我國黑木耳機械化采收現狀及展望*

王明友，王帥洋，宋衛東，周德歡，王教領，丁天航

(1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014； 2. 南京航空航天大學機電學院，南京市，210016)

0 引言

我國是世界上最早栽培黑木耳的國家，人工栽培歷史已有1 300多年[1]。2019年全國產量達6 984 kt，同比增長4.0%，占世界總產量的90%以上[2]，其中黑龍江省2019年黑木耳干品產量就已達到270 kt[3]。近年來，隨著國家扶貧政策的持續推進，全國多個地區將黑木耳作為地方扶貧的農業主產業進行重點支持，特別是十九大之后，各地方政府將發展有中國特色的珍稀食用菌作為脫貧攻堅的主導產業，促使我國食用菌產業躍升為繼糧食、油料、果樹、蔬菜之后的第五大類作物[4-5]。

黑木耳屬于我國特有的珍稀食用菌，具有很高的營養價值，兼具食藥作用的副食品，可以降低患心血管疾病的風險[6]。全球黑木耳多集中于亞太地區的中國、日本、韓國、越南等地。我國地處北溫帶，氣候溫和、雨量充足，是世界黑木耳主產區，其主要分布在東三省、河南、湖北、山東、陜西、浙江、福建和廣西等省區。隨著人民對黑木耳生活習性的認知，我國黑木耳生產大致經歷了天然野生、原木砍花、段木接種和代料栽培4個階段[7]。

隨著黑木耳產業的發展，其生產過程中的機械化現已基本實現，包括栽培料制備設備、攪拌設備、制棒設備、滅菌設備、接種設備、養菌設施和菌棒發菌環境控制設備等；同時，在黑木耳優勢主產區內，也相繼建立起了標準化的菌棒生產、培養和配送中心，形成了較為完善的菌棒規范化生產技術、高效滅菌技術及接種和養菌技術等[8-9]。但黑木耳生產后期的采收環節，機械化程度還遠遠達不到產業的需求。當前，隨著適應勞動人口的減少，人工采收不僅費時費力，且采收過程很難做到統一標準，已嚴重影響了黑木耳產業的進一步發展[10]。黑木耳的采收過程中，由于黑木耳大小不一，需要進行選擇性的采摘，摘下成熟黑木耳的同時，要留下小黑木耳，以免影響黑木耳的產量；同時，因缺乏黑木耳機械化采收理論方面的技術支撐，導致尚未有成熟的機械化采收設備。并且采收過程中的設備采收速率、采收質量、采收效率等性能指標參數也處于空白。

因此，本文針對現有的黑木耳機械化采收設備與采收設備的專利情況進行分析歸納，重點對其工作過程與原理進行說明；并對機械化采收機構的研發現狀與采收的性能指標進行了闡述，最后對我國黑木耳采收設備的研發重點進行了展望。

1 黑木耳機械化采收設備發展現狀

目前，我國科研人員對黑木耳機械化采收技術的研究仍處于起步階段，采收機的機型多為專利概念機。由于國外黑木耳產業占比較小，尚無國外研究人員對黑木耳機械化采收設備進行研究。

采收機中的采收部件主要包括采摘機構、限位機構及上下料機構3大部分。根據采摘過程中運動部件的不同，采摘機分為菌棒自旋式、采集刀自旋式或繞菌棒旋轉式、采集刀沿菌棒直線運動式等；根據采摘時菌棒的位置不同，可分為臥式與立式；根據采集刀形狀及特性不同，可分為梳齒型刀、U型刀、采集爪、采集繩等；根據菌棒的限位原理不同，可分為對輥式自動限位、環抱型回彈式限位、限位針貫穿式限位、手持式限位等。

本文根據黑木耳栽培方式與生產規模，將黑木耳采收設備分為大型固定式黑木耳采收機、小型移動式黑木耳采收機和手持式黑木耳采收機3種類型。手持式黑木耳采收機只有采摘機構，由人工完成采摘裝置與菌棒的位置限定；小型移動式黑木耳采收機包括采摘機構、限位機構；而大型固定式黑木耳采收機除具備上述三大關鍵機構外，還應包括復雜的控制系統。大型自動化黑木耳采收機適用于大批量工廠化種植；手持式黑木耳輔助采收機在小批量掛袋種植中比較受歡迎；在散戶種植中，小型移動式黑木耳采收機及手持式黑木耳輔助采收裝置均有所應用。

