紫菜機械化采收裝備技術研究進展

唐嘉鴻，李秀辰,2,3，張國琛,2,3，盧 薇，倪 尚，張寒冰,2,3，張 倩,2,3，翟祎琳，母 剛,2,3

(1 大連海洋大學機械與動力工程學院(中新合作學院)，遼寧 大連 116023；2 遼寧省海洋漁業裝備專業技術創新中心，遼寧 大連 116023;3 設施漁業教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

紫菜(Porphyra)是海中互生藻類的統稱，隸屬于紅藻綱(Rhodophyta)紅毛菜科(Bangiophycidae)，富含豐富的藻膽蛋白、維生素與無機鹽類，一般生長于沿海潮間帶，南北半球從寒帶到熱帶均有自然分布[1-2]。目前世界上已知的紫菜種類約有140種，其中條斑紫菜(Porphyrayezoensis)與壇紫菜(Porphyrahaitanensis)為主要栽培種類[3]。紫菜的食藥用價值極大地推動了其栽培業的發展，據統計2019年中國紫菜栽培面積為7.4×108m2，總產量為2.12×105t，經濟產值達175億元，已成為中國藻類養殖產業的重要經濟支柱[4]。

隨著栽培規模的不斷擴大，中國在紫菜采收環節已告別了全人工采收，根據不同的栽培生產方式采用半機械化采收，但是依然存在勞動強度大，生產效率低，采收裝備技術落后等問題，采收裝備技術作為紫菜生產鏈中的重要部分，直接關乎紫菜的質量、產量和產值[5-7]。日本、韓國等國在紫菜機械化采收領域研究較早，以日本為例，經過60年改革創新，從最初泵吸式采收發展到打采式采收，采收裝備技術相對成熟，對采收裝備刀具的運動軌跡、受力和紫菜的切斷狀態等均有理論分析，并有與采收裝備相配套的輸送裝備、酸化集成設施等，可同時完成紫菜采收、輸送與酸化一體化作業[8-12]。中國在紫菜機械化采收方面存在機械結構理論設計水平低、配套設施簡陋和裝備集成度差等問題，阻礙了紫菜產業的進一步發展[13-14]。

結合紫菜栽培方式及采收特點，本文重點綜述國內外紫菜采收裝備技術的研究進展，分析了中國紫菜采收機械亟須解決的問題并針對性給出對策，旨在為中國紫菜機械化采收技術及裝備研發提供參考借鑒。

1 紫菜栽培方式與采收特點

紫菜的栽培區域多選擇在營養鹽量豐富、潮水流動通暢且風浪較強的海區[15-17,66]，栽培主要采用筏架網培技術，設施由網簾和浮動筏兩部分構成，前者為紫菜附苗生長的基質，后者為張掛網簾的支架[1,9,18-19]。根據不同的栽培海域條件可分為全浮動筏式、支柱式以及半浮動筏式3種栽培方式(圖1)。

圖1 紫菜栽培方式Fig.1 Laver cultivation method

全浮動筏式栽培設施適用于落潮后不干露的海區，網簾一側安裝有泡沫浮筒使網簾始終漂浮于水面[1,23]。該栽培設施主要由浮綆、網簾、泡沫浮筒以及樁綆等組成，網簾張掛在浮綆上通過樁綆與樁相連，浮綆上安裝有泡沫浮筒(圖1a)；支柱式栽培設施適合港灣或者不能干出的海域，其方法是將網簾四角張掛在深插于海區的支柱(以玻璃鋼桿或竹竿為主)上，使網簾隨潮水的漲落而漂浮或干出[1,20]。支柱式栽培設施主要由支柱、浮綆和網簾等構成(圖1b)；半浮動筏式是在潮差較大的潮間帶海域進行栽培的一種方式，為中國獨創且廣泛使用[1,21-22]。半浮動筏式栽培的筏架兼具全浮動筏式和支柱式設施的特點，即在漲潮時網簾像全浮動筏式一樣漂浮在海面，在落潮筏架露出海面時像支柱式一樣用短支腿豎立在灘涂上。該栽培設施的結構除了增加有短支腿外，與全浮動筏式完全相同[9](圖1c)。

