调节。高光明等[29]设计了2PZ-4000型苹果多功能栽植机，其以拖拉机为动力，采用悬挂式挂接方式，可实现苹果果苗的垄上定株距栽植，并兼具同步施水(水肥)和镇压功能。
图9 苹果树幼苗栽植机
Fig.9 Apple tree seedling planting machine
1.围栏；2.悬挂吊耳；3.机架；4.传动箱；5.开沟器；6.挡土板；7.覆土板；8.限深轮；9.镇压轮；10.株距定位杆；11.两点夹持输送装置；12.栅杆辅助定位装置。
1.Fence;2.Lifting lugs;3.Frame;4.Gearbox;5.Opener;6.Retaining plate;7.Soil covering board;8.Limiting depth wheel;9.Press wheel;10.Plant spacing positioning rod;11.Two-point clamping and conveying device;12.Grid bar assistant device.
4.2 绑藤机械
上架绑藤是藤蔓类果树（葡萄、猕猴桃、百香果等）生产的重要环节，主要用于固定藤蔓、规范枝条生长方向、改善通风透光条件，同时便于后续田间管理作业。目前，国内外主要依靠机械式绑藤器（图10-A）和电动式绑藤器（图10-B）作业。电动式绑藤器通过自动送带、缠绕和切断等功能实现单人操作，大幅提高了绑藤作业效率，应用最为广泛。自动化绑藤设备集成了机器视觉与自动化控制技术，研发难度较大，目前仍处于实验室阶段。山东农业大学王庆等[30]研制了一种手持式葡萄自动绑枝机，其集成了绕绳装置、拧绳装置和PLC控制系统，结果表明其田间作业效率是人工的4～6倍，故障率仅为1.4%。
图10 绑藤器
Fig.10 Vine tying tool
4.3 除草和割草机械
目前，国内外果园除草作业大多采用具备避障功能的除草机，其核心在于能够准确快速识别果树树干等障碍物，实现株间、行间的精准除草，按其技术形式主要分为机械式和智能式。机械式避障除草机利用弹性齿杆、回转式避障臂等机械结构，在触碰树干后自动绕行，其结构简单、成本较低；智能式除草机器人则基于传感器技术识别果树，控制除草机构自动升降或偏转，作业更精准[7]。
奚小波等[31]设计了一种果园中耕避障除草机，通过触式弹簧避障杆联动液压缸驱动四连杆机构，实现株间除草机构的避障；王永烁等[32]设计了果树株间自动除草机，利用弧形触杆和液压系统的协同作用构建避障控制系统，根据触杆的不同位置状态，动态控制除草刀以避开果树；徐丽明等[33]设计了葡萄双边自动避障除草机（图11），集成信号采集、程序控制、液压执行和监测反馈模块，采用闭环控制策略，通过液压—电控协同实现动态避障；赵诗建等[34]设计了猕猴桃株间避障除草机，通过可旋转刀盘及拉力弹簧实现避障除草作业；何义川等[35]设计了一种与小四轮拖拉机配套使用的葡萄园避障除草机，其耕铲刀用于行间松土兼除草，双侧避障铲刀实现株间精准除草与浅耕，螺旋镇压辊完成土块破碎与杂草掩埋。
图11 葡萄株间避障除草机
Fig.11 Schematic diagram of the structure of the grapevine obstacle avoidance profile weeder
近年来，果园生草技术在我国果园种植中广泛推广（苹果、梨等），其关键在于有效控制果园内杂草高度，实现固水增肥、改良土壤质地、提高有机质含量、改善果园生态环境。因此，及时进行割草作业至关重要。果园割草机可替代人工对杂草进行有效刈割（留茬再生、割下的杂草粉碎还田），是现代果园重要的管理机械。目前，国内外割草机相关技术比较成熟，可选用机型较多[36]。杨福增等[37]设计了图传遥控式割草机，其割茬高度可调节且具备株间避障功能，适用于郁闭果园中的狭窄空间；沈帅等[38]设计了一种果园行株间避障割草机，可同时完成果园行间和株间割草与集条作业，配备的清扫装置将割后杂草清扫至果树根部，促进果树营养吸收；杨毅等[39]设计了主干形果园株间避障割草机；潘兵兵等[40]针对南方丘陵果园地形，设计了平地与侧坡一体化割草机。
