枸杞機械化采收技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

摘要：枸杞機械化采收技術(shù)與裝備的研究是實現(xiàn)枸杞產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的重要途徑，對枸杞產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有著重要的推進(jìn)作用。在分析枸杞種植模式及生物特性的基礎(chǔ)上，重點闡述目前國內(nèi)枸杞機械化采收方式和采收裝備研究進(jìn)展，對枸杞不同的采收方式和采收裝備的作業(yè)特點和性能參數(shù)進(jìn)行對比分析，指出我國的枸杞采收機械化水平較低。針對枸杞機械化采收裝備關(guān)鍵技術(shù)、采收方式、農(nóng)機農(nóng)藝融合等方面存在的問題，提出規(guī)范枸杞的標(biāo)準(zhǔn)種植模式、改進(jìn)完善末端執(zhí)行裝置及加大枸杞采收裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究等對策建議，為枸杞高效低損的機械化、智能化采收技術(shù)與裝備的進(jìn)一步發(fā)展和研究提供參考。

關(guān)鍵詞：枸杞；收獲機械；機械化采收；農(nóng)機農(nóng)藝融合

中圖分類號：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0016-07

收稿日期：2022年8月29日" 修回日期：2022年10月17日*基金項目：甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項目（2020B—238，2021A—161）；蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項目（2020KJ—08）

第一作者：李彥晶，女，1984年生，甘肅甘谷人，碩士，副教授；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化裝備。E-mail： 937513890@qq.com

Research progress of technology and equipment for mechanized harvest of wolfberry

Li Yanjing1， Hu Zhongqiang2， Zhang Yaping1， Wang Jun1， Xu Jianheng3

（1. School of Automotive Engineering， Lanzhou Institute of Technology， Lanzhou， 730050， China;

2. Zhejiang Sifang Co.， Ltd.， Jinhua， 321302， China; 3. Zhejiang Crown Power Tools Manufacturing

Co.， Ltd.， Jinhua， 321016， China）

Abstract：

The research on the technology and equipment of mechanized harvesting for wolfberry is an important way to realize cost saving and high efficiency， and transform the development mode of wolfberry industry，which plays an important role in promoting the rapid development of wolfberry industry. Therefore， based on the analysis of planting patterns and biological characteristics of Lycium barbarum，the research progress on mechanized harvesting methods and equipment for wolfberry in China was emphatically expounded. It was also compared and analyzed the operation characteristics and performance parameters of different harvesting methods and harvesting equipment of wolfberry， it was pointed out that level of harvesting mechanization of wolfberry was still low in our country. In view of the problems existing in the key technologies of mechanized harvesting equipment， picking methods and integration of agricultural machinery and agronomy， countermeasures and suggestions were put forward to standardize the standard planting mode of wolfberry， improve the end-executing device and increase the key technologies of wolfberry harvesting equipment， so as to provide reference for the further development and research of mechanized and intelligent harvesting technology and equipment of wolfberry with high efficiency and low loss.

Keywords：

wolfberry； harvesting machinery； mechanized harvest； agricultural machinery and agronomy integration

0 引言

枸杞是一種季節(jié)性較強且分段成熟的茄科枸杞屬植物，在我國西北地區(qū)是重要的特色經(jīng)濟作物之一，具有較強的適應(yīng)性和耐旱、耐鹽堿性，藥食兩用，且藥理作用和保健功效較好，此外也可制酒和飲料［1-4］。近年來，我國枸杞種植面積約為2×105 hm2，主要種植區(qū)分布在寧夏、青海、甘肅、新疆和內(nèi)蒙古等地，其中寧夏是國內(nèi)枸杞的原產(chǎn)地和主產(chǎn)區(qū)，寧夏枸杞也最為出名，并且在2018年成立了我國首個枸杞研究院—中國枸杞研究院；青海野生枸杞資源豐富，不僅是枸杞生物多樣性發(fā)源地之一，而且是國內(nèi)枸杞的新興種植區(qū)；甘肅是枸杞傳統(tǒng)主產(chǎn)區(qū)，枸杞不僅是甘肅省的“十大隴藥”之一，而且是傳統(tǒng)道地藥材，更是農(nóng)民增收致富的“金果產(chǎn)業(yè)”和“綠色銀行”；新疆是我國枸杞種植最北區(qū)域，獨特的地理條件和區(qū)域氣候有利于枸杞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；內(nèi)蒙古將枸杞作為經(jīng)濟發(fā)展和退耕還林的“先鋒”樹種［5-7］。

