山核桃采摘技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀

摘要：山核桃（Carya cathayensis Sary.）具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健作用。研究和開發(fā)山核桃采摘裝備應(yīng)結(jié)合其生物特性和生長(zhǎng)環(huán)境，滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性等要求。介紹了國(guó)內(nèi)外林果采摘裝備的研究現(xiàn)狀，分析了采摘裝備中各關(guān)鍵技術(shù)的性能特點(diǎn)，并對(duì)山核桃采摘新技術(shù)進(jìn)行了展望。山核桃采摘裝備的研制和推廣，可有效降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。

關(guān)鍵詞：山核桃（Carya cathayensis Sary.）；采摘裝備；研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）14-3229-04

野生山核桃（Carya cathayensis Sary.）為胡桃科山核桃屬，為中國(guó)特有的干果和木本油料樹種， 是山核桃屬中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高且大量栽培的3個(gè)種之一[1]，多生長(zhǎng)在海拔200～600 m濕潤(rùn)的山林中[2]。目前中國(guó)山核桃種植面積約有8.71萬hm2，主要分布在浙江的臨安、淳安、桐廬和安徽的寧國(guó)、績(jī)溪、歙縣等地。其中浙江省臨安市、淳安縣和安徽省寧國(guó)市的山核桃產(chǎn)量接近全國(guó)的90%[3，4]，據(jù)估計(jì)，全國(guó)山核桃產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值約為30億元[5]，2011年浙江省山核桃總產(chǎn)值超過25億元[6]。山核桃不但具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健作用[7]，還被應(yīng)用在飼料加工和建筑材料等領(lǐng)域[8]。

山核桃采摘已成為收獲生產(chǎn)鏈中最費(fèi)時(shí)耗力的環(huán)節(jié)。目前多采用人工爬樹敲打果實(shí)的方式采摘，工作環(huán)境危險(xiǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。研究人員通過對(duì)山核桃采摘特點(diǎn)和要求等進(jìn)行深入分析，在采摘技術(shù)、裝備等領(lǐng)域取得了許多成果，為降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率、增加經(jīng)濟(jì)收入起到重要作用。

1 山核桃采摘特點(diǎn)分析

1.1 山核桃采摘時(shí)節(jié)性明顯

山核桃每年在白露前后成熟，傳統(tǒng)習(xí)慣是白露當(dāng)天或白露后1～2 d采摘[9]。過早采摘，山核桃種仁不飽滿，油脂含量低，且果柄離層還未形成，必須猛打才能形成落果，但此舉會(huì)造成葉片和短枝狀裸芽大量被擊落，影響來年產(chǎn)量。山核桃過遲采摘，落果嚴(yán)重，易遭受鼠獸危害，影響產(chǎn)量。適時(shí)采收是保證山核桃產(chǎn)量、質(zhì)量和減少樹體損傷的重要措施。

1.2 山核桃采摘危險(xiǎn)性高

山核桃植株高度普遍超過8 m，有的在16 m以上，樹枝脆且樹皮滑，加上山路陡峭，爬樹揮竿打果的原始方法采摘具有較大的危險(xiǎn)性，尤其下雨時(shí)或沒有采摘經(jīng)驗(yàn)者極易出現(xiàn)意外。為了爭(zhēng)取農(nóng)時(shí)，果農(nóng)連續(xù)高強(qiáng)度工作，身體非常疲勞，一旦踩在濕滑泥濘的山路上，或踩在脆弱的樹枝上，易發(fā)生意外。歷年來，因采摘山核桃造成人員傷亡事故屢見不鮮，山核桃也就成了“帶血”的果子，采摘安全問題已嚴(yán)重影響山核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。

1.3 山核桃采摘成本高

一般采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程所需勞動(dòng)力的35%～45%[10]。而山核桃采摘主要靠人力，目前雇請(qǐng)采摘工每人每天勞務(wù)費(fèi)在300元以上，撿果工也在150元以上，一般每公頃雇工6～10人，用工5～8 d。故山核桃采摘占總勞動(dòng)投入的比重很大[11]。山核桃采摘工作量大，危險(xiǎn)性高，勞動(dòng)力緊張，致使采摘成本居高不下。

