萬(wàn)壽菊機(jī)械式采摘技術(shù)現(xiàn)狀與建議

祁正棟，連國(guó)黨，李亮亮，王立強(qiáng)，劉向東

(新疆理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 阿克蘇843000)

0 引言

萬(wàn)壽菊屬菊科一年生草本植物，作為觀賞和藥用植物被大量種植，廣泛用于工業(yè)和醫(yī)藥，開(kāi)發(fā)潛力巨大，是重要的經(jīng)濟(jì)花卉[1]。被稱(chēng)為“植物黃金”的葉黃素就主要來(lái)自于萬(wàn)壽菊，其價(jià)格與黃金相當(dāng)[2-3]。尤其近幾年，隨著合成色素在添加劑使用方面所引發(fā)的問(wèn)題不斷出現(xiàn)，以及萬(wàn)壽菊中相關(guān)色素在抗癌和抗衰老等方面藥用功效明顯，人們對(duì)萬(wàn)壽菊的需求不斷增加，關(guān)注度不斷提高[4-5]。

目前，萬(wàn)壽菊主要依靠人工采摘，勞動(dòng)量巨大、效率低、成本高、費(fèi)時(shí)、易傷花且易引起花粉過(guò)敏，人工采摘尤其受天氣因素制約，且萬(wàn)壽菊采摘后需立即進(jìn)行防氧化及保鮮處理，操作不及時(shí)易造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，解決萬(wàn)壽菊機(jī)械化采收問(wèn)題能顯著提高萬(wàn)壽菊采摘效率、品質(zhì)和收益，是大力發(fā)展萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)模化的重要措施。

1 特性及農(nóng)藝要求

萬(wàn)壽菊依用途可分為觀賞萬(wàn)壽菊與色素萬(wàn)壽菊；依植株的高低分為高莖種、中莖種和矮生種；依花形可分為蜂窩型、散展型和卷溝型[6-7]。常見(jiàn)品種主要有安提瓜系列、發(fā)現(xiàn)系列、“印卡”系列、泰山系列和皺瓣系列等，其植株形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。萬(wàn)壽菊株高60～100 cm，花莖7～10 cm，60 d左右開(kāi)花，莖直立、粗壯且有分株，花瓣羽狀且密集，花冠半球著生枝頂，花色金黃、紅橙為主，花期7～10月，一般10～15 d采摘1次，整個(gè)生長(zhǎng)期可采摘7～10次，喜光，適應(yīng)性強(qiáng)，管理簡(jiǎn)單，含有豐富的葉黃素和黃素脂肪酸酯[8-12]。目前，新疆萬(wàn)壽菊種植面積達(dá)1.33萬(wàn)hm2，其中南疆莎車(chē)縣是國(guó)內(nèi)最大的萬(wàn)壽菊種植基地，種植規(guī)模約0.93萬(wàn)hm2，產(chǎn)品主要用作提取天然色素葉黃素[13-14]。

萬(wàn)壽菊人工采摘是勞動(dòng)密集型的作業(yè)，人工采摘的成本占整個(gè)萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)鏈的比例最大，成為制約萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。人工采摘的花序大多屬于品質(zhì)最好的產(chǎn)品，但是采摘效率較低，人均僅約4 kgh的新鮮質(zhì)量[15]。每天上午露水消失后開(kāi)始采摘，花農(nóng)用手指輕掐花朵，采摘時(shí)花心未完全開(kāi)放，花梗不超過(guò)1 cm為最佳，采摘后裝塑料袋或筐內(nèi)立即存貯在陰涼處后送加工廠[16-17]。萬(wàn)壽菊采摘必須做到“5不采”：即雨天不采，霧天不采，有露水不采，不成熟的小花不采，腐爛、病變、變色和雜花不采[18-19]。采摘后應(yīng)及時(shí)向傷口處噴施殺菌劑和葉肥，防止感染，殘花不能丟棄在田間，防止霉變傳染[20-21]。

2 采摘現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

萬(wàn)壽菊在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)和丹麥等國(guó)家均大量分布，我國(guó)新疆、云南和吉林等地區(qū)均大量種植。國(guó)內(nèi)外針對(duì)萬(wàn)壽菊機(jī)械化采收已經(jīng)嘗試開(kāi)發(fā)了一些專(zhuān)用收割設(shè)備。