4.4 施肥机械
施肥是保障果树健康生长、提高果实产量与品质的关键环节。在果树生长过程中，需多次追肥，主要包括施基肥、催芽肥、膨果肥、转色肥等。施肥所用设备主要有开沟施肥一体机、叶面喷施装备和水肥一体化系统等。开沟施肥一体机可一次性完成开沟、施肥、覆土，作业效率较高，适用于施基肥；叶面喷施装备可采用电动喷雾机和无人机作业；一些条件较好的果园同时配置了水肥一体化设备，由智能水肥一体机、水泵、文丘里施肥器、滴灌管网、砂石过滤装置等构成，其具有节水节肥、省工高效的特点，适合规模化葡萄园，可实现水肥精准调控，其工作原理如图12所示。
图12 水肥一体化系统
Fig.12 Integrated irrigation and fertilization system
国外对果园施肥技术与装备的研究较早，技术已相对成熟，如欧美等国家已研发了液态施肥机、圆盘撒肥机和肥料深施机等多种机型，并且向智能化、现代化方向发展，利用多传感器融合技术进行实时监测、精准施肥[41]。我国果园施肥机技术也取得了长足进步，目前主要机型包括挖坑施肥机、圆盘开沟施肥机、链式开沟施肥机、立式螺旋开沟施肥机等，其结构特点如表2所示。针对果园通用开沟施肥作业，陈平录等[42]设计了一种适宜丘陵果园25°坡度地形，集开沟、施肥、覆土三大功能为一体的小型立式螺旋开沟施肥机；杨欣伦等[43]设计了一种配备旋转式开沟器的果园开沟施肥机；张宏建等[44]设计了一种开沟深度可自动调节的果园双行开沟施肥机，搭建基于STM32F103的控制系统实现开沟深度的自动调节，可一次完成果园开沟、有机肥与化肥混施、覆土一体化作业。
表2 典型果园开沟施肥机类型及特点
Table 2 Types and characteristics of typical orchard trenching fertilizers
不同果树的栽培模式、生理特性及土壤作业环境均不相同，应根据果树种类设计专用施肥机械。朱新华等[45]针对猕猴桃根系生长特点，设计了猕猴桃果园专用有机肥免开沟施肥机，通过混肥装置旋转切土，实现肥-土混合以及混合层的土壤覆盖；张建路等[46]结合现代苹果园栽培模式和施肥农艺要求，设计了一种牵引式开沟施肥机械；谭好超等[47]设计了葡萄园有机肥链式反转开沟施肥机；王兰英等[48]设计了葡萄有机肥施肥机；夏瑞花等[49]设计了2FPG-40型葡萄开沟施肥机；赵润良等[50]设计了适用于行距3 m以上葡萄种植的施肥机。上述果园专用施肥机械针对不同果树种植农艺及土壤环境进行设计，其作业效果优于其他果园通用施肥机。
在科学施肥方法研究方面，中国农业科学院果树研究所王海波等[51]基于果树的年需求规律，提出了“5416”测土配方施肥技术。应用此技术，经过3年以上试验分析，初步明确果树植株与土壤营养诊断的关键参数（最佳取样时期、部位及位置），进而构建了植株—土壤协同营养诊断标准体系，实现了果树关键生育期肥料种类、用量及施用位置的精准决策。
4.5 植保机械
病虫害防治是果树生产的关键环节，需根据品种、栽培模式与气候条件的差异，每年喷药4～15次，劳动力投入显著增加。随着技术的不断发展，果园植保机械经历了从手动到机动、从地面到航空的发展。目前，地面植保技术分为风送施药技术和精准施药技术[52]，精准施药主要包括静电、对靶、仿形、变量等关键技术，果园主要植保方法及技术特点如表3所示。
表3 果园主要植保方法
Table 3 Main plant protection methods for orchards
欧美、日本、意大利等发达国家多采用农机与农艺相融合的果园种植模式，更容易实现机械化作业。目前植保机械种类多样，产品应用成熟，生产企业较多，如荷兰的MUNCKHOF公司、美国的ESS公司、意大利的CAFFINI公司、英国的LURMARK公司、丹麦的HARDI公司等。欧美国家果园种植行距较大，以发展大型牵引式植保机械为主，如荷兰生产的3行植保机（图13）；意大利、日本等国家则以自走式中小型装备为主。
