山核桃采摘技術與裝備研究現狀

摘要：山核桃（Carya cathayensis Sary.）具有很高的營養價值和保健作用。研究和開發山核桃采摘裝備應結合其生物特性和生長環境，滿足安全性、經濟性和實用性等要求。介紹了國內外林果采摘裝備的研究現狀，分析了采摘裝備中各關鍵技術的性能特點，并對山核桃采摘新技術進行了展望。山核桃采摘裝備的研制和推廣，可有效降低果農勞動強度，提高勞動效率。

關鍵詞：山核桃（Carya cathayensis Sary.）；采摘裝備；研究現狀

中圖分類號：S225.93 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3229-04

野生山核桃（Carya cathayensis Sary.）為胡桃科山核桃屬，為中國特有的干果和木本油料樹種， 是山核桃屬中經濟價值最高且大量栽培的3個種之一[1]，多生長在海拔200～600 m濕潤的山林中[2]。目前中國山核桃種植面積約有8.71萬hm2，主要分布在浙江的臨安、淳安、桐廬和安徽的寧國、績溪、歙縣等地。其中浙江省臨安市、淳安縣和安徽省寧國市的山核桃產量接近全國的90%[3，4]，據估計，全國山核桃產業總產值約為30億元[5]，2011年浙江省山核桃總產值超過25億元[6]。山核桃不但具有豐富的營養價值和保健作用[7]，還被應用在飼料加工和建筑材料等領域[8]。

山核桃采摘已成為收獲生產鏈中最費時耗力的環節。目前多采用人工爬樹敲打果實的方式采摘，工作環境危險，勞動強度大。研究人員通過對山核桃采摘特點和要求等進行深入分析，在采摘技術、裝備等領域取得了許多成果，為降低果農勞動強度、提高勞動效率、增加經濟收入起到重要作用。

1 山核桃采摘特點分析

1.1 山核桃采摘時節性明顯

山核桃每年在白露前后成熟，傳統習慣是白露當天或白露后1～2 d采摘[9]。過早采摘，山核桃種仁不飽滿，油脂含量低，且果柄離層還未形成，必須猛打才能形成落果，但此舉會造成葉片和短枝狀裸芽大量被擊落，影響來年產量。山核桃過遲采摘，落果嚴重，易遭受鼠獸危害，影響產量。適時采收是保證山核桃產量、質量和減少樹體損傷的重要措施。

1.2 山核桃采摘危險性高

山核桃植株高度普遍超過8 m，有的在16 m以上，樹枝脆且樹皮滑，加上山路陡峭，爬樹揮竿打果的原始方法采摘具有較大的危險性，尤其下雨時或沒有采摘經驗者極易出現意外。為了爭取農時，果農連續高強度工作，身體非常疲勞，一旦踩在濕滑泥濘的山路上，或踩在脆弱的樹枝上，易發生意外。歷年來，因采摘山核桃造成人員傷亡事故屢見不鮮，山核桃也就成了“帶血”的果子，采摘安全問題已嚴重影響山核桃產業發展和社會穩定。

1.3 山核桃采摘成本高

一般采摘作業所用勞動力占整個生產過程所需勞動力的35%～45%[10]。而山核桃采摘主要靠人力，目前雇請采摘工每人每天勞務費在300元以上，撿果工也在150元以上，一般每公頃雇工6～10人，用工5～8 d。故山核桃采摘占總勞動投入的比重很大[11]。山核桃采摘工作量大，危險性高，勞動力緊張，致使采摘成本居高不下。

1.4 山核桃采摘難度大

山核桃植株特性和生長環境決定其采摘難度巨大。目前山核桃人工采摘方法嚴重制約了山核桃產業的健康持續快速發展。費喜敏等[11]研究表明，山核桃增產已經不在于平時的撫育用工投入，而在于增加采摘用工及通過技術進一步提高采摘效率和安全性，降低采摘難度。因此，盡快發明一種全新的采摘方式，變革目前的上樹采摘方式，降低采摘難度成為廣大農戶的迫切要求，也是政府和研究人員需要通力合作解決的重要課題。