WILLOUGHBY R A[22]設(shè)計(jì)的萬(wàn)壽菊采摘與收集設(shè)備，如圖2所示，采摘頭上安裝可自由伸縮的類(lèi)似指狀物梳齒進(jìn)行采摘，采摘后的物料進(jìn)入分選系統(tǒng)，干凈的花朵落入花箱，花瓣、未開(kāi)放的花蕾、葉子、莖和干碎片等被傳送帶篩選后落入垃圾箱，但該機(jī)對(duì)花序損失較大，采摘效率較低，未在實(shí)踐中應(yīng)用。

JANTSCHI L等[23]設(shè)計(jì)的萬(wàn)壽菊便攜式采摘機(jī)，由汽油發(fā)電機(jī)提供電源，采用螺旋刀旋轉(zhuǎn)梳子的方法進(jìn)行采摘，被切斷后的花朵利用慣性落到采摘頭后面的收集袋中，實(shí)現(xiàn)采摘收集一體。試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)采收率為60%～70%。MUSCALU A等[24]對(duì)萬(wàn)壽菊機(jī)械化收割技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種低容量、便攜式適用于小型采摘作業(yè)的收割機(jī)，田間試驗(yàn)效果良好。

MELNYCHUK R[25]對(duì)萬(wàn)壽菊不同品種的株高、莖粗、分枝數(shù)、開(kāi)花日期和花序干質(zhì)量等因素進(jìn)行考慮，設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)研究了適合機(jī)械化收割的萬(wàn)壽菊植株品種特征，試驗(yàn)組中SO-99-3(波蘭品種)和SO-04-26(德國(guó)品種)是最佳機(jī)械化采摘品種。試驗(yàn)表明，枝、芽數(shù)少，花期短(約50 d)，株高超過(guò)49 cm的萬(wàn)壽菊最適合機(jī)械化收割。SETHY P K 等[26]利用圖像處理技術(shù)對(duì)萬(wàn)壽菊進(jìn)行精確識(shí)別與計(jì)數(shù)研究，試驗(yàn)表明，其識(shí)別的平均誤差為5%，該技術(shù)可應(yīng)用于萬(wàn)壽菊的機(jī)械化采摘及其產(chǎn)量估算。SHREE C等[27]基于多特征卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究萬(wàn)壽菊自動(dòng)化識(shí)別計(jì)數(shù)及采摘技術(shù)，其識(shí)別系統(tǒng)如圖3所示，通過(guò)自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)檢測(cè)萬(wàn)壽菊花球，檢測(cè)準(zhǔn)確性87.79%，定位花球后機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行采摘，但如果花朵隱藏在葉子和枝干的后面并且在圖像中不可見(jiàn)，則無(wú)法識(shí)別。

由于萬(wàn)壽菊植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)與洋甘菊相似，因此可以嘗試?yán)醚蟾示盏氖崭顧C(jī)進(jìn)行收割萬(wàn)壽菊，如VESELINOV B等[15，28-29]利用現(xiàn)有洋甘菊梳齒式收割機(jī)收割萬(wàn)壽菊，試驗(yàn)表明，當(dāng)收獲裝置對(duì)花序帶寬度的相對(duì)穿透系數(shù)設(shè)為R=1.3時(shí)，收獲總質(zhì)量占總花序產(chǎn)量的百分比最高(84%～97%)，且采摘效率與植株總花序數(shù)量有關(guān)，與洋甘菊相比一樣適用，采摘效果沒(méi)有明顯差異。此外，研究還通過(guò)統(tǒng)計(jì)萬(wàn)壽菊莖、葉和花朵等幾何尺寸，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)分離花序的系統(tǒng)，分離效率達(dá)到92%。

新疆伊犁州察布查爾縣農(nóng)業(yè)技術(shù)人員與農(nóng)機(jī)修理部人員聯(lián)合設(shè)計(jì)、自主研制了新疆首臺(tái)梳齒式萬(wàn)壽菊采摘機(jī)，如圖4所示。該機(jī)工作時(shí)懸掛在拖拉機(jī)前面與拖拉機(jī)配合使用，其原理主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)的梳齒強(qiáng)行將花朵拉斷，近而達(dá)到采摘的效果，但由于該機(jī)盲采，采凈率較低，對(duì)花枝破壞較嚴(yán)重，故沒(méi)有完全推廣使用[30-31]。

