藍(lán)莓采摘期結(jié)合力測(cè)試與變化趨勢(shì)的分析

張波，楊化偉，盧緒振，王樹(shù)城，屈慧星，李寧，韓豪，陳棟梁，婁純毅，張偉偉，於懷振

（1.250010 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院;2.山東省 泰安市 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)；3.250010 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程雜志社）

0 引言

藍(lán)莓果實(shí)中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,能夠增強(qiáng)人體免疫、軟化血管、保護(hù)視力等。其中，由于藍(lán)莓富含花青素，具有活化視網(wǎng)膜的功效，可以增強(qiáng)視力，防止眼球疲勞而廣受關(guān)注。全球藍(lán)莓的栽培面積與產(chǎn)量近年來(lái)不斷增加[1-2]。山東省是中國(guó)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)祥地，栽培面積和產(chǎn)量一直位列全國(guó)第一位[3-4]。由于藍(lán)莓成熟時(shí)，果皮薄，果肉細(xì)膩，漿汁豐富，人工采摘效率低，機(jī)械收獲時(shí)容易破損，使果農(nóng)收益受到很大損失，阻礙了藍(lán)莓的栽植和推廣。

目前關(guān)于果莖結(jié)合力或分離力國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了大量研究，并取得一定成果。Markwardt[5]等研究表明，在櫻桃成熟早期，果實(shí)與莖相連的力量要大于莖與樹(shù)相連的力量，此時(shí)采摘會(huì)導(dǎo)致較高的莖附著率，在成熟時(shí)櫻桃的果莖結(jié)合力大約是莖與樹(shù)結(jié)合力的1/3；Hield[6]等研究發(fā)現(xiàn)了柑橘結(jié)合力與果實(shí)的大小和莖的粗細(xì)均成線性關(guān)系；Coppock[7]等研究了4 種不同收獲期不同品種柑橘的分離力和分離角度的關(guān)系，當(dāng)分離角度從0°增加到90°時(shí)，分離力下降到1/2 以下；Fluck[8]等測(cè)量了3種不同品種的食用番茄的果莖分離力，認(rèn)為番茄的果莖分離力在19～48 N 之間，隨著果實(shí)成熟度增加，力重比減?。籔ezzi F[9]等測(cè)得葡萄果柄和葡萄果粒之間的結(jié)合力約為2.45 N；王業(yè)成[10]等測(cè)定了黑加侖果實(shí)與果柄結(jié)合部位的抗拉強(qiáng)度、漿果名義抗壓極限和剛度等力學(xué)特性指標(biāo)隨成熟度和采收日期的變化規(guī)律；郭艷玲[11]等測(cè)得美登品種的藍(lán)莓熟果、青果和枝葉的結(jié)合力分別為0.3，0.9，1.6 N；散鋆龍[12]等測(cè)得不同品種杏果實(shí)分離力不同，但在成熟期差異不大，果柄分離力范圍集中在2～8 N；傅隆生[13]等測(cè)得獼猴桃果柄與果實(shí)慣性軸成180°夾角時(shí)果柄分離力最大為12.8 N，成90°時(shí)居中為1.7 N，成60°夾角時(shí)最小為1.3 N；李超[14]等測(cè)量了成熟期葡萄穗梗和葡萄果柄的結(jié)合力約為13.5 N，葡萄果柄和葡萄果粒之間的結(jié)合力約為1.69 N；趙永超[15]等對(duì)4 個(gè)品種藍(lán)果忍冬的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)試分析，得出每個(gè)品種果實(shí)結(jié)合力分布各不相同。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同水果的果莖結(jié)合力作出研究，但目前關(guān)于不同品種的藍(lán)莓在采摘期間的果莖結(jié)合力的研究相對(duì)較少。振動(dòng)式收獲技術(shù)是目前最容易實(shí)現(xiàn)、收獲效果最明顯的機(jī)械收獲方式，能夠有效地使果實(shí)和果樹(shù)分離[16-22]。機(jī)械收獲藍(lán)莓的主要原理是通過(guò)機(jī)械振動(dòng)使藍(lán)莓果實(shí)受慣性作用，克服果實(shí)和果柄間的結(jié)合力從而使果實(shí)脫落。振動(dòng)力如果過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致果實(shí)破損率提高，使未成熟的果實(shí)脫落；振動(dòng)力過(guò)小則不能使成熟果實(shí)全部脫落。因此準(zhǔn)確把握藍(lán)莓在采摘期的結(jié)合力變化趨勢(shì)特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)收獲效率高、破損率低的采摘機(jī)器的重要基礎(chǔ)。本研究對(duì)3 個(gè)不同品種藍(lán)莓在采摘期內(nèi)的結(jié)合力進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究了時(shí)間和天氣對(duì)不同品種藍(lán)莓結(jié)合力的影響，并對(duì)3 個(gè)品種的結(jié)合力進(jìn)行比較，為藍(lán)莓采摘機(jī)器提供合理的技術(shù)參數(shù)。

