叶类蔬菜宜机化采收品种筛选的试验研究

陈兴平，马稚昱，凌燕梅，辜 松，郭少龙，褚 璇，黄红弟，梁旖璐

(1.广东省良种引进服务公司，广东 广州 510091;2.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225;3.华南农业大学，广东 广州 510645)

0 引言

叶类蔬菜一直以来都是蔬菜产业中的重要组成部分，也是我国农村的支柱经济之一，在脱贫攻坚中属于致富扶持产业。2019 年中国蔬菜产业大会统计数据显示：中国蔬菜种植面积目前突破3 亿亩（1 亩=0.067 hm2），产量在7 亿t 以上，产值2 万亿元，其中叶类蔬菜的种植面积约占总面积的32%，产量占蔬菜总产量的30%左右[1-3]。然而，随着城镇化建设的加快，劳动力短缺，劳动成本大幅度增加，极大制约了叶类蔬菜产业的发展，叶类蔬菜生产向机械化和自动化转型已是必然[4-10]。目前，叶类蔬菜机械化生产程度还不高，尤其是收获环节，存在生产成本高、效率低、劳动强度大、劳动力短缺的现象，收获环节约占全部叶菜生产工序用工量的40%以上，极大地限制了叶类蔬菜产业的发展。因此，亟需研制新型叶菜类专用收获系统，以促进叶类蔬菜产业的发展[11]。

我国叶类蔬菜种类繁多、生长差异大、种植农艺粗放且复杂的特点，收获机械研发难度大、研究进展缓慢。然而，引进国外蔬菜生产作业技术装备价格昂贵、使用和维修困难、不符合国内种植情况、适应性较差且难以推广应用[12-14]。此外，茎叶类蔬菜的茎叶相对脆弱，在机械化收获过程中容易受到外力损伤，影响产品的外观品质，降低成品率[13-16]。因此，叶类蔬菜的机械化收获作业是一个复杂的过程，需要综合考虑作业对象品种、对象物理特性和作业环境等因素[17-19]。本文选择了13 种南方普遍种植的叶类蔬菜品种，进行了比较试验，以期筛选出适合机械化收获的叶类蔬菜品种，为叶类蔬菜收获技术装备的研发提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 材料

试验于2021 年3 月春季在仲恺农业工程学院白云校区智能农业装备实验室的设施温室内进行。

参试的共13 个叶菜类品种，分别为广东省良种引进服务公司提供的49-19 菜心、青翠菜心、青春菜心、青崎菜心、崎兰菜心、青野尖菜心、喜兰菜心、广府1 菜心、广府30 菜心、广府35 菜心、顺宝芥兰、祥宝芥兰、绿宝芥兰。

13 个品种叶类蔬菜统一采用穴盘育苗，育苗基质配比为泥炭、蛭石、珍珠岩比例为3 :1 :1；穴盘采用5×10 的塑料穴盘，人工播种，每穴播种1 粒，播种后保持基质湿润；幼苗长至三叶一心时移栽，移栽间距为100 mm；移栽后进行常规的种植管理，当叶菜达到适合采收时，对每个品种进行随机取样10株，所取样品用于测定各项指标。

样品采收后，测定各个品种样品的株高、冠幅、茎秆直径、叶长、叶宽、叶数、单株鲜重等形态指标性状，并采用自制切割力试验台对叶菜植株茎秆进行了切割力测试，记录茎秆的最大切割阻力。

1.2 试验仪器

试验采用维视相机（MV EM510C）搭建的图像采集系统（图1），包括了相机1、光源、计算机、相机2 及支架等，利用相机1 和相机2 分别获得植株的俯视图像和正面图象。然后利用Pycharm 语言编写了图像处理分析软件，实现对采集到的植株样本的株高、冠幅及叶子展开角度的自动测量，取冠部垂直方向的两个直径的平均值作为植株的冠幅（图2）。其他的仪器包括切割实验台（图3）、数显游标卡尺（DL91200）、TX323L 电子天平秤、DHG-9420A 电热恒温鼓风干燥箱、BK-DM500 数码生物显微镜、美工刀，自制的支撑工具。

图1 图像采集系统

图2 图像处理系统

为了获得叶菜直立生长状态下的切割力，本论文中利用DS2-50N 数显推拉力计设计了一叶类植株根部茎秆切割试验台，如图3 所示，其中主要结构包括运动部分、数显测力计、切割刀具、固定夹具、数据显示、滑轨、底座、调气阀。固定夹具的夹持部分采用软质材料，模拟叶菜在直立生长状态下夹持叶菜根部，露出根上部的切割位置，便于切割。装有切割刀具的测力计被安装在运动底座上，底座安装在滑轨上，在气缸的带动下可自由移动，气缸的行程为50 mm 范围内，测力计采用DS2-50N 数显推拉力计，测量范围为0～50 N，精度±0.5 N。

