万寿菊机械式采摘技术现状与建议

祁正栋，连国党，李亮亮，王立强，刘向东

(新疆理工学院机电工程学院，新疆 阿克苏843000)

0 引言

万寿菊属菊科一年生草本植物，作为观赏和药用植物被大量种植，广泛用于工业和医药，开发潜力巨大，是重要的经济花卉[1]。被称为“植物黄金”的叶黄素就主要来自于万寿菊，其价格与黄金相当[2-3]。尤其近几年，随着合成色素在添加剂使用方面所引发的问题不断出现，以及万寿菊中相关色素在抗癌和抗衰老等方面药用功效明显，人们对万寿菊的需求不断增加，关注度不断提高[4-5]。

目前，万寿菊主要依靠人工采摘，劳动量巨大、效率低、成本高、费时、易伤花且易引起花粉过敏，人工采摘尤其受天气因素制约，且万寿菊采摘后需立即进行防氧化及保鲜处理，操作不及时易造成巨大经济损失。因此，解决万寿菊机械化采收问题能显著提高万寿菊采摘效率、品质和收益，是大力发展万寿菊产业标准化及规模化的重要措施。

1 特性及农艺要求

万寿菊依用途可分为观赏万寿菊与色素万寿菊；依植株的高低分为高茎种、中茎种和矮生种；依花形可分为蜂窝型、散展型和卷沟型[6-7]。常见品种主要有安提瓜系列、发现系列、“印卡”系列、泰山系列和皱瓣系列等，其植株形态结构如图1所示。万寿菊株高60～100 cm，花茎7～10 cm，60 d左右开花，茎直立、粗壮且有分株，花瓣羽状且密集，花冠半球着生枝顶，花色金黄、红橙为主，花期7～10月，一般10～15 d采摘1次，整个生长期可采摘7～10次，喜光，适应性强，管理简单，含有丰富的叶黄素和黄素脂肪酸酯[8-12]。目前，新疆万寿菊种植面积达1.33万hm2，其中南疆莎车县是国内最大的万寿菊种植基地，种植规模约0.93万hm2，产品主要用作提取天然色素叶黄素[13-14]。

万寿菊人工采摘是劳动密集型的作业，人工采摘的成本占整个万寿菊产业链的比例最大，成为制约万寿菊产业发展的重要因素。人工采摘的花序大多属于品质最好的产品，但是采摘效率较低，人均仅约4 kgh的新鲜质量[15]。每天上午露水消失后开始采摘，花农用手指轻掐花朵，采摘时花心未完全开放，花梗不超过1 cm为最佳，采摘后装塑料袋或筐内立即存贮在阴凉处后送加工厂[16-17]。万寿菊采摘必须做到“5不采”：即雨天不采，雾天不采，有露水不采，不成熟的小花不采，腐烂、病变、变色和杂花不采[18-19]。采摘后应及时向伤口处喷施杀菌剂和叶肥，防止感染，残花不能丢弃在田间，防止霉变传染[20-21]。

2 采摘现状及发展趋势

万寿菊在美国、英国、德国、法国、比利时和丹麦等国家均大量分布，我国新疆、云南和吉林等地区均大量种植。国内外针对万寿菊机械化采收已经尝试开发了一些专用收割设备。

WILLOUGHBY R A[22]设计的万寿菊采摘与收集设备，如图2所示，采摘头上安装可自由伸缩的类似指状物梳齿进行采摘，采摘后的物料进入分选系统，干净的花朵落入花箱，花瓣、未开放的花蕾、叶子、茎和干碎片等被传送带筛选后落入垃圾箱，但该机对花序损失较大，采摘效率较低，未在实践中应用。

JANTSCHI L等[23]设计的万寿菊便携式采摘机，由汽油发电机提供电源，采用螺旋刀旋转梳子的方法进行采摘，被切断后的花朵利用惯性落到采摘头后面的收集袋中，实现采摘收集一体。试验结果表明，该机采收率为60%～70%。MUSCALU A等[24]对万寿菊机械化收割技术进行研究，设计了一种低容量、便携式适用于小型采摘作业的收割机，田间试验效果良好。

