收獲期沙棘的力學(xué)特性與形態(tài)特征測(cè)定與分析

馮亞利，彭 俊，孫世鵬，吳雨蹊，傅隆生

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院 漿果研究所，黑龍江 綏棱 152200)

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收獲期沙棘的力學(xué)特性與形態(tài)特征測(cè)定與分析

馮亞利1，彭 俊1，孫世鵬1，吳雨蹊2，傅隆生1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院 漿果研究所，黑龍江 綏棱 152200)

為了測(cè)量分析沙棘收獲期所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為沙棘收獲機(jī)械的研制提供依據(jù)，以黑龍江綏棱種植的優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色4種沙棘果實(shí)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)定收獲期不同品種沙棘果實(shí)的橫徑與縱徑、果實(shí)質(zhì)量、果柄-果實(shí)分離力、果柄-樹(shù)枝分離力及果皮顏色特征等各項(xiàng)物料特性參數(shù)。結(jié)果表明：果柄-果實(shí)分離力較果柄-樹(shù)枝分離力更為集中，且果柄-果實(shí)分離力顯著小于果柄-樹(shù)枝分離力，所以機(jī)械收獲時(shí)的采摘位置最好選擇在沙棘果柄-果實(shí)之間。楚伊的果柄-果實(shí)分離力最大，其次是優(yōu)勝、HS-12,金色的最小。成熟期沙棘果柄-果實(shí)分離力的變化范圍為0.5～2.0N，HS-12沙棘果實(shí)進(jìn)入成熟期其果皮顏色整體分布呈銹紅色，優(yōu)勝和楚伊整體分布呈橙色，金色整體分布呈黃色。該研究可為成熟期沙棘的收獲和加工機(jī)器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

沙棘；物理特性；分離力；顏色特征

0 引言

沙棘( Hippophae rhamnoides L.)，胡頹子科，灌木或喬木，又名酸醋柳、黑刺、酸刺、其察日嘎納(蒙名)、達(dá)日布(藏名)、吉汗 (維吾爾名)等[1]。沙棘是一種具有重大經(jīng)濟(jì)潛力的樹(shù)種,果實(shí)營(yíng)養(yǎng)成分十分豐富。沙棘原產(chǎn)我國(guó)及歐洲，廣泛分布于2°～115°E、27°～68°50′N之間，以前蘇聯(lián)、蒙古及中國(guó)分布最多[2-5]。沙棘屬植物共有7個(gè)種和8個(gè)亞種[6-7],分布面積最多的屬中國(guó)沙棘。沙棘的分布范圍主要受氣溫的影響,即在西南分布于高海拔地段，在東北則分布于低海拔地段，在山西、陜西、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海、新疆、四川、云南、貴州、西藏等省區(qū)均有天然林分布。因此，沙棘成為我國(guó)西部地區(qū)最具代表性的一種經(jīng)濟(jì)植物，為我國(guó)西北地區(qū)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

沙棘果實(shí)中含有豐富的生物活性物質(zhì)和多種營(yíng)養(yǎng)成分,具有很高的營(yíng)養(yǎng)保健和藥用價(jià)值[8]。沙棘枝葉茂密、根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)迅速、抗風(fēng)固沙,具有保持水土和改良土壤的作用,是重要的生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹(shù)種[9-10]。近年來(lái)，通過(guò)我國(guó)研究人員對(duì)沙棘品種改良和良種的推廣，大多數(shù)品種都是能適應(yīng)西北干旱半干旱地區(qū)自然條件[11-12]。沙棘果實(shí)不易收獲，因其不容易形成分離層[13-14]。目前雖然出現(xiàn)了一些采收沙棘的方法,但都不同程度地存在一些問(wèn)題。沙棘果柄短多刺且附著牢固，人工采摘費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，效率極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足沙棘生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)需求[15]。因此，相對(duì)于沙棘種植業(yè)的蓬勃發(fā)展，沙棘的采收技術(shù)卻嚴(yán)重滯后，如何加快沙棘機(jī)械化采收裝置的 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)是迫切需要解決的問(wèn)題。

