我国黑木耳机械化采收现状及展望*

王明友，王帅洋，宋卫东，周德欢，王教领，丁天航

(1. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014； 2. 南京航空航天大学机电学院，南京市，210016)

0 引言

我国是世界上最早栽培黑木耳的国家，人工栽培历史已有1 300多年[1]。2019年全国产量达6 984 kt，同比增长4.0%，占世界总产量的90%以上[2]，其中黑龙江省2019年黑木耳干品产量就已达到270 kt[3]。近年来，随着国家扶贫政策的持续推进，全国多个地区将黑木耳作为地方扶贫的农业主产业进行重点支持，特别是十九大之后，各地方政府将发展有中国特色的珍稀食用菌作为脱贫攻坚的主导产业，促使我国食用菌产业跃升为继粮食、油料、果树、蔬菜之后的第五大类作物[4-5]。

黑木耳属于我国特有的珍稀食用菌，具有很高的营养价值，兼具食药作用的副食品，可以降低患心血管疾病的风险[6]。全球黑木耳多集中于亚太地区的中国、日本、韩国、越南等地。我国地处北温带，气候温和、雨量充足，是世界黑木耳主产区，其主要分布在东三省、河南、湖北、山东、陕西、浙江、福建和广西等省区。随着人民对黑木耳生活习性的认知，我国黑木耳生产大致经历了天然野生、原木砍花、段木接种和代料栽培4个阶段[7]。

随着黑木耳产业的发展，其生产过程中的机械化现已基本实现，包括栽培料制备设备、搅拌设备、制棒设备、灭菌设备、接种设备、养菌设施和菌棒发菌环境控制设备等；同时，在黑木耳优势主产区内，也相继建立起了标准化的菌棒生产、培养和配送中心，形成了较为完善的菌棒规范化生产技术、高效灭菌技术及接种和养菌技术等[8-9]。但黑木耳生产后期的采收环节，机械化程度还远远达不到产业的需求。当前，随着适应劳动人口的减少，人工采收不仅费时费力，且采收过程很难做到统一标准，已严重影响了黑木耳产业的进一步发展[10]。黑木耳的采收过程中，由于黑木耳大小不一，需要进行选择性的采摘，摘下成熟黑木耳的同时，要留下小黑木耳，以免影响黑木耳的产量；同时，因缺乏黑木耳机械化采收理论方面的技术支撑，导致尚未有成熟的机械化采收设备。并且采收过程中的设备采收速率、采收质量、采收效率等性能指标参数也处于空白。

因此，本文针对现有的黑木耳机械化采收设备与采收设备的专利情况进行分析归纳，重点对其工作过程与原理进行说明；并对机械化采收机构的研发现状与采收的性能指标进行了阐述，最后对我国黑木耳采收设备的研发重点进行了展望。

1 黑木耳机械化采收设备发展现状

目前，我国科研人员对黑木耳机械化采收技术的研究仍处于起步阶段，采收机的机型多为专利概念机。由于国外黑木耳产业占比较小，尚无国外研究人员对黑木耳机械化采收设备进行研究。

采收机中的采收部件主要包括采摘机构、限位机构及上下料机构3大部分。根据采摘过程中运动部件的不同，采摘机分为菌棒自旋式、采集刀自旋式或绕菌棒旋转式、采集刀沿菌棒直线运动式等；根据采摘时菌棒的位置不同，可分为卧式与立式；根据采集刀形状及特性不同，可分为梳齿型刀、U型刀、采集爪、采集绳等；根据菌棒的限位原理不同，可分为对辊式自动限位、环抱型回弹式限位、限位针贯穿式限位、手持式限位等。

本文根据黑木耳栽培方式与生产规模，将黑木耳采收设备分为大型固定式黑木耳采收机、小型移动式黑木耳采收机和手持式黑木耳采收机3种类型。手持式黑木耳采收机只有采摘机构，由人工完成采摘装置与菌棒的位置限定；小型移动式黑木耳采收机包括采摘机构、限位机构；而大型固定式黑木耳采收机除具备上述三大关键机构外，还应包括复杂的控制系统。大型自动化黑木耳采收机适用于大批量工厂化种植；手持式黑木耳辅助采收机在小批量挂袋种植中比较受欢迎；在散户种植中，小型移动式黑木耳采收机及手持式黑木耳辅助采收装置均有所应用。