網簾上栽培的紫菜一般經約兩個月生長至15～20 cm時即可采收[23-24]。實際采收時期結合當地氣象和潮汐情況而定，采收一般從11～12月持續至翌年3～5月[1,3,25]，采收間隔需根據藻體留茬的長度以及栽培海區的自然情況而定，通常為20 d左右。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

2.1.1 泵吸式紫菜采收裝備技術

紫菜機械化采收始于20世紀60年代的日韓等國[66]，最早應用的是泵吸式采收，通過泵吸力驅動帶有刀具的轉子切斷紫菜，紫菜與海水一起被吸入網兜或水菜分離裝置，分離后收集至箱或艙內[67]。采收裝備主體由泵、輸送管以及割刀等結構組成，需要以船為載體[16,27-28]。泵吸式采收裝備一直處于改良階段，日本的矢田貞美[16]對泵吸式裝備的切斷機構展開研究，證明了多刃切割效率優于單刃，當旋轉刀形為圓弧形時，紫菜的切斷力和所受沖擊較小；增加刀片數可降低吸入切割區域的紫菜量，從而降低切斷功率，確定出最優刀片數為3副；刀具轉速與抽吸量成正比，但轉速達到3 500 r/min后抽吸量不再增加。牧榷六等[27]設計了一種外掛泵吸式采收裝置(圖2a)，實現了水下采收并有效降低勞動強度，但水下外掛裝置增加了船體行進阻力，發明人[28]后將外掛泵吸式采收裝置改進為可升降泵吸式(圖2b)，安裝在船體中部，船底開設有與泵吸口相配合的孔，通過孔與水面網簾接觸采收紫菜，對比改進前能效提升明顯。然而，該裝置作業時對泵的磨損大且效率低[9,16]。同時，旋轉刀具會將紫菜切成若干段，細胞受傷率較高。

圖2 泵吸式紫菜采收裝置Fig.2 Pump suction type laver harvesting device

2.1.2 剪切式紫菜采收裝備技術

2.2.3 打采式紫菜采收裝備技術

2.1.3 打采式紫菜采收裝備技術

目前，中藥材加工過程缺乏相關的規范化管理，無論是藥材的干燥方法、炮制方法還是藥材的粉碎粒度，都沒有相應的標準體系，致使市售的中藥揮發油質量不均一。中藥材加工過程規范化研究應從洗凈規范化、切制規范化、干燥過程規范化、粉碎粒度規范化、炮制方法規范化入手。制定統一的中藥材前處理標準，建立適合中藥揮發油的質量標準管理體系，實現中藥材前處理工序全過程的規范化，進而保證中藥揮發油的質量穩定均一。

(1)面向機械化采收的紫菜物性研究匱乏。與工業產品的標準化特點不同，紫菜的生長具有隨機性，受海域、溫度、光照等的影響很大。同品種的紫菜長成之后形態不一，生長發育程度不齊，且紫菜的葉狀體具有黏性和韌性，需要在裝備研發前分析紫菜的生物力學特性[52]，為相關設備結構設計與運動參數優化提供理論依據。但這方面研究幾乎未見，因此缺少紫菜生物力學特性研究制約著采收設備的自主研發。

圖3 打采式采收裝備Fig.3 Roll type harvester

圖4 打采式紫菜自動噴淋采收裝置Fig.4 Automatic laver harvesting device

2.2 國內研究現狀

2.2.1 泵吸式紫菜采收裝備技術

20世紀70年代中國在紫菜栽培業取得了一定的進步，對紫菜采收機的需求尤為明顯，由于國內未有相關產品，浙江、福建等沿海省份迫切地從日本引進數十臺泵吸式紫菜采收機投入生產試用，并且浙江省岱山縣大巨機械廠參照日本泵吸式紫菜采收機形式仿制出21臺ZS-1型紫菜采收機，該機屬于水力渦輪式，刀具在水下20 cm左右作業，使用柴油機作為動力。作業時由3人操作，每小時可采收約200 kg紫菜，為人工作業的5～7倍[68-69]。后由于中國紫菜菜質偏硬及其刀具質量不過關，導致采收效果不穩定，并且不符合中國當時的紫菜栽培模式再加上泵吸式采收固有的缺點，并未得到推廣及應用[69-70]。