1 測(cè)試條件與方法

1.1 測(cè)試儀器與測(cè)試品種

（1）測(cè)試儀器

藍(lán)莓結(jié)合力測(cè)量采用的儀器為艾德堡SH-20型液晶數(shù)顯推拉力計(jì)（精度±0.5%，最大負(fù)荷20 N，分度值為0.001 N）和自制夾具；果實(shí)質(zhì)量的測(cè)量采用分度值為0.01 g 的meilen 便攜電子秤；果實(shí)寬徑和窄徑的測(cè)量采用游標(biāo)卡尺，卡尺分度值為0.02。

圖1 測(cè)試儀器Fig.1 Test equipment

（2）測(cè)試品種 試驗(yàn)選取3 種藍(lán)莓品種，測(cè)量果實(shí)的形態(tài)特征和計(jì)算果形指數(shù)（μ=d2/d1），果形指數(shù)越大，則果實(shí)越瘦長(zhǎng)，果形指數(shù)越小，則果實(shí)越矮胖。其主要形態(tài)特征見(jiàn)表1。

1.2 測(cè)試地點(diǎn)及天氣狀況

測(cè)試地點(diǎn)為山東省泰安市岱岳區(qū)金牛山實(shí)驗(yàn)基地（36.127 4 °N，117.004 7 °E）。2001 年山東省泰安岱岳區(qū)范鎮(zhèn)谷家莊進(jìn)行藍(lán)莓建園產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，2006 年國(guó)家外國(guó)專家局在山東省泰安市舉辦全國(guó)高灌藍(lán)莓觀摩會(huì)，使中國(guó)藍(lán)莓引種栽培進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的新時(shí)代[3]。測(cè)試日期為2020 年6 月16 日至2020 年6 月29 日，共14 天。測(cè)試期間天氣情況如表2 所示。

表2 測(cè)試期間天氣情況Tab.2 Weather conditions during the test

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 果實(shí)形態(tài)測(cè)試

每個(gè)品種在不同的果樹(shù)上隨機(jī)抽取30 顆果實(shí)，用電子秤測(cè)試果實(shí)的質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)的寬徑和窄徑，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為果實(shí)的形態(tài)特征。

1.3.2 結(jié)合力測(cè)試

選取3 種不同品種的藍(lán)莓果樹(shù)，測(cè)試時(shí)上午和下午每個(gè)品種在不同果樹(shù)上各隨機(jī)采摘15 顆果實(shí)進(jìn)行結(jié)合力的測(cè)試，連續(xù)測(cè)試14 天。測(cè)試時(shí)固定果實(shí)所在的側(cè)枝，然后用夾具將果實(shí)固定，拉力計(jì)和藍(lán)莓果梗保持在同一條直線上，然后慢慢施加拉力，在果實(shí)脫落時(shí)讀取測(cè)量數(shù)值并記錄，如圖2 所示。每天上午和下午的測(cè)試時(shí)間固定，上午9:30～11:30，下午14:30～16:30。測(cè)試過(guò)程中要注意規(guī)范使用拉力計(jì)，確保測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性。測(cè)試數(shù)據(jù)做好紙面記錄，試驗(yàn)后用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 結(jié)合力的測(cè)試Fig.2 Testing of binding force

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 結(jié)合力的分布特性

通過(guò)對(duì)采摘期成熟藍(lán)莓結(jié)合力的測(cè)試，明顯可以看出結(jié)合力均未超過(guò)1 N，而樹(shù)葉和未成熟果實(shí)的結(jié)合力明顯大于1 N。由于藍(lán)莓的結(jié)合力隨藍(lán)莓品種、栽植地區(qū)、測(cè)試時(shí)間等條件的不同而不同，因此結(jié)合力的范圍與文獻(xiàn)[10]研究結(jié)果有差異。為找到結(jié)合力分布的集中范圍，采用直方圖對(duì)不同范圍結(jié)合力出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3 所示。

