祁正棟,連國黨,李亮亮,王立強,劉向東
(新疆理工學院機電工程學院,新疆 阿克蘇843000)
萬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,開發(fā)潛力巨大,是重要的經濟花卉[1]。被稱為“植物黃金”的葉黃素就主要來自于萬壽菊,其價格與黃金相當[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)的問題不斷出現,以及萬壽菊中相關色素在抗癌和抗衰老等方面藥用功效明顯,人們對萬壽菊的需求不斷增加,關注度不斷提高[4-5]。
目前,萬壽菊主要依靠人工采摘,勞動量巨大、效率低、成本高、費時、易傷花且易引起花粉過敏,人工采摘尤其受天氣因素制約,且萬壽菊采摘后需立即進行防氧化及保鮮處理,操作不及時易造成巨大經濟損失。因此,解決萬壽菊機械化采收問題能顯著提高萬壽菊采摘效率、品質和收益,是大力發(fā)展萬壽菊產業(yè)標準化及規(guī)模化的重要措施。
萬壽菊依用途可分為觀賞萬壽菊與色素萬壽菊;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]。常見品種主要有安提瓜系列、發(fā)現系列、“印卡”系列、泰山系列和皺瓣系列等,其植株形態(tài)結構如圖1所示。萬壽菊株高60~100 cm,花莖7~10 cm,60 d左右開花,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,整個生長期可采摘7~10次,喜光,適應性強,管理簡單,含有豐富的葉黃素和黃素脂肪酸酯[8-12]。目前,新疆萬壽菊種植面積達1.33萬hm2,其中南疆莎車縣是國內最大的萬壽菊種植基地,種植規(guī)模約0.93萬hm2,產品主要用作提取天然色素葉黃素[13-14]。
萬壽菊人工采摘是勞動密集型的作業(yè),人工采摘的成本占整個萬壽菊產業(yè)鏈的比例最大,成為制約萬壽菊產業(yè)發(fā)展的重要因素。人工采摘的花序大多屬于品質最好的產品,但是采摘效率較低,人均僅約4 kgh的新鮮質量[15]。每天上午露水消失后開始采摘,花農用手指輕掐花朵,采摘時花心未完全開放,花梗不超過1 cm為最佳,采摘后裝塑料袋或筐內立即存貯在陰涼處后送加工廠[16-17]。萬壽菊采摘必須做到“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]。采摘后應及時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]。
萬壽菊在美國、英國、德國、法國、比利時和丹麥等國家均大量分布,我國新疆、云南和吉林等地區(qū)均大量種植。國內外針對萬壽菊機械化采收已經嘗試開發(fā)了一些專用收割設備。
WILLOUGHBY R A[22]設計的萬壽菊采摘與收集設備,如圖2所示,采摘頭上安裝可自由伸縮的類似指狀物梳齒進行采摘,采摘后的物料進入分選系統(tǒng),干凈的花朵落入花箱,花瓣、未開放的花蕾、葉子、莖和干碎片等被傳送帶篩選后落入垃圾箱,但該機對花序損失較大,采摘效率較低,未在實踐中應用。
JANTSCHI L等[23]設計的萬壽菊便攜式采摘機,由汽油發(fā)電機提供電源,采用螺旋刀旋轉梳子的方法進行采摘,被切斷后的花朵利用慣性落到采摘頭后面的收集袋中,實現采摘收集一體。試驗結果表明,該機采收率為60%~70%。MUSCALU A等[24]對萬壽菊機械化收割技術進行研究,設計了一種低容量、便攜式適用于小型采摘作業(yè)的收割機,田間試驗效果良好。
MELNYCHUK R[25]對萬壽菊不同品種的株高、莖粗、分枝數、開花日期和花序干質量等因素進行考慮,設置對照試驗研究了適合機械化收割的萬壽菊植株品種特征,試驗組中SO-99-3(波蘭品種)和SO-04-26(德國品種)是最佳機械化采摘品種。試驗表明,枝、芽數少,花期短(約50 d),株高超過49 cm的萬壽菊最適合機械化收割。SETHY P K 等[26]利用圖像處理技術對萬壽菊進行精確識別與計數研究,試驗表明,其識別的平均誤差為5%,該技術可應用于萬壽菊的機械化采摘及其產量估算。SHREE C等[27]基于多特征卷積神經網絡研究萬壽菊自動化識別計數及采摘技術,其識別系統(tǒng)如圖3所示,通過自動機器人系統(tǒng)檢測萬壽菊花球,檢測準確性87.79%,定位花球后機器人自動進行采摘,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,則無法識別。
由于萬壽菊植株的形態(tài)結構與洋甘菊相似,因此可以嘗試利用洋甘菊的收割機進行收割萬壽菊,如VESELINOV B等[15,28-29]利用現有洋甘菊梳齒式收割機收割萬壽菊,試驗表明,當收獲裝置對花序帶寬度的相對穿透系數設為R=1.3時,收獲總質量占總花序產量的百分比最高(84%~97%),且采摘效率與植株總花序數量有關,與洋甘菊相比一樣適用,采摘效果沒有明顯差異。此外,研究還通過統(tǒng)計萬壽菊莖、葉和花朵等幾何尺寸,設計了一種自動分離花序的系統(tǒng),分離效率達到92%。
新疆伊犁州察布查爾縣農業(yè)技術人員與農機修理部人員聯合設計、自主研制了新疆首臺梳齒式萬壽菊采摘機,如圖4所示。該機工作時懸掛在拖拉機前面與拖拉機配合使用,其原理主要通過旋轉的梳齒強行將花朵拉斷,近而達到采摘的效果,但由于該機盲采,采凈率較低,對花枝破壞較嚴重,故沒有完全推廣使用[30-31]。