國內雖然在打采式采收裝備領域起步較晚，但也有部分仿照國外機型設計的設備投入生產，并獲得了較好的經濟效益。目前，中國部分地區以半浮動筏式栽培為主，根據此栽培方式的特點漲潮時可將打采式裝備安置于采收船作業，也可將打采式裝備安置于拖拉機等牽引載具上，在落潮后的干灘進行作業，極大地減輕了勞動強度[47]。張禮吉[44]研制出了ZS160-1.8型紫菜采收機，采收效率可達1 700～2 000 m2/h，最佳轉速為1 000 r/min，具有操作簡易、成本低和高效等優點。蒼南縣水產研究所針對網簾容易纏刀的問題改進了船載式打采機，調整切刃角度為30°時，網簾纏刀現象明顯改善，并增設防護欄和調節桿對網簾起到保護作用[17]。黃學平[45]公開了一種方便拖拽網簾架的紫菜打采機，在機架后裝有用于支撐紫菜網簾的后支撐架，克服了拖拽紫菜網簾時勞動強度大的缺點。蔡慶旺[46]研制了一種紫菜打采清根一體機(圖7)，在滾刀上加設翻轉罩，翻轉罩置于刀架上時可進行紫菜收割，不設翻轉罩時能在最后一茬采收后清除網簾上紫菜根，實現了紫菜采收清根兩用，大幅降低了采收成本。上海海洋大學設計了一種灘涂半浮式紫菜打采機，將打采機以鉸接方式與拖拉機相連，工作人員無需在網簾下作業，采收舒適度大幅提升，采收效率是人工采收的20倍[48]。南通光華水產品有限公司研發出一種適用于半浮動筏式栽培的紫菜采收機，該設備將打采技術與當地特有的灘涂紫菜栽培環境結合，以手扶拖拉機為動力，適用于干灘作業[49]。打采式采收裝備具有結構簡單、適應性強等優點，在紫菜采收領域應用較多。

1948年，捷豹XK120誕生，正式開啟了捷豹跑車家族70載輝煌歷程；這款在當時被稱為“全球最快量產車”的傳奇跑車，以近200公里/小時的最高車速傲視同儕。1951年，脫胎于XK120的捷豹C-type，首次亮相便一舉摘得勒芒24小時耐力賽的桂冠，D-type更是在1955～1957年勇奪三連冠，繪就一段屬于捷豹的勒芒傳奇。繼此之后，被恩佐·法拉利譽為“世界上最美汽車”的E-type，則以不同尋常的曲線之美驚艷世人。而捷豹新英倫至美跑車F-TYPE更不負“TYPE”之名，誕生至今已斬獲170余項全球大獎，續寫捷豹跑車傳奇。

大學生在校期間要依據社會現狀和自己的個人條件，樹立切實可行的職業理想，設定自己的奮斗目標，職業理想會隨著時間的推移而有所改變，人生就是在樹立理想到實現理想的道路上奔波，最終繪制出自己的藍圖。

這是我第一次來羅馬。我來自鄉下，雖然還只有二十四歲，但幾年的奔波已經足夠讓我對生活有一個清醒的認識，我不再那么單純而好幻想，因而來羅馬之前，并不指望在這個世界上最美麗的大城市里獲得什么驚喜，更沒有奢望不期而遇的了浪漫史，生活本身就是一個彌天大謊，我已不再指望什么。