1.1 大型固定式黑木耳采收設備

莊宗欽等[11]提出了一種全自動黑木耳采摘機，該采摘機通過人工進行上料，在重力與進料輥的雙重作用下，緩慢進入采集籠中進行采摘。采集籠與定位擋板固連在機架上，菌棒完成定位后，采集刀做圍繞菌棒的圓周運動，從而將黑木耳采下。在出料口，通過傳送帶實現菌棒的自動出料，同時菌棒與黑木耳分離，大大減輕了工人的工作量。但該款機型仍為專利概念機，尚未在生產實際中進行應用。

央視“我愛發明”于2018年11月報道了吉林延吉遲慶凱[12]發明的全自動黑木耳采摘機。該機器適用于大批量地栽模式，雖經過多次改進，但在實際應用中仍然達不到理想效果。該機器將黑木耳采收分為3個過程：上料、采收與下料，工作時需要3名工人配合操作。機器工作時，通過旋轉臺的定角度旋轉可以實現采集與上下料工作模式之間的切換。在上料區，可由1名工人操作，將菌棒放入采收籠里，經過機器自動對菌棒的定心扶正、夾緊等操作，菌棒在轉軸的帶動下進行旋轉，采集刀沿菌棒軸向方向放置且沿軸向進行往復運動，菌棒與采集刀之間產生相對速度，黑木耳在采集刀的作用下脫離菌棒。該機器通過設置菌棒與采集刀之間的徑向距離，來控制采集刀采下的黑木耳大小。在下料區實行菌棒與黑木耳的分離，方便工人收集黑木耳，重新擺放菌棒。

賈桂波[13]提出了一種流水線臥式黑木耳采收機。該機通過毛刷將黑木耳采下。工作時，上方滾刷與下方輥輪形成一個采摘通道，在通道內滾刷與輥輪旋向相反，轉速不同，使進入采摘通道的黑木耳菌棒在二者的作用下產生旋轉，從而避免黑木耳的采收遺漏。同時，賈桂波[14]還提出了一種小型化的菌包黑木耳采摘機，原理與流水線臥式黑木耳采收機相似，通過柔性毛刷來采收黑木耳，所不同的是，這臺機器只有一對輥輪，操作時由工人將菌棒放置輥輪之間進行采收。

王盼等[15]設計了一種集培育與采摘為一體的黑木耳多功能培育收獲一體機。該機器設有菌棒培養基孔，并設有噴水功能，在培育過程中，菌棒放置在培養基孔內。黑木耳成熟后，每個培養基正上方設有單獨的機械抓手，將菌棒抓起并提升，通過一個直徑略大于菌棒的套筒將黑木耳采下。

上述分析的固定式黑木耳采收機中，僅有吉林延吉遲慶凱發明的黑木耳采摘機已實現專利樣機的轉化，其他的采收機現尚處于專利概念機或理想機。同時，所描述的自動化黑木耳采摘機均需人工輔助上下料，自動化程度不高，且因采收過程中仍存在大量問題，即使是在大規模種植中也應用較少[16]。

1.2 小型移動式黑木耳采收設備

遲慶凱[17]提出了一種小型移動式黑木耳采收機。該采收機可人工推行。工作時，人工將菌棒從機器上方送入料口，壓下菌棒的同時環抱型扶正機構收緊，對菌棒進行扶正。此時，按下采摘開關，菌棒在底座的帶動下轉動，固定在機架上的采集刀，上下震蕩，將成熟黑木耳采下。

張洪波[18]提出了一種適用于掛袋式黑木耳種植的小型可移動式黑木耳采收機。采摘分為4個過程，通過采收機的旋轉分別對菌棒的前、后、左、右面進行采摘，避免了將掛袋菌棒取下再裝上的繁瑣步驟。同時，該采收機的采摘機構通過多條柔性繩張緊之后產生的夾緊作用將黑木耳采下，大大減小了采集過程中的碎耳率。

黑龍江省牡丹江林業科學研究所的鄭煥春等[19]提出一種電動黑木耳采摘機。該機通過固定針插入菌棒實現菌棒固定，工作時菌棒旋轉，梳齒狀爪牙采集刀通過柔性裝置與機架固定相連，與菌棒之間產生速度差，完成黑木耳的采摘。同時鄭煥春還提出幾種不同動力源的黑木耳采摘機，如腳踏式[20]、電動凸輪式[21]等，采摘原理基本與電動黑木耳采摘機相同。