目前，枸杞全程機械化生產(chǎn)主要由產(chǎn)前機械化（機械化育苗和移栽）、產(chǎn)中機械化（機械化植保和采收）和產(chǎn)后機械化（鮮果加工機械化）三大環(huán)節(jié)組成［8］。其中，枸杞的機械化采收是枸杞全程機械化生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)。隨著農(nóng)藥霧化理論、噴霧技術(shù)及植保無人機施藥技術(shù)取得的進(jìn)步與發(fā)展［9］，使得產(chǎn)中植保機械化水平明顯提升，但由于枸杞屬于漿果，果實小、果皮薄、水分大、易破損、枝條細(xì)軟交錯，在采摘期內(nèi)分批多次成熟，且邊開花邊結(jié)果邊采摘，同時枸杞采收受天氣的影響較大，使得產(chǎn)中機械化采收難度較大，而一些藍(lán)莓、櫻桃等漿果類采收機不能滿足枸杞機械化收獲的要求；此外，傳統(tǒng)的人工采收方式勞動強度大、效率低、成本高，這種采收方式已不能滿足社會生產(chǎn)需求，一定程度上限制了枸杞采收機械化水平。因此，為推動枸杞產(chǎn)業(yè)的高效快速發(fā)展，枸杞采收裝備雖然取得階段性進(jìn)展，但仍然存在一些問題，需要進(jìn)一步對不同枸杞采收裝備的研發(fā)開展深入研究。

本文在分析枸杞種植模式及生物特性的基礎(chǔ)上，重點闡述目前國內(nèi)枸杞機械化采收方式和采收裝備研究進(jìn)展，對枸杞不同的采收方式和采收裝備的作業(yè)特點和性能參數(shù)進(jìn)行對比分析，指出枸杞機械化采收裝備關(guān)鍵技術(shù)、采收方式、農(nóng)機農(nóng)藝融合等方面存在問題并提出相關(guān)建議。

1 枸杞種植模式及生物特性

枸杞的種植多屬密植型，種植模式主要有傳統(tǒng)種植模式和標(biāo)準(zhǔn)種植模式兩種。標(biāo)準(zhǔn)種植模式因其樹型主干豎直，樹高、樹寬、掛果枝條長短、行距和株距一致性好，掛果規(guī)律且具有同面性，宜進(jìn)行機械化作業(yè)等優(yōu)點而被廣泛推廣［10-12］。對甘肅省靖遠(yuǎn)縣栽植5年的部分成齡枸杞樹進(jìn)行實測，枸杞的行距為2.5～3 m，株距1.0～1.5 m，平均株高1.6 m，平均冠幅1.4 m，平均每公頃約4 500株左右。

