筏式養殖海帶收獲裝置的發展現狀

常宗瑜，張 揚，鄭中強，萬 榮，張志新

(1 中國海洋大學工程學院，山東 青島，266100；2 山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島，266100；3 上海海洋大學海洋科學學院，上海，201306；4 榮成市海洋與漁業局，山東 榮成，264300)

海帶(Laminariajaponica)不僅是一種營養豐富的海洋食蔬，而且因其富含褐藻膠、甘露醇和碘等成分，也是醫藥保健、海藻化工等領域的重要原料[1-4]。中國是世界上最大的海帶養殖國，海帶產量逐年增加，2016年總產量達到146萬t[5-6]。近年來，海帶養殖業在山東榮成、福建霞浦等地區已成為當地的支柱產業之一[7-8]。韓國、日本等國家的海帶養殖業也發展迅速[9-20]。浮筏式養殖是我國北方沿海地區海帶養殖最常見的模式，具有產量高、海域空間利用充分等優點[21-24]。目前，筏式養殖的海帶主要采用人工方式采收，勞動強度大、勞動生產率低，而且高強度作業存在安全和健康隱患[25-26]。隨著海帶養殖技術的快速發展，海帶產量迅猛提高，海帶采收過程對勞動力的大量需求以及勞動費用急增成為海帶養殖業發展的瓶頸因素。因此，機械化海帶采收是必然的發展趨勢[27-29]。近年來國內海帶養殖機械化取得了較快的發展，已有若干種海帶機械化加工裝置進入試驗階段[30-33]。但是距大規模推廣使用仍然存在較大的差距。本文對中國北方海域筏式養殖海帶采收裝置的發展狀況進行綜述，對當前海帶收割裝置的構成、特點進行深入分析，指出其中所存在的問題，為海帶機械化采收裝置的發展提供參考。

1 筏式海帶養殖模式

海帶全人工筏式養殖的形式多種多樣，包括垂養(圖1a)、平養(圖1b)、先垂后平、單筏一條龍(圖1c)、潛筏平養(圖1d)和方框筏平養等6種形式，其中以垂養和平養為主[34-36]。海帶養殖的筏架有單筏和雙筏，北方海區均采用單筏，而南方海區兩種都用。由于單筏結構對平養和垂養均適合，所以是目前海帶筏式養殖的主要類型。單筏結構包括一根綆繩、兩根錨繩、兩個重物錨(或木橛)和若干個浮球組成。

海帶單筏平養具有海域利用率好、產量高等優點，在北方海帶養殖中得到廣泛應用。其結構形式如圖2所示[37]。浮筏由若干條平行的綆繩等間距布置，在海面的綆繩通過錨繩延伸至海底，通過海底重物錨或木橛錨系在海底；綆繩與錨繩連接處各有4個相鄰的大浮球，綆繩其他位置上均勻分布著大浮球以保證浮筏漂浮在水面上[38]。相鄰的綆繩之間通過吊繩平掛著海帶苗繩，在海帶苗繩上生長著若干株單獨的海帶，有的苗繩是通過兩根短苗繩相連組成一根長苗繩，中間可以通過連接不同浮力的小浮球以調整浮力和苗繩所處于水層的深度。吊繩的長度可以通過吊扣調整，達到間接調整海帶在水面以下的深度。

圖1 海帶筏式養殖形式結構示意圖

圖2 海帶平養筏式結構示意圖

2 手工海帶收獲過程

每年5—7月為北方浮筏式養殖海帶的收獲季節，在采收過程中每兩個工人為一組，搭乘小舢板由拖船拖至海帶養殖區進行海帶收割[39]。人工收獲過程如圖3所示[40]，首先把小舢板橫在綆繩中間，船頭船尾各站一人，船頭工人先行解扣，船尾工人隨之對另一端進行解扣，之后通過人力將海帶苗繩連同海帶拉至小舢板上，并將長苗繩分為兩根短苗繩，后將苗繩整齊地碼放小舢板上。圖4是筏式養殖海帶人工采收的情景。

圖3 人工收割海帶過程示意圖

圖4 人工收割海帶

3 海帶采收設備的發展現狀

3.1 大型海帶采收裝置

當前有若干種大型海帶采收裝置。圖5為一種通過傳送帶切割收獲野生海帶的海帶收割船“Kelsol”[41]，圖6是帶有單臂吊的大型收獲船“Seaweed trawler”，采用機械手爪進行海帶捕撈[42]。由于這些收割船船體結構龐大，能夠很好地保持船舶在海洋中的穩定性，抵抗大的風浪沖擊，但大型收割船只適合較寬闊海域的野生海帶收獲，不適合筏式養殖。