MELNYCHUK R[25]对万寿菊不同品种的株高、茎粗、分枝数、开花日期和花序干质量等因素进行考虑，设置对照试验研究了适合机械化收割的万寿菊植株品种特征，试验组中SO-99-3(波兰品种)和SO-04-26(德国品种)是最佳机械化采摘品种。试验表明，枝、芽数少，花期短(约50 d)，株高超过49 cm的万寿菊最适合机械化收割。SETHY P K 等[26]利用图像处理技术对万寿菊进行精确识别与计数研究，试验表明，其识别的平均误差为5%，该技术可应用于万寿菊的机械化采摘及其产量估算。SHREE C等[27]基于多特征卷积神经网络研究万寿菊自动化识别计数及采摘技术，其识别系统如图3所示，通过自动机器人系统检测万寿菊花球，检测准确性87.79%，定位花球后机器人自动进行采摘，但如果花朵隐藏在叶子和枝干的后面并且在图像中不可见，则无法识别。

由于万寿菊植株的形态结构与洋甘菊相似，因此可以尝试利用洋甘菊的收割机进行收割万寿菊，如VESELINOV B等[15，28-29]利用现有洋甘菊梳齿式收割机收割万寿菊，试验表明，当收获装置对花序带宽度的相对穿透系数设为R=1.3时，收获总质量占总花序产量的百分比最高(84%～97%)，且采摘效率与植株总花序数量有关，与洋甘菊相比一样适用，采摘效果没有明显差异。此外，研究还通过统计万寿菊茎、叶和花朵等几何尺寸，设计了一种自动分离花序的系统，分离效率达到92%。

新疆伊犁州察布查尔县农业技术人员与农机修理部人员联合设计、自主研制了新疆首台梳齿式万寿菊采摘机，如图4所示。该机工作时悬挂在拖拉机前面与拖拉机配合使用，其原理主要通过旋转的梳齿强行将花朵拉断，近而达到采摘的效果，但由于该机盲采，采净率较低，对花枝破坏较严重，故没有完全推广使用[30-31]。

欧解利[32]发明了一种便携式万寿菊摘花机，其主要采用两叶剪刀片进行剪切万寿菊花头而达到采摘目的，剪刀的两个叶片一个固定一个活动，可活动剪刀叶片在切割完成后在弹簧的拉力下回位，再次处于张口状态，进行重复作业。该机结构简单紧凑，使用灵活方便，采摘效率较人工采摘高。佳木斯大学[33]发明了一种便携背负式万寿菊双臂采摘机，主要解决单臂采摘效率低，采摘器外配电源不方便问题。该机结构简单，设计合理，采用双采摘臂和梳式摘花器，采摘干净，速度快，效率高，在田地作业时不受采摘环境的限制。刘瑞德[34]发明的小型结构简单的万寿菊采摘机，使用时利用圆形采摘圈套住万寿菊花头，采摘圈切刀与支架刀配合将万寿菊花头剪下，剪下的花头掉入收集箱，完成采摘。使用该采摘器，全程不需要用手接触万寿菊，可以有效地解决万寿菊人工采摘易过敏的问题。姬长英等[35-36]和樊俊等[37]对山地贡菊及杭白菊梳齿式采摘机进行结构设计与试验研究，可达到较好的采摘效果。

国外早在20世纪初期就已对万寿菊种植、规模 化生产和叶黄素提取等方面进行大量研究。如美国PanAmerican Seed公司、英国Thompson & Morgan公司及荷兰SluisGroot公司等都以盛产万寿菊而著名[38]。在万寿菊叶黄素开发应用方面，美国Kemin公司、瑞士ROCHE公司和德国MAR-CUS公司等处于研究的前沿[39]。