圖5 船用紫菜收割機Fig.5 Marine laver harvester

圖6 紫菜刈割船Fig.6 Laver cutting device

剪切式紫菜采收裝備主要利用曲柄滑塊機構等實現刀具的往復運動，進而完成紫菜切割。切割機構由動、定刀片組成，切割時動刀片在滑塊帶動下作往復直線運動并與定刀片形成剪切作用。剪切式采收在農業采收領域應用范圍廣，具有工作穩定、 割茬低而齊、 割幅寬及結構簡單等特點[29-30]。日本幹男山根[31]設計了一種剪切式的紫菜采收機，其主要采收生長在巖石上的紫菜，整機包括剪切機構、收集機構、分離機構以及牽引機構，剪切機構前設有導向滾筒及外鉤爪，特點是工作時通過滾筒與鉤爪同時轉動將紫菜帶入至剪切機構，剪切后由收集機構將菜水混合物收集，經網具分離后，完成紫菜采收一體化作業。目前，日韓等國的紫菜栽培方式主要以全浮動筏式和支柱式為主，考慮到海區作業時會遇到風浪等復雜的情況，難以保證作業平穩進行，故剪切式采收裝備更適合搭載拖拉機等作業面起伏較小的載具，在落潮后的干灘或淺灘上作業。因其作業環境的局限性在日韓等國的實際生產中應用較少。

2.2.2 剪切式紫菜采收裝備技術

圖7 紫菜采收清頭一體機Fig.7 Laver harvesting and root removal integrated machine

2.3 紫菜采收裝備技術對比及問題分析

目前紫菜采收裝備主要有泵吸式、剪切式以及打采式3類，根據行進方式可分為船載和車載，船載適用于全浮動筏式和支柱式栽培；車載適用于半浮動筏式栽培[16,34,66]。如表1所示，國內外剪切式采收裝備技術目前都未推廣使用，而泵吸式和打采式采收裝備技術在市場投入應用較多。盡管國外對泵吸式紫菜采收裝備技術的理論研究成熟，具有一定的采收成效，但因其效率低、對泵的損耗和紫菜的損傷高，已逐步淘汰，在國內也未被推廣應用。打采式紫菜采收裝備技術較其余兩種適應性好、可靠性高、市場占比大，且國外對該裝備行進速度、刀具轉速及刀刃運動軌跡等有一定理論研究，采收裝備刀型也從最初的直刀發展到螺旋刀，又向多段直刀發展，從而降低制造成本、分散應力并提升刀具壽命，采收裝備配套設施趨于一體化，可完成網簾自動起升、紫菜采收與輸送、采后紫菜根部酸化消毒同時作業，裝備集成性較高。另外，日韓等國多采用船載采收機作業，機型也從泵吸式轉變為打采式采收，勞動生產率和經濟性都有大幅提升[26,50]。

表1 紫菜采收裝備技術對比分析Tab.1 Comparative analysis of laver harvesting equipment technology

我們參觀了蔣介石座東朝西、面朝大陸的紀念堂——慈湖靈堂，銅棺至今沒有入土為安，可見期盼落葉歸根、兩岸統一之情；我不禁聯想起曾經參觀浙江溪口蔣母陵墓時的情景，對臺灣回歸祖國充滿期待。三月底從臺灣歸返，我有感寫下一篇《從溪口到慈湖》的文章，發表在河北的《散文風》上。4月3日，我敲鍵盤、點鼠標，發往臺灣《旺報》編輯部。我心想，試探而已！怎料到，4月8日，就發表在其“大陸人看臺灣”專版。當我從網絡上看到報樣，為能在寶島報章之一角留下自己幾滴墨跡而欣慰。

