蓝莓采摘期结合力测试与变化趋势的分析

张波，杨化伟，卢绪振，王树城，屈慧星，李宁，韩豪，陈栋梁，娄纯毅，张伟伟，於怀振

（1.250010 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院;2.山东省 泰安市 山东农业大学；3.250010 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院农业装备与车辆工程杂志社）

0 引言

蓝莓果实中含有丰富的营养成分,能够增强人体免疫、软化血管、保护视力等。其中，由于蓝莓富含花青素，具有活化视网膜的功效，可以增强视力，防止眼球疲劳而广受关注。全球蓝莓的栽培面积与产量近年来不断增加[1-2]。山东省是中国蓝莓产业发祥地，栽培面积和产量一直位列全国第一位[3-4]。由于蓝莓成熟时，果皮薄，果肉细腻，浆汁丰富，人工采摘效率低，机械收获时容易破损，使果农收益受到很大损失，阻碍了蓝莓的栽植和推广。

目前关于果茎结合力或分离力国内外已经有了大量研究，并取得一定成果。Markwardt[5]等研究表明，在樱桃成熟早期，果实与茎相连的力量要大于茎与树相连的力量，此时采摘会导致较高的茎附着率，在成熟时樱桃的果茎结合力大约是茎与树结合力的1/3；Hield[6]等研究发现了柑橘结合力与果实的大小和茎的粗细均成线性关系；Coppock[7]等研究了4 种不同收获期不同品种柑橘的分离力和分离角度的关系，当分离角度从0°增加到90°时，分离力下降到1/2 以下；Fluck[8]等测量了3种不同品种的食用番茄的果茎分离力，认为番茄的果茎分离力在19～48 N 之间，随着果实成熟度增加，力重比减小；Pezzi F[9]等测得葡萄果柄和葡萄果粒之间的结合力约为2.45 N；王业成[10]等测定了黑加仑果实与果柄结合部位的抗拉强度、浆果名义抗压极限和刚度等力学特性指标随成熟度和采收日期的变化规律；郭艳玲[11]等测得美登品种的蓝莓熟果、青果和枝叶的结合力分别为0.3，0.9，1.6 N；散鋆龙[12]等测得不同品种杏果实分离力不同，但在成熟期差异不大，果柄分离力范围集中在2～8 N；傅隆生[13]等测得猕猴桃果柄与果实惯性轴成180°夹角时果柄分离力最大为12.8 N，成90°时居中为1.7 N，成60°夹角时最小为1.3 N；李超[14]等测量了成熟期葡萄穗梗和葡萄果柄的结合力约为13.5 N，葡萄果柄和葡萄果粒之间的结合力约为1.69 N；赵永超[15]等对4 个品种蓝果忍冬的结合力进行测试分析，得出每个品种果实结合力分布各不相同。

国内外学者对不同水果的果茎结合力作出研究，但目前关于不同品种的蓝莓在采摘期间的果茎结合力的研究相对较少。振动式收获技术是目前最容易实现、收获效果最明显的机械收获方式，能够有效地使果实和果树分离[16-22]。机械收获蓝莓的主要原理是通过机械振动使蓝莓果实受惯性作用，克服果实和果柄间的结合力从而使果实脱落。振动力如果过大，则会导致果实破损率提高，使未成熟的果实脱落；振动力过小则不能使成熟果实全部脱落。因此准确把握蓝莓在采摘期的结合力变化趋势特点，是设计收获效率高、破损率低的采摘机器的重要基础。本研究对3 个不同品种蓝莓在采摘期内的结合力进行试验分析，研究了时间和天气对不同品种蓝莓结合力的影响，并对3 个品种的结合力进行比较，为蓝莓采摘机器提供合理的技术参数。

1 测试条件与方法

1.1 测试仪器与测试品种

（1）测试仪器

蓝莓结合力测量采用的仪器为艾德堡SH-20型液晶数显推拉力计（精度±0.5%，最大负荷20 N，分度值为0.001 N）和自制夹具；果实质量的测量采用分度值为0.01 g 的meilen 便携电子秤；果实宽径和窄径的测量采用游标卡尺，卡尺分度值为0.02。

