0 引言
红花别名草红花,是名贵中草药材和重要的油料作物,具有活血通经、散瘀止痛的功效.红花籽提取出的红花油,堪称"亚油酸之王",被誉为世界上三大保健功能营养油之一.新疆红花种植已有 2000 年多历史,分布区域较广.目前,新疆红花种植面积近 4万 hm²,产量占全国的 80% .相对于红花种植业的快速发展,红花丝的机械化采收技术严重滞后于开发利用环节,已成为制约其产业发展的"瓶颈".新疆红花采收季节在 7-9 月份,与新疆加工番茄、棉花采收期重叠,导致雇工困难、采花费用逐年上涨等问题,生产成本大幅提高,许多红花因无人采收而浪费,致使采收量下降,严重打击了农户的种植积极性,制约了红花产业的发展.因此,解决红花丝机械化采收问题是大力发展红花产业标准化及规模化的必要条件之一.
1 国外红花丝采收机械现状
目前,世界上有 60 多个国家和地区栽培红花,主要集中在印度、墨西哥、美国、埃塞俄比亚、西班牙和澳大利亚[1].其中,印度、埃及、伊朗、西班牙等国红花种植面积较大,其采收方式和采后加工机械与中国相似,即种子收获、脱籽、榨油等工序均已实现机械化,但红花花丝采收仍然采用手工采收[2-6].印度的 NARI ( Nimbkar Agricultural research Insti-tute)[7]已经制成了两种类型的红花花丝采收机,一种是背负式红花采收机,工人背负电池及采收装置( 如图 1( a) 所示) ,另一种是以汽油机为动力的手推式红花收获机.这两种装置中,花丝的采收和收集靠风机产生的负压,而花丝分离依靠旋风分离器( 如图 1( b)所示) .这两种机型虽然操作方便、效率高,但存在着能耗大、采收效率低、噪音大等缺点.2012 年,伊朗德兰黑大学 Abuoreihan 学院农业技术系的 Siavash Azi-mi[8]设计了一种红花花丝采收机,由发动机、径向风扇( 含有智能刀片) 、输送管道、扩散器( 花丝从空气流和储花室分离出来) 及储花室 5 部分组成.试验表明,该红花花丝收获机的采收量与手工相比增加了65% ( 如图 1( c) 所示) ,但花丝损失量大.
2 国内红花丝采收机械现状
国内红花花丝采收方式仍停留在人工采收阶段,没有大面积推广使用的红花采收机械.目前,国内对红花收获机械进行相关研究处于起步阶段,只有农牧团场的少数基层农机人员进行了简易采收机的自发研制.
1994 年,山西农业大学的叶全民、左月明研制了一种顶生小果实采收机[9]( 见图 2( a) ) ,利用气吸原理,采集头靠近顶生小果实时,其小果实被负压产生的吸力拉下,并随着气流由采集头经吸气软管进入集料箱收集.该采收机专门针对红花设计了负压吸引-剪切式采集头,具有较好的适应能力.
2005 年,新疆塔城市也门勒乡阔村的周瑛、沈凤芳在实用新型专利"一种电动红花摘花器"[10]( 见图 2( b) ) 中介绍,利用转动的抓花扇将红花丝收集至刀片处,刀片做往复剪切运动将红花花丝采收后通过输花管输送至贮花箱,该机因工作效率较低未见使用.
2011 年,新疆裕民县农机推广站的技术人员研制的背负式小型红花采收机( 见图 2( c) )[11],该机利用气吸原理完成花丝的分离、收集,专门针对已干枯的干花丝进行采收.
2012 年,葛云、王磊等人提出了一种利用气吸切割原理完成红花鲜花丝收获的红花采收器[12].工作时,利用气吸流将红花花丝吸入吸花口整形,由回转切割刀片完成红花花丝与瘦果的的切割,再将切割分离后的红花花丝利用气吸流吸入到储花室.其结构如图 3( a) 所示.
2012 年,石河子大学葛云、王磊提出一种利用气吹和气吸相结合的方式完成红花干花丝收获的红花采收机[13].工作时,先利用气力将红花丝吹落,再利用气力将吹落的花丝吸入、收集,其结构如图 3( b) 所示.
2012 年,李景彬、坎杂等人提出一种利用切割采收机构将鲜花丝切割,再利用负压输送所得花丝的便携式单人红花采收机[14],结构如图 3( c) 所示.同时,相继提出一种多人红花采收机[15],利用蓄电池提供动力,并行配置多个切割采收机构,分别由多人每人手持一个切割采收机构将鲜花丝从花丝根部切割下来,再利用负压输送并收集所得花丝,结构示意图如图 3( d) 所示.