枸杞的主要特性表現(xiàn)為兩點：一是果實與枝條、花與枝條之間的結(jié)合力F，即主要是青果果梗F1、成熟果果梗F2、成熟果果蒂F2′和花F3的結(jié)合力［13， 14］，研究表明：各處結(jié)合力的大小不同，F(xiàn)2gt;F1gt;F3gt;F2′，且結(jié)合力隨枸杞品種的不同也有差異；二是枸杞是“無限花序、連續(xù)花果”，在枸杞的采收過程中，如若損傷青果和花朵等［15， 16］，將直接影響下茬枸杞的產(chǎn)量。枸杞的采收通常在每年的6—8月（夏果）和9—11月（秋果）左右，根據(jù)果實成熟度的不同，其理化性質(zhì)不同，若采收早，則枸杞小而硬，且青果較多；若采收晚，則有爛果、莓果等，所以為了不降低枸杞的質(zhì)量和產(chǎn)量，在果實圓潤且成形飽滿時進(jìn)行采收，一般初果期平均采摘周期7～10 d，盛果期平均采摘周期5 d，末果期平均采摘周期7 d。枸杞機械化采收是限制枸杞產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸，提高枸杞采收機械化裝備水平，對實現(xiàn)枸杞高效低損機械化、智能化采收具有重要意義。

2 國內(nèi)外枸杞機械化采收技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

2.1 國外枸杞機械化采收技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

國外對漿果類采收機械的研究較多，但對枸杞的采收機械研究很少，So［17］針對韓國枸杞的生物力學(xué)特性，設(shè)計了一款振動式枸杞采收裝置。該裝置通過試驗得出最佳技術(shù)參數(shù)值：當(dāng)振動頻率為15～20 Hz，振幅為25～35 mm，振動時間為3 s時，采凈率為82%，采收效率為4.717 kg/h，是傳統(tǒng)人工采收效率的4.2倍，但國外枸杞生長特性和種植模式與我國不同，且該裝置的采收效率并不高，因此不適用于我國枸杞的機械化采收。

2.2 國內(nèi)枸杞機械化采收技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

我國是枸杞種植面積較多的國家，21世紀(jì)初國內(nèi)才對枸杞采收機械進(jìn)行研究，目前處于發(fā)展階段，主要在寧夏等幾個主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行研究。目前，枸杞采收機主要有便攜式枸杞采收裝置和自走式枸杞采收機兩大類，采收方式分為振動式、梳刷式、氣吸式、剪切式和組合式等，其中以振動采收方式應(yīng)用最為普遍，表1為不同采收方式的枸杞采收機性能比較分析。分析表明：不同的采收方式在采收作業(yè)過程中，采收效率雖比傳統(tǒng)采收均有不同程度的提高，但仍存在對熟果的漏采和對青果、花朵、枝條及葉片造成損傷及誤采現(xiàn)象，影響枸杞后續(xù)的生長和產(chǎn)量。后期研究人員可針對這些采收方式的枸杞采收機繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，最終達(dá)到對枸杞高效率、低損傷、機械化及智能化采摘。

1） 便攜式枸杞采收裝備。

目前，國內(nèi)枸杞采收裝備，主要以振動、梳刷便攜式為主，例如寧夏農(nóng)林科學(xué)院國家枸杞工程技術(shù)研究中心與寧夏某公司聯(lián)合研制開發(fā)的4ZGB-30型便攜式枸杞采摘機，首次實現(xiàn)了枸杞采摘樣機的研制，自此打破了數(shù)百年人工采摘的歷史，該采摘機通過偏心圓盤將瞬時力作用給枝條，使枸杞脫落，實現(xiàn)機械化采摘。

萬芳新等［18］通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗對便攜式枸杞振動采收裝置的結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低損傷率；張文強等［19］設(shè)計優(yōu)化針對枸杞枝條的振搖枸杞采收機，通過平移板上振搖指排使枝條產(chǎn)生晃動，實現(xiàn)枝條與枸杞的脫離、枸杞與梳刷的分離，采收效果較好。

張文強等［20］還設(shè)計并優(yōu)化手持變間距梳刷式枸杞采收裝置，通過梳刷與枸杞間產(chǎn)生的摩擦力將枸杞與枝條脫離，利用梳刷指間距變化的周期性，實現(xiàn)枸杞與梳刷指的分離，為枸杞機械化采收提供一種新型的末端執(zhí)行方案；馬永龍等［21］設(shè)計可根據(jù)果型大小更換梳板的手持式雙梳板可變間距枸杞采摘器，該采摘器有上下兩個梳板，工作時合二為一，梳齒為鐮刀狀，根部為等間距直齒，尖端為齒間距逐漸減小的斜齒，且為方便采收，梳齒的角度為鈍角，并指向手柄方向，采收后的枸杞落入收集盒，降低生產(chǎn)成本。