為了更好地選擇林果收獲機(jī)械設(shè)計(jì)方案及確立設(shè)計(jì)參數(shù)，國(guó)外在研究林果收獲機(jī)械的同時(shí)對(duì)林果物理學(xué)和生物學(xué)特性與其分離力之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[16-18]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)沙棘的機(jī)械化采收裝置的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了初步的探索，而關(guān)于沙棘收獲期力學(xué)特性和形態(tài)特性的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)測(cè)量?jī)?yōu)勝、HS-12、楚伊、金色4種沙棘果柄-果實(shí)及果柄-樹(shù)枝分離力、沙棘的物料與幾何特性等，以期能夠?yàn)樯臣墒蘸图庸ぱb置的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)于2015年8月在黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院漿果研究所沙棘生長(zhǎng)典型生態(tài)區(qū)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)材料包括優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色4個(gè)品種共4組。果樹(shù)不同位置果實(shí)受光照、養(yǎng)分等因素的影響，其成熟度有差異，因此各品種取樣時(shí)分別選擇3棵已進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期的沙棘樹(shù)且果實(shí)生長(zhǎng)條件相同或相似的區(qū)域進(jìn)行。從3棵樹(shù)上隨機(jī)取20個(gè)沙棘樣本作為1組，將其從1到20按順序分別貼標(biāo)簽。為了方便測(cè)量果柄分離力，樣品果實(shí)與其生長(zhǎng)位置的果枝一起剪下，每個(gè)樣本包括果實(shí)、果柄和樹(shù)枝。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器與軟件

自制式分離力測(cè)量系統(tǒng)、千分之一電子天平、數(shù)碼相機(jī)、MatLab軟件。

1.3 方法

1.3.1 沙棘果柄-果實(shí)及果柄-樹(shù)枝分離力的測(cè)量

沙棘樣本的分離力由自制式分離力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，包括數(shù)顯式推拉力計(jì)SH-10(分辨率0.005N)、夾具和手壓機(jī)架等。研究表明：施加在果柄上力的方向與通過(guò)果蒂的軸線方向的夾角越大，果實(shí)的分離力越小，所以測(cè)量的分離力為夾角0°時(shí)果柄-果實(shí)的軸向拉力。測(cè)量果柄-果實(shí)分離力時(shí)將果實(shí)固定，通過(guò)夾具把果柄夾緊，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)升降手柄以至果實(shí)果柄分離，記錄果柄斷裂時(shí)拉力的峰值。測(cè)量樹(shù)枝-果柄的分離力時(shí)將樹(shù)枝固定，通過(guò)夾具把果柄夾緊，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)升降手柄以至果柄-樹(shù)枝分離，記錄果柄斷裂時(shí)拉力的峰值。分離測(cè)量平臺(tái)如圖1所示。

1.旋轉(zhuǎn)手柄 2.手壓機(jī)架 3.推拉力計(jì)

1.3.2 沙棘果實(shí)的顏色分析及物理特性測(cè)定

用萬(wàn)分之一電子天平測(cè)量實(shí)驗(yàn)所選取的4組沙棘果實(shí)樣本的質(zhì)量。采用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 40D)進(jìn)行拍照，相機(jī)設(shè)置為M擋、1/125S、F8.0、鏡頭55，鏡頭距坐標(biāo)紙為20cm。再采用圖像處理方法(MatLab)測(cè)量4組沙棘果實(shí)的橫徑、縱徑與沙棘果皮顏色等指標(biāo)。

利用圖像處理的方法進(jìn)行沙棘圖片分析，首先要將各沙棘果實(shí)的彩色圖像的RGB(紅、綠、藍(lán))轉(zhuǎn)換為一個(gè)灰度。換算公式為

gray=0.299×R+0.587×G+0.114×B

(1)

其中，灰色(gray)代表從黑色(0)到白色(255)的256種深淺不同的灰色色調(diào)，而紅、綠、藍(lán)三原色的RGB空間的值域范圍也是從0到255。

然后，使用閾值技術(shù)，選取相應(yīng)的灰度圖像區(qū)域?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為一個(gè)0或255的黑白圖像。即如果灰度圖像小于閾值則轉(zhuǎn)換為0(黑色)，高于閾值轉(zhuǎn)換為255(白色)，使每個(gè)沙棘果實(shí)產(chǎn)生黑白圖像。采用大津法確定閾值[16]，通過(guò)這種方法獲得沙棘果實(shí)區(qū)域，利用新圖像計(jì)算果實(shí)的幾何尺寸。

分割后，采用最小外接矩形的方法[19]，通過(guò)找到白色區(qū)域的水平軸和垂直軸的最小值和最大值來(lái)計(jì)算果實(shí)縱徑和橫徑[20]；然后，用縱徑像素?cái)?shù)(PL)和橫徑像素?cái)?shù)(PT)的最小外接矩形來(lái)計(jì)算果實(shí)縱徑(L，mm)和橫徑(T，mm)；最后，所測(cè)得的實(shí)際尺寸為所得像素?cái)?shù)目比上N(1mm×1mm坐標(biāo)紙上最小正方形的像素?cái)?shù))具體為

L=PL/N1/2

(2)

T=PT/N1/2

(3)

用MatLab軟件所測(cè)量的R、G、B的值分別代表紅、綠、藍(lán)三種顏色，是基于發(fā)光體的色彩模式，幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一。R、G、B的值域范圍均為0～255。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)描述分析