分析圖3 可知，不同品種的結(jié)合力分布情況有差別，但是都相對(duì)集中在0.4～1.0 N 之間。為了對(duì)藍(lán)莓的結(jié)合力進(jìn)行合理準(zhǔn)確的篩選，采用百分位數(shù)來(lái)篩選出95%結(jié)合力的分布范圍，篩選結(jié)果如表3 所示。

圖3 采摘期結(jié)合力直方圖Fig.3 The histogram of binding force at picking time

藍(lán)莓采摘機(jī)構(gòu)通常采用凸輪機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)果實(shí)的振動(dòng)激勵(lì)。一般將果樹(shù)簡(jiǎn)化為單自由度模型。在非慣性參考系下，慣性力的計(jì)算符合牛頓三大定律，藍(lán)莓脫落時(shí)的慣性力為質(zhì)量和加速度的乘積，即F=-ma。要想讓藍(lán)莓果實(shí)脫落，則藍(lán)莓脫落時(shí)的慣性力要大于果實(shí)結(jié)合力[17]，果實(shí)的結(jié)合力越大，脫落時(shí)所受到的脫落慣性力越大，藍(lán)莓采摘機(jī)作用在枝干上的振動(dòng)激勵(lì)越大。

由表3 可知，夏普藍(lán)采摘期果實(shí)結(jié)合力95%集中在0.289～0.923 N 之間，結(jié)合力相差0.634 N；喜來(lái)采摘期果實(shí)結(jié)合力95%集中在0.307～0.975 N之間，結(jié)合力相差0.668 N；藍(lán)豐采摘期果實(shí)結(jié)合力95%集中在0.316～0.958 N 之間，結(jié)合力相差0.642 N。這3 個(gè)品種的果實(shí)結(jié)合力分布相對(duì)離散，變異系數(shù)都在50%左右。通過(guò)準(zhǔn)確劃分結(jié)合力區(qū)間，能夠?yàn)樗{(lán)莓采收機(jī)激振力的選擇提供合理參考，在收獲藍(lán)莓的過(guò)程中，保證采收機(jī)實(shí)現(xiàn)果實(shí)采凈率高、低損傷、魯棒性的目標(biāo)。

表3 各品種藍(lán)莓結(jié)合力百分位數(shù)和變異系數(shù)Tab.3 Binding force percentile and coefficients of variation of blueberry varieties

對(duì)各品種結(jié)合力之間進(jìn)行顯著性分析。在顯著水平α=0.05 的條件下，對(duì)3 個(gè)品種上下午的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，分析結(jié)果如表4 所示。通過(guò)表4 結(jié)果可看出，3 個(gè)品種之間不論上午還是下午結(jié)合力都存在有顯著性差異。

表4 3 個(gè)品種之間結(jié)合力差異檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of the difference of binding force among the three varieties

2.2 時(shí)間變化對(duì)結(jié)合力的影響

為獲知藍(lán)莓的結(jié)合力隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)3 個(gè)品種藍(lán)莓14 天的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，通過(guò)計(jì)算每個(gè)品種每天結(jié)合力的均值，然后繪制出結(jié)合力隨時(shí)間變化的折線圖，變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 藍(lán)莓結(jié)合力隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.4 The trend of blueberry binding force changes over time

從圖4 分析得出，隨著時(shí)間的變化，每個(gè)品種在采摘期隨著時(shí)間的推移，果實(shí)結(jié)合力均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但是下降速度不同。在藍(lán)莓的成熟階段，藍(lán)莓果樹(shù)產(chǎn)生的脫落酸含量增加，使果實(shí)和果柄間的結(jié)合力逐漸減小。在測(cè)試過(guò)程中，三個(gè)不同品種藍(lán)莓的結(jié)合力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與自然規(guī)律相符。而由圖4 可知，在采摘期內(nèi)喜來(lái)的結(jié)合力大于藍(lán)豐和夏普藍(lán)的結(jié)合力，說(shuō)明喜來(lái)在采摘期抵抗外力的能力比較強(qiáng)。夏普藍(lán)和喜來(lái)的下降速率相對(duì)穩(wěn)定，藍(lán)豐在第3 天到第5 天有明顯下降趨勢(shì)，第5 天以后變化相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明夏普藍(lán)和喜來(lái)的采摘期長(zhǎng)，藍(lán)豐的采摘期稍短。

