葉類(lèi)蔬菜宜機(jī)化采收品種篩選的試驗(yàn)研究

陳興平，馬稚昱，凌燕梅，辜 松，郭少龍，褚 璇，黃紅弟，梁旖璐

(1.廣東省良種引進(jìn)服務(wù)公司，廣東 廣州 510091;2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225;3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510645)

0 引言

葉類(lèi)蔬菜一直以來(lái)都是蔬菜產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，也是我國(guó)農(nóng)村的支柱經(jīng)濟(jì)之一，在脫貧攻堅(jiān)中屬于致富扶持產(chǎn)業(yè)。2019 年中國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)大會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：中國(guó)蔬菜種植面積目前突破3 億畝（1 畝=0.067 hm2），產(chǎn)量在7 億t 以上，產(chǎn)值2 萬(wàn)億元，其中葉類(lèi)蔬菜的種植面積約占總面積的32%，產(chǎn)量占蔬菜總產(chǎn)量的30%左右[1-3]。然而，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，勞動(dòng)力短缺，勞動(dòng)成本大幅度增加，極大制約了葉類(lèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，葉類(lèi)蔬菜生產(chǎn)向機(jī)械化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)型已是必然[4-10]。目前，葉類(lèi)蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)程度還不高，尤其是收獲環(huán)節(jié)，存在生產(chǎn)成本高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)象，收獲環(huán)節(jié)約占全部葉菜生產(chǎn)工序用工量的40%以上，極大地限制了葉類(lèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，亟需研制新型葉菜類(lèi)專(zhuān)用收獲系統(tǒng)，以促進(jìn)葉類(lèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[11]。

我國(guó)葉類(lèi)蔬菜種類(lèi)繁多、生長(zhǎng)差異大、種植農(nóng)藝粗放且復(fù)雜的特點(diǎn)，收獲機(jī)械研發(fā)難度大、研究進(jìn)展緩慢。然而，引進(jìn)國(guó)外蔬菜生產(chǎn)作業(yè)技術(shù)裝備價(jià)格昂貴、使用和維修困難、不符合國(guó)內(nèi)種植情況、適應(yīng)性較差且難以推廣應(yīng)用[12-14]。此外，莖葉類(lèi)蔬菜的莖葉相對(duì)脆弱，在機(jī)械化收獲過(guò)程中容易受到外力損傷，影響產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，降低成品率[13-16]。因此，葉類(lèi)蔬菜的機(jī)械化收獲作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合考慮作業(yè)對(duì)象品種、對(duì)象物理特性和作業(yè)環(huán)境等因素[17-19]。本文選擇了13 種南方普遍種植的葉類(lèi)蔬菜品種，進(jìn)行了比較試驗(yàn)，以期篩選出適合機(jī)械化收獲的葉類(lèi)蔬菜品種，為葉類(lèi)蔬菜收獲技術(shù)裝備的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2021 年3 月春季在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院白云校區(qū)智能農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施溫室內(nèi)進(jìn)行。

參試的共13 個(gè)葉菜類(lèi)品種，分別為廣東省良種引進(jìn)服務(wù)公司提供的49-19 菜心、青翠菜心、青春菜心、青崎菜心、崎蘭菜心、青野尖菜心、喜蘭菜心、廣府1 菜心、廣府30 菜心、廣府35 菜心、順寶芥蘭、祥寶芥蘭、綠寶芥蘭。

13 個(gè)品種葉類(lèi)蔬菜統(tǒng)一采用穴盤(pán)育苗，育苗基質(zhì)配比為泥炭、蛭石、珍珠巖比例為3 :1 :1；穴盤(pán)采用5×10 的塑料穴盤(pán)，人工播種，每穴播種1 粒，播種后保持基質(zhì)濕潤(rùn)；幼苗長(zhǎng)至三葉一心時(shí)移栽，移栽間距為100 mm；移栽后進(jìn)行常規(guī)的種植管理，當(dāng)葉菜達(dá)到適合采收時(shí)，對(duì)每個(gè)品種進(jìn)行隨機(jī)取樣10株，所取樣品用于測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

