收获期沙棘的力学特性与形态特征测定与分析

冯亚利，彭 俊，孙世鹏，吴雨蹊，傅隆生

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.黑龙江农业科学院 浆果研究所，黑龙江 绥棱 152200)



收获期沙棘的力学特性与形态特征测定与分析

冯亚利1，彭 俊1，孙世鹏1，吴雨蹊2，傅隆生1

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.黑龙江农业科学院 浆果研究所，黑龙江 绥棱 152200)

为了测量分析沙棘收获期所需的基础数据，为沙棘收获机械的研制提供依据，以黑龙江绥棱种植的优胜、HS-12、楚伊、金色4种沙棘果实为实验对象，测定收获期不同品种沙棘果实的横径与纵径、果实质量、果柄-果实分离力、果柄-树枝分离力及果皮颜色特征等各项物料特性参数。结果表明：果柄-果实分离力较果柄-树枝分离力更为集中，且果柄-果实分离力显著小于果柄-树枝分离力，所以机械收获时的采摘位置最好选择在沙棘果柄-果实之间。楚伊的果柄-果实分离力最大，其次是优胜、HS-12,金色的最小。成熟期沙棘果柄-果实分离力的变化范围为0.5～2.0N，HS-12沙棘果实进入成熟期其果皮颜色整体分布呈锈红色，优胜和楚伊整体分布呈橙色，金色整体分布呈黄色。该研究可为成熟期沙棘的收获和加工机器系统的开发提供理论依据。

沙棘；物理特性；分离力；颜色特征

0 引言

沙棘( Hippophae rhamnoides L.)，胡颓子科，灌木或乔木，又名酸醋柳、黑刺、酸刺、其察日嘎纳(蒙名)、达日布(藏名)、吉汗 (维吾尔名)等[1]。沙棘是一种具有重大经济潜力的树种,果实营养成分十分丰富。沙棘原产我国及欧洲，广泛分布于2°～115°E、27°～68°50′N之间，以前苏联、蒙古及中国分布最多[2-5]。沙棘属植物共有7个种和8个亚种[6-7],分布面积最多的属中国沙棘。沙棘的分布范围主要受气温的影响,即在西南分布于高海拔地段，在东北则分布于低海拔地段，在山西、陕西、河北、内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆、四川、云南、贵州、西藏等省区均有天然林分布。因此，沙棘成为我国西部地区最具代表性的一种经济植物，为我国西北地区带来了巨大的经济效益。

沙棘果实中含有丰富的生物活性物质和多种营养成分,具有很高的营养保健和药用价值[8]。沙棘枝叶茂密、根系发达、生长迅速、抗风固沙,具有保持水土和改良土壤的作用,是重要的生态经济树种[9-10]。近年来，通过我国研究人员对沙棘品种改良和良种的推广，大多数品种都是能适应西北干旱半干旱地区自然条件[11-12]。沙棘果实不易收获，因其不容易形成分离层[13-14]。目前虽然出现了一些采收沙棘的方法,但都不同程度地存在一些问题。沙棘果柄短多刺且附着牢固，人工采摘费时、费力，效率极低，远远不能满足沙棘生产企业的生产需求[15]。因此，相对于沙棘种植业的蓬勃发展，沙棘的采收技术却严重滞后，如何加快沙棘机械化采收装置的 设计开发和改进是迫切需要解决的问题。

为了更好地选择林果收获机械设计方案及确立设计参数，国外在研究林果收获机械的同时对林果物理学和生物学特性与其分离力之间的关系进行了大量的研究[16-18]。目前，国内学者对沙棘的机械化采收装置的开发利用进行了初步的探索，而关于沙棘收获期力学特性和形态特性的研究却未见报道。本文通过测量优胜、HS-12、楚伊、金色4种沙棘果柄-果实及果柄-树枝分离力、沙棘的物料与几何特性等，以期能够为沙棘采收和加工装置的进一步研究开发提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