国外农业机械化水平相对较发达，机械化程度较高，主要原因如下。①发达国家人工费昂贵，万寿菊采摘需大量人工，机械化是必然发展趋势。②起步早，相关法律体系和制度健全，以及科研和补贴等专项经费的大力投入。③深度学习、图像处理和导航定位等高新技术快速发展，使其在农业机械化方面应用成为可能。

国内自20世纪90年代开始种植万寿菊，目前面积和产量已经达到较大规模[40]。近年来，国内对万寿菊研究热点主要集中于万寿菊中各种化学成分提取，以及相关功能、作用、栽培技术和育种等方面，对万寿菊机械采摘研究处于起步阶段，少数基层农机人员进行了简易采摘机的自发研制。随着我国万寿菊种植规模不断扩大，人工费用不断增长，万寿菊机械化必然引起更多关注。

3 采摘原理及方法

万寿菊采摘原理的选择对于获得高质量花朵，以及获得较高的净采率和采后花头的收集等都具有非常重要的作用。菊科类采摘原理有2类：第1类是基于直线运动与旋转运动相结合的采摘原理；第2类是基于一对相对旋转的刷对相互啮合运动的采摘原理。对于万寿菊采摘主要基于第1类采摘原理，水平直线运动主要涉及到植株梳理及花头的切割，最理想的状态是将花头不带茎切割(花头带茎会影响叶黄素的品质)，空间旋转运动主要涉及到花头撕扯及断裂，以及被摘后花头的运动轨迹相关的传输及收集问题，如表1所示为常见采摘梳齿类型、原理及特点[41-45]。

需要注意的是万寿菊机械化采摘是一个系统工程，应集成己有的结果。以上的采摘机理分析都集中在机械采摘设计上，但育种、栽培、运输、储存和管理等问题的解决对万寿菊采摘也很重要。每种机械采摘原理及解决方案也不尽相同，具体还要根据万寿菊品种特点、种植模式及土地情况等因素综合考虑。

表1 常见采摘梳齿类型、原理及特点

4 制约因素及措施

万寿菊机械化采摘对提高万寿菊产业经济效益起着至关重要的作用，从国内外对万寿菊机械化研究现状分析，需解决以下问题。

(1)万寿菊在采摘期开花各阶段的花朵(如芽、花蕾)都出现在植物上，只有接近盛放期的花朵才是质量最佳的花朵，因此采摘时必须格外小心且准时，以确保尽量少采芽、茎和叶等无关的材料，这种采摘特性决定了采摘机要能够多次、分期、差异化、应采尽采、采净率高且采摘过程中对植株损伤较少，这对农机农艺融合和高新技术的应用要求比较高。

(2)就花序的质量和采摘效率而言，带有梳齿部分的旋转采摘滚筒可达到最佳效果，通过提高地面运动速度或增加工作宽度，以实现更高的生产率。但现有收割机的采摘效率受到滚筒转速的限制，增加工作宽度也有限且会增长材料成本，需要新的采摘技术和改进采摘原理才能更高效地提高质量及生产率，如可以尝试气吸力式非切割方法等。

(3)目前我国万寿菊机械化采摘程度非常低，主要是以小型便携式采摘机为主(如手提式、背负式等)，很难大面积和规模化作业，对万寿菊增收起不到显著作用。

(4)提倡规模化和标准化开展万寿菊种植及提高栽培育种技术，加大科研、补贴及试验示范等方面投入资金规模，提高花农文化水平及认识，构建完整种植体系结构。

5 结束语

研究万寿菊机械化采收技术及装备能有效推动万寿菊产业高质量发展，使其具有良好的应用前景，此外也能促进农机新技术综合应用水平提高。虽然国内外针对万寿菊机械化采摘设备进行大量研制，但万寿菊机械化采摘难题还未能真正解决，还有待进一步研究。万寿菊的机械采摘必将向着规模化、大型化、自动化、智能化和高效率方向发展，生物技术、计算机技术及遥感技术等一系列高新技术迅速向农业领域广泛转移且逐步应用于农机设计研究中，形成“数字农业”是必然趋势。