图3 切割试验台

1.3 数据统计与分析

采用SPSS 25 进行数据统计分析，利用Origin 2018 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 植物学性状

从表1 可以看出，各品种株型、叶片色、叶柄色、节间都有差异。广府系列叶菜株型直立开展且无茎秆，叶片长条形、颜色翠绿，叶柄白绿色；菜心类叶菜株型直立、叶片错位开展、节间长较，其中49-19 菜心叶片直立向上束拢，节间长，叶片长椭圆形、颜色黄绿；芥兰类叶菜株型直，节间长，叶片错位开展且展开角度较大，叶片颜色灰绿。

表1 13个叶类蔬菜品种比较试验

续上表

2.2 形状特征

供试各品种的株高、冠幅及茎秆直径在不同品种叶类蔬菜之间都有显著性差异。49 菜心的株高最高，其次是顺宝、绿宝芥兰、青春及青崎，广府35的株高最低（图4）。青崎菜心的冠幅最大，其次是49 菜心、青春菜心以及绿宝芥兰，广府35 的冠幅最小（图5）。青春菜心的茎秆直径最大，其次是青翠、青崎，直径最小的是崎兰。49菜心的株高较高、冠幅较大、茎秆最粗（图6）。

图4 叶类蔬菜不同品种单株株高变化

图5 叶类蔬菜不同品种单株冠幅变化

图6 叶类蔬菜不同品种茎秆直径变化

不同品种之间的叶长、叶宽差异比较显著（图7），其中广府1 的叶长最大，叶子长宽比比较大，叶型属于长椭圆形；其次是49 菜心，叶长较大，叶宽较宽，叶型属于长椭圆形，叶柄竖直上向上、展开角度最小；崎兰菜心叶长最短，叶宽较窄，叶柄较长、向外展开角度较大；青春菜心叶片叶长较长、叶宽较宽，叶柄竖直向上。

图7 叶类蔬菜品种间叶片性状的不同

2.3 产量

在不同品种叶类蔬菜的适宜收获期内采收的叶菜单株质量均有明显的差异（图8）。单株质量最大的是青春菜心，其次是青崎菜心、顺宝芥兰和祥宝芥兰，单株重量最小是广府35 菜心，其他几个品种的叶类蔬菜单株质量的差异就不显著。

图8 不同叶类蔬菜品种的产量

2.4 茎秆力学特性分析

茎秆的最大切割阻力在不同叶菜品种之间存在明显的差异，且这种差异随着切割速度的增加而变小（图9）。青春菜心茎秆在切割过程中受到的切割阻力最大，其次是青崎菜心和祥宝芥兰，青野菜心和崎兰菜心茎秆切割过程中受到的最大切割阻力是最小的。随着切割速度的增大，切割阻力减小；青春菜心的切割阻力最大，青野尖叶所受到的最大切割阻力最小。当切割速度较小时，品种间茎秆的最大切割阻力差异非常显著，而随着速度增大至14 m/min，品种间受到的最大切割阻力就不显著，基本保持在3 N 左右。

图9 叶类蔬菜品种间产量的不同

3 分析与结论

株型是决定能否实现叶菜机械化采收的关键指标，适合机械化采收的品种应具有较强的适应性，叶菜株型要呈直立或半直立状，叶势上冲，茎部和叶柄生长顺直、不弯曲或扭曲，表现为紧凑型[19-20]。通过本试验发现，49-19、青春、青崎及喜兰菜心株型较高、直立，叶柄展开角度小、生长顺直，叶片长椭圆形，青春、青崎的产量较高。

茎叶类蔬菜收获过程中，茎部要能够适应拉力和滑切的作用，对剪切力要有较好的适应性，剪切力太低植株容易被绞烂，太高则不易检测，采收后平整度较差[20]。根据各种叶类蔬菜茎秆切割阻力的试验结果发现，49-19、青崎及喜兰的茎秆剪切阻力比较适中，但随着切割速度增大至14 m/min 时，不同品种切割阻力的差异就不显著了。

综上所述，49-19、青崎、青春及喜兰菜心是叶类蔬菜中比较适合机械化采收的品种。