图13 荷兰VariMAS Vino 3行植保机
Fig.13 VariMAS Vino 3-row plant protection machine
国内果园植保机械主要由风送式喷药机、精准施药机械、植保无人机组成，构成了空地一体化的植保作业模式，以中小型机械为主[53]。刘艳芬等[54]设计了一种智能果园植保机，其行走、升降及喷药装置均由电控液压驱动，实现各系统的有机结合，大幅提升果园植保机控制精度，能够实现喷药量与高度实时调控。董祥等[55]设计了3WPZ-4型风送式葡萄喷雾机，集成超声波靶标探测、多柔性风送与气流辅助精量喷雾技术；牛萌萌等[56]开发了高地隙隧道式循环喷雾机，提高了药液利用率。植保机械装备类型显著影响施药效果，杜慎忠等[57]研究表明减小喷雾距离、在收集装置内加装100～200目雾滴沉降网可提高药液回收率，但雾滴沉降网目数过大反而降低回收率；袁野等[58]研究指出采用螺旋风喷雾时，内挡板30°安装角可形成良好气流特征，其对雾滴均匀性的影响程度为有无螺旋风＞喷雾孔径＞喷雾压力。在航空植保方面，李嘉泓等[59]研究表明无人机以5 m·s-1、710 mL喷量飞行时，对霜霉病防效最佳；于金友等[60]研究发现，与垂直篱架式作物行向相比，当无人机的飞行方向与篱架平行时可兼顾作业效率和农药利用率。
近年来，精准变量喷雾系统成为研究重点。该系统通过传感器或双目相机实时探测冠层体积、密度与形态特征，由控制器依据数据动态调节喷头压力与流量，实现按需喷雾，其工作原理如图14所示。闫成功等[61]设计了基于双目视觉的葡萄园自动变量喷雾控制系统，选用双目相机实时探测葡萄叶幕深度并结合喷雾机前进速度计算冠层体积，通过脉宽调制以控制各电磁阀占空比，实现药液的变量喷洒。
图14 精准变量喷雾系统
Fig.14 Precise variable rate spray system
4.6 果树修剪机
及时采取修剪等措施调整果树枝叶结构，实现果树营养生长与生殖生长的均衡，对提升果实品质具有重要意义。果树机械化修剪技术主要分为单枝选择修剪和整株修剪[62-63]，单枝选择修剪根据果树品种及生长特点，有选择性地进行修剪，作业难度较大，目前主要以人工辅助作业为主；整株修剪技术即利用拖拉机悬挂修枝装置，按照一定的几何形状进行修剪，其作业效率更高。目前，果树枝条修剪机械主要有手动修枝剪、半自动修枝剪（电动、气动等）、修枝装置、智能化修剪机械等。
4.6.1 果树单枝修剪机械 国外的果树单枝修剪机械型号较多，且通用性较好。如日本ARS公司的VS-8R手动修枝剪，通过手柄转动转移剪枝力，操作省力；意大利CAMPAGNOLA公司的Star35气动修枝剪，剪切力可达2.12 kN，每秒可剪切3次，适合剪枝难度较高场合。国内电动剪枝机生产厂家较多，主要通过电机驱动传动机构实现剪切功能，其核心结构包括动刀片和定刀片，工作时动刀片与固定刀片形成剪切咬合，通过快速往复运动切断枝条，如山东翔工生产的系列电动修枝剪，由450 W无刷电机驱动，可剪切30 mm以内的枝条，操作方便省力。为提高修剪刀片的耐用性，孙健峰等[64]通过高温摩擦试验证实修剪刀片摩擦系数随载荷增加而提高，磨损机制由单一磨粒磨损向磨粒/黏着/氧化复合转变；王佳等[65]基于茎秆力学特性与仿真优化，确定切割倾角9°、转速700 r·min-1、行进速度1.5 m·s-1为最优参数，田间试验验证显示漏剪率5.4%、撕裂率4.6%。
4.6.2 果树整株修剪机械 果树整株修剪机械的作业效率较高，按其修剪形式分为回转式（圆盘刀、直板刀、飞镖刀）和往复切割式（锯齿形刀），由拖拉机牵引，通过液压系统驱动刀具定轴回转或往复直线运动，实现剪枝作业。国外的机型较多，且技术较成熟，如德国爱德华公司生产的果树剪枝机，采用拖拉机前置悬挂，同一机架上可安装不同刀具以满足不同作业要求。国内整株修剪机械以葡萄修剪机为主，其典型成果及技术特点如表4所示。