2 山核桃采摘方式研究現狀

2.1 人工采摘裝備研究

人工采摘的裝備主要有爬樹器、安全帶和蜈蚣梯等。2004年浙江淳安山核桃協會研制出“山核桃安全采摘安全帶”。該安全帶利用蹦極原理，可承受2 000 kg的拉力，意外墜落時能使人懸掛于空中，減少傷亡事故。2012年陳常威與浙江大學合作，研制一種TZC-05型果實采摘裝置。這款新產品的繩索借鑒了汽車安全帶的特點，采摘時基本感覺不到操作束縛，而一旦感應到瞬間墜落的沖擊力，防墜器會瞬間鎖死安全繩，防止人員摔到地面上[12]。浙江大學還研制了一款基于MEMS加速度傳感器檢測技術和安全氣囊原理的新型高空采摘作業安全保護裝置樣機[13]。

采摘梯是一種完成上樹和采摘功能的工具[14]。以色列研制的移動式水果采摘梯，由梯上的人用手轉動行走大輪前后移動[15]。挪威研制的組合式采種梯，由多段鋁合金制成，高度可達到27 m，該梯組合與分解非常方便[16]。國內有方勤敏等[17]研究設計的ISTZ-25型上樹采種（果）設備，可適應山核桃采摘。該設備利用插入聯結原理做成組合梯，可將梯身架設至所需的采種位置，采用可調節的定位支撐和可擺動小角度的梯身聯接機構，具有更強的適應性。1989年曹雙喜等[18]發明的水果采摘梯，該梯由3根立柱組成三角架，1根立柱作為主梯，主梯兩邊帶有向上傾斜的豁口，可利用帶掛鉤的腳蹬及折疊椅，隨意上下采摘果實。還有一種起源于民間的蜈蚣梯，其結構為主桿一頭為尖尖的鋼叉，另一頭為掛卡，鋼叉插入地里，掛卡固定在樹上，兩邊支桿交叉平行而上。材質有木竹和金屬或其混合體。其中邱定武[19]研制的蜈蚣型采摘踏板，該裝置專為采摘山核桃、楊梅和板栗而設計，具有裝卸方便，使用穩固、采摘安全、敲打有力、腿腳不易疲勞等優點。

2.2 旋轉敲打摘果器研究

旋轉敲打摘果器包括動力源、伸縮桿、傳動軸、采摘頭等，通過各種動力驅動傳動軸，進而帶動采摘頭運動，依靠采摘頭上工作件的沖擊力敲落山核桃、銀杏、香榧等堅果。只是組成的布置形式和結構不同而已。國內20世紀 70年代就研制出手持電動采果器，近幾年許多研究人員在采摘頭旋轉運動方式上取得了研究成果[20-24]。如2009年雷澤民等[25]研制了采摘頭擺動運動方式的采摘器。2010年柴秀洪等研發了2011-36A型山核桃采摘機，其主要由自動感應負載變頻發電機、可調節伸縮特種材質管、阻尼式采打機械頭及放線器組成，調節高度為4.0～13.5 m，可360°任意旋轉，且具有自動保護電路功能。果農不需爬樹就能輕松摘果，工作效率高出人工采打3倍以上。旋轉敲打采摘器結構簡單，操作便利，可減輕勞動強度，提高采摘效率和采摘安全性。但桿高又導致撐桿的勞動強度大，一定程度上使次年裸芽遭到損傷或擊落。

