張波，楊化偉，盧緒振，王樹城，屈慧星，李寧，韓豪，陳棟梁，婁純毅，張偉偉，於懷振

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

0 引言

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

目前關(guān)于果莖結(jié)合力或分離力國內(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，果實與莖相連的力量要大于莖與樹相連的力量，此時采摘會導致較高的莖附著率，在成熟時櫻桃的果莖結(jié)合力大約是莖與樹結(jié)合力的1/3；Hield[6]等研究發(fā)現(xiàn)了柑橘結(jié)合力與果實的大小和莖的粗細均成線性關(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，當分離角度從0°增加到90°時，分離力下降到1/2 以下；Fluck[8]等測量了3種不同品種的食用番茄的果莖分離力，認為番茄的果莖分離力在19～48 N 之間，隨著果實成熟度增加，力重比減??；Pezzi F[9]等測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]等測定了黑加侖果實與果柄結(jié)合部位的抗拉強度、漿果名義抗壓極限和剛度等力學特性指標隨成熟度和采收日期的變化規(guī)律；郭艷玲[11]等測得美登品種的藍莓熟果、青果和枝葉的結(jié)合力分別為0.3，0.9，1.6 N；散鋆龍[12]等測得不同品種杏果實分離力不同，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]等測得獼猴桃果柄與果實慣性軸成180°夾角時果柄分離力最大為12.8 N，成90°時居中為1.7 N，成60°夾角時最小為1.3 N；李超[14]等測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4 個品種藍果忍冬的結(jié)合力進行測試分析，得出每個品種果實結(jié)合力分布各不相同。

國內(nèi)外學者對不同水果的果莖結(jié)合力作出研究，但目前關(guān)于不同品種的藍莓在采摘期間的果莖結(jié)合力的研究相對較少。振動式收獲技術(shù)是目前最容易實現(xiàn)、收獲效果最明顯的機械收獲方式，能夠有效地使果實和果樹分離[16-22]。機械收獲藍莓的主要原理是通過機械振動使藍莓果實受慣性作用，克服果實和果柄間的結(jié)合力從而使果實脫落。振動力如果過大，則會導致果實破損率提高，使未成熟的果實脫落；振動力過小則不能使成熟果實全部脫落。因此準確把握藍莓在采摘期的結(jié)合力變化趨勢特點，是設(shè)計收獲效率高、破損率低的采摘機器的重要基礎(chǔ)。本研究對3 個不同品種藍莓在采摘期內(nèi)的結(jié)合力進行試驗分析，研究了時間和天氣對不同品種藍莓結(jié)合力的影響，并對3 個品種的結(jié)合力進行比較，為藍莓采摘機器提供合理的技術(shù)參數(shù)。

1 測試條件與方法

1.1 測試儀器與測試品種

（1）測試儀器

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

圖1 測試儀器Fig.1 Test equipment

（2）測試品種 試驗選取3 種藍莓品種，測量果實的形態(tài)特征和計算果形指數(shù)（μ=d2/d1），果形指數(shù)越大，則果實越瘦長，果形指數(shù)越小，則果實越矮胖。其主要形態(tài)特征見表1。

1.2 測試地點及天氣狀況

測試地點為山東省泰安市岱岳區(qū)金牛山實驗基地（36.127 4 °N，117.004 7 °E）。2001 年山東省泰安岱岳區(qū)范鎮(zhèn)谷家莊進行藍莓建園產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，2006 年國家外國專家局在山東省泰安市舉辦全國高灌藍莓觀摩會，使中國藍莓引種栽培進入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的新時代[3]。測試日期為2020 年6 月16 日至2020 年6 月29 日，共14 天。測試期間天氣情況如表2 所示。

表2 測試期間天氣情況Tab.2 Weather conditions during the test

1.3 測試方法

1.3.1 果實形態(tài)測試

每個品種在不同的果樹上隨機抽取30 顆果實，用電子秤測試果實的質(zhì)量，用游標卡尺測量果實的寬徑和窄徑，對數(shù)據(jù)進行記錄，以測量數(shù)據(jù)的平均值作為果實的形態(tài)特征。

1.3.2 結(jié)合力測試

選取3 種不同品種的藍莓果樹，測試時上午和下午每個品種在不同果樹上各隨機采摘15 顆果實進行結(jié)合力的測試，連續(xù)測試14 天。測試時固定果實所在的側(cè)枝，然后用夾具將果實固定，拉力計和藍莓果梗保持在同一條直線上，然后慢慢施加拉力，在果實脫落時讀取測量數(shù)值并記錄，如圖2 所示。每天上午和下午的測試時間固定，上午9:30～11:30，下午14:30～16:30。測試過程中要注意規(guī)范使用拉力計，確保測量數(shù)值的準確性。測試數(shù)據(jù)做好紙面記錄，試驗后用數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

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

2 測試數(shù)據(jù)分析

2.1 結(jié)合力的分布特性

通過對采摘期成熟藍莓結(jié)合力的測試，明顯可以看出結(jié)合力均未超過1 N，而樹葉和未成熟果實的結(jié)合力明顯大于1 N。由于藍莓的結(jié)合力隨藍莓品種、栽植地區(qū)、測試時間等條件的不同而不同，因此結(jié)合力的范圍與文獻[10]研究結(jié)果有差異。為找到結(jié)合力分布的集中范圍，采用直方圖對不同范圍結(jié)合力出現(xiàn)的次數(shù)進行統(tǒng)計，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，但是都相對集中在0.4～1.0 N 之間。為了對藍莓的結(jié)合力進行合理準確的篩選，采用百分位數(shù)來篩選出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