表4 葡萄整株修剪机典型成果与技术特点
Table 4 Typical achievements and technical features of whole-plant grape pruning machines
表4 （续）Table 4 (Continued)
4.7 埋藤与清土机械
埋藤与清土作业主要应用于葡萄种植。意大利、法国、美国等国家气候温和，无需此类作业；我国露天葡萄种植主要集中于西北地区，冬季寒冷风大，采摘后若不及时保温，葡萄藤易风干冻伤，直接影响果实产量。因此，需及时将葡萄藤下架埋土，确保安全越冬，第二年春季则需清土上架，以保障萌芽。这两项作业技术难度高、劳动强度大。近年来，国内科研院所与农机企业针对我国葡萄种植农艺要求，研发了多款埋藤清土机械，初步解决了冬季作业难题。
4.7.1 埋藤机 由于各地区葡萄种植模式与生长环境不同，葡萄埋藤作业农艺要求也不同。目前，我国应用较多的埋藤机械主要有直抛式、旋耕式和联合作业3种类型[77-78]。直抛式埋藤机通过行间取土侧抛至葡萄藤的设计，结合逆旋抛土机构，显著提高作业效率；旋耕式埋藤机采用旋耕部件破土、碎土，通过输送带将土壤横向输送到葡萄藤上；联合作业机具可一次性完成松土、除草、埋藤等，机具利用率更高，3种埋藤机的特点如表5所示。
表5 埋藤机类型及特点
Table 5 Types and features of vine burying machines
针对直抛式埋藤机，李芳环等[79]设计了1PM-100型葡萄埋藤机，其挖土深度及覆土量可根据用户需求调节。郭辉等[80]研制了一种悬挂式葡萄埋藤机，通过刀辊取土装置和叶轮抛土装置，使土壤准确覆盖到预期位置，完成埋藤作业。在旋耕式埋藤机研究方面，朱新月等[81]设计了一种适合新疆酿酒葡萄种植模式的覆膜埋藤机，作业时压藤轮先将葡萄藤压倒离地200 mm定位，然后铺双层膜后压膜轮固定，双侧覆土装置分别覆土至膜边，经输送、搅龙落土后压膜轮压实，完成铺膜覆土作业。贾生等[82]设计了10PKF-60B型开沟式葡萄埋藤机，可适应棚架式和立架式2种葡萄种植模式，与拖拉机配套使用，可一次性高效完成埋藤作业。柴华等[83]基于“旋耕松土+螺旋输送+抛撒掩埋”的技术方案，设计了一种葡萄埋藤机。
4.7.2 清土机 目前，我国葡萄清土作业机械按工作原理可分为刮板式、旋抛式、螺旋绞龙式、回收防寒布式等[78]。刮板式清土机通过铲土刮板将土垄侧边及顶部土壤刮至行间，结构简单、操作便捷，但刚性部件易损伤葡萄藤，需配合避障调节装置使用，且难以清除藤间土壤，清土率较低，需人工辅助作业。旋抛式清土机主要由旋转抛土部件和控制部件组成，旋转抛土部件快速清运土壤，控制部件具备避障功能，可有效减少对葡萄藤的损害。螺旋绞龙式清土机采用绞龙横向送土，送土量较大，但不易控制入土深度，对埋土作业的操作要求较高。回收防寒布式清土机主要应用于冬季铺设防寒布的农艺种植模式，其一般配置卷布部件和清土部件，各类型清土机技术特点如表6所示。国内学者也创新研制了多种新型清土机及清土机构，如杨启志等[84]设计的双刮板式清土起藤机，其采用双层刮板结构有效提高了清土率，降低壅土量；李金明等[85]开发柔性刷辊式清土机，通过刷辊旋转与横向伸缩机构协同作业清除彩条布覆土；马帅等[86]设计了双翼刮土板+刚性叶轮+柔性刷丝的复合机构，配备STM32F103控制系统实现自动避障与调平；牛丛等[87]则提出了清土刷与高压气流联合作业模式，进一步降低了伤藤率。针对清土后防寒布回收问题，牛丛等[88]设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机，该机清土距离271 mm，作业效率为人工的10倍以上；同时，为防止清土作业过程中损伤葡萄藤，马帅等[89]设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机，该机主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等组成。在机具前进作业过程中，通过触杆感知自动避开水泥柱，并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。