劉學[22]提出了一種立式小型黑木耳采摘機。該機采用菌棒旋轉，采集刀沿軸向往復移動的方式進行黑木耳采收，菌棒可從側面進入，減少了工作人員從采摘機上面放入黑木耳菌棒的不便。同時，為適應市場上兩種不同尺寸的菌棒，扶正定位機構可更換，機架設計為可伸縮式結構，大大提高了采摘機的通用性。

劉勝利[23]提出了一種小型移動式黑木耳采摘機。該機采用臥式采摘的方法，將菌棒放置于4個輥輪構成的V字形采摘籠里，菌棒在輥輪的帶動下自動進行定位，通過輥輪之間的旋轉、夾取作用采收黑木耳。輥輪表面由柔性材料構成，可大大減小黑木耳采摘的碎耳率。

李精敏[24]提出了一種可移動式黑木耳采收機，在地栽式和掛袋式栽培中均可應用。該采收機通過吸氣風機產生吸力，將黑木耳通過柔性風管吸入采集箱。工作時，由工作人員手持柔性管，將管口放置在黑木耳側面，通過限位鋼絲的長度來控制要留下的黑木耳大小，達到“取大留小”的效果。

與大型固定式黑木耳采收設備的專利申請相比，小型移動式黑木耳采收設備也以專利概念機為主，且為單菌棒采收，旨在減輕勞動者的工作量。工作時，由人工完成上下料工序，并且采摘機需要跟隨工作人員移動。因此，小型移動式黑木耳采收機的動力源一般是可移動的，比如采用蓄電池供電、人力驅動等。同時，采收結構的研究中，小型移動式黑木耳采收設備提出了各式各樣的摘取方式，比如氣動式吸附摘取、張緊繩的夾取作用摘取、柔性采集刀摘取等，這都為黑木耳采收設備的研究開闊了研究思路。

1.3 手持式黑木耳采收設備

宿明偉等[25]發明了一種手持便捷式黑木耳采摘機。該機安裝在電鉆等能夠提供周向運動的動力源上，進行手持采摘，可降低黑木耳種植戶的生產成本。工作時，將裝置長軸線與黑木耳菌棒垂直放置，通過采摘棒與黑木耳的摩擦作用，完成黑木耳采收。

手持黑木耳采收機械目前研究較少。但在人工采摘過程中，工人一般會采用一些小工具來降低勞動強度，例如在黑木耳收集捅內放置一個可旋轉的底座，手上持有簡單采摘工具等。這些小機構是黑木耳采摘機械的原型之一，應當是科研工作者關注的重點。

2 機械化設備采收指標與影響因素

因現有的機械化采收設備開展的應用示范較少，目前尚未形成統一的采收設備性能指標。因此，本文依據人工采收的作業效果與消費者對成熟黑木耳的品質要求，將黑木耳機械化采收設備的性能指標分為采收合格率(采大留小)、漏采率、破損率和作業效率等。

成熟的黑木耳采收具有時間短、采收次數多等特點。黑木耳采摘季，如不及時采摘，將出現爛耳現象，造成菌棒后期出耳率降低，產量與質量下降。因此，采摘設備首要是保證工作效率，達到少量人工即可快速采摘黑木耳的效果。熟練工人采摘菌棒數量為每小時80～100棒菌菇、13～17 kg黑木耳，人工費用為12～14元/h。同時，人工采摘連續工作后，采收合格率、生產率明顯下降。以遲慶凱發明的全自動黑木耳采摘機的現場試驗表明，該機每小時可采收1 580棒菌棒，262 kg的黑木耳，在相同人數情況下，是人工采摘速度的6倍。

另一方面，黑木耳采收設備的設計還應考慮黑木耳的采收合格率、漏采率、破損率等指標。目前采收設備主要從采摘機構的運動形式，采集刀的位置、材料、結構等因素來確保采收質量。如在菌棒自旋式采收設備中，則通過控制采集刀與菌棒距離來調節采收木耳大小；相對距離近，則采收漏采率降低，采收合格率同時變低；反之，則采收漏采率升高，采收合格率變高。因此，合適的相對徑向距離能夠適當提高采收機的采收合格率，降低漏采率。并且采集機構合適的運動形式也可以提高采收質量，如在菌棒固定，采集刀繞菌棒旋轉式采集機構中，由于菌棒靜止不動，可大大降低采收過程對菌棒的損害。除此之外，采集刀采用柔性材料，或者具有合適的結構，能在保證工作效率的同時，提高采收的合格率，降低破損率。