1.4 山核桃采摘難度大

山核桃植株特性和生長(zhǎng)環(huán)境決定其采摘難度巨大。目前山核桃人工采摘方法嚴(yán)重制約了山核桃產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)快速發(fā)展。費(fèi)喜敏等[11]研究表明，山核桃增產(chǎn)已經(jīng)不在于平時(shí)的撫育用工投入，而在于增加采摘用工及通過技術(shù)進(jìn)一步提高采摘效率和安全性，降低采摘難度。因此，盡快發(fā)明一種全新的采摘方式，變革目前的上樹采摘方式，降低采摘難度成為廣大農(nóng)戶的迫切要求，也是政府和研究人員需要通力合作解決的重要課題。

2 山核桃采摘方式研究現(xiàn)狀

2.1 人工采摘裝備研究

人工采摘的裝備主要有爬樹器、安全帶和蜈蚣梯等。2004年浙江淳安山核桃協(xié)會(huì)研制出“山核桃安全采摘安全帶”。該安全帶利用蹦極原理，可承受2 000 kg的拉力，意外墜落時(shí)能使人懸掛于空中，減少傷亡事故。2012年陳常威與浙江大學(xué)合作，研制一種TZC-05型果實(shí)采摘裝置。這款新產(chǎn)品的繩索借鑒了汽車安全帶的特點(diǎn)，采摘時(shí)基本感覺不到操作束縛，而一旦感應(yīng)到瞬間墜落的沖擊力，防墜器會(huì)瞬間鎖死安全繩，防止人員摔到地面上[12]。浙江大學(xué)還研制了一款基于MEMS加速度傳感器檢測(cè)技術(shù)和安全氣囊原理的新型高空采摘作業(yè)安全保護(hù)裝置樣機(jī)[13]。

采摘梯是一種完成上樹和采摘功能的工具[14]。以色列研制的移動(dòng)式水果采摘梯，由梯上的人用手轉(zhuǎn)動(dòng)行走大輪前后移動(dòng)[15]。挪威研制的組合式采種梯，由多段鋁合金制成，高度可達(dá)到27 m，該梯組合與分解非常方便[16]。國(guó)內(nèi)有方勤敏等[17]研究設(shè)計(jì)的ISTZ-25型上樹采種（果）設(shè)備，可適應(yīng)山核桃采摘。該設(shè)備利用插入聯(lián)結(jié)原理做成組合梯，可將梯身架設(shè)至所需的采種位置，采用可調(diào)節(jié)的定位支撐和可擺動(dòng)小角度的梯身聯(lián)接機(jī)構(gòu)，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。1989年曹雙喜等[18]發(fā)明的水果采摘梯，該梯由3根立柱組成三角架，1根立柱作為主梯，主梯兩邊帶有向上傾斜的豁口，可利用帶掛鉤的腳蹬及折疊椅，隨意上下采摘果實(shí)。還有一種起源于民間的蜈蚣梯，其結(jié)構(gòu)為主桿一頭為尖尖的鋼叉，另一頭為掛卡，鋼叉插入地里，掛卡固定在樹上，兩邊支桿交叉平行而上。材質(zhì)有木竹和金屬或其混合體。其中邱定武[19]研制的蜈蚣型采摘踏板，該裝置專為采摘山核桃、楊梅和板栗而設(shè)計(jì)，具有裝卸方便，使用穩(wěn)固、采摘安全、敲打有力、腿腳不易疲勞等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 旋轉(zhuǎn)敲打摘果器研究