表6 清土机类型及特点
Table 6 Types and features of soil cleaners
4.8 果园防灾设备
防灾设备主要通过物理阻断、智能调控及预警等手段，有效预防自然灾害发生或降低其对果树生长及果实发育的损害程度，已成为现代化果园建设中不可或缺的关键防护设备。防灾设备主要包括物理隔离防护设备、环境调控设备和抗旱保墒与灾害救助设备等。物理隔离防护设备包括防雹网、防鸟网和防风网，以及驱鸟器、反光镜、彩色气球等辅助装置；环境调控设备以防霜机和弥雾系统为代表，还包括大功率吹风机（搅动空气减霜）、燃油加热器、发烟堆等设备；抗旱保墒与灾害救助设备主要包括滴灌系统、移动式排灌设备以及移动式灾后清园设备等。随着信息技术的发展，国内外果园防灾设备也朝着智能化、精准化、模块化方向发展。
5 机械化收获及储运技术与装备
5.1 机械化收获装备
根据果树种植农艺要求，果树收获机械主要由多工位采收作业平台、振动式收获机、采摘机器人等组成。果园多工位采收作业平台应用较为广泛，通过搭载多个工位，让多名采收员同时在机器不同高度和位置上协同作业，且一般配置果实运输系统，可将采收后的果实传送至收集箱，极大提高了采收效率。平台常配备智能调平系统，能适应丘陵、山地等不平整地形，保障作业安全稳定，是推动果园采收机械化升级的关键。崔恩等[90]设计了一种果园轮式采摘作业平台，采用剪叉式升降结构，且两侧平台可左右侧展至0.5 m；李强等[91]设计了履带自走式果园采摘作业平台，其上下两层结构，采摘高度和工位均可调整；张琴等[92]设计了一款高度和行距可调节的果园采摘升降平台，其采用履带式底盘，适用于不同地形果园采摘作业。
振动式收获技术是目前技术最成熟、效果最明显的机械化收获方式，该技术可提高收获效率，削减收获作业成本，对实现水果的适时收获有着极为关键的现实意义，尤其适用于枣类、酿酒葡萄以及非鲜食（加工用途）水果的采收工作。振动式果实收获机械按照振动作业位置，可分为主干振动式、枝叶振动式和混合振动式[93]。主干振动式采收通过夹持装置向葡萄主干施加振动，经枝条传递至果串，当果粒惯性力超越果蒂连接力时实现脱粒，适用于主干粗壮且果实较坚硬的果树；枝叶振动式则通过振动杆以特定参数击打枝条，将振动传递至果串，当果粒惯性力超越果蒂连接力时实现脱粒，可精准针对果实所在部位进行振动，减少对果树整体的冲击，适用于葡萄、樱桃、蓝莓等。Jarmain等[94]、Roger等[95]设计了单点支撑的振动采收装置；Posselius等[96]设计了基于双点支撑的振动采收装置，均利用两排挠性长棒（肋条）敲击、振动葡萄藤使果实脱落，实现酿酒葡萄的果蒂分离。
焦灏博等[97]设计了半径可调式林果振动采收激振器，配备了幅频独立调节功能，可有效提高果实采净率，降低果树损伤率。杨会民等[98]基于ANSYS软件对杏树进行有限元建模，研究了不同振动频率对杏树的响应影响。袁盼盼等[99]根据酿酒葡萄种植农艺要求，设计了一种曲轴式振动脱粒收获装置，可根据酿酒葡萄叶幕宽度调整收获间距。蒙贺伟等[100]设计了一种由牵引架、工作部件和驱动部件等组成的酿酒葡萄振动采收装置，杨兰涛等[101]研制了4PZ-1型全液压驱动自走式酿酒葡萄收获机，集成振摇分离、收集输送及液压底盘三大模块，单次作业可同步完成分离、输送、除杂与收集。
果实采摘机器人通常由移动机构、机械手、视觉系统、控制系统、末端执行器等组成。目前，国内外采摘机器人的研究主要集中于果树果梗识别、路径规划、采摘机构设计等方面[102-104]。近年来，针对果园采摘机器人开展了较多研究，但多数成果仍处于实验室开发和测试阶段，实际果园作业环境复杂，光照变化、嘈杂背景、凹凸不平地形条件等对果实识别与精准采摘影响较大。目前，现有技术与实际推广应用仍有较大差距[105]。中国果园智能采摘机器人的部分研究成果见表7。