1.1 大型固定式黑木耳采收设备

庄宗钦等[11]提出了一种全自动黑木耳采摘机，该采摘机通过人工进行上料，在重力与进料辊的双重作用下，缓慢进入采集笼中进行采摘。采集笼与定位挡板固连在机架上，菌棒完成定位后，采集刀做围绕菌棒的圆周运动，从而将黑木耳采下。在出料口，通过传送带实现菌棒的自动出料，同时菌棒与黑木耳分离，大大减轻了工人的工作量。但该款机型仍为专利概念机，尚未在生产实际中进行应用。

央视“我爱发明”于2018年11月报道了吉林延吉迟庆凯[12]发明的全自动黑木耳采摘机。该机器适用于大批量地栽模式，虽经过多次改进，但在实际应用中仍然达不到理想效果。该机器将黑木耳采收分为3个过程：上料、采收与下料，工作时需要3名工人配合操作。机器工作时，通过旋转台的定角度旋转可以实现采集与上下料工作模式之间的切换。在上料区，可由1名工人操作，将菌棒放入采收笼里，经过机器自动对菌棒的定心扶正、夹紧等操作，菌棒在转轴的带动下进行旋转，采集刀沿菌棒轴向方向放置且沿轴向进行往复运动，菌棒与采集刀之间产生相对速度，黑木耳在采集刀的作用下脱离菌棒。该机器通过设置菌棒与采集刀之间的径向距离，来控制采集刀采下的黑木耳大小。在下料区实行菌棒与黑木耳的分离，方便工人收集黑木耳，重新摆放菌棒。

贾桂波[13]提出了一种流水线卧式黑木耳采收机。该机通过毛刷将黑木耳采下。工作时，上方滚刷与下方辊轮形成一个采摘通道，在通道内滚刷与辊轮旋向相反，转速不同，使进入采摘通道的黑木耳菌棒在二者的作用下产生旋转，从而避免黑木耳的采收遗漏。同时，贾桂波[14]还提出了一种小型化的菌包黑木耳采摘机，原理与流水线卧式黑木耳采收机相似，通过柔性毛刷来采收黑木耳，所不同的是，这台机器只有一对辊轮，操作时由工人将菌棒放置辊轮之间进行采收。

王盼等[15]设计了一种集培育与采摘为一体的黑木耳多功能培育收获一体机。该机器设有菌棒培养基孔，并设有喷水功能，在培育过程中，菌棒放置在培养基孔内。黑木耳成熟后，每个培养基正上方设有单独的机械抓手，将菌棒抓起并提升，通过一个直径略大于菌棒的套筒将黑木耳采下。

上述分析的固定式黑木耳采收机中，仅有吉林延吉迟庆凯发明的黑木耳采摘机已实现专利样机的转化，其他的采收机现尚处于专利概念机或理想机。同时，所描述的自动化黑木耳采摘机均需人工辅助上下料，自动化程度不高，且因采收过程中仍存在大量问题，即使是在大规模种植中也应用较少[16]。

1.2 小型移动式黑木耳采收设备

迟庆凯[17]提出了一种小型移动式黑木耳采收机。该采收机可人工推行。工作时，人工将菌棒从机器上方送入料口，压下菌棒的同时环抱型扶正机构收紧，对菌棒进行扶正。此时，按下采摘开关，菌棒在底座的带动下转动，固定在机架上的采集刀，上下震荡，将成熟黑木耳采下。

张洪波[18]提出了一种适用于挂袋式黑木耳种植的小型可移动式黑木耳采收机。采摘分为4个过程，通过采收机的旋转分别对菌棒的前、后、左、右面进行采摘，避免了将挂袋菌棒取下再装上的繁琐步骤。同时，该采收机的采摘机构通过多条柔性绳张紧之后产生的夹紧作用将黑木耳采下，大大减小了采集过程中的碎耳率。

黑龙江省牡丹江林业科学研究所的郑焕春等[19]提出一种电动黑木耳采摘机。该机通过固定针插入菌棒实现菌棒固定，工作时菌棒旋转，梳齿状爪牙采集刀通过柔性装置与机架固定相连，与菌棒之间产生速度差，完成黑木耳的采摘。同时郑焕春还提出几种不同动力源的黑木耳采摘机，如脚踏式[20]、电动凸轮式[21]等，采摘原理基本与电动黑木耳采摘机相同。