2.3 機械振動采摘機研究

機械振動采摘機的工作原理是通過機械自動振動果樹的樹干使要收獲的熟鮮果品抖落，類似甩鞭時，鞭梢部分移動的速度可以超過聲速，細枝猶如鞭子，樹梢上的果子便可抖落下來[26]。20世紀40年代中期美國開始研究振搖式采摘機械，用來采摘胡桃和杏等果實，到50年代中期，出現了拖拉機驅動的振搖采摘機[27]。目前國外所采用的核桃采摘機具主要是美國、加拿大和澳大利亞生產的振動落果機[28]。中國 20 世紀 70 年代也研制出與手扶拖拉機配套的機械振動式山楂采果機。東北林業大學研制了由集材拖拉機驅動的搖樹采種機，由于消耗功率大，而且對樹木損傷很大，在生產部門沒得到推廣使用。南京林業大學研制了由CH25型鏈鋸發動機驅動的南方杉木振動采種機，由于在樹上的安置點太低，推廣使用也很困難[29]。陳瑞賢[30]研制的TD-40型抖動式林木采種裝置，利用打擊固定在樹干與樹樁之間的繃索而產生的拉力搖動樹干，將球果抖落，該裝置勞動強度大，效率低。張蘭等[31]研制的便攜式振動采種機，其小型柴油機輸出的動力通過傳動軸傳至振動頭，帶動振動頭中的偏心軸轉動產生激振波，振動波在樹干和樹枝中傳遞到達球果，抖落成熟的果實。姚文斌等[32]研制的便攜式振動山核桃采摘裝置，其小型汽油機輸出的動力通過鋼絲軟軸與傳動軸的下端口連接，從而帶動振動機構工作，將初級樹枝上的山核桃高效振落下來，具有成本低、體積小、易于攜帶等特點。趙偉忠等[33]、陳度等[34]研制的便攜式振動果實收獲機，該機包括驅動裝置、傳動裝置和采摘鉤，采用傳動齒輪組合和連桿曲柄結構來帶動采摘鉤擺動，達到振動樹枝來采摘果實的效果，提高了果實采摘效率、增加果實采摘的可靠性和安全性。

3 山核桃采摘裝備關鍵技術分析

3.1 力學分析

按山核桃采摘時果柄受力方式分，采摘力可以歸納為擰斷式、拉斷式、剪切式。人手采摘為擰斷和拉斷式，竹竿敲打的擺動和機械的振動、擺動或旋轉采摘為拉斷和剪切式，機器人采摘末端執行機構為類指狀，也就與人手采摘類似，吸氣采摘為拉斷式。每種采摘方式各有優勢。從保護樹木和裸芽對來年產量影響的角度考慮，人手采摘和機器人采摘最理想，但前者勞動強度大，后者成本高；從采摘安全角度考慮，機械振動、擺動或旋轉采摘最理想，較經濟和較實用，但影響產量；如果輔助升降臺采取人機互助型采摘最實用，從長遠和綜合角度考慮，無疑自主智能型機器人采摘為上乘選擇。

3.2 采摘高度調節方式分析

采摘高度調節方式有采摘梯、伸縮桿、升降臺、機器人攀爬及飛機或氣球或拋射等無極調節式。用升降臺把采摘者送到樹冠的任意部位進行作業，可達到安全、實用、文明生產之要求，比人工上樹采摘提高工效3～5倍。20世紀60年代中期，美國研究出液壓升降平臺車，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。采摘平臺的自動提升可以采用電機驅動和液壓驅動，由于液壓提升具有承載能力大、自重輕、結構緊湊的特點，目前在農用采摘平臺上應用較多[27]。

3.3 裝備行走方式分析

野生山核桃一般生長在山區坡地，地形復雜多變，地質情況不一，采摘裝備行走方式的設計既要滿足行走的需要，又要保障作業人員工作的平穩，故其底盤既要能夠承受一定的載荷，又要具有操縱的簡單化和靈敏性。采摘裝備行走方式主要有人工背負式、動力自走式、原地旋轉式。行走機構底盤可以考慮設計成可調節輪距低重心履帶的形式，并在其和升降臺或振動機之間裝一個可作360°旋轉的轉盤，使采摘始終處在最有效的作業角度。目前具備類似功能的有王綱等[35]研制的電動采摘車。