旋轉(zhuǎn)敲打摘果器包括動(dòng)力源、伸縮桿、傳動(dòng)軸、采摘頭等，通過各種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，進(jìn)而帶動(dòng)采摘頭運(yùn)動(dòng)，依靠采摘頭上工作件的沖擊力敲落山核桃、銀杏、香榧等堅(jiān)果。只是組成的布置形式和結(jié)構(gòu)不同而已。國(guó)內(nèi)20世紀(jì) 70年代就研制出手持電動(dòng)采果器，近幾年許多研究人員在采摘頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式上取得了研究成果[20-24]。如2009年雷澤民等[25]研制了采摘頭擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式的采摘器。2010年柴秀洪等研發(fā)了2011-36A型山核桃采摘機(jī)，其主要由自動(dòng)感應(yīng)負(fù)載變頻發(fā)電機(jī)、可調(diào)節(jié)伸縮特種材質(zhì)管、阻尼式采打機(jī)械頭及放線器組成，調(diào)節(jié)高度為4.0～13.5 m，可360°任意旋轉(zhuǎn)，且具有自動(dòng)保護(hù)電路功能。果農(nóng)不需爬樹就能輕松摘果，工作效率高出人工采打3倍以上。旋轉(zhuǎn)敲打采摘器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便利，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率和采摘安全性。但桿高又導(dǎo)致?lián)螚U的勞動(dòng)強(qiáng)度大，一定程度上使次年裸芽遭到損傷或擊落。

2.3 機(jī)械振動(dòng)采摘機(jī)研究

機(jī)械振動(dòng)采摘機(jī)的工作原理是通過機(jī)械自動(dòng)振動(dòng)果樹的樹干使要收獲的熟鮮果品抖落，類似甩鞭時(shí)，鞭梢部分移動(dòng)的速度可以超過聲速，細(xì)枝猶如鞭子，樹梢上的果子便可抖落下來[26]。20世紀(jì)40年代中期美國(guó)開始研究振搖式采摘機(jī)械，用來采摘胡桃和杏等果實(shí)，到50年代中期，出現(xiàn)了拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)的振搖采摘機(jī)[27]。目前國(guó)外所采用的核桃采摘機(jī)具主要是美國(guó)、加拿大和澳大利亞生產(chǎn)的振動(dòng)落果機(jī)[28]。中國(guó) 20 世紀(jì) 70 年代也研制出與手扶拖拉機(jī)配套的機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)。東北林業(yè)大學(xué)研制了由集材拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)的搖樹采種機(jī)，由于消耗功率大，而且對(duì)樹木損傷很大，在生產(chǎn)部門沒得到推廣使用。南京林業(yè)大學(xué)研制了由CH25型鏈鋸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的南方杉木振動(dòng)采種機(jī)，由于在樹上的安置點(diǎn)太低，推廣使用也很困難[29]。陳瑞賢[30]研制的TD-40型抖動(dòng)式林木采種裝置，利用打擊固定在樹干與樹樁之間的繃索而產(chǎn)生的拉力搖動(dòng)樹干，將球果抖落，該裝置勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。張?zhí)m等[31]研制的便攜式振動(dòng)采種機(jī)，其小型柴油機(jī)輸出的動(dòng)力通過傳動(dòng)軸傳至振動(dòng)頭，帶動(dòng)振動(dòng)頭中的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生激振波，振動(dòng)波在樹干和樹枝中傳遞到達(dá)球果，抖落成熟的果實(shí)。姚文斌等[32]研制的便攜式振動(dòng)山核桃采摘裝置，其小型汽油機(jī)輸出的動(dòng)力通過鋼絲軟軸與傳動(dòng)軸的下端口連接，從而帶動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，將初級(jí)樹枝上的山核桃高效振落下來，具有成本低、體積小、易于攜帶等特點(diǎn)。趙偉忠等[33]、陳度等[34]研制的便攜式振動(dòng)果實(shí)收獲機(jī)，該機(jī)包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置和采摘鉤，采用傳動(dòng)齒輪組合和連桿曲柄結(jié)構(gòu)來帶動(dòng)采摘鉤擺動(dòng)，達(dá)到振動(dòng)樹枝來采摘果實(shí)的效果，提高了果實(shí)采摘效率、增加果實(shí)采摘的可靠性和安全性。

