筏式养殖海带收获装置的发展现状

常宗瑜，张 扬，郑中强，万 荣，张志新

(1 中国海洋大学工程学院，山东 青岛，266100；2 山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛，266100；3 上海海洋大学海洋科学学院，上海，201306；4 荣成市海洋与渔业局，山东 荣成，264300)

海带(Laminariajaponica)不仅是一种营养丰富的海洋食蔬，而且因其富含褐藻胶、甘露醇和碘等成分，也是医药保健、海藻化工等领域的重要原料[1-4]。中国是世界上最大的海带养殖国，海带产量逐年增加，2016年总产量达到146万t[5-6]。近年来，海带养殖业在山东荣成、福建霞浦等地区已成为当地的支柱产业之一[7-8]。韩国、日本等国家的海带养殖业也发展迅速[9-20]。浮筏式养殖是我国北方沿海地区海带养殖最常见的模式，具有产量高、海域空间利用充分等优点[21-24]。目前，筏式养殖的海带主要采用人工方式采收，劳动强度大、劳动生产率低，而且高强度作业存在安全和健康隐患[25-26]。随着海带养殖技术的快速发展，海带产量迅猛提高，海带采收过程对劳动力的大量需求以及劳动费用急增成为海带养殖业发展的瓶颈因素。因此，机械化海带采收是必然的发展趋势[27-29]。近年来国内海带养殖机械化取得了较快的发展，已有若干种海带机械化加工装置进入试验阶段[30-33]。但是距大规模推广使用仍然存在较大的差距。本文对中国北方海域筏式养殖海带采收装置的发展状况进行综述，对当前海带收割装置的构成、特点进行深入分析，指出其中所存在的问题，为海带机械化采收装置的发展提供参考。

1 筏式海带养殖模式

海带全人工筏式养殖的形式多种多样，包括垂养(图1a)、平养(图1b)、先垂后平、单筏一条龙(图1c)、潜筏平养(图1d)和方框筏平养等6种形式，其中以垂养和平养为主[34-36]。海带养殖的筏架有单筏和双筏，北方海区均采用单筏，而南方海区两种都用。由于单筏结构对平养和垂养均适合，所以是目前海带筏式养殖的主要类型。单筏结构包括一根绠绳、两根锚绳、两个重物锚(或木橛)和若干个浮球组成。

海带单筏平养具有海域利用率好、产量高等优点，在北方海带养殖中得到广泛应用。其结构形式如图2所示[37]。浮筏由若干条平行的绠绳等间距布置，在海面的绠绳通过锚绳延伸至海底，通过海底重物锚或木橛锚系在海底；绠绳与锚绳连接处各有4个相邻的大浮球，绠绳其他位置上均匀分布着大浮球以保证浮筏漂浮在水面上[38]。相邻的绠绳之间通过吊绳平挂着海带苗绳，在海带苗绳上生长着若干株单独的海带，有的苗绳是通过两根短苗绳相连组成一根长苗绳，中间可以通过连接不同浮力的小浮球以调整浮力和苗绳所处于水层的深度。吊绳的长度可以通过吊扣调整，达到间接调整海带在水面以下的深度。

图1 海带筏式养殖形式结构示意图

图2 海带平养筏式结构示意图

2 手工海带收获过程

每年5—7月为北方浮筏式养殖海带的收获季节，在采收过程中每两个工人为一组，搭乘小舢板由拖船拖至海带养殖区进行海带收割[39]。人工收获过程如图3所示[40]，首先把小舢板横在绠绳中间，船头船尾各站一人，船头工人先行解扣，船尾工人随之对另一端进行解扣，之后通过人力将海带苗绳连同海带拉至小舢板上，并将长苗绳分为两根短苗绳，后将苗绳整齐地码放小舢板上。图4是筏式养殖海带人工采收的情景。

图3 人工收割海带过程示意图

图4 人工收割海带

3 海带采收设备的发展现状

3.1 大型海带采收装置

当前有若干种大型海带采收装置。图5为一种通过传送带切割收获野生海带的海带收割船“Kelsol”[41]，图6是带有单臂吊的大型收获船“Seaweed trawler”，采用机械手爪进行海带捕捞[42]。由于这些收割船船体结构庞大，能够很好地保持船舶在海洋中的稳定性，抵抗大的风浪冲击，但大型收割船只适合较宽阔海域的野生海带收获，不适合筏式养殖。

