林果機(jī)械化采收技術(shù)研究進(jìn)展

李琳 陳芳 梁學(xué)強(qiáng) 沈艷妍 王帥

摘 要： 機(jī)械化采收技術(shù)對(duì)于林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有較大的影響。實(shí)現(xiàn)林果機(jī)械化采收是當(dāng)前林果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)換發(fā)展模式、節(jié)約成本消耗、提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，也是當(dāng)前林果產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化及規(guī)?；芯康闹攸c(diǎn)。開(kāi)展林果機(jī)械化采收工作最重要的是保持高效、低損的狀態(tài)完成整項(xiàng)采收工作，最終實(shí)現(xiàn)林果的智能化、自動(dòng)化采收。深入分析了當(dāng)前林果機(jī)械化采收技術(shù)中一次性聯(lián)合摘果采收，詳細(xì)闡述了當(dāng)前林果機(jī)械化采收面臨的問(wèn)題，并針對(duì)此類問(wèn)題提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：林果；農(nóng)業(yè)機(jī)械化；采收技術(shù)

中圖分類號(hào)：S225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）08-0010-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.002

0 引言

目前，我國(guó)林果種植品種相對(duì)較多，從20 世紀(jì)90 年代至今，始終占據(jù)世界林果種植總面積及總產(chǎn)量的第1 位，逐漸成為了當(dāng)前種植業(yè)的第3 大產(chǎn)業(yè)[1]。在此情況下，對(duì)于林果機(jī)械化采收技術(shù)有了更高的需求。林果采收環(huán)節(jié)是整個(gè)林果生產(chǎn)全過(guò)程多個(gè)環(huán)節(jié)最重要的內(nèi)容，并且需要?jiǎng)趧?dòng)力相對(duì)較多。在20 世紀(jì)60 年代，國(guó)外部分國(guó)家或地區(qū)就已經(jīng)逐步開(kāi)展對(duì)林果機(jī)械化采收技術(shù)的研究，并且針對(duì)各類采收方式實(shí)施了詳細(xì)的劃分[2]。由于同一棵果樹(shù)果實(shí)成熟期不一致，當(dāng)果實(shí)成熟后會(huì)自然脫落，而采用機(jī)械式收獲則一般都需要給果樹(shù)噴灑化學(xué)催熟劑或脫落劑，從而有利于實(shí)現(xiàn)林果收獲機(jī)械化。本研究針對(duì)不同形式的機(jī)械化摘果采收措施及當(dāng)前林果機(jī)械化采收面臨的問(wèn)題展開(kāi)深入分析。

1 林果機(jī)械化采收現(xiàn)狀

1.1 撞擊式收獲

撞擊式收獲主要運(yùn)用機(jī)械或者電磁的方式完成，產(chǎn)生瞬時(shí)撞擊力，使果樹(shù)在一定頻率中產(chǎn)生較為顯著的振動(dòng)，進(jìn)而讓果實(shí)快速完成脫落，采取此項(xiàng)采收措施能夠有效避免果實(shí)在采收時(shí)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，從而達(dá)到對(duì)果樹(shù)的撞擊采收效果。相關(guān)研究人員深入研究了其他采收方式和撞擊式收獲對(duì)櫻桃的采收效果，結(jié)果表明，在各項(xiàng)條件得到穩(wěn)定的情況下，不同采收方式對(duì)采收性能并不存在影響。為了了解樹(shù)木種類的不同對(duì)撞擊式振動(dòng)采收技術(shù)造成的影響，研究人員對(duì)不同枝干的蘋(píng)果樹(shù)展開(kāi)了深入研究，結(jié)果表明，所有樹(shù)形的果實(shí)采收效果都比較顯著，但是在對(duì)開(kāi)心型蘋(píng)果樹(shù)實(shí)施采收時(shí)，果實(shí)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象相對(duì)較多[3]。

運(yùn)用此項(xiàng)采收措施有較高的采凈率，可以應(yīng)用在扁桃、櫻桃和橄欖等多種果樹(shù)中，但是此類采收措施對(duì)果樹(shù)有較大的影響，使果樹(shù)的結(jié)果率降低[4]。因此，此項(xiàng)采收措施適合運(yùn)用于果實(shí)硬度較大、枝干粗壯型的果樹(shù)。該采收措施還需深入開(kāi)展研究，盡最大限度降低果樹(shù)受到此類采收措施的影響，并進(jìn)一步提升果實(shí)采收的效率。