图1 测试仪器Fig.1 Test equipment

（2）测试品种 试验选取3 种蓝莓品种，测量果实的形态特征和计算果形指数（μ=d2/d1），果形指数越大，则果实越瘦长，果形指数越小，则果实越矮胖。其主要形态特征见表1。

1.2 测试地点及天气状况

测试地点为山东省泰安市岱岳区金牛山实验基地（36.127 4 °N，117.004 7 °E）。2001 年山东省泰安岱岳区范镇谷家庄进行蓝莓建园产业化生产，2006 年国家外国专家局在山东省泰安市举办全国高灌蓝莓观摩会，使中国蓝莓引种栽培进入产业化开发的新时代[3]。测试日期为2020 年6 月16 日至2020 年6 月29 日，共14 天。测试期间天气情况如表2 所示。

表2 测试期间天气情况Tab.2 Weather conditions during the test

1.3 测试方法

1.3.1 果实形态测试

每个品种在不同的果树上随机抽取30 颗果实，用电子秤测试果实的质量，用游标卡尺测量果实的宽径和窄径，对数据进行记录，以测量数据的平均值作为果实的形态特征。

1.3.2 结合力测试

选取3 种不同品种的蓝莓果树，测试时上午和下午每个品种在不同果树上各随机采摘15 颗果实进行结合力的测试，连续测试14 天。测试时固定果实所在的侧枝，然后用夹具将果实固定，拉力计和蓝莓果梗保持在同一条直线上，然后慢慢施加拉力，在果实脱落时读取测量数值并记录，如图2 所示。每天上午和下午的测试时间固定，上午9:30～11:30，下午14:30～16:30。测试过程中要注意规范使用拉力计，确保测量数值的准确性。测试数据做好纸面记录，试验后用数据分析软件对数据进行分析。

图2 结合力的测试Fig.2 Testing of binding force

2 测试数据分析

2.1 结合力的分布特性

通过对采摘期成熟蓝莓结合力的测试，明显可以看出结合力均未超过1 N，而树叶和未成熟果实的结合力明显大于1 N。由于蓝莓的结合力随蓝莓品种、栽植地区、测试时间等条件的不同而不同，因此结合力的范围与文献[10]研究结果有差异。为找到结合力分布的集中范围，采用直方图对不同范围结合力出现的次数进行统计，结果如图3 所示。

分析图3 可知，不同品种的结合力分布情况有差别，但是都相对集中在0.4～1.0 N 之间。为了对蓝莓的结合力进行合理准确的筛选，采用百分位数来筛选出95%结合力的分布范围，筛选结果如表3 所示。

图3 采摘期结合力直方图Fig.3 The histogram of binding force at picking time

蓝莓采摘机构通常采用凸轮机构或曲柄滑块机构实现果实的振动激励。一般将果树简化为单自由度模型。在非惯性参考系下，惯性力的计算符合牛顿三大定律，蓝莓脱落时的惯性力为质量和加速度的乘积，即F=-ma。要想让蓝莓果实脱落，则蓝莓脱落时的惯性力要大于果实结合力[17]，果实的结合力越大，脱落时所受到的脱落惯性力越大，蓝莓采摘机作用在枝干上的振动激励越大。

由表3 可知，夏普蓝采摘期果实结合力95%集中在0.289～0.923 N 之间，结合力相差0.634 N；喜来采摘期果实结合力95%集中在0.307～0.975 N之间，结合力相差0.668 N；蓝丰采摘期果实结合力95%集中在0.316～0.958 N 之间，结合力相差0.642 N。这3 个品种的果实结合力分布相对离散，变异系数都在50%左右。通过准确划分结合力区间，能够为蓝莓采收机激振力的选择提供合理参考，在收获蓝莓的过程中，保证采收机实现果实采净率高、低损伤、鲁棒性的目标。

表3 各品种蓝莓结合力百分位数和变异系数Tab.3 Binding force percentile and coefficients of variation of blueberry varieties

对各品种结合力之间进行显著性分析。在显著水平α=0.05 的条件下，对3 个品种上下午的测试数据进行单因素方差分析，分析结果如表4 所示。通过表4 结果可看出，3 个品种之间不论上午还是下午结合力都存在有显著性差异。

表4 3 个品种之间结合力差异检验结果Tab.4 Test results of the difference of binding force among the three varieties