3.2 中小型专用筏式养殖海带采收装置

3.2.1 绳钩组合式

图7a为一种绳钩组合式的海带收取装置[43]，在船上安装垂直桅杆，通过桅杆上滑轮和绳索吊拉海带，可减少劳动强度。这种装置可以利用简易船体，在其上方添加支撑杆即可运用到实际收割作业中，组装拆卸都很方便，主要用于中国南方地区。图7b为该采收装置实际使用场景。另有一种半潜式海带收获装置[44]的结构和原理与绳钩组合式海带收取装置相似，只是在船体两侧对称地增加了可以调节浮力的变位浮筒，能够根据实际情况和需要调节吃水深度，以节省拖拽海带所需动力。

图5大型海带收割船图6单臂吊型海带收割船

Fig.5 Large-size kelp harvesting boat Fig.6 Single-arm crane kelpharvesting boat

图7 绳钩组合海带收割设备

3.2.2 链驱动式

链驱动式海带收割设备在转场航行和工作时采用不同的前进方式，航行时依靠螺旋桨推进，工作时采用链拖拽驱动。根据收获舱可分为固定船舱式和移动船舱式，前者为船舱固定随船体一起运动，后者采用舢板或其他运输船作为海带储存和运输。图8是依靠链驱动的固定船舱式海带收割设备[45]。

图8 驱动海带收获船示意图

该装置利用船体两侧的拖拽链拖动绠绳带动绠绳向后运动，从而使得船体前进，同时绠绳被依次提升和放下海带苗绳顺序进入收获舱，隔断吊绳，海带就落到收获舱。该装置在收割海带时为了提高收获效率需要将吊绳割断，增加了成本，不利于筏式设施的后续养殖。

图9为采用链驱动的中小型海带收割设备[46]。该装置采用双体船，以增加海上作业安全性。在双体船的头部两侧安装有解绳器，同时在船体正前方中部添加海带传送网，将海带从水中输送至收割船中部船舱，船体两侧驱动链带动绠绳向后运动。在此基础上对该装置进行了结构强度计算，并运用AMESim软件对液压系统进行了仿真分析，并进行了海带收割实验[47]。

此外，一种海产品收割船[48]能够进行平养和垂养海带的采收，解开平养海带苗绳系扣就变成垂养海带形式，通过船上的主动滚轮带动绠绳移动，当苗绳移动到隔板位置时割断苗绳使得海带连同苗绳一起下落至船舱。一种放置在船体前部的海带收获装置[49]，在前进过程中船体两侧的切割器将海带吊绳切断之后，中间传送带上挂钩可将海带从水中传送至船体中部，但由于海带受风浪流影响，传送带并不能实现整根苗绳的平稳运输。一种带有多组挂钩板条传送链的海带收割机[50]，收割时要求工人采取手工解扣方式而不割断海带吊绳，可降低养殖成本、减少对养殖筏的损伤。

一些设计方案将海带采收功能与运输功能分开，海带采收装置直接或间接将海带收获至舢板或运输船上，这样就有效提高了海带采收的效率。一种海带收割装置[51]将收割与运输分离，该装置可以与舢板搭配使用，还可作为大型运输船配合作为收获的主体部分，在船尾安装螺旋桨或游艇挂机作为船体动力装置，使装置本身具有自航能力。一种带有左右两船体的海带收获船[52]，两船体上方安装有支架用于支撑苗绳输送装置，小舢板位于两船体之间，收获时海带从苗绳输送装置上依靠重力下落至舢板上(图10)。一种U型船体的海带收割机[53]，船体前部安装有活动支撑板，可适应正常航行和收割作业两种情况，船体中间通过放置运输船装载海带，船体两侧带有可升降功能的绠绳传送链。一种浮式海带收割机[54]，模块化设计了导向、牵引、切割和输送等装置(图11)。一种海带联合收割机[55]，利用悬挂输送链对称布置悬挂链轨道，运输船可以安放在船体任意一侧，方便转移；悬挂链支架由活动支架支撑，高度可以调节。

图9 新型海带收割装置示意图

图10海带收获船图11浮式海带收割机

Fig.10 Schematic diagram of kelpharvesting boat Fig.11 Schematic diagram of floating kelp harvester

最近出现了具有烫煮功能的海带收割设备[56]。一种集收割和煮烫为一体的海带烫煮船[57-58]，能够充分利用海上丰富的海水资源，在海带收获上来之后直接煮烫，减少中间运输环节，同时利用海水循环快的特点，可使煮烫水与冷却水实现快速交换，可克服陆上烫煮的水资源浪费、污染环境问题(图12)。图13为带有煮烫功能的海带自动收割船进行海上试验作业的情景[59]。

图12海带煮烫船图13带有煮烫功能的海带收割船海上试验

Fig.12 Kelp boatwith scalding function Fig.13 Sea trailof the automatic harvester with scalding function