3.4 采摘動力分析

采摘機動力主要有拖拉機和汽油機兩種，前者不適宜山核桃生長的山區作業，便攜式機械振動采摘器動力形式多是背負式汽油機，作業時只需手持作業操作桿并按動啟動按鈕即可，其優勢在于快速收獲、有效分離，既提高了采摘效率，又減輕了勞動強度，且采用小型動力，克服了山核桃產地多在斜坡，平均坡度在25°以上，有些甚至直接長在懸崖上，大型機械根本不方便上山的缺陷。

4 山核桃采摘新技術發展趨勢

4.1 化學藥劑催熟落果法

上世紀末，澳大利亞采用噴施乙烯利的方法，使核桃的成熟趨于一致，實現一次性采收堅果的目的。并且比正常的采摘期提前5～10 d，保證堅果品質優良[28]。汪咸吉等[36]于1980～1991年期間反復進行催落試驗研究，終于篩選出最佳藥液濃度、最佳用藥時間和單位面積用藥量，果實催落率達90%。用乙烯利催落代替竹竿或機械敲打采收山核桃，具有方法簡便、工效高、成本低、人身安全有保障，并能減少枝芽損傷等優點[37]。利用注射激素使山核桃果在較短時間內自然脫落，但果農們發現，激素會導致次年的山核桃產量降低。

4.2 矮化技術用于山核桃樹栽培

山核桃樹高，生長地點山高坡陡，無論是人工采摘還是機器采摘，都存在安全風險和收獲難度。因此有專家通過對目標樹形選擇、截頂與短截、拉枝和夏秋梢管理等方法，對新造林或幼林進行矮化培育，以最終達到平地推廣種植的目的，降低懸崖峭壁上樹采摘的風險，從源頭上杜絕事故發生，然而從目前來看，這種針對采收安全的新技術綜合收效仍有待時間檢驗。

4.3 運用機器人采摘林果

首次應用機器人技術進行農業收獲的是美國學者Schertz和Brown于1968年提出的[38]。從1983年第一臺番茄采摘機器人在美國誕生。日本、以色列和歐美等國家相繼試驗成功采摘蘋果、柑橘、番茄等的智能機器人，由于采摘對象的復雜性和工作環境的非結構化，目前市場上仍沒有成熟的、商品化的采摘機器人出現[39]。國內在機器人采摘研究方面才剛剛起步，通過跟蹤國外先進技術，在機器人采摘領域內取得了初步的成果。鐘志偉等試制出一臺山核桃采摘機器人樣機。該樣機所有動作由電路系統進行控制，高度不過0.4 m，采用24 V電壓，能夠輕松地爬陡峭的樓梯，安全行走45°坡度的陡坡，可伸縮的長臂能摘取高空的山核桃并將之放入口袋。張金榮等[40]研制了一種爬樹式山核桃采摘機器人，其包括爬樹機構、機械臂和末端執行裝置，安裝在爬樹機構上的機械臂的上端安裝末端執行裝置，機器臂包括回轉電機、回轉電機架、托板和軸承板。采摘機器人將在解決山核桃采摘勞動力不足、降低工人勞動強度、保障采摘者安全、保證適時采收等方面具有很大潛力。但采摘機器人研制成本高，技術還不成熟，適應性差，利用率不高，限制了采摘機器人的推廣使用。

5 總結與展望

由于山核桃的生物學特性、生長環境及生長地理形貌，目前其采摘已是一種高危高強度作業，而實現機器人的智能化操作需要運用各種先進的智能控制技術，智能采摘機器人代替人類采摘作業之路并非一蹴而就。由于山核桃自然生長的模式且經營規模較小，也不適合應用大規模大型的機械化裝備。鑒于各種因素多方面考慮，機械化采摘方式相比機器人采摘更有現實意義，實現高效安全、經濟實用、勞動強度低、采收一體化多功能小型機械化采摘已迫在眉睫。

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