歐解利[32]發(fā)明了一種便攜式萬(wàn)壽菊摘花機(jī)，其主要采用兩葉剪刀片進(jìn)行剪切萬(wàn)壽菊花頭而達(dá)到采摘目的，剪刀的兩個(gè)葉片一個(gè)固定一個(gè)活動(dòng)，可活動(dòng)剪刀葉片在切割完成后在彈簧的拉力下回位，再次處于張口狀態(tài)，進(jìn)行重復(fù)作業(yè)。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，使用靈活方便，采摘效率較人工采摘高。佳木斯大學(xué)[33]發(fā)明了一種便攜背負(fù)式萬(wàn)壽菊雙臂采摘機(jī)，主要解決單臂采摘效率低，采摘器外配電源不方便問(wèn)題。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，采用雙采摘臂和梳式摘花器，采摘干凈，速度快，效率高，在田地作業(yè)時(shí)不受采摘環(huán)境的限制。劉瑞德[34]發(fā)明的小型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的萬(wàn)壽菊采摘機(jī)，使用時(shí)利用圓形采摘圈套住萬(wàn)壽菊花頭，采摘圈切刀與支架刀配合將萬(wàn)壽菊花頭剪下，剪下的花頭掉入收集箱，完成采摘。使用該采摘器，全程不需要用手接觸萬(wàn)壽菊，可以有效地解決萬(wàn)壽菊人工采摘易過(guò)敏的問(wèn)題。姬長(zhǎng)英等[35-36]和樊俊等[37]對(duì)山地貢菊及杭白菊梳齒式采摘機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，可達(dá)到較好的采摘效果。

國(guó)外早在20世紀(jì)初期就已對(duì)萬(wàn)壽菊種植、規(guī)模 化生產(chǎn)和葉黃素提取等方面進(jìn)行大量研究。如美國(guó)PanAmerican Seed公司、英國(guó)Thompson & Morgan公司及荷蘭SluisGroot公司等都以盛產(chǎn)萬(wàn)壽菊而著名[38]。在萬(wàn)壽菊葉黃素開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面，美國(guó)Kemin公司、瑞士ROCHE公司和德國(guó)MAR-CUS公司等處于研究的前沿[39]。

國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平相對(duì)較發(fā)達(dá)，機(jī)械化程度較高，主要原因如下。①發(fā)達(dá)國(guó)家人工費(fèi)昂貴，萬(wàn)壽菊采摘需大量人工，機(jī)械化是必然發(fā)展趨勢(shì)。②起步早，相關(guān)法律體系和制度健全，以及科研和補(bǔ)貼等專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的大力投入。③深度學(xué)習(xí)、圖像處理和導(dǎo)航定位等高新技術(shù)快速發(fā)展，使其在農(nóng)業(yè)機(jī)械化方面應(yīng)用成為可能。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始種植萬(wàn)壽菊，目前面積和產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到較大規(guī)模[40]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)萬(wàn)壽菊研究熱點(diǎn)主要集中于萬(wàn)壽菊中各種化學(xué)成分提取，以及相關(guān)功能、作用、栽培技術(shù)和育種等方面，對(duì)萬(wàn)壽菊機(jī)械采摘研究處于起步階段，少數(shù)基層農(nóng)機(jī)人員進(jìn)行了簡(jiǎn)易采摘機(jī)的自發(fā)研制。隨著我國(guó)萬(wàn)壽菊種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，人工費(fèi)用不斷增長(zhǎng)，萬(wàn)壽菊機(jī)械化必然引起更多關(guān)注。