表7 果园采摘机器人关键技术研究成果
Table 7 Research results on key technologies of orchard harvesting robots
5.2 果园运输装备
果园运输装备主要由运输车及索轨运输系统组成。运输车用于平原地区果园运输作业，按其行走形式分为轮式和履带式。索轨运输系统则针对丘陵山区果园，其通过轨道与牵引装置的组合，实现果品、农资的高效运输，运输效率为人工的20倍以上，是解决复杂地形果园运输问题的有效途径[114]。韩振浩等[115]设计了基于重心自适应调控的山地果园运输车（图15），其主要由履带底盘、可移动载物台以及控制系统组成。在不同地形条件下，山地果园运输车根据遥控器发送的地形模式指令，可移动载物台动态调整水平相对位置，进而改变整机重心位置以适应不同地形，提升坡地行驶性能。
图15 山地果园运输车
Fig.15 Mountainous orchard transport vehicle
李波等[116]设计了7ZDGS-300型山地果园自走式电动单轨运输机（图16），其具有无级调速、远程遥控、自动控制等功能。经试验测定，该运输机的最大爬坡角度为36.5°，最大运载质量为300 kg，平地最大行驶速度为0.94 m/s，远程稳定遥控距离为900 m，满足山地果园运输作业要求。
图16 山地电动单轨运输机
Fig.16 Mountainous electric monorail transport system
6 果品加工关键技术与装备
果品加工主要包括果实采后清洗分选、去梗破碎、烘干（果干制品）、发酵（果酒及果汁制品）、包装等工艺流程。根据制品不同，其主要加工工艺如表8所示。近年来，我国果品加工装备发展迅速，目前已基本实现果品加工的机械化作业[117]。21世纪后，一些新技术、新工艺也应用到果品加工机械中，果品加工的绿色化、智能化、模块化已成为发展主流[118]。
表8 果品加工工艺
Table 8 Fruit processing technology
6.1 清洗分选机械
清洗与分选是果品加工的初制环节，其目的是对果实进行清洗、杀菌、分级。目前，果蔬通用清洗分选机械已普遍应用，清洗环节可采用气泡清洗机（图17），其利用气泡清洗与高压喷淋技术，可有效去除90%以上的残留农药，高压喷淋线水流可实现快速去污。分选环节则依托智能光学分选机，以500 fps速度扫描果实，精准识别糖度、霉变等信息，通过深度学习算法，达到高效、高精度分选作业，国内外相关技术均已成熟。法国生产了CAZAUX葡萄分选机器人（图18），配备了图像识别系统，每分钟最多可拦截400个元素（茎、粉红色浆果、树枝等），每小时可以分拣8 t葡萄。国内代表性生产企业有曲阜宏德机械、诸城恒滨机械等，部分科研机构（如新疆农业科学院）开发了基于多模态传感器融合技术的智能清选机。
图17 气泡清洗机
Fig.17 Bubble washing machine
图18 CAZAUX葡萄分选机器人
Fig.18 CAZAUX grape sorting robot
6.2 除梗破碎机械
除梗破碎机是果品加工的关键设备，其核心在于实现果梗分离与果肉破碎的精准控制。目前，主流机型分为振动式和离心式（图19）。振动式通过梳状轮与振动杆协同作业，将汁液带出率控制在12%以内；离心式则利用离心力分离果梗，减少机械损伤，破碎环节则直接采用搅拌机破碎。国外的柔性除梗技术比较成熟，相关的自动化设备较多，如德国生产的ROTOVIB除梗机（图20），采用双层粒选机构，去除95%的果梗、树叶、青果；意大利PULEO生产的果肉粉碎机（图21），可用于葡萄酒的液体压榨。国内则以中小型设备为主，代表性生产厂家有江苏汉隆机械制造有限公司、新乡领先轻工机械有限公司等。
