祁正棟，連國黨，李亮亮，王立強，劉向東

(新疆理工學(xué)院機電工程學(xué)院，新疆 阿克蘇843000)

0 引言

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(jīng)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(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)的問題不斷出現(xiàn)，以及萬壽菊中相關(guān)色素在抗癌和抗衰老等方面藥用功效明顯，人們對萬壽菊的需求不斷增加，關(guān)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(jīng)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(zhì)和收益，是大力發(fā)展萬壽菊產(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(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(yīng)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(dá)1.33萬hm2，其中南疆莎車縣是國內(nèi)最大的萬壽菊種植基地，種植規(guī)模約0.93萬hm2，產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈的比例最大，成為制約萬壽菊產(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始采摘，花農(nóng)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(nèi)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(yīng)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]。

2 采摘現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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(nèi)外針對萬壽菊機械化采收已經(jīng)嘗試開發(fā)了一些專用收割設(shè)備。

WILLOUGHBY R A[22]設(shè)計的萬壽菊采摘與收集設(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(yīng)用。

JANTSCHI L等[23]設(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)采摘收集一體。試驗結(jié)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(shù)進行研究，設(shè)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(shù)、開花日期和花序干質(zhì)量等因素進行考慮，設(shè)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(shù)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(shù)對萬壽菊進行精確識別與計數(shù)研究，試驗表明，其識別的平均誤差為5%，該技術(shù)可應(yīng)用于萬壽菊的機械化采摘及其產(chǎn)量估算。SHREE C等[27]基于多特征卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究萬壽菊自動化識別計數(shù)及采摘技術(shù)，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(zhǔn)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(jié)構(gòu)與洋甘菊相似，因此可以嘗試?yán)醚蟾示盏氖崭顧C進行收割萬壽菊，如VESELINOV B等[15，28-29]利用現(xiàn)有洋甘菊梳齒式收割機收割萬壽菊，試驗表明，當(dāng)收獲裝置對花序帶寬度的相對穿透系數(shù)設(shè)為R=1.3時，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(shè)計了一種自動分離花序的系統(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)機修理部人員聯(lián)合設(shè)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(zhuǎn)的梳齒強行將花朵拉斷，近而達(dá)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(yán)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(dá)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(fù)作業(yè)。該機結(jié)構(gòu)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(xué)[33]發(fā)明了一種便攜背負(fù)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(jié)構(gòu)簡單，設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究，可達(dá)到較好的采摘效果。

國外早在20世紀(jì)初期就已對萬壽菊種植、規(guī)模 化生產(chǎn)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(chǎn)萬壽菊而著名[38]。在萬壽菊葉黃素開發(fā)應(yīng)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(nóng)業(yè)機械化水平相對較發(fā)達(dá)，機械化程度較高，主要原因如下。①發(fā)達(dá)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(guān)法律體系和制度健全，以及科研和補貼等專項經(jīng)費的大力投入。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)機械化方面應(yīng)用成為可能。

國內(nèi)自20世紀(jì)90年代開始種植萬壽菊，目前面積和產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到較大規(guī)模[40]。近年來，國內(nèi)對萬壽菊研究熱點主要集中于萬壽菊中各種化學(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，對萬壽菊機械采摘研究處于起步階段，少數(shù)基層農(nóng)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(guān)注。

3 采摘原理及方法

萬壽菊采摘原理的選擇對于獲得高質(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。菊科類采摘原理有2類：第1類是基于直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相結(jié)合的采摘原理；第2類是基于一對相對旋轉(zhuǎn)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(zhì))，空間旋轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)集成己有的結(jié)果。以上的采摘機理分析都集中在機械采摘設(shè)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(jù)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

4 制約因素及措施

萬壽菊機械化采摘對提高萬壽菊產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益起著至關(guān)重要的作用，從國內(nèi)外對萬壽菊機械化研究現(xiàn)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(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，因此采摘時必須格外小心且準(zhǔn)時，以確保盡量少采芽、莖和葉等無關(guān)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(yīng)采盡采、采凈率高且采摘過程中對植株損傷較少，這對農(nóng)機農(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，通過提高地面運動速度或增加工作寬度，以實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。但現(xiàn)有收割機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增長材料成本，需要新的采摘技術(shù)和改進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(fù)式等)，很難大面積和規(guī)模化作業(yè)，對萬壽菊增收起不到顯著作用。

(4)提倡規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化開展萬壽菊種植及提高栽培育種技術(shù)，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(nóng)文化水平及認(rèn)識，構(gòu)建完整種植體系結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

研究萬壽菊機械化采收技術(shù)及裝備能有效推動萬壽菊產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，使其具有良好的應(yīng)用前景，此外也能促進農(nóng)機新技術(shù)綜合應(yīng)用水平提高。雖然國內(nèi)外針對萬壽菊機械化采摘設(shè)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)?；?、大型化、自動化、智能化和高效率方向發(fā)展，生物技術(shù)、計算機技術(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)機設(shè)計研究中，形成“數(shù)字農(nóng)業(yè)”是必然趨勢。