3.2 中小型專用筏式養殖海帶采收裝置

3.2.1 繩鉤組合式

圖7a為一種繩鉤組合式的海帶收取裝置[43]，在船上安裝垂直桅桿，通過桅桿上滑輪和繩索吊拉海帶，可減少勞動強度。這種裝置可以利用簡易船體，在其上方添加支撐桿即可運用到實際收割作業中，組裝拆卸都很方便，主要用于中國南方地區。圖7b為該采收裝置實際使用場景。另有一種半潛式海帶收獲裝置[44]的結構和原理與繩鉤組合式海帶收取裝置相似，只是在船體兩側對稱地增加了可以調節浮力的變位浮筒，能夠根據實際情況和需要調節吃水深度，以節省拖拽海帶所需動力。

圖5大型海帶收割船圖6單臂吊型海帶收割船

Fig.5 Large-size kelp harvesting boat Fig.6 Single-arm crane kelpharvesting boat

圖7 繩鉤組合海帶收割設備

3.2.2 鏈驅動式

鏈驅動式海帶收割設備在轉場航行和工作時采用不同的前進方式，航行時依靠螺旋槳推進，工作時采用鏈拖拽驅動。根據收獲艙可分為固定船艙式和移動船艙式，前者為船艙固定隨船體一起運動，后者采用舢板或其他運輸船作為海帶儲存和運輸。圖8是依靠鏈驅動的固定船艙式海帶收割設備[45]。

圖8 驅動海帶收獲船示意圖

該裝置利用船體兩側的拖拽鏈拖動綆繩帶動綆繩向后運動，從而使得船體前進，同時綆繩被依次提升和放下海帶苗繩順序進入收獲艙，隔斷吊繩，海帶就落到收獲艙。該裝置在收割海帶時為了提高收獲效率需要將吊繩割斷，增加了成本，不利于筏式設施的后續養殖。

圖9為采用鏈驅動的中小型海帶收割設備[46]。該裝置采用雙體船，以增加海上作業安全性。在雙體船的頭部兩側安裝有解繩器，同時在船體正前方中部添加海帶傳送網，將海帶從水中輸送至收割船中部船艙，船體兩側驅動鏈帶動綆繩向后運動。在此基礎上對該裝置進行了結構強度計算，并運用AMESim軟件對液壓系統進行了仿真分析，并進行了海帶收割實驗[47]。

此外，一種海產品收割船[48]能夠進行平養和垂養海帶的采收，解開平養海帶苗繩系扣就變成垂養海帶形式，通過船上的主動滾輪帶動綆繩移動，當苗繩移動到隔板位置時割斷苗繩使得海帶連同苗繩一起下落至船艙。一種放置在船體前部的海帶收獲裝置[49]，在前進過程中船體兩側的切割器將海帶吊繩切斷之后，中間傳送帶上掛鉤可將海帶從水中傳送至船體中部，但由于海帶受風浪流影響，傳送帶并不能實現整根苗繩的平穩運輸。一種帶有多組掛鉤板條傳送鏈的海帶收割機[50]，收割時要求工人采取手工解扣方式而不割斷海帶吊繩，可降低養殖成本、減少對養殖筏的損傷。

一些設計方案將海帶采收功能與運輸功能分開，海帶采收裝置直接或間接將海帶收獲至舢板或運輸船上，這樣就有效提高了海帶采收的效率。一種海帶收割裝置[51]將收割與運輸分離，該裝置可以與舢板搭配使用，還可作為大型運輸船配合作為收獲的主體部分，在船尾安裝螺旋槳或游艇掛機作為船體動力裝置，使裝置本身具有自航能力。一種帶有左右兩船體的海帶收獲船[52]，兩船體上方安裝有支架用于支撐苗繩輸送裝置，小舢板位于兩船體之間，收獲時海帶從苗繩輸送裝置上依靠重力下落至舢板上(圖10)。一種U型船體的海帶收割機[53]，船體前部安裝有活動支撐板，可適應正常航行和收割作業兩種情況，船體中間通過放置運輸船裝載海帶，船體兩側帶有可升降功能的綆繩傳送鏈。一種浮式海帶收割機[54]，模塊化設計了導向、牽引、切割和輸送等裝置(圖11)。一種海帶聯合收割機[55]，利用懸掛輸送鏈對稱布置懸掛鏈軌道，運輸船可以安放在船體任意一側，方便轉移；懸掛鏈支架由活動支架支撐，高度可以調節。

圖9 新型海帶收割裝置示意圖

圖10海帶收獲船圖11浮式海帶收割機

Fig.10 Schematic diagram of kelpharvesting boat Fig.11 Schematic diagram of floating kelp harvester

最近出現了具有燙煮功能的海帶收割設備[56]。一種集收割和煮燙為一體的海帶燙煮船[57-58]，能夠充分利用海上豐富的海水資源，在海帶收獲上來之后直接煮燙，減少中間運輸環節，同時利用海水循環快的特點，可使煮燙水與冷卻水實現快速交換，可克服陸上燙煮的水資源浪費、污染環境問題(圖12)。圖13為帶有煮燙功能的海帶自動收割船進行海上試驗作業的情景[59]。

圖12海帶煮燙船圖13帶有煮燙功能的海帶收割船海上試驗

Fig.12 Kelp boatwith scalding function Fig.13 Sea trailof the automatic harvester with scalding function