樣品采收后，測(cè)定各個(gè)品種樣品的株高、冠幅、莖稈直徑、葉長(zhǎng)、葉寬、葉數(shù)、單株鮮重等形態(tài)指標(biāo)性狀，并采用自制切割力試驗(yàn)臺(tái)對(duì)葉菜植株莖稈進(jìn)行了切割力測(cè)試，記錄莖稈的最大切割阻力。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用維視相機(jī)（MV EM510C）搭建的圖像采集系統(tǒng)（圖1），包括了相機(jī)1、光源、計(jì)算機(jī)、相機(jī)2 及支架等，利用相機(jī)1 和相機(jī)2 分別獲得植株的俯視圖像和正面圖象。然后利用Pycharm 語(yǔ)言編寫(xiě)了圖像處理分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的植株樣本的株高、冠幅及葉子展開(kāi)角度的自動(dòng)測(cè)量，取冠部垂直方向的兩個(gè)直徑的平均值作為植株的冠幅（圖2）。其他的儀器包括切割實(shí)驗(yàn)臺(tái)（圖3）、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（DL91200）、TX323L 電子天平秤、DHG-9420A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、BK-DM500 數(shù)碼生物顯微鏡、美工刀，自制的支撐工具。

圖1 圖像采集系統(tǒng)

圖2 圖像處理系統(tǒng)

為了獲得葉菜直立生長(zhǎng)狀態(tài)下的切割力，本論文中利用DS2-50N 數(shù)顯推拉力計(jì)設(shè)計(jì)了一葉類(lèi)植株根部莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)，如圖3 所示，其中主要結(jié)構(gòu)包括運(yùn)動(dòng)部分、數(shù)顯測(cè)力計(jì)、切割刀具、固定夾具、數(shù)據(jù)顯示、滑軌、底座、調(diào)氣閥。固定夾具的夾持部分采用軟質(zhì)材料，模擬葉菜在直立生長(zhǎng)狀態(tài)下夾持葉菜根部，露出根上部的切割位置，便于切割。裝有切割刀具的測(cè)力計(jì)被安裝在運(yùn)動(dòng)底座上，底座安裝在滑軌上，在氣缸的帶動(dòng)下可自由移動(dòng)，氣缸的行程為50 mm 范圍內(nèi)，測(cè)力計(jì)采用DS2-50N 數(shù)顯推拉力計(jì)，測(cè)量范圍為0～50 N，精度±0.5 N。

圖3 切割試驗(yàn)臺(tái)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 25 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用Origin 2018 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物學(xué)性狀

從表1 可以看出，各品種株型、葉片色、葉柄色、節(jié)間都有差異。廣府系列葉菜株型直立開(kāi)展且無(wú)莖稈，葉片長(zhǎng)條形、顏色翠綠，葉柄白綠色；菜心類(lèi)葉菜株型直立、葉片錯(cuò)位開(kāi)展、節(jié)間長(zhǎng)較，其中49-19 菜心葉片直立向上束攏，節(jié)間長(zhǎng)，葉片長(zhǎng)橢圓形、顏色黃綠；芥蘭類(lèi)葉菜株型直，節(jié)間長(zhǎng)，葉片錯(cuò)位開(kāi)展且展開(kāi)角度較大，葉片顏色灰綠。

表1 13個(gè)葉類(lèi)蔬菜品種比較試驗(yàn)

續(xù)上表

2.2 形狀特征

供試各品種的株高、冠幅及莖稈直徑在不同品種葉類(lèi)蔬菜之間都有顯著性差異。49 菜心的株高最高，其次是順寶、綠寶芥蘭、青春及青崎，廣府35的株高最低（圖4）。青崎菜心的冠幅最大，其次是49 菜心、青春菜心以及綠寶芥蘭，廣府35 的冠幅最小（圖5）。青春菜心的莖稈直徑最大，其次是青翠、青崎，直徑最小的是崎蘭。49菜心的株高較高、冠幅較大、莖稈最粗（圖6）。