余水等［22］設(shè)計由采摘頭和果實收集盒組成的便攜式枸杞采摘裝置，該裝置利用旋轉(zhuǎn)的螺旋形采摘片，實現(xiàn)枸杞采摘，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，損傷率較小；陳軍等［23］通過振動和梳刷原理相融合設(shè)計便攜振刷式枸杞采收機，實現(xiàn)枸杞機械采收的高效低損。

上述國內(nèi)便攜式枸杞采收代表性裝備，具體見表2。

這幾種采收裝備均為手持便攜式，是一種精巧的農(nóng)用手持機械，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、攜帶方便和操作簡單等優(yōu)勢，適用于中小型枸杞種植面積配套，在盛果期，采摘效率是人工的3～5倍，提高了采收效率，但這些采收機基本都為半機械化，仍然依賴于人工，因此對于枸杞的大面積種植區(qū)域，不能滿足采摘期相對集中的季節(jié)性要求和勞動力短缺現(xiàn)狀，且長時間的操作使得農(nóng)戶勞動強度大，采收效率反而并不高，還普遍存在對青果、枝葉和花朵的誤采、損傷等問題。

2） 自走式枸杞采收裝備。

目前，小型便攜式枸杞采收裝備在采收過程中存在著低效高損、采凈率低、青果誤采率較高、不能連續(xù)采收等共性問題。這些共性問題制約了我國枸杞產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，急需解決。

如表3所示，國內(nèi)一些研究學(xué)者為實現(xiàn)枸杞機械化連續(xù)采收和提高枸杞采收高效低損的機械化水平，根據(jù)枸杞的生物特性和種植模式，對自走式枸杞采收機進(jìn)行相關(guān)研究和試驗。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所對履帶自走式枸杞采收機研究較多，如張最等［24， 25］設(shè)計了額定功率為38 kW的4GZ-1500A自走振動式枸杞采收機，該采收機通過建立枸杞振動采摘力學(xué)模型，對工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳參數(shù)組合，采摘效率得到一定程度的提高，但該研究只針對夏果，且未考慮枸杞掛果枝條在樹干各方向的無規(guī)律分布情況，核心振動單元設(shè)計未實現(xiàn)輕量化；梅松等［26］通過農(nóng)機農(nóng)藝融合的思路，在自走式枸杞機械化連續(xù)采收技術(shù)方面有所突破，并取得階段性成果，設(shè)計了以隧道式仿形往復(fù)振動系統(tǒng)和柔性接果防漏歸集系統(tǒng)為目標(biāo)，基于往復(fù)振動方法的4GQF-2200型枸杞采收機，取得較好的試驗效果，實現(xiàn)枸杞采收機高效低損的機械化采收，該采收機雖然對往復(fù)振動單元進(jìn)行輕量化處理，但青果、花朵等的錯采率并沒有得到很大的改善，并且通過氣吹原理實現(xiàn)果實分選歸集，功率消耗較大［27， 28］。

徐麗明等［29］將振動采收原理和梳刷采收原理相結(jié)合，通過優(yōu)化實現(xiàn)枸杞熟果、果柄在外力作用下的分離過程控制，確定影響熟果脫落的主要因素，并設(shè)計梳刷振動式枸杞收獲裝置，該裝置有兩個運動，一個以機構(gòu)的整體運動為主，起旋轉(zhuǎn)梳刷的作用，另一個是內(nèi)部運動，即收獲桿的輔助振動作用，梳刷振動同時作用，使枸杞快速脫落，實現(xiàn)梳刷振動組合式采收，且通過試驗確定采收效果最佳的參數(shù)組合，提高采收效率，降低作業(yè)成本。