表1 現有的海帶采收設備

4 分析與討論

4.1 海帶采收裝置結構分析

盡管目前海帶采收裝置的樣機和設計方案多種多樣，形態各異，但其主要包括動力、船體、行進、海帶苗繩捕撈與傳輸等功能模塊，此外多功能收獲船還含有附加功能如燙煮模塊等。除了共同的柴油機動力和船體外，海帶收獲裝置的差異主要體現在行進、苗繩捕撈與傳輸等功能實現方式上。

行進模塊是指海帶采收裝置在轉場和采收作業時的前進方式。一般來說，海帶采收裝置在轉場過程中行進方式主要采用螺旋槳或用拖船拖動。但在采收過程中除了仍然利用螺旋槳推進之外，很多海帶采收裝置采用傳送鏈及撥叉拖拽海帶綆繩和綆繩上的浮球產生前進動作。拖拽鏈的好處是能夠保持海帶收獲裝置始終處在兩條綆繩中間位置，前進過程相對穩定可靠，即使綆繩在浪流作用下有變形，對海帶收割裝置的前進影響不大。但該方法也有不足：拖拽綆繩時，其上的浮球容易被撥叉擠壓導致破碎，造成經濟損失；在不同潮位時，綆繩的張緊程度變化非常大，也會對裝置前進的效果產生影響。

海帶苗繩捕撈和分離模塊是指海帶采收裝置能可靠撈起海帶苗繩并將其從綆繩上分離下來，再將其傳輸到給定位置。在各種采收裝置中，捕獲海帶苗繩的方式有兩種，一種是采用吊車繩勾住苗繩，然后分離；另外一種是在海帶裝置沿著綆繩緩緩前進過程中讓苗繩沿著傾斜支架慢慢滑升到采收裝置上。分離海帶苗繩的方法大多采用手工解開連接苗繩和綆繩間的吊繩扣，這是限制提升海帶采收效率的主要瓶頸。另外，也有一些采用割刀自動切斷吊繩，但由于這樣會破壞浮筏的整體性，增加海帶養殖成本，所以海帶養殖者希望采收時不切斷吊繩，并可重復使用。

此外，很多研究者提出將采收的海帶直接運送到海帶運輸船上以提高海帶采收效率，如提供舢板運送海帶，以減少收獲船往返、提高效率。將海帶直接在采收船或運輸船上進行加工處理，如煮燙、晾曬等，這樣不僅可提高加工效率，更可減少海帶采收后在岸上晾曬、漂燙等作業所帶來的環境污染。但這些設想仍然處于方案設計階段。

現有的一些海帶采收裝置功能情況見表1。收獲裝置的行進主要采用螺旋槳，或螺旋槳和拖拽鏈共同推進；海帶苗繩捕撈和傳送大部分采用傳送鏈方式，但也有個別采用鉤子和單臂吊；海帶運輸采用船體本體或者舢板，但依靠舢板運輸是未來發展趨勢，即收獲船本體只進行收割，不承擔海上到碼頭之間的運輸。多功能收獲船的出現使得收獲船不再是單一的收割作業，還可進行海帶收割后的初加工，這也是未來機械化發展的趨勢。

4.2 海帶采收裝置研發需注意的問題

海帶采收裝置是海帶養殖生產過程中的重要設備，對于提高海帶收獲效率、降低勞動強度、提高安全性具有重要意義。但由于采收對象和采收環境的特殊性，其研制也存在很多困難。

(1)海帶養殖模式和海帶機械化采收之間存在矛盾。筏式海帶養殖模式是長期實踐形成的一種有效養殖方式，但主要是為了手工收獲的方便，比如海帶苗繩的長度設計(兩段連接，每段2.5 m左右)，就是考慮到海帶成熟后整根海帶苗繩的重量較大(約100 kg)，一般成年人有將其拖上舢板的體力。然而，如果為了適應海帶的自動化收獲，海帶采收裝置和養殖模式的相關參數需進行統籌考慮。

(2)海帶養殖處于復雜的海洋環境中，浪流等載荷作用會影響海帶的形態和采收裝置的作業效果，因此對海帶收獲裝置提出了更高的要求。再考慮海帶具有柔、軟、滑的特點，又給海帶苗繩的高效捕獲和分離裝置設計提出了更大挑戰。同時，需要考慮海帶收獲裝置作業時與包括梗繩、苗繩等海帶養殖設施和海帶的相互作用。

(3)中國北方地區海帶收獲時間僅在每年5—7月，南方地區偏早一些，但總體上一般僅有3—4個月，海帶收獲裝置的使用周期較短，購置成本較高，收回成本需要較長時間，還需要國家像對農業機械推廣一樣給予一定的政策扶持。

(4)一定要考慮海帶收獲設備使用和維護中的安全問題，從設備設計、培訓等方面入手，避免使用過程中給操作人員的安全和健康帶來負面作用。

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