图19 除梗破碎机
Fig.19 Destemmer crusher
图20 ROTOVIB葡萄除梗机
Fig.20 ROTOVIB grape destemmer
图21 PULEO果肉粉碎机
Fig.21 PULEO pulp crusher
6.3 发酵与压榨设备
发酵与压榨设备主要用于果酒和果汁生产。发酵设备通常集成控温、监测与自动化控制技术，主流设备为夹套式不锈钢发酵罐，通过乙二醇或水循环实现20～25 ℃精准控温，部分高端机型配备旋转发酵功能，提升果皮与汁液接触效率。欧洲国家设计了更先进的生物反应器，通过近红外光谱实时监测总酚、糖度等代谢物含量，结合机器学习算法优化发酵参数，如斯普瑞系统可预测酒精度误差＜0.3%。
压榨设备包括气囊压榨机、螺旋压榨机等。气囊压榨机采用食品级橡胶气囊膨胀施压，通过传感器技术实时监测汁液浊度，自动分段收集自流汁与压榨汁，大幅提高出汁率；螺旋压榨机则采用差速设计实现渐进增压，适合大型酒厂。德国MYTHOS生产的垂直气囊葡萄压榨机（图22），气囊包裹在气囊罐壁上，压榨效率高；其宽大的进出料口和轴向入料方式，可迅速、柔和的压榨，获得较高的出汁率。
图22 MYTHOS气囊压榨机
Fig.22 MYTHOS membrane press
6.4 烘干设备
烘干设备主要用于果干加工，目前主流技术有热泵烘干、远红外烘干、太阳能辅助烘干等，设备包括连续式烘干机、太阳能烘干房、红外线烘干隧道等，其特点如表9所示。目前，国内外成熟技术主要以真空微波干燥、热泵分段干燥、太阳能-生物质能混合系统为代表，如美国加州大学Fresno分校研发的真空微波干燥设备，将传统24 h热风烘干缩短至5 h，产品品质显著提升；国内在热泵、远红外等技术应用上较为成熟，但在真空微波、大型连续化烘干设备研发方面与欧美国家仍存在一定差距。
表9 烘干设备技术特点
Table 9 Technical features of drying equipment
6.5 包装设备
包装设备包括灌装设备、封口与包装设备等。灌装设备主要用于果酒和果汁生产，果酒灌装机采用等压灌装阀，配合真空预抽系统，确保瓶内氧含量低于0.5%；果汁灌装机使用热灌装或超洁净灌装线，结合UHT灭菌技术，支持无菌袋装或PET瓶装，保质期达12个月。封口与包装设备用于鲜食果品，主要包括气调包装机、真空包装机、封口机等。其中，气调包装机和真空包装机是常用的自动化包装装备，可以有效控制包装内气体成分，延长果品的保鲜期；封口机可通过热封或压合等方式对包装材料进行封口，保证包装的密封性。同时，还有一些新型的智能化包装装备，其集成机器视觉、AI算法实现包装尺寸自适应调整。
7 我国果树生产全程机械化现状分析
7.1 我国果树生产全程机械化的现实基础
7.1.1 农艺与农机不匹配 我国果园机械化发展中仍面临农艺与农机不匹配的问题，主要体现在两方面：一是传统农艺模式制约机械化应用。全国80%以上的果园为家庭散户经营，户均面积小（平均不足0.666 7 hm2，导致机械作业成本高、利用率低，难以推广。同时，栽培方式多样（如露地、大棚、温室等），不同的模式需适配不同农机[8]。而许多老旧果园因树冠郁闭、行距窄等问题，使得标准机械难以进入和作业。二是现有农机装备与复杂农艺需求脱节。我国70%以上果园位于丘陵山区，地形复杂、地块零散，标准化中大型机械难以适用。由于研发成本高、市场推广难度大，适用于这类地区的小型化、轻简化专用机械仍相对匮乏，进一步加剧了“有机难用”的局面。
7.1.2 机械化技术与装备研究起步较晚，各环节机械化发展不平衡 果树属于特色经济作物，相比其他的主要粮食作物，果树生产的机械化技术与装备研究处于起步阶段，研究基础薄弱。当前，我国果树生产综合机械化率仅约40%，其中采摘环节机械化率不足15%，远低于粮食作物超70%的水平。果树生产中耕整地、植保灌溉、机械除草、开沟施肥等环节机械化作业相对比较成熟，能够基本满足生产需求；栽培种植、修剪、收获等环节的机具尚不成熟，仍需不断改进和完善；部分环节仍以人工作业为主，果树生产各环节的机械化进程呈现出不平衡的发展态势。