刘学[22]提出了一种立式小型黑木耳采摘机。该机采用菌棒旋转，采集刀沿轴向往复移动的方式进行黑木耳采收，菌棒可从侧面进入，减少了工作人员从采摘机上面放入黑木耳菌棒的不便。同时，为适应市场上两种不同尺寸的菌棒，扶正定位机构可更换，机架设计为可伸缩式结构，大大提高了采摘机的通用性。

刘胜利[23]提出了一种小型移动式黑木耳采摘机。该机采用卧式采摘的方法，将菌棒放置于4个辊轮构成的V字形采摘笼里，菌棒在辊轮的带动下自动进行定位，通过辊轮之间的旋转、夹取作用采收黑木耳。辊轮表面由柔性材料构成，可大大减小黑木耳采摘的碎耳率。

李精敏[24]提出了一种可移动式黑木耳采收机，在地栽式和挂袋式栽培中均可应用。该采收机通过吸气风机产生吸力，将黑木耳通过柔性风管吸入采集箱。工作时，由工作人员手持柔性管，将管口放置在黑木耳侧面，通过限位钢丝的长度来控制要留下的黑木耳大小，达到“取大留小”的效果。

与大型固定式黑木耳采收设备的专利申请相比，小型移动式黑木耳采收设备也以专利概念机为主，且为单菌棒采收，旨在减轻劳动者的工作量。工作时，由人工完成上下料工序，并且采摘机需要跟随工作人员移动。因此，小型移动式黑木耳采收机的动力源一般是可移动的，比如采用蓄电池供电、人力驱动等。同时，采收结构的研究中，小型移动式黑木耳采收设备提出了各式各样的摘取方式，比如气动式吸附摘取、张紧绳的夹取作用摘取、柔性采集刀摘取等，这都为黑木耳采收设备的研究开阔了研究思路。

1.3 手持式黑木耳采收设备

宿明伟等[25]发明了一种手持便捷式黑木耳采摘机。该机安装在电钻等能够提供周向运动的动力源上，进行手持采摘，可降低黑木耳种植户的生产成本。工作时，将装置长轴线与黑木耳菌棒垂直放置，通过采摘棒与黑木耳的摩擦作用，完成黑木耳采收。

手持黑木耳采收机械目前研究较少。但在人工采摘过程中，工人一般会采用一些小工具来降低劳动强度，例如在黑木耳收集捅内放置一个可旋转的底座，手上持有简单采摘工具等。这些小机构是黑木耳采摘机械的原型之一，应当是科研工作者关注的重点。

2 机械化设备采收指标与影响因素

因现有的机械化采收设备开展的应用示范较少，目前尚未形成统一的采收设备性能指标。因此，本文依据人工采收的作业效果与消费者对成熟黑木耳的品质要求，将黑木耳机械化采收设备的性能指标分为采收合格率(采大留小)、漏采率、破损率和作业效率等。

成熟的黑木耳采收具有时间短、采收次数多等特点。黑木耳采摘季，如不及时采摘，将出现烂耳现象，造成菌棒后期出耳率降低，产量与质量下降。因此，采摘设备首要是保证工作效率，达到少量人工即可快速采摘黑木耳的效果。熟练工人采摘菌棒数量为每小时80～100棒菌菇、13～17 kg黑木耳，人工费用为12～14元/h。同时，人工采摘连续工作后，采收合格率、生产率明显下降。以迟庆凯发明的全自动黑木耳采摘机的现场试验表明，该机每小时可采收1 580棒菌棒，262 kg的黑木耳，在相同人数情况下，是人工采摘速度的6倍。

另一方面，黑木耳采收设备的设计还应考虑黑木耳的采收合格率、漏采率、破损率等指标。目前采收设备主要从采摘机构的运动形式，采集刀的位置、材料、结构等因素来确保采收质量。如在菌棒自旋式采收设备中，则通过控制采集刀与菌棒距离来调节采收木耳大小；相对距离近，则采收漏采率降低，采收合格率同时变低；反之，则采收漏采率升高，采收合格率变高。因此，合适的相对径向距离能够适当提高采收机的采收合格率，降低漏采率。并且采集机构合适的运动形式也可以提高采收质量，如在菌棒固定，采集刀绕菌棒旋转式采集机构中，由于菌棒静止不动，可大大降低采收过程对菌棒的损害。除此之外，采集刀采用柔性材料，或者具有合适的结构，能在保证工作效率的同时，提高采收的合格率，降低破损率。