優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果實(shí)的物理特性如表1所示。由表1可知：HS-12沙棘和楚伊沙棘果實(shí)的平均質(zhì)量比較大，分別為0.52g和0.55g，優(yōu)勝果實(shí)的質(zhì)量相對(duì)來(lái)說(shuō)較輕為0.46g,金色沙棘的果實(shí)最輕只有0.40g。優(yōu)勝沙棘質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.06較其他3種品種沙棘質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差都小，說(shuō)明優(yōu)勝沙棘果實(shí)質(zhì)量的集中趨勢(shì)較好；金色沙棘果實(shí)質(zhì)量為0.27～0.62g，標(biāo)準(zhǔn)差為0.24，說(shuō)明金色沙棘果實(shí)質(zhì)量分布較分散；優(yōu)勝沙棘和HS-12沙棘、楚伊沙棘單果質(zhì)量存在顯著性差異，而與金色沙棘單果質(zhì)量不存在顯著性差異，楚伊沙棘和HS-12沙棘單果質(zhì)量不存在顯著性差異。金色沙棘果實(shí)在外形尺寸上比HS-12沙棘、楚伊沙棘和優(yōu)勝沙棘果實(shí)都小，平均縱徑和橫徑分別為10.93mm和8.46mm。HS-12沙棘和楚伊沙棘外形尺寸相近，優(yōu)勝沙棘外形尺寸最大，平均縱徑和橫徑分別為14.81mm和11.35mm。優(yōu)勝沙棘果實(shí)縱徑與橫徑的標(biāo)準(zhǔn)差較大，分別為2.37和1.72，即優(yōu)勝沙棘果實(shí)的外形尺寸較其它3個(gè)品種不穩(wěn)定。

表1 沙棘果實(shí)的物理特性

以上數(shù)據(jù)為均值，括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差；同行兩兩之間存在相同小寫(xiě)字母表示不存在顯著性差異，只有不同的小寫(xiě)字母表示存在顯著性差異(p≤0.05)。

2.2 各分離力之間的關(guān)系

各品種沙棘分離力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量如表2所示，各分離力之間的關(guān)系如圖2所示。

表2 各品種沙棘分離力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量

以上數(shù)據(jù)為均值，括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差；同行兩兩之間存在相同小寫(xiě)字母表示不存在顯著性差異，只有不同的小寫(xiě)字母表示存在顯著性差異(p≤0.05);同列的不同的大寫(xiě)字母表示存在顯著性差異(p≤0.05)，相同大寫(xiě)字母表示不存在顯著性差異。

圖2 各分離力之間的關(guān)系

由表2可知：楚伊沙棘果柄-果實(shí)分離力、果柄-樹(shù)枝分離力的平均值最大,分別為1.16N和1.59N；金色沙棘果柄-果實(shí)分離力均值最小為1.03N，且金色沙棘果柄-果實(shí)分離力的標(biāo)準(zhǔn)差最小，說(shuō)明金色沙棘果柄-果實(shí)分離力較為穩(wěn)定。優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果實(shí)分離力的標(biāo)準(zhǔn)差比其果柄-樹(shù)枝分離力的標(biāo)準(zhǔn)差小，即隨著位置改變，分離力平均值明顯升高。優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果實(shí)之間的變異系數(shù)依次為15.17%、15.54%、16.84%、14.14%，較為接近。這為沙棘收機(jī)械選取采摘終端尺寸、形狀等技術(shù)參數(shù)提供了理論依據(jù)。

由表2和圖2可知：優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果實(shí)分離力、果柄-樹(shù)枝分離力的方差分析中的P值均小于指定的顯著水平α=0.05，獨(dú)立樣本的總體分布存在顯著差異，說(shuō)明優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果實(shí)分離力、果柄-樹(shù)枝分離力不同位置的分離力存在顯著性差異。在表2中，金色沙棘果柄-果實(shí)分離力與楚伊沙棘、優(yōu)勝沙棘存在顯著差異，其余4組兩兩之間并不存在顯著性差異。所以，在設(shè)計(jì)沙棘果實(shí)采摘器時(shí)要考慮不同品種果柄-果實(shí)分離力的差異。本試驗(yàn)中的4個(gè)品種果柄-果實(shí)分離力范圍均集中在0.5～2.0N。

由圖2可知：優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果實(shí)分離力最為穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)計(jì)沙棘采收機(jī)械時(shí)使果柄-果實(shí)分離的分離力相對(duì)穩(wěn)定；優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-樹(shù)枝分離力為波浪形，波動(dòng)幅度比較大，整體分布上大于果柄-果實(shí)分離力。由此可知，即果柄-果實(shí)分離力和果柄-樹(shù)枝分離力存在顯著性差異，且2個(gè)總體的分離力總體分布依次增大，說(shuō)明位置對(duì)分離力有顯著影響。如果使用機(jī)械設(shè)備使沙棘果柄-果實(shí)分離，則會(huì)使機(jī)械收獲更加方便、快捷。