研發(fā)的三款枸杞采收機均體積較大，根據(jù)不同的種植模式進(jìn)行作業(yè)，均大幅提高枸杞的采收效率，達(dá)到“摘熟留青”的采摘目標(biāo)，尤其是梳刷振動式枸杞收獲裝置在成熟枸杞采收率與破損率兩個方面有較明顯地改善，但這些采收機仍需要進(jìn)一步開展可靠性、精準(zhǔn)性和耐久性等試驗，以及枸杞不同種植地域作業(yè)適應(yīng)性研究。因此，我國枸杞采收技術(shù)與裝備仍處在探索與試驗階段。

3 存在問題與發(fā)展建議

我國研制的枸杞機械化采收裝備為枸杞采收作業(yè)帶來了一定程度的便利，但由于枸杞生長特性和采收作業(yè)的復(fù)雜性，使得我國枸杞采收機械化水平不高，存在對枸杞熟果采摘精準(zhǔn)度低，青果、花和枝葉等誤采率高，損傷大，通用性低等問題。枸杞機械化采收的技術(shù)目標(biāo)是實現(xiàn)高效低損，進(jìn)而實現(xiàn)自動化、智能化和信息化采收，結(jié)合枸杞生物特性和機械化采收現(xiàn)狀及已有技術(shù)，提出以下問題與建議。

3.1 存在問題

3.1.1 采收裝備與種植模式融合度不夠

枸杞掛果枝條細(xì)軟交錯，生長方向各異，樹冠結(jié)構(gòu)無規(guī)律，果實易損傷，邊開花邊結(jié)果邊成熟，且成熟度不同的枸杞與果梗、果蒂之間的結(jié)合力有差異；另外，不同地區(qū)的種植農(nóng)藝不同，大規(guī)模的枸杞標(biāo)準(zhǔn)種植園很少。因此枸杞的生物特性和差異化的種植農(nóng)藝增加了采收裝備的研發(fā)難度和成本，可推廣性和通用性差。

3.1.2 末端執(zhí)行裝置作業(yè)性能較差，采收方式單一

無論小型便攜式枸杞采收裝置，還是大中型自走式枸杞采收機，其末端執(zhí)行方式普遍單一，且不同采收方式的末端執(zhí)行裝置均對熟果、青果和花等有所損傷，直接影響枸杞的質(zhì)量和下一茬產(chǎn)量。采用振動式采收的末端執(zhí)行裝置通過振動源，選用不同的頻率對枸杞樹進(jìn)行振搖或?qū)χl進(jìn)行拍打，使枸杞振落，提高了采收效率，降低了勞動強度，但在振搖或拍打過程中，對掛果枝條造成損傷，影響后續(xù)枸杞樹生長［2， 3］，且對手持式的采收裝備，若長時間的機械工作使勞動者產(chǎn)生手部疲勞，降低了工作能力；由于枸杞果實與花無規(guī)律的相互穿插，當(dāng)采用梳刷式采收的末端執(zhí)行裝置作業(yè)時，對花和枝條等有損傷，且枝條易纏繞，影響采收的連續(xù)性，采收效率較低。

3.1.3 采收技術(shù)低，專業(yè)技術(shù)人才缺乏

國內(nèi)對枸杞機械化采收裝備的重視程度不夠，在采收裝備上的研發(fā)投入不足或較少，科研力度不夠。目前，雖然枸杞采收技術(shù)和裝備取得了一些進(jìn)展，但整體上技術(shù)含量不高，仍存在問題，如對青果、花和枝葉等的損傷、錯采及枸杞熟果識別的精準(zhǔn)度等關(guān)鍵問題沒有得到實質(zhì)性的解決；自走式集成采收機研究較少，缺乏相關(guān)自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)及關(guān)鍵部件的科研成果轉(zhuǎn)化進(jìn)程緩慢，制約了枸杞采收的機械化發(fā)展。另外，相關(guān)研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊匱乏，采收裝備技術(shù)研發(fā)人員不足，人才隊伍結(jié)構(gòu)不完善。