1.2 搖振式收獲

搖振式收獲機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的林果收獲機(jī)之一，有牽引式、自走式和手持式等機(jī)型，其工作原理是將一定的頻率和振幅傳導(dǎo)給果樹(shù)，樹(shù)上的果實(shí)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，在慣性力的作用下，果柄斷裂，果實(shí)落下并收集。主要結(jié)構(gòu)由推搖器、夾持器、接果裝置和輸果裝置等組成。搖振式收獲機(jī)研究主要集中在搖動(dòng)機(jī)工作參數(shù)對(duì)收獲率的影響、果實(shí)收集方式和提高機(jī)械化收獲效率等方面。振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和振動(dòng)時(shí)間是搖動(dòng)機(jī)的主要工作參數(shù)，這些參數(shù)主要影響收獲的質(zhì)量。搖振式收獲機(jī)根據(jù)夾持位置不同可以收獲橄欖、咖啡、核桃、開(kāi)心果、巴旦和咖啡豆等堅(jiān)果類果樹(shù)，也可以適用于蘋(píng)果、梨等球類果實(shí)的采收。研究表明，利用搖振式收獲技術(shù)對(duì)櫻桃進(jìn)行收獲試驗(yàn)時(shí)，果實(shí)采收率>85%。

1.3 梳刷式收獲

梳刷式收獲主要是采用梳齒機(jī)構(gòu)作用于樹(shù)冠位置，利用梳刷的物理原理將果實(shí)從果樹(shù)上分離出來(lái)，達(dá)到收獲的目的。在收獲樹(shù)冠面積較大的果樹(shù)時(shí)，通?？蛇M(jìn)行局部采收，這種梳刷式的作業(yè)方式被廣泛應(yīng)用在采收藤木類的果樹(shù)，如葡萄、藍(lán)莓、黑莓等水果。由于采用的梳刷式收獲是接觸式收獲，采收部件直接作用于果實(shí)表面，因此，這種原理的林果收獲機(jī)采用的梳齒材料對(duì)果實(shí)的破損率有較大影響，作業(yè)過(guò)程中果實(shí)的損傷率也相對(duì)其他形式較高。

1.4 氣動(dòng)式收獲

氣動(dòng)式收獲主要以氣吸或者氣吹的方式作用于果樹(shù)實(shí)現(xiàn)果實(shí)采收。氣吸式收獲時(shí)運(yùn)用負(fù)壓的原理將果實(shí)吸入采收裝置，果實(shí)在負(fù)壓氣流拖拽作用下經(jīng)過(guò)風(fēng)道進(jìn)入沉降室，落到輸送帶上，樹(shù)葉等輕小雜物則被風(fēng)機(jī)吹送出去完成除雜流程。氣吹式收獲則是通過(guò)較大功率的吹風(fēng)機(jī)吹出高速氣流直接作用于樹(shù)冠位置，氣流導(dǎo)向裝置有規(guī)律的改變氣流方向，使樹(shù)冠上的果實(shí)搖動(dòng)，在慣性力作用下使果實(shí)脫落從而實(shí)現(xiàn)采收[5]。

氣動(dòng)式收獲作業(yè)具有一定的弊端，國(guó)外柑橘收獲試驗(yàn)表明，其采收率比較低，并且氣力式產(chǎn)生振動(dòng)的收獲方式相對(duì)人工采收減產(chǎn)16%。配合使用化學(xué)藥劑使果實(shí)與樹(shù)枝的連接力<22.2 N 時(shí)，收獲時(shí)果實(shí)的分離率>90%，收獲機(jī)的作業(yè)效率也大幅度提升。

1.5 采摘機(jī)器人

蘋(píng)果、葡萄和西紅柿等采摘機(jī)器人的研究逐漸取得了成果。在進(jìn)行果實(shí)的采收任務(wù)時(shí)，機(jī)器人需要運(yùn)用高清識(shí)別系統(tǒng)和圖像處理算法對(duì)果實(shí)的位置實(shí)施定位，在機(jī)械手接收到相應(yīng)的指令之后，再針對(duì)果實(shí)開(kāi)展相應(yīng)的采收工作。此類采收方式收集的果實(shí)具有較高的質(zhì)量，但是依然存在較多的問(wèn)題需要解決，如果實(shí)在采收時(shí)存在遮擋現(xiàn)象、整體采收較為困難等多種問(wèn)題。

在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，果實(shí)的發(fā)育及成熟都存在一定差異，采收人員需要充分結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境的各項(xiàng)需求，采收品質(zhì)相同的果實(shí)，因此，模擬實(shí)際生產(chǎn)條件，研發(fā)出了選擇性收獲機(jī)器人。選擇性收獲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)識(shí)別需要收獲的果實(shí)、定位目標(biāo)和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)抓取動(dòng)作等步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵性操作技術(shù)有目標(biāo)的識(shí)別與定位、高自由度的機(jī)械臂控制及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6]。選擇性收獲機(jī)器人研究從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，但起步階段的采摘機(jī)器人存在采收速度慢、不準(zhǔn)確等諸多問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步，各類傳感器設(shè)備的識(shí)別速度、精度等多方面技術(shù)的提升，此類問(wèn)題得到了有效改善，后續(xù)研究應(yīng)充分結(jié)合目前農(nóng)藝創(chuàng)新技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)某段執(zhí)行器及機(jī)械臂的改善、復(fù)雜場(chǎng)景下的識(shí)別等方向發(fā)展[7]。