國外因船載機械打采技術的快速發展，淘汰了紫菜手工采收。打采式采收是通過旋轉滾刀將紫菜從網簾切割并拽斷的一項技術。其裝備主要由滾刀、刀架、護欄、動力源等結構組成，轉軸的外圓周向一般均布3～4副帶有角度的刀片，稱之為滾刀，通過柴油機或者液壓馬達驅動，當滾刀達到一定轉速時便可將紫菜從網簾上采下[1,32-34]。在日韓等國，該裝備適用于全浮動筏式和支柱式栽培方式。為解決紫菜采收費時費力且效率低等問題，日本石田昌次郎[32]發明了一種船載滾刀式紫菜刈割機，由船體、滾刀和網簾支架組成，滾刀打采后紫菜直落艙內，可實現網簾起升、打采與收集一體化作業，效率極高。中堪浩[33]利用液壓驅動滾刀采收紫菜，作業時刀具運行平穩，船艙整潔度和操作員作業舒適度較高。矢田貞美[34]分析了打采式紫菜采收船(圖3a)起簾裝置的受力和切割裝置(圖3b)的運動軌跡，得出起簾裝置入水角較小時，增大拉力，阻力會隨之減小，易于采收作業的操控；當切割點越靠近紫菜根部時，紫菜所受剪切應力越大，采收效果更優；切割裝置刀片數為3片時采收效率最高，且留茬平齊。韓國的崔敏浩[35]改進滾刀式紫菜采收機，增加了螺旋輸送裝置，可有效收集紫菜。韓國大同商社[36]開發了一種打采式紫菜采收機(圖4a)，增加了一種自動噴淋裝置(圖4b)，可起到減小接觸摩擦的作用，并且可使紫菜延豎直方向展開，防止與網簾粘連，避免漏割現象發生，與未安裝此裝置相比增加了10%的采收量。金玉山等[37]研究了打采式采收裝備刀具壽命和生產效率的關系，發現當刀具行進速度0.53 m/s、轉速為700～800 r/min時刀具的使用壽命最長，且采收效率可達1.15～1.26 kg/min。Hong等[38]為解決人工起簾費時費力問題，在采收船前部設計安裝了網簾自動俯仰裝置，控制系統由比例積分(PI)控制閥、液壓缸和線性差動傳感器(LVDT)等組成，通過控制流量實現自動起簾。田中健一[39]為解決采后紫菜輸送問題，在采收船上增設了粗切與泵送設備，采后紫菜經粗切后由撓性泵輸送至運輸船或碼頭，輸送效率極高。

目前，中國雖有仿制國外的紫菜打采機在生產中應用，但較國外仍存在設計水平低、配套設施簡陋、裝備集成度差等問題，裝備技術的原創性、先進性以及適應性較日本、韓國等國還有明顯差距，具體表現為：

中國在20世紀90年代末從日韓等國引進全浮動筏式和支柱式栽培模式，也是目前中國壇紫菜產區主要采用的栽培模式，而條斑紫菜主產區大多采用半浮動筏式栽培模式生產，該栽培模式落潮后露出的干灘與淺灘為剪切式紫菜采收裝備提供了良好的作業環境，可推動剪切式紫菜采收裝備在中國的進一步發展。中國早期的剪切式紫菜采收裝備主要以自行設計為主，朱日超等[40]設計了一種適用于半浮動筏式退潮淺灘作業的船用紫菜收割機(圖5)，主要由組合剪切收割器、傳動機構、驅動設備、防護機構等組成，可任意調節剪后紫菜留茬長度，作業效率是人工的8～10倍，實現了紫菜的快速采收；為保證留茬長度一致，徐祥來等[41]設計出一種剪切式紫菜采收機，工作時通過曲柄連桿驅動動刀排與定刀排形成剪切效果，該機切割質量高，具有結構可靠和傳動平穩等優點，可滿足大面積高效紫菜采收需求。母剛等[42-43]發明了一種集自動起簾、剪切、收集與輸送等功能于一體的紫菜刈割船(圖6)，通過鏈式割刀剪切紫菜，具有不破壞網簾，紫菜留茬整齊且損傷小等優點。然而，上述采收裝備技術均處于實驗室開發階段，未進行大規模應用，實踐效果有待檢驗。

(2)紫菜采收裝備技術及配套設施落后。紫菜采收作業通常在冬季進行，作業時偶伴有雨雪及大風等極端天氣，中國的紫菜采收船多由泡沫浮桶和木板拼接制成，抵抗風浪能力差安全系數低，且泡沫長期在水中易脫落造成白色污染[42,53]；另外，中國的采收設備幾乎都由柴油機皮帶驅動，冬季冷啟動困難、振動和噪聲大、紫菜纏刀事故頻發[54]。此外，采收設備作業時因缺少目標網簾自動對準和相鄰網簾避讓智能系統，導致采收效率低、自適性差及損壞栽培網簾等問題。

(3)采收模式與集約化水平有待提高。當前中國的紫菜采收作業方式多為船載，采后紫菜無收集與輸送裝備，直接落在甲板上需大量的人力和財力完成收集輸送等工作，且人工作業時會踩踏紫菜影響其品質。此外，國外在紫菜采收同時對留茬進行酸化消毒，可減少患病并去除影響紫菜生長的雜藻[55-58]，雖然國內也有酸化處理環節，但未與采收過程集成[59]。