表1 现有的海带采收设备

4 分析与讨论

4.1 海带采收装置结构分析

尽管目前海带采收装置的样机和设计方案多种多样，形态各异，但其主要包括动力、船体、行进、海带苗绳捕捞与传输等功能模块，此外多功能收获船还含有附加功能如烫煮模块等。除了共同的柴油机动力和船体外，海带收获装置的差异主要体现在行进、苗绳捕捞与传输等功能实现方式上。

行进模块是指海带采收装置在转场和采收作业时的前进方式。一般来说，海带采收装置在转场过程中行进方式主要采用螺旋桨或用拖船拖动。但在采收过程中除了仍然利用螺旋桨推进之外，很多海带采收装置采用传送链及拨叉拖拽海带绠绳和绠绳上的浮球产生前进动作。拖拽链的好处是能够保持海带收获装置始终处在两条绠绳中间位置，前进过程相对稳定可靠，即使绠绳在浪流作用下有变形，对海带收割装置的前进影响不大。但该方法也有不足：拖拽绠绳时，其上的浮球容易被拨叉挤压导致破碎，造成经济损失；在不同潮位时，绠绳的张紧程度变化非常大，也会对装置前进的效果产生影响。

海带苗绳捕捞和分离模块是指海带采收装置能可靠捞起海带苗绳并将其从绠绳上分离下来，再将其传输到给定位置。在各种采收装置中，捕获海带苗绳的方式有两种，一种是采用吊车绳勾住苗绳，然后分离；另外一种是在海带装置沿着绠绳缓缓前进过程中让苗绳沿着倾斜支架慢慢滑升到采收装置上。分离海带苗绳的方法大多采用手工解开连接苗绳和绠绳间的吊绳扣，这是限制提升海带采收效率的主要瓶颈。另外，也有一些采用割刀自动切断吊绳，但由于这样会破坏浮筏的整体性，增加海带养殖成本，所以海带养殖者希望采收时不切断吊绳，并可重复使用。

此外，很多研究者提出将采收的海带直接运送到海带运输船上以提高海带采收效率，如提供舢板运送海带，以减少收获船往返、提高效率。将海带直接在采收船或运输船上进行加工处理，如煮烫、晾晒等，这样不仅可提高加工效率，更可减少海带采收后在岸上晾晒、漂烫等作业所带来的环境污染。但这些设想仍然处于方案设计阶段。

现有的一些海带采收装置功能情况见表1。收获装置的行进主要采用螺旋桨，或螺旋桨和拖拽链共同推进；海带苗绳捕捞和传送大部分采用传送链方式，但也有个别采用钩子和单臂吊；海带运输采用船体本体或者舢板，但依靠舢板运输是未来发展趋势，即收获船本体只进行收割，不承担海上到码头之间的运输。多功能收获船的出现使得收获船不再是单一的收割作业，还可进行海带收割后的初加工，这也是未来机械化发展的趋势。

4.2 海带采收装置研发需注意的问题

海带采收装置是海带养殖生产过程中的重要设备，对于提高海带收获效率、降低劳动强度、提高安全性具有重要意义。但由于采收对象和采收环境的特殊性，其研制也存在很多困难。

(1)海带养殖模式和海带机械化采收之间存在矛盾。筏式海带养殖模式是长期实践形成的一种有效养殖方式，但主要是为了手工收获的方便，比如海带苗绳的长度设计(两段连接，每段2.5 m左右)，就是考虑到海带成熟后整根海带苗绳的重量较大(约100 kg)，一般成年人有将其拖上舢板的体力。然而，如果为了适应海带的自动化收获，海带采收装置和养殖模式的相关参数需进行统筹考虑。

(2)海带养殖处于复杂的海洋环境中，浪流等载荷作用会影响海带的形态和采收装置的作业效果，因此对海带收获装置提出了更高的要求。再考虑海带具有柔、软、滑的特点，又给海带苗绳的高效捕获和分离装置设计提出了更大挑战。同时，需要考虑海带收获装置作业时与包括梗绳、苗绳等海带养殖设施和海带的相互作用。

(3)中国北方地区海带收获时间仅在每年5—7月，南方地区偏早一些，但总体上一般仅有3—4个月，海带收获装置的使用周期较短，购置成本较高，收回成本需要较长时间，还需要国家像对农业机械推广一样给予一定的政策扶持。

(4)一定要考虑海带收获设备使用和维护中的安全问题，从设备设计、培训等方面入手，避免使用过程中给操作人员的安全和健康带来负面作用。

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