2 主要問(wèn)題

2.1 政策引導(dǎo)和資金支持力度不足

林果業(yè)相對(duì)糧食生產(chǎn)種植面積較少，一些省市對(duì)于林果業(yè)的發(fā)展缺乏一定的重視，部分大型的林果業(yè)裝備研發(fā)并沒(méi)有列入發(fā)展的整體規(guī)劃中[8]。此外，對(duì)于林果生產(chǎn)機(jī)械裝備的資金，包括農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼和研發(fā)資金的投入不足，重視程度不高，不能很好地引導(dǎo)林果生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)推動(dòng)林果生產(chǎn)機(jī)械裝備的推廣和應(yīng)用的作用發(fā)揮不明顯，一定程度上影響和制約了林果業(yè)的發(fā)展，尤其是林果采收環(huán)節(jié)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展。

2.2 非標(biāo)準(zhǔn)化種植模式帶來(lái)的影響

標(biāo)準(zhǔn)化的林果全程機(jī)械化采收示范基地較少，農(nóng)機(jī)、規(guī)范化等多方面的建設(shè)程度相對(duì)落后，各類機(jī)械化采收技術(shù)的推廣程度較差。受地域影響，我國(guó)許多地區(qū)的果園種植都是因地形條件擇優(yōu)選擇不同的種植模式，如丘陵山區(qū)和平原地區(qū)的種植模式相差較大，而且大多都是非標(biāo)準(zhǔn)化的種植，實(shí)際工作環(huán)境具有較高的復(fù)雜性，存在無(wú)機(jī)械作業(yè)道路甚至是陡坡、道路崎嶇和障礙多等問(wèn)題，使得果園機(jī)械，尤其是大型采收設(shè)備無(wú)法在果園內(nèi)開(kāi)展各項(xiàng)采收工作。這些都嚴(yán)重制約了機(jī)械化采收技術(shù)的發(fā)展。

2.3 采摘機(jī)械通用性問(wèn)題帶來(lái)的影響

主要是農(nóng)機(jī)農(nóng)藝之間不協(xié)調(diào)，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械和當(dāng)前農(nóng)業(yè)技術(shù)的配合存在較大的差異，使得農(nóng)業(yè)機(jī)械及農(nóng)業(yè)技術(shù)在進(jìn)行融合時(shí)相關(guān)機(jī)制不夠完善，并且由于當(dāng)前果園種植的林果存在較強(qiáng)的季節(jié)性，各類專用機(jī)械設(shè)備實(shí)際使用的時(shí)間相對(duì)較短，進(jìn)而無(wú)法對(duì)當(dāng)前農(nóng)機(jī)銷售、維修等多方面實(shí)施規(guī)范化發(fā)展，最終導(dǎo)致各類機(jī)械化采收技術(shù)始終無(wú)法得到全面推廣。此外，林果采收工作主要由人工完成，再加上勞動(dòng)力缺乏、整體勞動(dòng)強(qiáng)度較大等多方面的問(wèn)題，使人工采收的成本逐漸增大。

3 發(fā)展建議

3.1 推動(dòng)高標(biāo)準(zhǔn)林果全程機(jī)械化示范基地建設(shè)

果園種植模式對(duì)實(shí)現(xiàn)林果種植機(jī)械化具有十分重要的影響，果園在最初的設(shè)計(jì)規(guī)劃上就必須要考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用，為機(jī)械作業(yè)留足空間。因此，各級(jí)農(nóng)業(yè)部門(mén)應(yīng)在高標(biāo)準(zhǔn)林果全程機(jī)械化示范基地建設(shè)上給予足夠的政策支持和資金支持，推動(dòng)新建果園按照適應(yīng)農(nóng)機(jī)作業(yè)的模式建設(shè)新型果園，推動(dòng)老舊果園按照新型果園的模式進(jìn)行改造[9]。同時(shí)推動(dòng)老舊果園通過(guò)合理途徑實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營(yíng)，從而降低農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用成本，提高林果種植的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)果農(nóng)使用農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行作業(yè)的意愿。

3.2 強(qiáng)化農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，全面推動(dòng)宜機(jī)化改造