藍莓采摘機構(gòu)通常采用凸輪機構(gòu)或曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)果實的振動激勵。一般將果樹簡化為單自由度模型。在非慣性參考系下，慣性力的計算符合牛頓三大定律，藍莓脫落時的慣性力為質(zhì)量和加速度的乘積，即F=-ma。要想讓藍莓果實脫落，則藍莓脫落時的慣性力要大于果實結(jié)合力[17]，果實的結(jié)合力越大，脫落時所受到的脫落慣性力越大，藍莓采摘機作用在枝干上的振動激勵越大。

由表3 可知，夏普藍采摘期果實結(jié)合力95%集中在0.289～0.923 N 之間，結(jié)合力相差0.634 N；喜來采摘期果實結(jié)合力95%集中在0.307～0.975 N之間，結(jié)合力相差0.668 N；藍豐采摘期果實結(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 個品種的果實結(jié)合力分布相對離散，變異系數(shù)都在50%左右。通過準確劃分結(jié)合力區(qū)間，能夠為藍莓采收機激振力的選擇提供合理參考，在收獲藍莓的過程中，保證采收機實現(xiàn)果實采凈率高、低損傷、魯棒性的目標。

表3 各品種藍莓結(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

對各品種結(jié)合力之間進行顯著性分析。在顯著水平α=0.05 的條件下，對3 個品種上下午的測試數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，分析結(jié)果如表4 所示。通過表4 結(jié)果可看出，3 個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 個品種之間結(jié)合力差異檢驗結(jié)果Tab.4 Test results of the difference of binding force among the three varieties

2.2 時間變化對結(jié)合力的影響

為獲知藍莓的結(jié)合力隨時間的變化規(guī)律，對3 個品種藍莓14 天的測試數(shù)據(jù)進行篩選，通過計算每個品種每天結(jié)合力的均值，然后繪制出結(jié)合力隨時間變化的折線圖，變化趨勢如圖4 所示。

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

從圖4 分析得出，隨著時間的變化，每個品種在采摘期隨著時間的推移，果實結(jié)合力均呈現(xiàn)出下降的趨勢，但是下降速度不同。在藍莓的成熟階段，藍莓果樹產(chǎn)生的脫落酸含量增加，使果實和果柄間的結(jié)合力逐漸減小。在測試過程中，三個不同品種藍莓的結(jié)合力隨時間的變化趨勢與自然規(guī)律相符。而由圖4 可知，在采摘期內(nèi)喜來的結(jié)合力大于藍豐和夏普藍的結(jié)合力，說明喜來在采摘期抵抗外力的能力比較強。夏普藍和喜來的下降速率相對穩(wěn)定，藍豐在第3 天到第5 天有明顯下降趨勢，第5 天以后變化相對穩(wěn)定，說明夏普藍和喜來的采摘期長，藍豐的采摘期稍短。

2.3 結(jié)合力與天氣狀況的關(guān)系

測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間段，不同天氣情況的測試數(shù)據(jù)作為研究對象，選取上午3 組，下午3 組。各組數(shù)據(jù)對比如圖5 所示。

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

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

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

2.4 結(jié)合力隨時間變化的回歸分析

由以上分析可知，天氣變化對結(jié)合力影響不大，但時間對結(jié)合力有顯著影響，為確定時間對結(jié)合力的影響規(guī)律，運用MATLAB 曲線擬合工具箱對結(jié)合力的數(shù)據(jù)進行最小二乘法曲線擬合[23-24]，得到3 個品種結(jié)合力的回歸曲線，如圖6 所示。得到藍豐的結(jié)合力和時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。喜來和夏普藍結(jié)合力隨時間變化近似為正弦關(guān)系，回歸方程分別為：

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

結(jié)合力下降趨勢平穩(wěn)，2 條曲線接近平行說明兩品種結(jié)合力變化趨勢近乎相同。同期，喜來的結(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，說明回歸方程擬合模型恰當?shù)胤从沉私Y(jié)合力隨時間的變化規(guī)律。

從機械化采收的方面考慮，當藍莓的結(jié)合力變化較穩(wěn)定時，最適合機械化采收。從圖6 可以看出，藍豐的結(jié)合力在第5 天后變化相對穩(wěn)定，結(jié)合力估計值在0.4～0.6 之間，因此藍豐相對另外兩個品種更適合機械化采收。而喜來和夏普蘭的成熟期和結(jié)合力變化近乎相同，需要通過推進農(nóng)機農(nóng)藝融合在機械采摘方面進行優(yōu)化。

3 結(jié)論

（1）3 個品種采摘期結(jié)合力大都在0.3～1.0 N之間變化，其中夏普藍采摘期果實結(jié)合力95%集中在0.289～0.923 N 之間；喜來采摘期果實結(jié)合力95%集中在0.307～0.975 N 之間；藍豐采摘期果實結(jié)合力95%集中在0.316～0.958 N 之間。

（2）藍莓采摘期結(jié)合力隨時間增加呈下降趨勢，不同品種的下降速度不同，喜來的下降速度最慢，藍豐的下降速度最快。藍豐成熟中后期結(jié)合力變化相對穩(wěn)定，更適合機械化采摘。

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