3 采摘原理及方法

萬(wàn)壽菊采摘原理的選擇對(duì)于獲得高質(zhì)量花朵，以及獲得較高的凈采率和采后花頭的收集等都具有非常重要的作用。菊科類(lèi)采摘原理有2類(lèi)：第1類(lèi)是基于直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的采摘原理；第2類(lèi)是基于一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的刷對(duì)相互嚙合運(yùn)動(dòng)的采摘原理。對(duì)于萬(wàn)壽菊采摘主要基于第1類(lèi)采摘原理，水平直線運(yùn)動(dòng)主要涉及到植株梳理及花頭的切割，最理想的狀態(tài)是將花頭不帶莖切割(花頭帶莖會(huì)影響葉黃素的品質(zhì))，空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要涉及到花頭撕扯及斷裂，以及被摘后花頭的運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)的傳輸及收集問(wèn)題，如表1所示為常見(jiàn)采摘梳齒類(lèi)型、原理及特點(diǎn)[41-45]。

需要注意的是萬(wàn)壽菊機(jī)械化采摘是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)集成己有的結(jié)果。以上的采摘機(jī)理分析都集中在機(jī)械采摘設(shè)計(jì)上，但育種、栽培、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和管理等問(wèn)題的解決對(duì)萬(wàn)壽菊采摘也很重要。每種機(jī)械采摘原理及解決方案也不盡相同，具體還要根據(jù)萬(wàn)壽菊品種特點(diǎn)、種植模式及土地情況等因素綜合考慮。

表1 常見(jiàn)采摘梳齒類(lèi)型、原理及特點(diǎn)

4 制約因素及措施

萬(wàn)壽菊機(jī)械化采摘對(duì)提高萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用，從國(guó)內(nèi)外對(duì)萬(wàn)壽菊機(jī)械化研究現(xiàn)狀分析，需解決以下問(wèn)題。

(1)萬(wàn)壽菊在采摘期開(kāi)花各階段的花朵(如芽、花蕾)都出現(xiàn)在植物上，只有接近盛放期的花朵才是質(zhì)量最佳的花朵，因此采摘時(shí)必須格外小心且準(zhǔn)時(shí)，以確保盡量少采芽、莖和葉等無(wú)關(guān)的材料，這種采摘特性決定了采摘機(jī)要能夠多次、分期、差異化、應(yīng)采盡采、采凈率高且采摘過(guò)程中對(duì)植株損傷較少，這對(duì)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合和高新技術(shù)的應(yīng)用要求比較高。

(2)就花序的質(zhì)量和采摘效率而言，帶有梳齒部分的旋轉(zhuǎn)采摘滾筒可達(dá)到最佳效果，通過(guò)提高地面運(yùn)動(dòng)速度或增加工作寬度，以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。但現(xiàn)有收割機(jī)的采摘效率受到滾筒轉(zhuǎn)速的限制，增加工作寬度也有限且會(huì)增長(zhǎng)材料成本，需要新的采摘技術(shù)和改進(jìn)采摘原理才能更高效地提高質(zhì)量及生產(chǎn)率，如可以嘗試氣吸力式非切割方法等。

(3)目前我國(guó)萬(wàn)壽菊機(jī)械化采摘程度非常低，主要是以小型便攜式采摘機(jī)為主(如手提式、背負(fù)式等)，很難大面積和規(guī)?；鳂I(yè)，對(duì)萬(wàn)壽菊增收起不到顯著作用。

(4)提倡規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化開(kāi)展萬(wàn)壽菊種植及提高栽培育種技術(shù)，加大科研、補(bǔ)貼及試驗(yàn)示范等方面投入資金規(guī)模，提高花農(nóng)文化水平及認(rèn)識(shí)，構(gòu)建完整種植體系結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究萬(wàn)壽菊機(jī)械化采收技術(shù)及裝備能有效推動(dòng)萬(wàn)壽菊產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，使其具有良好的應(yīng)用前景，此外也能促進(jìn)農(nóng)機(jī)新技術(shù)綜合應(yīng)用水平提高。雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)萬(wàn)壽菊機(jī)械化采摘設(shè)備進(jìn)行大量研制，但萬(wàn)壽菊機(jī)械化采摘難題還未能真正解決，還有待進(jìn)一步研究。萬(wàn)壽菊的機(jī)械采摘必將向著規(guī)?；?、大型化、自動(dòng)化、智能化和高效率方向發(fā)展，生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及遙感技術(shù)等一系列高新技術(shù)迅速向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛轉(zhuǎn)移且逐步應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)研究中，形成“數(shù)字農(nóng)業(yè)”是必然趨勢(shì)。