2.2 时间变化对结合力的影响

为获知蓝莓的结合力随时间的变化规律，对3 个品种蓝莓14 天的测试数据进行筛选，通过计算每个品种每天结合力的均值，然后绘制出结合力随时间变化的折线图，变化趋势如图4 所示。

图4 蓝莓结合力随时间变化趋势Fig.4 The trend of blueberry binding force changes over time

从图4 分析得出，随着时间的变化，每个品种在采摘期随着时间的推移，果实结合力均呈现出下降的趋势，但是下降速度不同。在蓝莓的成熟阶段，蓝莓果树产生的脱落酸含量增加，使果实和果柄间的结合力逐渐减小。在测试过程中，三个不同品种蓝莓的结合力随时间的变化趋势与自然规律相符。而由图4 可知，在采摘期内喜来的结合力大于蓝丰和夏普蓝的结合力，说明喜来在采摘期抵抗外力的能力比较强。夏普蓝和喜来的下降速率相对稳定，蓝丰在第3 天到第5 天有明显下降趋势，第5 天以后变化相对稳定，说明夏普蓝和喜来的采摘期长，蓝丰的采摘期稍短。

2.3 结合力与天气状况的关系

测试期间天气状况如表2 所示。为了尽可能保证结合力只受到天气变化的影响，选择相邻两天同一时间段，不同天气情况的测试数据作为研究对象，选取上午3 组，下午3 组。各组数据对比如图5 所示。

图5 不同天气情况下结合力对比Fig.5 Comparison of binding forces under different weather conditions

为了分析不同的天气状况对结合力的影响，对不同品种的蓝莓结合力分别进行显著性差异检验（显著水平α=0.05）。3个品种的P值均大于0.05，统计量均小于临界值，如表5 所示。研究结果表明3 个品种的在晴天和阴雨天采摘蓝莓所需要的采摘力无明显差异。

表5 不同天气结合力差异检验Tab.5 Test the difference of binding

2.4 结合力随时间变化的回归分析

由以上分析可知，天气变化对结合力影响不大，但时间对结合力有显著影响，为确定时间对结合力的影响规律，运用MATLAB 曲线拟合工具箱对结合力的数据进行最小二乘法曲线拟合[23-24]，得到3 个品种结合力的回归曲线，如图6 所示。得到蓝丰的结合力和时间之间的回归方程为：

式（1）近似为幂指数关系，相关系数平方（R2）=0.88。从图6 回归方程模型图中也可看出，模型拟合程度较好，结合力在前5 天下降较快。喜来和夏普蓝结合力随时间变化近似为正弦关系，回归方程分别为：

图6 蓝莓结合力和时间变化回归方程模型图Fig.6 Blueberry binding force and time change regression equation model diagram

结合力下降趋势平稳，2 条曲线接近平行说明两品种结合力变化趋势近乎相同。同期，喜来的结合力大于夏普兰的结合力，相关系数R2 分别为0.973 5、0.979 0，说明回归方程拟合模型恰当地反映了结合力随时间的变化规律。

从机械化采收的方面考虑，当蓝莓的结合力变化较稳定时，最适合机械化采收。从图6 可以看出，蓝丰的结合力在第5 天后变化相对稳定，结合力估计值在0.4～0.6 之间，因此蓝丰相对另外两个品种更适合机械化采收。而喜来和夏普兰的成熟期和结合力变化近乎相同，需要通过推进农机农艺融合在机械采摘方面进行优化。

3 结论

（1）3 个品种采摘期结合力大都在0.3～1.0 N之间变化，其中夏普蓝采摘期果实结合力95%集中在0.289～0.923 N 之间；喜来采摘期果实结合力95%集中在0.307～0.975 N 之间；蓝丰采摘期果实结合力95%集中在0.316～0.958 N 之间。

（2）蓝莓采摘期结合力随时间增加呈下降趋势，不同品种的下降速度不同，喜来的下降速度最慢，蓝丰的下降速度最快。蓝丰成熟中后期结合力变化相对稳定，更适合机械化采摘。

（3）3 个品种的分析结果表明，在晴天和阴雨天采摘蓝莓所需要的采摘力无明显差异。结合力与时间相关性较强，与气温和湿度相关性不显著。