圖4 葉類(lèi)蔬菜不同品種單株株高變化

圖5 葉類(lèi)蔬菜不同品種單株冠幅變化

圖6 葉類(lèi)蔬菜不同品種莖稈直徑變化

不同品種之間的葉長(zhǎng)、葉寬差異比較顯著（圖7），其中廣府1 的葉長(zhǎng)最大，葉子長(zhǎng)寬比比較大，葉型屬于長(zhǎng)橢圓形；其次是49 菜心，葉長(zhǎng)較大，葉寬較寬，葉型屬于長(zhǎng)橢圓形，葉柄豎直上向上、展開(kāi)角度最??；崎蘭菜心葉長(zhǎng)最短，葉寬較窄，葉柄較長(zhǎng)、向外展開(kāi)角度較大；青春菜心葉片葉長(zhǎng)較長(zhǎng)、葉寬較寬，葉柄豎直向上。

圖7 葉類(lèi)蔬菜品種間葉片性狀的不同

2.3 產(chǎn)量

在不同品種葉類(lèi)蔬菜的適宜收獲期內(nèi)采收的葉菜單株質(zhì)量均有明顯的差異（圖8）。單株質(zhì)量最大的是青春菜心，其次是青崎菜心、順寶芥蘭和祥寶芥蘭，單株重量最小是廣府35 菜心，其他幾個(gè)品種的葉類(lèi)蔬菜單株質(zhì)量的差異就不顯著。

圖8 不同葉類(lèi)蔬菜品種的產(chǎn)量

2.4 莖稈力學(xué)特性分析

莖稈的最大切割阻力在不同葉菜品種之間存在明顯的差異，且這種差異隨著切割速度的增加而變?。▓D9）。青春菜心莖稈在切割過(guò)程中受到的切割阻力最大，其次是青崎菜心和祥寶芥蘭，青野菜心和崎蘭菜心莖稈切割過(guò)程中受到的最大切割阻力是最小的。隨著切割速度的增大，切割阻力減??；青春菜心的切割阻力最大，青野尖葉所受到的最大切割阻力最小。當(dāng)切割速度較小時(shí)，品種間莖稈的最大切割阻力差異非常顯著，而隨著速度增大至14 m/min，品種間受到的最大切割阻力就不顯著，基本保持在3 N 左右。

圖9 葉類(lèi)蔬菜品種間產(chǎn)量的不同

3 分析與結(jié)論

株型是決定能否實(shí)現(xiàn)葉菜機(jī)械化采收的關(guān)鍵指標(biāo)，適合機(jī)械化采收的品種應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，葉菜株型要呈直立或半直立狀，葉勢(shì)上沖，莖部和葉柄生長(zhǎng)順直、不彎曲或扭曲，表現(xiàn)為緊湊型[19-20]。通過(guò)本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，49-19、青春、青崎及喜蘭菜心株型較高、直立，葉柄展開(kāi)角度小、生長(zhǎng)順直，葉片長(zhǎng)橢圓形，青春、青崎的產(chǎn)量較高。

莖葉類(lèi)蔬菜收獲過(guò)程中，莖部要能夠適應(yīng)拉力和滑切的作用，對(duì)剪切力要有較好的適應(yīng)性，剪切力太低植株容易被絞爛，太高則不易檢測(cè)，采收后平整度較差[20]。根據(jù)各種葉類(lèi)蔬菜莖稈切割阻力的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，49-19、青崎及喜蘭的莖稈剪切阻力比較適中，但隨著切割速度增大至14 m/min 時(shí)，不同品種切割阻力的差異就不顯著了。

綜上所述，49-19、青崎、青春及喜蘭菜心是葉類(lèi)蔬菜中比較適合機(jī)械化采收的品種。