3 存在問題

在人工采收成本逐年提高的背景下，現有的黑木耳機械化采收技術遠遠無法滿足黑木耳產業的發展需求。目前的黑木耳機械化采收技術存在很多問題。

3.1 現有采收設備采收效果差

大型固定式采收機造價成本高，不便移動，無法進入菌田內部，菌農人工搬運菌棒上下料距離長、用工大，不利于在市場上推廣；小型移動式采收設備，同樣存在需要菌農反復彎腰上料、機器使用不方便的問題；手持式黑木耳采收設備僅起到輔助人工采收的作用，對采收效率的提升作用有限。針對黑木耳機械化采收的“采大留小”問題，目前的研究思路普遍根據黑木耳的生長高度來手動調整刮板與菌棒的距離，從而實現有選擇性地采收。在這樣的原理下，采收合格率容易受到菌棒定位精度的影響，采收效果不佳。同時，在現有的采收設備中，由于缺乏高效率的上下料裝置，機械化采收帶來的采收效率有限提升難以成為機械化采收的競爭優勢。

3.2 菌機菌藝結合度低

在黑木耳機械化采收技術推廣過程中，另一個重要的問題是菌機菌藝結合度較低的問題。在一些品種的采收過程中，由于黑木耳根系發達，機械化采收容易帶下大塊培養料基質，影響下潮出耳，從而造成黑木耳產量下降。除此之外，一些品種的黑木耳彈性不夠，在采摘過程中容易破碎，還有一些品種連朵生長，采收難度較大。現有采收機大多沒有考慮不同品種之間的差異性，對于品種的宜機化培育也少有人研究。

3.3 研發投入少，研發難度大

我國黑木耳的機械化采收技術研發正處于起步階段，尚未得到科研工作者的重視，研發投入較少。黑木耳采收具有采收時間的集中性、采收品質的選擇性等特點，在采收過程中，需要在“采大留小”的基礎上實現高效率采收，這對黑木耳采收機械的研發提出了很大的挑戰。同時我國黑木耳的出耳管理模式多種多樣，主要分為吊袋式、畦栽式、層架式、斜靠式等，不同的模式也大大增加了機械化采收設備的難度。

4 發展趨勢

4.1 采收設備專業化

傳統黑木耳種植方式為段木栽培，20世紀50年代后期以來，代料栽培成為重要的人工種植方式[26]。目前我國主要存在兩種主栽模式[27]：東北地區流行的17 cm×33 cm短粗型菌棒與浙江的15 cm×55 cm細長型栽培袋。因此，針對采收機的研發工作，除大型自動化黑木耳采收機以外，采收機可分別進行開發，兩種研發路線相互取長補短，共同推進黑木耳采收技術的發展。

4.2 采收設備輕簡化

黑木耳機械化采收設備的研發要與不同產區的黑木耳栽培模式、生產規模相匹配，在現有的拌料、裝袋、滅菌、接種、環控等黑木耳生產裝備基礎上，開發出與黑木耳輕簡化生產相配套的采收設備，實現生產中的菌機與菌藝相融合[28]。

4.3 采收設備智能化

由于黑木耳多潮采收的特性，傳統的機械設備很難避免損傷耳片或菌棒。因此，研發的黑木耳采收設備不應局限于現有的機械形式，可運用仿生機器人，多自由度的具有識別功能的機械手等技術精確識別，做到精準采摘，從而有效避免損傷耳片。除此之外，融合采收、干燥等工序的一體機，面向黑木耳工廠化種植全過程的相關配套機械，都應當得到發展。

5 結語

采收作為當前黑木耳生產中尚未實現機械化作業的最后工序，是產業提檔升級的必要環節，其機械化程度直接制約黑木耳規模的發展。因此，未來一段時間內，黑木耳機械化采收設備應重點突破：(1)完善黑木耳采收理論研究，形成系統的、完整的理論體系，夯實黑木耳采收設備研發基礎；(2)攻克采收過程中的“采大留小”關鍵技術，完成自動識別與診斷，為采收設備的自動發展奠定基礎；(3)將自動采收、分級、烘干等一體化新技術融入到整機中，推進設備一體化發展。