3 中國紫菜機械化采收裝備技術發展對策

(1)加強紫菜生物力學特性研究。通過研究紫菜的形態性狀(葉狀體長度、寬度、厚度、體積、質量等)并進行通徑分析，獲取紫菜采收結構設計與仿真分析所需參數；研究不同部位、品系以及生長周期等對紫菜葉狀體抗拉強度、剪切力、粘附性等力學性能的影響[60]，為紫菜采收機械設計、關鍵技術研究等提供理論依據。

(2)加強采收裝備理論設計研究。摒棄傳統經驗設計方法，基于現代機械設計理論，依托虛擬樣機技術，借助有限元和離散元法，研究切割機構與紫菜互作規律，優化采收結構參數[61]。建立刀具與紫菜的剛柔耦合模型，分析切刃運動軌跡并進行仿真研究，突破紫菜精準低損采收技術，提高紫菜采收效率，降低細胞損傷和紫菜損失率，進一步推動紫菜采收機械化進程。

(2)從化學分析、光譜分析資料看Y的含量在磷灰石中最高，且磷灰石中Y的含量相對穩定，變化不大，而磷灰石又是礦石的主要礦物應為工業利用的主要對象。

(3)加快采收系統自動化、智能化發展。隨著電控技術的迅速發展，將機械系統和液壓控制或電氣控制結合，提升紫菜采收自動化和智能化水平已成為主要發展趨勢[62]。應借助國外先進采收裝備的設計理念，結合傳感、機器視覺與物聯網等技術，開發網簾自動對準、采后留茬信息采集、品質智能辨識等系統，提高采收裝備自主學習決策能力和自動化水平。

1.1.2 氣候環境 秦安縣屬隴中南部溫和半濕潤季風氣候區，其特點是氣候溫和，日照充足，降水較少，干旱頻繁，夏無酷暑，冬無嚴寒，夏濕冬干。

(4)提高采收系統集約化水平。開發集紫菜網簾起升、采收、輸送以及消毒于一體的集約化采收裝備，研究低損固液混流輸送技術與裝備[39,63]，改進采后酸化消毒方式，研發環保酸化液，提高載具空間利用率[64]。提升采-收-消毒系統集成度、減少采收環節和用工成本、保障紫菜健康栽培、降低生態環境影響。

(5)構建紫菜全程機械化栽培模式。目前，中國紫菜栽培方式雖多但存在設施結構差異大、栽培工藝不統一等問題。通過制定符合紫菜機械化采收的栽培規范和標準，如統一網簾尺寸、掛苗間距和設施結構等，提高紫菜栽培設施在不同海域的通用性，研發與栽培工藝相融合的育苗、掛苗和采收設備，構建紫菜全程機械化栽培新模式，提升紫菜生產效益。

如何實現從事象到事件再到生活的雙重還原？或許，日常生活中的個體或集體敘事可以成為一種路徑。為此，本文提出敘事學作為研究策略，亦即敘事取向的回歸，以此拓展民俗學現有的表征和解釋空間，重新定位民俗學并回應民俗學學術傳統的歷史使命。在日常生活中講述故事是敘事取向的恰當策略，人們在講述過去場景時，傾向于將其按照時間序列表達出來。某種意義上說，民俗學、人類學的田野民族志也正是這樣的歷史敘事文本制作過程。在此過程中，藉由個體或集體敘事，民俗學研究路徑和研究對象的雙重還原得以完成，亦即還原到民俗學原本所應關注的日常生活實踐本身。

4 結語

中國紫菜機械化采收裝備技術與國外先進水平相比，仍存在紫菜物性研究空白、機械結構理論設計水平低、裝備集成度和智能化程度低等問題。需要通過自主研發，加強采收裝備理論設計研究，提高系統集成水平，開發適合中國紫菜栽培的采收裝備技術，推進紫菜栽培全程機械化，提高紫菜采收輕簡化率與生產效率，助力中國紫菜產業轉型升級與鄉村振興。

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