2.3 沙棘果實(shí)的顏色分析

果實(shí)表面顏色是衡量果實(shí)是否成熟度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,目前果農(nóng)主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和觀察果實(shí)的顏色來(lái)判斷果實(shí)是否成熟，具有很大的局限性。因此,本實(shí)驗(yàn)采用MatLab軟件測(cè)量果實(shí)表面顏色變化范圍，能夠更精確地測(cè)量和判斷果實(shí)顏色的變化。收獲期優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果實(shí)果皮的顏色特征結(jié)果如表3所示。

表3 各品種沙棘果實(shí)的顏色特征

自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，收獲期優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果實(shí)果皮的顏色特征R值的變化區(qū)間分別為215.00～230.00、103.00～143.00、213.00～231.00、180.00～235.00。金色沙棘果實(shí)果皮的顏色特征R的最大與最小值相差55，變化范圍最大。它們的平均值分別為222.00、117.67、224.50、208.00。優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘R值的變異系數(shù)均比G、B值的變異系數(shù)小，說(shuō)明優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色沙棘果實(shí)在成熟期果皮的紅色比其他兩種顏色更為穩(wěn)定。其中，優(yōu)勝與楚伊沙棘R值的標(biāo)準(zhǔn)差較小，說(shuō)明在成熟期優(yōu)勝與楚伊沙棘果實(shí)果皮紅色較HS-12和金色沙棘更為穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)收獲期優(yōu)勝、HS-12、楚伊、金色4種沙棘果實(shí)果皮的顏色特征分析可知：HS-12沙棘果實(shí)進(jìn)入成熟期其果皮顏色整體分布呈銹紅色，優(yōu)勝和楚伊成熟期其果皮顏色整體分布呈橙色，金色成熟期其果皮顏色整體分布呈黃色。

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)所用的4個(gè)品種的沙棘果實(shí)平均質(zhì)量較為相近，但果實(shí)形狀尺寸有所差異。優(yōu)勝沙棘果實(shí)外型尺寸最大且其外形尺寸較為不穩(wěn)定，金色沙棘果實(shí)外形尺寸最小，HS-12外形尺寸最為穩(wěn)定。

2)在收獲期沙棘自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，各品種沙棘果柄-果實(shí)分離力、果柄-樹(shù)枝分離力存在顯著性差異。沙棘果柄-果實(shí)分離力比果柄-樹(shù)枝分離力穩(wěn)定，且果柄-果實(shí)分離力顯著小于果柄-樹(shù)枝分離力，所以機(jī)械收獲時(shí)的采摘位置最好選擇在沙棘果柄-果實(shí)之間。

3)不同品種的沙棘果柄-果實(shí)分離力并不相同，楚伊沙棘果實(shí)的平均分離力最大，金色沙棘果實(shí)的平均分離力最小，但在成熟期分離力大小差異不大。實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)品種果柄-果實(shí)分離力范圍均集中在0.5～2.0N。

4)優(yōu)勝和楚伊進(jìn)入成熟期其果皮顏色整體分布呈橙色，HS-12呈銹紅色，金色呈黃色。

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Physical and Mechanical Properties of Sea Buckthorn at Harvest Time

Feng Yali1, Peng Jun1, Sun Shipeng1, Wu Yuqi2, Fu Longsheng1

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Institute of Berries, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Suiling 152200, China)

Sea Buckthorn (SBT) is a multipurpose, hardy, and deciduous shrub, and an ideal plant for soil erosion control, land reclamation, and farmstead protection. Its fruit has high nutritional and medicinal values. However, its economic value is far from development because SBT fruit is very difficult to harvest. Therefore, it is very important to study mechanized harvesting technologies to improve the harvesting efficiency and promote the development of SBT industry. For the Superior, HS-12, Chuyi, Golden as test object from Suihua city of Heilongjiang province, the mechanical properties of SBT were analyzed by image analysis and mathematical statistics. The analysis results show that the separation force between the fruit and stalk was significantly smaller than that between the stalk and branch, and it is more concentrated. Therefore, the best choice with picking position of mechanical harvest was between the fruit and stalk. The separation force applied to the fruit and stalk was 0.5 between 2 N which could ensure the majority of SBT fruit to detach from the tree．This study will provide a scientific basis for the development of the SBT harvester.

sea buckthorn; mechanical properties; separating force; color feature

2016-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31301242)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃-青年人才項(xiàng)目(2015JQ3065)

馮亞利(1991-)，女，山西大同人，碩士研究生，(E-mail)18792415467@163.com。

傅隆生(1984-)，男，江西吉安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)fulsh@nwsuaf.edu.cn。

S183；S567.2

A

1003-188X(2017)10-0180-05