实验于2015年8月在黑龙江农业科学院浆果研究所沙棘生长典型生态区进行，实验材料包括优胜、HS-12、楚伊、金色4个品种共4组。果树不同位置果实受光照、养分等因素的影响，其成熟度有差异，因此各品种取样时分别选择3棵已进入生长稳定期的沙棘树且果实生长条件相同或相似的区域进行。从3棵树上随机取20个沙棘样本作为1组，将其从1到20按顺序分别贴标签。为了方便测量果柄分离力，样品果实与其生长位置的果枝一起剪下，每个样本包括果实、果柄和树枝。

1.2 主要实验仪器与软件

自制式分离力测量系统、千分之一电子天平、数码相机、MatLab软件。

1.3 方法

1.3.1 沙棘果柄-果实及果柄-树枝分离力的测量

沙棘样本的分离力由自制式分离力测量系统测量，包括数显式推拉力计SH-10(分辨率0.005N)、夹具和手压机架等。研究表明：施加在果柄上力的方向与通过果蒂的轴线方向的夹角越大，果实的分离力越小，所以测量的分离力为夹角0°时果柄-果实的轴向拉力。测量果柄-果实分离力时将果实固定，通过夹具把果柄夹紧，匀速转动升降手柄以至果实果柄分离，记录果柄断裂时拉力的峰值。测量树枝-果柄的分离力时将树枝固定，通过夹具把果柄夹紧，匀速转动升降手柄以至果柄-树枝分离，记录果柄断裂时拉力的峰值。分离测量平台如图1所示。

1.旋转手柄 2.手压机架 3.推拉力计

1.3.2 沙棘果实的颜色分析及物理特性测定

用万分之一电子天平测量实验所选取的4组沙棘果实样本的质量。采用数码相机(Canon EOS 40D)进行拍照，相机设置为M挡、1/125S、F8.0、镜头55，镜头距坐标纸为20cm。再采用图像处理方法(MatLab)测量4组沙棘果实的横径、纵径与沙棘果皮颜色等指标。

利用图像处理的方法进行沙棘图片分析，首先要将各沙棘果实的彩色图像的RGB(红、绿、蓝)转换为一个灰度。换算公式为

gray=0.299×R+0.587×G+0.114×B

(1)

其中，灰色(gray)代表从黑色(0)到白色(255)的256种深浅不同的灰色色调，而红、绿、蓝三原色的RGB空间的值域范围也是从0到255。

然后，使用阈值技术，选取相应的灰度图像区域将其转换为一个0或255的黑白图像。即如果灰度图像小于阈值则转换为0(黑色)，高于阈值转换为255(白色)，使每个沙棘果实产生黑白图像。采用大津法确定阈值[16]，通过这种方法获得沙棘果实区域，利用新图像计算果实的几何尺寸。

分割后，采用最小外接矩形的方法[19]，通过找到白色区域的水平轴和垂直轴的最小值和最大值来计算果实纵径和横径[20]；然后，用纵径像素数(PL)和横径像素数(PT)的最小外接矩形来计算果实纵径(L，mm)和横径(T，mm)；最后，所测得的实际尺寸为所得像素数目比上N(1mm×1mm坐标纸上最小正方形的像素数)具体为

L=PL/N1/2

(2)

T=PT/N1/2

(3)

用MatLab软件所测量的R、G、B的值分别代表红、绿、蓝三种颜色，是基于发光体的色彩模式，几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。R、G、B的值域范围均为0～255。

2 结果与讨论

2.1 试验数据描述分析

优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果实的物理特性如表1所示。由表1可知：HS-12沙棘和楚伊沙棘果实的平均质量比较大，分别为0.52g和0.55g，优胜果实的质量相对来说较轻为0.46g,金色沙棘的果实最轻只有0.40g。优胜沙棘质量的标准差为0.06较其他3种品种沙棘质量的标准差都小，说明优胜沙棘果实质量的集中趋势较好；金色沙棘果实质量为0.27～0.62g，标准差为0.24，说明金色沙棘果实质量分布较分散；优胜沙棘和HS-12沙棘、楚伊沙棘单果质量存在显著性差异，而与金色沙棘单果质量不存在显著性差异，楚伊沙棘和HS-12沙棘单果质量不存在显著性差异。金色沙棘果实在外形尺寸上比HS-12沙棘、楚伊沙棘和优胜沙棘果实都小，平均纵径和横径分别为10.93mm和8.46mm。HS-12沙棘和楚伊沙棘外形尺寸相近，优胜沙棘外形尺寸最大，平均纵径和横径分别为14.81mm和11.35mm。优胜沙棘果实纵径与横径的标准差较大，分别为2.37和1.72，即优胜沙棘果实的外形尺寸较其它3个品种不稳定。