林果產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化和現(xiàn)代化建設(shè)需要使果園充分實(shí)現(xiàn)宜機(jī)化發(fā)展，這就需要深入研究在滿足果品產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下，不同果樹(shù)的樹(shù)形對(duì)各項(xiàng)機(jī)械化采收措施的影響，以此幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)運(yùn)用更科學(xué)合理的果實(shí)采收設(shè)備，并為后期培育出更適合運(yùn)用機(jī)械完成收獲的果樹(shù)提供有力的支持。

相關(guān)部門(mén)應(yīng)積極強(qiáng)化對(duì)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合研究，進(jìn)一步強(qiáng)化農(nóng)機(jī)、林業(yè)等多個(gè)部門(mén)的深入合作，制定更規(guī)范的林果機(jī)械化生產(chǎn)模式，加強(qiáng)林果生產(chǎn)機(jī)械化示范基地建設(shè)，做好各項(xiàng)技術(shù)的研究試驗(yàn)示范工作，進(jìn)而強(qiáng)化先進(jìn)成果及技術(shù)之間的轉(zhuǎn)化。加強(qiáng)各項(xiàng)管理工作，推動(dòng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，進(jìn)而產(chǎn)生更為有效的技術(shù)方式。同時(shí)，積極建設(shè)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的推廣工作，建設(shè)相應(yīng)的支撐制度，提升農(nóng)機(jī)合作社和專業(yè)戶等組織實(shí)力，并積極鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)設(shè)立專業(yè)的措施，全面提升各類農(nóng)業(yè)采收設(shè)備的實(shí)際使用率，促進(jìn)機(jī)械化采收的發(fā)展。

3.3 因地制宜，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)

各省市應(yīng)結(jié)合林果生產(chǎn)特點(diǎn)，探討本地區(qū)急需解決的林果機(jī)械化生產(chǎn)短板弱項(xiàng)，圍繞采收環(huán)節(jié)特有作業(yè)需求條件，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，引導(dǎo)各科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)。在人才培養(yǎng)方面，還需加強(qiáng)林果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，積極引進(jìn)專業(yè)技術(shù)人才，不斷強(qiáng)化技術(shù)支撐，優(yōu)化技術(shù)資源，充分保障當(dāng)前人才培養(yǎng)的環(huán)境，保證林果產(chǎn)業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的各項(xiàng)需求，進(jìn)而積極帶動(dòng)當(dāng)前林果產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

3.4 加大對(duì)林果機(jī)械研發(fā)的資金投入和政策支持

各地應(yīng)因地制宜，研究制定林果業(yè)發(fā)展政策，從資金、技術(shù)等多個(gè)方面開(kāi)展對(duì)林果業(yè)的扶持工作，解決目前林果生產(chǎn)機(jī)械之間的供需矛盾現(xiàn)象。積極開(kāi)展引進(jìn)消化吸收國(guó)外新技術(shù)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新，全面推動(dòng)林果機(jī)械自主研發(fā)的速度。相關(guān)部門(mén)應(yīng)積極開(kāi)展林果裝備的購(gòu)置補(bǔ)貼，提供更多的資金支持，優(yōu)化農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼的范圍。

在科技成果創(chuàng)新方面，相關(guān)部門(mén)應(yīng)將一部分資金專門(mén)用來(lái)引進(jìn)及全面推廣最先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備等，深入強(qiáng)化人工智能、機(jī)電一體化等多項(xiàng)先進(jìn)科技的研究，全面提升林果技術(shù)裝備的專業(yè)水平。通過(guò)政府相關(guān)部門(mén)的指導(dǎo)，鼓勵(lì)企業(yè)和個(gè)人科技攻關(guān)，全面推動(dòng)科技的創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大林果業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，深入強(qiáng)化與國(guó)外企業(yè)之間的合作，強(qiáng)化特色林果業(yè)產(chǎn)業(yè)體系的建設(shè)進(jìn)度[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)大部分的果園都建設(shè)在山地區(qū)域，若依然運(yùn)用以往的人工方式完成果實(shí)的搬運(yùn)、采收，則會(huì)增加大量的成本支出，這在一定程度上也對(duì)當(dāng)前機(jī)械化采收技術(shù)的全面推廣造成了較大的影響。因此，在針對(duì)各類機(jī)械化采收設(shè)備展開(kāi)深入研究時(shí)，相關(guān)部門(mén)應(yīng)當(dāng)積極開(kāi)展對(duì)山地區(qū)域的采收設(shè)備研究。同時(shí)，在開(kāi)展此項(xiàng)研究工作時(shí)，應(yīng)合理地規(guī)劃整體運(yùn)輸線路，進(jìn)而有效降低成本的支出。

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