2.3 結(jié)合力與天氣狀況的關(guān)系

測(cè)試期間天氣狀況如表2 所示。為了盡可能保證結(jié)合力只受到天氣變化的影響，選擇相鄰兩天同一時(shí)間段，不同天氣情況的測(cè)試數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，選取上午3 組，下午3 組。各組數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5 所示。

圖5 不同天氣情況下結(jié)合力對(duì)比Fig.5 Comparison of binding forces under different weather conditions

為了分析不同的天氣狀況對(duì)結(jié)合力的影響，對(duì)不同品種的藍(lán)莓結(jié)合力分別進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)（顯著水平α=0.05）。3個(gè)品種的P值均大于0.05，統(tǒng)計(jì)量均小于臨界值，如表5 所示。研究結(jié)果表明3 個(gè)品種的在晴天和陰雨天采摘藍(lán)莓所需要的采摘力無(wú)明顯差異。

表5 不同天氣結(jié)合力差異檢驗(yàn)Tab.5 Test the difference of binding

2.4 結(jié)合力隨時(shí)間變化的回歸分析

由以上分析可知，天氣變化對(duì)結(jié)合力影響不大，但時(shí)間對(duì)結(jié)合力有顯著影響，為確定時(shí)間對(duì)結(jié)合力的影響規(guī)律，運(yùn)用MATLAB 曲線擬合工具箱對(duì)結(jié)合力的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法曲線擬合[23-24]，得到3 個(gè)品種結(jié)合力的回歸曲線，如圖6 所示。得到藍(lán)豐的結(jié)合力和時(shí)間之間的回歸方程為：

式（1）近似為冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方（R2）=0.88。從圖6 回歸方程模型圖中也可看出，模型擬合程度較好，結(jié)合力在前5 天下降較快。喜來(lái)和夏普藍(lán)結(jié)合力隨時(shí)間變化近似為正弦關(guān)系，回歸方程分別為：

圖6 藍(lán)莓結(jié)合力和時(shí)間變化回歸方程模型圖Fig.6 Blueberry binding force and time change regression equation model diagram

結(jié)合力下降趨勢(shì)平穩(wěn)，2 條曲線接近平行說(shuō)明兩品種結(jié)合力變化趨勢(shì)近乎相同。同期，喜來(lái)的結(jié)合力大于夏普蘭的結(jié)合力，相關(guān)系數(shù)R2 分別為0.973 5、0.979 0，說(shuō)明回歸方程擬合模型恰當(dāng)?shù)胤从沉私Y(jié)合力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

從機(jī)械化采收的方面考慮，當(dāng)藍(lán)莓的結(jié)合力變化較穩(wěn)定時(shí)，最適合機(jī)械化采收。從圖6 可以看出，藍(lán)豐的結(jié)合力在第5 天后變化相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)合力估計(jì)值在0.4～0.6 之間，因此藍(lán)豐相對(duì)另外兩個(gè)品種更適合機(jī)械化采收。而喜來(lái)和夏普蘭的成熟期和結(jié)合力變化近乎相同，需要通過(guò)推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合在機(jī)械采摘方面進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

（1）3 個(gè)品種采摘期結(jié)合力大都在0.3～1.0 N之間變化，其中夏普藍(lán)采摘期果實(shí)結(jié)合力95%集中在0.289～0.923 N 之間；喜來(lái)采摘期果實(shí)結(jié)合力95%集中在0.307～0.975 N 之間；藍(lán)豐采摘期果實(shí)結(jié)合力95%集中在0.316～0.958 N 之間。

（2）藍(lán)莓采摘期結(jié)合力隨時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，不同品種的下降速度不同，喜來(lái)的下降速度最慢，藍(lán)豐的下降速度最快。藍(lán)豐成熟中后期結(jié)合力變化相對(duì)穩(wěn)定，更適合機(jī)械化采摘。

（3）3 個(gè)品種的分析結(jié)果表明，在晴天和陰雨天采摘藍(lán)莓所需要的采摘力無(wú)明顯差異。結(jié)合力與時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)，與氣溫和濕度相關(guān)性不顯著。