3 山核桃采摘裝備關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 力學(xué)分析

按山核桃采摘時(shí)果柄受力方式分，采摘力可以歸納為擰斷式、拉斷式、剪切式。人手采摘為擰斷和拉斷式，竹竿敲打的擺動(dòng)和機(jī)械的振動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)采摘為拉斷和剪切式，機(jī)器人采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為類指狀，也就與人手采摘類似，吸氣采摘為拉斷式。每種采摘方式各有優(yōu)勢(shì)。從保護(hù)樹木和裸芽對(duì)來年產(chǎn)量影響的角度考慮，人手采摘和機(jī)器人采摘最理想，但前者勞動(dòng)強(qiáng)度大，后者成本高；從采摘安全角度考慮，機(jī)械振動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)采摘最理想，較經(jīng)濟(jì)和較實(shí)用，但影響產(chǎn)量；如果輔助升降臺(tái)采取人機(jī)互助型采摘最實(shí)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)和綜合角度考慮，無疑自主智能型機(jī)器人采摘為上乘選擇。

3.2 采摘高度調(diào)節(jié)方式分析

采摘高度調(diào)節(jié)方式有采摘梯、伸縮桿、升降臺(tái)、機(jī)器人攀爬及飛機(jī)或氣球或拋射等無極調(diào)節(jié)式。用升降臺(tái)把采摘者送到樹冠的任意部位進(jìn)行作業(yè)，可達(dá)到安全、實(shí)用、文明生產(chǎn)之要求，比人工上樹采摘提高工效3～5倍。20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)研究出液壓升降平臺(tái)車，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。采摘平臺(tái)的自動(dòng)提升可以采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，由于液壓提升具有承載能力大、自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，目前在農(nóng)用采摘平臺(tái)上應(yīng)用較多[27]。

3.3 裝備行走方式分析

野生山核桃一般生長(zhǎng)在山區(qū)坡地，地形復(fù)雜多變，地質(zhì)情況不一，采摘裝備行走方式的設(shè)計(jì)既要滿足行走的需要，又要保障作業(yè)人員工作的平穩(wěn)，故其底盤既要能夠承受一定的載荷，又要具有操縱的簡(jiǎn)單化和靈敏性。采摘裝備行走方式主要有人工背負(fù)式、動(dòng)力自走式、原地旋轉(zhuǎn)式。行走機(jī)構(gòu)底盤可以考慮設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)輪距低重心履帶的形式，并在其和升降臺(tái)或振動(dòng)機(jī)之間裝一個(gè)可作360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤，使采摘始終處在最有效的作業(yè)角度。目前具備類似功能的有王綱等[35]研制的電動(dòng)采摘車。

3.4 采摘?jiǎng)恿Ψ治?/p>

采摘機(jī)動(dòng)力主要有拖拉機(jī)和汽油機(jī)兩種，前者不適宜山核桃生長(zhǎng)的山區(qū)作業(yè)，便攜式機(jī)械振動(dòng)采摘器動(dòng)力形式多是背負(fù)式汽油機(jī)，作業(yè)時(shí)只需手持作業(yè)操作桿并按動(dòng)啟動(dòng)按鈕即可，其優(yōu)勢(shì)在于快速收獲、有效分離，既提高了采摘效率，又減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，且采用小型動(dòng)力，克服了山核桃產(chǎn)地多在斜坡，平均坡度在25°以上，有些甚至直接長(zhǎng)在懸崖上，大型機(jī)械根本不方便上山的缺陷。