歐解利[32]發(fā)明了一種便攜式萬壽菊摘花機,其主要采用兩葉剪刀片進行剪切萬壽菊花頭而達到采摘目的,剪刀的兩個葉片一個固定一個活動,可活動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),進行重復作業(yè)。該機結構簡單緊湊,使用靈活方便,采摘效率較人工采摘高。佳木斯大學[33]發(fā)明了一種便攜背負式萬壽菊雙臂采摘機,主要解決單臂采摘效率低,采摘器外配電源不方便問題。該機結構簡單,設計合理,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)時不受采摘環(huán)境的限制。劉瑞德[34]發(fā)明的小型結構簡單的萬壽菊采摘機,使用時利用圓形采摘圈套住萬壽菊花頭,采摘圈切刀與支架刀配合將萬壽菊花頭剪下,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壽菊,可以有效地解決萬壽菊人工采摘易過敏的問題。姬長英等[35-36]和樊俊等[37]對山地貢菊及杭白菊梳齒式采摘機進行結構設計與試驗研究,可達到較好的采摘效果。
國外早在20世紀初期就已對萬壽菊種植、規(guī)模 化生產和葉黃素提取等方面進行大量研究。如美國PanAmerican Seed公司、英國Thompson & Morgan公司及荷蘭SluisGroot公司等都以盛產萬壽菊而著名[38]。在萬壽菊葉黃素開發(fā)應用方面,美國Kemin公司、瑞士ROCHE公司和德國MAR-CUS公司等處于研究的前沿[39]。
國外農業(yè)機械化水平相對較發(fā)達,機械化程度較高,主要原因如下。①發(fā)達國家人工費昂貴,萬壽菊采摘需大量人工,機械化是必然發(fā)展趨勢。②起步早,相關法律體系和制度健全,以及科研和補貼等專項經費的大力投入。③深度學習、圖像處理和導航定位等高新技術快速發(fā)展,使其在農業(yè)機械化方面應用成為可能。
國內自20世紀90年代開始種植萬壽菊,目前面積和產量已經達到較大規(guī)模[40]。近年來,國內對萬壽菊研究熱點主要集中于萬壽菊中各種化學成分提取,以及相關功能、作用、栽培技術和育種等方面,對萬壽菊機械采摘研究處于起步階段,少數基層農機人員進行了簡易采摘機的自發(fā)研制。隨著我國萬壽菊種植規(guī)模不斷擴大,人工費用不斷增長,萬壽菊機械化必然引起更多關注。
萬壽菊采摘原理的選擇對于獲得高質量花朵,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。菊科類采摘原理有2類:第1類是基于直線運動與旋轉運動相結合的采摘原理;第2類是基于一對相對旋轉的刷對相互嚙合運動的采摘原理。對于萬壽菊采摘主要基于第1類采摘原理,水平直線運動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(花頭帶莖會影響葉黃素的品質),空間旋轉運動主要涉及到花頭撕扯及斷裂,以及被摘后花頭的運動軌跡相關的傳輸及收集問題,如表1所示為常見采摘梳齒類型、原理及特點[41-45]。
需要注意的是萬壽菊機械化采摘是一個系統(tǒng)工程,應集成己有的結果。以上的采摘機理分析都集中在機械采摘設計上,但育種、栽培、運輸、儲存和管理等問題的解決對萬壽菊采摘也很重要。每種機械采摘原理及解決方案也不盡相同,具體還要根據萬壽菊品種特點、種植模式及土地情況等因素綜合考慮。
表1 常見采摘梳齒類型、原理及特點
萬壽菊機械化采摘對提高萬壽菊產業(yè)經濟效益起著至關重要的作用,從國內外對萬壽菊機械化研究現狀分析,需解決以下問題。
(1)萬壽菊在采摘期開花各階段的花朵(如芽、花蕾)都出現在植物上,只有接近盛放期的花朵才是質量最佳的花朵,因此采摘時必須格外小心且準時,以確保盡量少采芽、莖和葉等無關的材料,這種采摘特性決定了采摘機要能夠多次、分期、差異化、應采盡采、采凈率高且采摘過程中對植株損傷較少,這對農機農藝融合和高新技術的應用要求比較高。
(2)就花序的質量和采摘效率而言,帶有梳齒部分的旋轉采摘滾筒可達到最佳效果,通過提高地面運動速度或增加工作寬度,以實現更高的生產率。但現有收割機的采摘效率受到滾筒轉速的限制,增加工作寬度也有限且會增長材料成本,需要新的采摘技術和改進采摘原理才能更高效地提高質量及生產率,如可以嘗試氣吸力式非切割方法等。
(3)目前我國萬壽菊機械化采摘程度非常低,主要是以小型便攜式采摘機為主(如手提式、背負式等),很難大面積和規(guī)?;鳂I(yè),對萬壽菊增收起不到顯著作用。
(4)提倡規(guī)?;蜆藴驶_展萬壽菊種植及提高栽培育種技術,加大科研、補貼及試驗示范等方面投入資金規(guī)模,提高花農文化水平及認識,構建完整種植體系結構。
研究萬壽菊機械化采收技術及裝備能有效推動萬壽菊產業(yè)高質量發(fā)展,使其具有良好的應用前景,此外也能促進農機新技術綜合應用水平提高。雖然國內外針對萬壽菊機械化采摘設備進行大量研制,但萬壽菊機械化采摘難題還未能真正解決,還有待進一步研究。萬壽菊的機械采摘必將向著規(guī)?;⒋笮突?、自動化、智能化和高效率方向發(fā)展,生物技術、計算機技術及遙感技術等一系列高新技術迅速向農業(yè)領域廣泛轉移且逐步應用于農機設計研究中,形成“數字農業(yè)”是必然趨勢。