7.2 我国果树生产机械化装备的发展目标
我国果树生产机械化装备的发展目标需立足产业特性与现实需求，强化“种植农艺—果树特性—机械作业机制”基础研究，聚焦“模块化、绿色化、智能化”等方向[119-120]，推动农艺与装备深度融合，具体目标如下：
7.2.1 针对丘陵果园，发展小型低成本、通用作业底盘的果园机械 针对我国大部分果园分布在丘陵山区的产业现实，需聚焦“小型化、低成本、通用作业底盘”装备创新研发。通过模块化设计实现动力平台与作业部件的快速换装，开发可兼容修剪、施肥、植保、采摘等多作业场景的通用底盘，采用轻量化材料（如高强度铝合金、碳纤维复合材料）减轻整机质量至50～150 kg，使其易于运输和上山，适应坡度＞25°的复杂地形作业需求；通过规模化生产与标准化部件通用，可降低制造成本，提高中小农户的购置能力。
7.2.2 针对平原果园，发展中大型智能化装备 以“机器换人”为导向，推进果园生产全流程智能化升级。针对现代果园“绿色化”生产要求，开发推广全电动驱动系统，替代传统燃油机型，实现作业零尾气排放；同时，开发大中型智能化装备，在感知层集成多光谱摄像头、激光雷达与力觉传感器，决策层运用AI算法构建动态作业路径规划模型，结合北斗高精度定位实现厘米级作业精度控制，执行层开发可变刚度机械臂与柔性抓取机构，形成“感知-决策-执行”闭环的智能装备体系，以全面提高生产效率和质量。
8 发展趋势
8.1 加强基础研究，夯实理论基础
要深化农机农艺融合理论研究，结合植物学、土壤学与机械工程学，构建果树生产全周期数字化模型，重点开展果树生长发育规律和生理生化特性，果树栽培模式与机械作业适应性，果树枝条、果实生物力学特性及其与机械的耦合作用机制等研究，为果树机械化作业装备的研发与推广提供理论支持。
8.2 加快果园宜机化改造进程，促进农机与农艺深度融合
未来应加快果园宜机化改造进程，为机械化作业奠定基础。首先，推广“宽行密植”的标准化建园模式，即通过选用矮化砧木、控制树高、规范化整形修剪，塑造结构简化、规格统一的树体，同时确保足够的行距，为机械提供无障碍的作业通道。其次，通过土地平整、坡地梯台化等措施，消除零散地块，确保行间地面平坦、坚实，并规划修建宽度适宜、坡度缓和且设有掉头区的作业道路网络，以满足各类机械顺畅通行、安全回转的需求。
8.3 重点加强果树生产机械化薄弱环节
当前，我国果树生产机械化存在明显短板，开沟定植、枝条修剪、上架绑藤、收获等生产环节仍主要依靠人工完成，同时也缺乏设施专用小型机械装备，为突破这些瓶颈，应重点研发果树栽培种植机械、适应不同架式的智能修剪机、选择性采摘机器人、小型设施专用电动农机等机械装备，以加强果树生产机械化薄弱环节。
8.4 加快标准制定与技术推广，提高果树产业的经济效益，助推机械化进程
根据各区域果树的生产需求，推进机械产品技术条件、机械化作业规范及质量标准的制定，为果树机械化、规范化、标准化与规模化生产提供技术保障。依托国家现代农业产业技术体系，加速果树产业新技术、新工艺及智能装备的示范推广。实施优良果品精深加工专项攻关，重点加强多元化制品开发、高附加值成分提取及功能性产品研发，建立产学研协同创新机制，提高果树产业经济效益，助推机械化进程。
8.5 开展智能化装备研究，打造“无人果园”
随着人工智能时代的到来，果树生产机械也应朝着智能化、无人化方向发展。未来的研究方向需融合5G通信、北斗导航、机器视觉等技术，研发搭载多光谱成像的病虫害监测无人机和土壤墒情传感器网络，实现果树生产全天候智能感知；开发具备路径规划功能的智能作业机器人，同时构建基于农业大数据的果树生长模型和装备协同控制平台，通过“端—边—云”协同架构，实现从定植到采收的无人化作业。
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