4 山核桃采摘新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 化學(xué)藥劑催熟落果法

上世紀(jì)末，澳大利亞采用噴施乙烯利的方法，使核桃的成熟趨于一致，實(shí)現(xiàn)一次性采收?qǐng)?jiān)果的目的。并且比正常的采摘期提前5～10 d，保證堅(jiān)果品質(zhì)優(yōu)良[28]。汪咸吉等[36]于1980～1991年期間反復(fù)進(jìn)行催落試驗(yàn)研究，終于篩選出最佳藥液濃度、最佳用藥時(shí)間和單位面積用藥量，果實(shí)催落率達(dá)90%。用乙烯利催落代替竹竿或機(jī)械敲打采收山核桃，具有方法簡(jiǎn)便、工效高、成本低、人身安全有保障，并能減少枝芽損傷等優(yōu)點(diǎn)[37]。利用注射激素使山核桃果在較短時(shí)間內(nèi)自然脫落，但果農(nóng)們發(fā)現(xiàn)，激素會(huì)導(dǎo)致次年的山核桃產(chǎn)量降低。

4.2 矮化技術(shù)用于山核桃樹栽培

山核桃樹高，生長(zhǎng)地點(diǎn)山高坡陡，無論是人工采摘還是機(jī)器采摘，都存在安全風(fēng)險(xiǎn)和收獲難度。因此有專家通過對(duì)目標(biāo)樹形選擇、截頂與短截、拉枝和夏秋梢管理等方法，對(duì)新造林或幼林進(jìn)行矮化培育，以最終達(dá)到平地推廣種植的目的，降低懸崖峭壁上樹采摘的風(fēng)險(xiǎn)，從源頭上杜絕事故發(fā)生，然而從目前來看，這種針對(duì)采收安全的新技術(shù)綜合收效仍有待時(shí)間檢驗(yàn)。

4.3 運(yùn)用機(jī)器人采摘林果

首次應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)收獲的是美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown于1968年提出的[38]。從1983年第一臺(tái)番茄采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生。日本、以色列和歐美等國(guó)家相繼試驗(yàn)成功采摘蘋果、柑橘、番茄等的智能機(jī)器人，由于采摘對(duì)象的復(fù)雜性和工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化，目前市場(chǎng)上仍沒有成熟的、商品化的采摘機(jī)器人出現(xiàn)[39]。國(guó)內(nèi)在機(jī)器人采摘研究方面才剛剛起步，通過跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，在機(jī)器人采摘領(lǐng)域內(nèi)取得了初步的成果。鐘志偉等試制出一臺(tái)山核桃采摘機(jī)器人樣機(jī)。該樣機(jī)所有動(dòng)作由電路系統(tǒng)進(jìn)行控制，高度不過0.4 m，采用24 V電壓，能夠輕松地爬陡峭的樓梯，安全行走45°坡度的陡坡，可伸縮的長(zhǎng)臂能摘取高空的山核桃并將之放入口袋。張金榮等[40]研制了一種爬樹式山核桃采摘機(jī)器人，其包括爬樹機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和末端執(zhí)行裝置，安裝在爬樹機(jī)構(gòu)上的機(jī)械臂的上端安裝末端執(zhí)行裝置，機(jī)器臂包括回轉(zhuǎn)電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)架、托板和軸承板。采摘機(jī)器人將在解決山核桃采摘?jiǎng)趧?dòng)力不足、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、保障采摘者安全、保證適時(shí)采收等方面具有很大潛力。但采摘機(jī)器人研制成本高，技術(shù)還不成熟，適應(yīng)性差，利用率不高，限制了采摘機(jī)器人的推廣使用。

5 總結(jié)與展望

由于山核桃的生物學(xué)特性、生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)地理形貌，目前其采摘已是一種高危高強(qiáng)度作業(yè)，而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化操作需要運(yùn)用各種先進(jìn)的智能控制技術(shù)，智能采摘機(jī)器人代替人類采摘作業(yè)之路并非一蹴而就。由于山核桃自然生長(zhǎng)的模式且經(jīng)營(yíng)規(guī)模較小，也不適合應(yīng)用大規(guī)模大型的機(jī)械化裝備。鑒于各種因素多方面考慮，機(jī)械化采摘方式相比機(jī)器人采摘更有現(xiàn)實(shí)意義，實(shí)現(xiàn)高效安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、勞動(dòng)強(qiáng)度低、采收一體化多功能小型機(jī)械化采摘已迫在眉睫。

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