2012 年,甘肃省酒泉市王建生提出一种药红花采收器[16].工作时,根据红花花丝距离地面的高度,调整升降床腿的位置,将红花花丝套在割床圆孔内,推动带刀片的活动屉,将花丝切割收集在屉箱中,结构示意图如图 3( e) 所示.
2012 年,石河子大学李树峰、李景彬等人提出的便携式红花采收机[17],利用设在吸花管头部的剪刀装置将花丝剪落后,通过负压风机产生的吸力将其收集,结构示意图如图 3( f) 所示.
以上几种红花采集装置均是采用气力式或机械切割式实现红花花丝的采集、收获,改善了采摘花农的劳动强度,但在实际应用过程中,仍存在采收效率低、采净率低、掉落损失大等问题.目前,上述机械仍处在试验阶段,尚未得到装置的推广应用.
3 制约因素
1) 红花植株生长特性制约着红花丝机械化采收的实施.红花花球呈锥形空间排列,且果球开花时间不一致.单株红花有果球 10 ~ 30 个[18],分布相对集中在植株顶端,开花期自主茎顶端到接近顶部的每级花球逐次开放,若将新花丝采收后,新花丝能够很快再生,可采收连续 2 ~ 3 茬.因此,应及时采摘花丝,且不能损伤瘦果,这将影响后茬花丝和红花籽的产量和质量.红花花丝的采收要求及其植株生长特性增加了机械化采收的难度.
2) 不同花期红花丝物理性状制约红花丝机械化采收的实施.红花丝开放 1 ~ 3 天之间称为新鲜花丝,含水率高,花丝直立呈冠状( 见图 4) ,便于人手工采摘; 但是新鲜花丝由于与底部的瘦果紧密相连,抗拉强度大,采摘时,瘦果里的红花籽尚未灌浆成熟,机械采收需考虑如何避免对瘦果的损伤.花丝开放4 天之后含水率下降,逐渐萎蔫( 见图 4) ,由于花丝下垂,粘贴在瘦果之上,此阶段的花丝称为半干花丝或干花丝.此时,花丝与瘦果的连接力降低,所需分离力大大降低,采摘时需增加一个整理花丝的过程.因此,由于新鲜花丝与半干花丝在采收时形态及力学特性相差较大,国内针对红花采摘的试验装备均分别针对其各自特点展开相关采收机械的研究,在一定程度上制约了红花丝机械化采收的实施.
3) 红花种植模式制约红花丝机械化采收的实施.新疆红花多为粗放式种植和管理模式,品种也分为有刺、无刺、水浇、旱作多种,造成红花植株宏观物料特性差异较大,不利于采收机械参数的确定和优化,一定程度上制约了红花丝机械化采收的实施.
4 发展建议
红花丝采摘是一项季节性较强和劳动密集型的工作,采摘费用逐年上升,已占到红花田间生产总费用的 30% ~50% ,对红花丝机械化采收需求已经迫在眉睫; 但红花丝的机械化采收是一项农机与农艺相互融合的系统工程,与红花生产过程中的各个环节都有紧密联系.为此,笔者提出以下几点建议:
1) 优选红花品种,规范红花种植和管理模式,有利于农行机和农艺的相互融合,是红花产业机械化发展的前提.
2) 重视机械化采收技术的基础性研究工作.国内外的红花丝采收机械基本都是采用气力式或气力与切割相结合的方式,红花丝掉落损失及廋果损伤率都较大,且噪音大、工作环境恶劣.因此,应积极探索新的采收方式,结合标准化和规范化种植的红花,进行物料特性及采摘机理研究.
3) 设计的机型应向功能集约化的方向发展.目前现有红花采收机械主要采用手持的方式完成红花丝的机械采摘,采收效率仍然不能达到大规模发展红花产业的需要,应结合红花丝机械采收机理的基础性研究,设计集约化程度高、采收幅宽大,采净率高的自走式红花丝采收机械.
5 结语
红花耐贫瘠、耐干旱、耐盐碱,由于新疆独特的气候和地理条件,新疆已成为我国红花种植的理想区域[19].因此,研究开发多功能作业的红花花丝采收机,不仅可以推动开发利用新疆贫瘠、盐碱和缺水的可耕地[20],更能进一步提高有限劳动力的生产效率.同时,有效促进新疆特色经济作物持续稳定发展,保持农民收入稳步增长,具有十分重要的意义和应用前景.
参考文献:
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