3 存在问题

在人工采收成本逐年提高的背景下，现有的黑木耳机械化采收技术远远无法满足黑木耳产业的发展需求。目前的黑木耳机械化采收技术存在很多问题。

3.1 现有采收设备采收效果差

大型固定式采收机造价成本高，不便移动，无法进入菌田内部，菌农人工搬运菌棒上下料距离长、用工大，不利于在市场上推广；小型移动式采收设备，同样存在需要菌农反复弯腰上料、机器使用不方便的问题；手持式黑木耳采收设备仅起到辅助人工采收的作用，对采收效率的提升作用有限。针对黑木耳机械化采收的“采大留小”问题，目前的研究思路普遍根据黑木耳的生长高度来手动调整刮板与菌棒的距离，从而实现有选择性地采收。在这样的原理下，采收合格率容易受到菌棒定位精度的影响，采收效果不佳。同时，在现有的采收设备中，由于缺乏高效率的上下料装置，机械化采收带来的采收效率有限提升难以成为机械化采收的竞争优势。

3.2 菌机菌艺结合度低

在黑木耳机械化采收技术推广过程中，另一个重要的问题是菌机菌艺结合度较低的问题。在一些品种的采收过程中，由于黑木耳根系发达，机械化采收容易带下大块培养料基质，影响下潮出耳，从而造成黑木耳产量下降。除此之外，一些品种的黑木耳弹性不够，在采摘过程中容易破碎，还有一些品种连朵生长，采收难度较大。现有采收机大多没有考虑不同品种之间的差异性，对于品种的宜机化培育也少有人研究。

3.3 研发投入少，研发难度大

我国黑木耳的机械化采收技术研发正处于起步阶段，尚未得到科研工作者的重视，研发投入较少。黑木耳采收具有采收时间的集中性、采收品质的选择性等特点，在采收过程中，需要在“采大留小”的基础上实现高效率采收，这对黑木耳采收机械的研发提出了很大的挑战。同时我国黑木耳的出耳管理模式多种多样，主要分为吊袋式、畦栽式、层架式、斜靠式等，不同的模式也大大增加了机械化采收设备的难度。

4 发展趋势

4.1 采收设备专业化

传统黑木耳种植方式为段木栽培，20世纪50年代后期以来，代料栽培成为重要的人工种植方式[26]。目前我国主要存在两种主栽模式[27]：东北地区流行的17 cm×33 cm短粗型菌棒与浙江的15 cm×55 cm细长型栽培袋。因此，针对采收机的研发工作，除大型自动化黑木耳采收机以外，采收机可分别进行开发，两种研发路线相互取长补短，共同推进黑木耳采收技术的发展。

4.2 采收设备轻简化

黑木耳机械化采收设备的研发要与不同产区的黑木耳栽培模式、生产规模相匹配，在现有的拌料、装袋、灭菌、接种、环控等黑木耳生产装备基础上，开发出与黑木耳轻简化生产相配套的采收设备，实现生产中的菌机与菌艺相融合[28]。

4.3 采收设备智能化

由于黑木耳多潮采收的特性，传统的机械设备很难避免损伤耳片或菌棒。因此，研发的黑木耳采收设备不应局限于现有的机械形式，可运用仿生机器人，多自由度的具有识别功能的机械手等技术精确识别，做到精准采摘，从而有效避免损伤耳片。除此之外，融合采收、干燥等工序的一体机，面向黑木耳工厂化种植全过程的相关配套机械，都应当得到发展。

5 结语

采收作为当前黑木耳生产中尚未实现机械化作业的最后工序，是产业提档升级的必要环节，其机械化程度直接制约黑木耳规模的发展。因此，未来一段时间内，黑木耳机械化采收设备应重点突破：(1)完善黑木耳采收理论研究，形成系统的、完整的理论体系，夯实黑木耳采收设备研发基础；(2)攻克采收过程中的“采大留小”关键技术，完成自动识别与诊断，为采收设备的自动发展奠定基础；(3)将自动采收、分级、烘干等一体化新技术融入到整机中，推进设备一体化发展。