3.2 發(fā)展建議

3.2.1 加強農(nóng)機農(nóng)藝的融合

枸杞機械化的發(fā)展離不開配套的農(nóng)藝，研究枸杞與果柄、枸杞與采收機作用部件之間的關(guān)系，通過規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)建園模式種植枸杞、整形修剪，使枸杞冠型結(jié)構(gòu)合理、枝條分布均勻、掛果規(guī)律，為機械化采收提供條件，方便枸杞的采收，且保證枸杞機械化采收裝備作業(yè)時的靈活性和通用性。

3.2.2 加強末端執(zhí)行裝置的改進(jìn)

結(jié)合枸杞的生物特性，采用組合式的采收方式，使枸杞在采收作業(yè)過程中受到來自不同方向的作用力而更容易脫落；將柔性材料應(yīng)用在末端執(zhí)行裝置上，降低損傷率和誤采率；在手持振動式采收機上設(shè)計減振裝置，降低手部疲勞感。

3.2.3 加大研發(fā)力度，突破采收裝備關(guān)鍵技術(shù)

對枸杞采收裝備進(jìn)行全面和深入的理論研究與試驗，并進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，加強農(nóng)機企業(yè)、學(xué)校和科研院所對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)的聯(lián)合研究力度，發(fā)揮各自優(yōu)勢，解決技術(shù)難題；采用自動控制技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、圖像識別技術(shù)等新興技術(shù)［30］，通過大小、顏色、成熟度等選擇性識別，以提高采收裝備的技術(shù)水平和技術(shù)含量；加強枸杞相關(guān)方面人才的儲備，穩(wěn)定人才隊伍，加強科技創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)，實現(xiàn)大而強，多而優(yōu)的局面，使枸杞采收的機械化水平提高，并逐漸向自動化、智能化和信息化方向發(fā)展。

4 結(jié)語

枸杞藥食價值的不斷挖掘，加速了枸杞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機械化采收是枸杞產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的重要途徑。目前我國研發(fā)的各類枸杞采收裝備，一定程度上提高了采收率，降低了采收成本、誤采率及對青果、花和枝葉等的損傷問題，但是枸杞在采收作業(yè)時的誤采、漏采和破損等關(guān)鍵技術(shù)問題沒有得到大的突破，因此我國的枸杞采收技術(shù)與裝備仍處在探索與試驗階段，需進(jìn)一步對關(guān)鍵部件進(jìn)行研制。同時，枸杞機械化采收方式在一段時間內(nèi)仍然以振動和梳刷式為主，有必要對末端執(zhí)行裝置進(jìn)一步改進(jìn)完善，不斷探知更加適合枸杞機械化采收高效低損的技術(shù)與裝備。

隨著自動控制技術(shù)、傳感器感知精度、識別速度、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)的發(fā)展，加大提升枸杞機械采收技術(shù)與裝備關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)理論研究力度，規(guī)范枸杞的種植模式、整形修剪等農(nóng)藝，持續(xù)提升和改進(jìn)現(xiàn)有便攜式枸杞采收裝備和自走式枸杞采收機的作業(yè)性能，以期進(jìn)一步解決精準(zhǔn)識別、誤采、漏采和破損等關(guān)鍵問題。此外，重點開展大面積標(biāo)準(zhǔn)化種植園的宜機化研究，促進(jìn)自走式枸杞采收機的通用性和集成化、智能化和信息化發(fā)展，建立起一個可持續(xù)發(fā)展的枸杞采收機械化技術(shù)體系，對于提高我國枸杞高效低損的機械化采收、推動枸杞產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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