表1 沙棘果实的物理特性

以上数据为均值，括号内为标准差；同行两两之间存在相同小写字母表示不存在显著性差异，只有不同的小写字母表示存在显著性差异(p≤0.05)。

2.2 各分离力之间的关系

各品种沙棘分离力数据统计量如表2所示，各分离力之间的关系如图2所示。

表2 各品种沙棘分离力数据统计量

以上数据为均值，括号内为标准差；同行两两之间存在相同小写字母表示不存在显著性差异，只有不同的小写字母表示存在显著性差异(p≤0.05);同列的不同的大写字母表示存在显著性差异(p≤0.05)，相同大写字母表示不存在显著性差异。

图2 各分离力之间的关系

由表2可知：楚伊沙棘果柄-果实分离力、果柄-树枝分离力的平均值最大,分别为1.16N和1.59N；金色沙棘果柄-果实分离力均值最小为1.03N，且金色沙棘果柄-果实分离力的标准差最小，说明金色沙棘果柄-果实分离力较为稳定。优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果实分离力的标准差比其果柄-树枝分离力的标准差小，即随着位置改变，分离力平均值明显升高。优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果实之间的变异系数依次为15.17%、15.54%、16.84%、14.14%，较为接近。这为沙棘收机械选取采摘终端尺寸、形状等技术参数提供了理论依据。

由表2和图2可知：优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果实分离力、果柄-树枝分离力的方差分析中的P值均小于指定的显著水平α=0.05，独立样本的总体分布存在显著差异，说明优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果实分离力、果柄-树枝分离力不同位置的分离力存在显著性差异。在表2中，金色沙棘果柄-果实分离力与楚伊沙棘、优胜沙棘存在显著差异，其余4组两两之间并不存在显著性差异。所以，在设计沙棘果实采摘器时要考虑不同品种果柄-果实分离力的差异。本试验中的4个品种果柄-果实分离力范围均集中在0.5～2.0N。

由图2可知：优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-果实分离力最为稳定，说明设计沙棘采收机械时使果柄-果实分离的分离力相对稳定；优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果柄-树枝分离力为波浪形，波动幅度比较大，整体分布上大于果柄-果实分离力。由此可知，即果柄-果实分离力和果柄-树枝分离力存在显著性差异，且2个总体的分离力总体分布依次增大，说明位置对分离力有显著影响。如果使用机械设备使沙棘果柄-果实分离，则会使机械收获更加方便、快捷。

2.3 沙棘果实的颜色分析

果实表面颜色是衡量果实是否成熟度的重要标准之一,目前果农主要根据经验和观察果实的颜色来判断果实是否成熟，具有很大的局限性。因此,本实验采用MatLab软件测量果实表面颜色变化范围，能够更精确地测量和判断果实颜色的变化。收获期优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果实果皮的颜色特征结果如表3所示。

表3 各品种沙棘果实的颜色特征

自然生长状态下，收获期优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果实果皮的颜色特征R值的变化区间分别为215.00～230.00、103.00～143.00、213.00～231.00、180.00～235.00。金色沙棘果实果皮的颜色特征R的最大与最小值相差55，变化范围最大。它们的平均值分别为222.00、117.67、224.50、208.00。优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘R值的变异系数均比G、B值的变异系数小，说明优胜、HS-12、楚伊、金色沙棘果实在成熟期果皮的红色比其他两种颜色更为稳定。其中，优胜与楚伊沙棘R值的标准差较小，说明在成熟期优胜与楚伊沙棘果实果皮红色较HS-12和金色沙棘更为稳定。

通过对收获期优胜、HS-12、楚伊、金色4种沙棘果实果皮的颜色特征分析可知：HS-12沙棘果实进入成熟期其果皮颜色整体分布呈锈红色，优胜和楚伊成熟期其果皮颜色整体分布呈橙色，金色成熟期其果皮颜色整体分布呈黄色。

3 结论

1)实验所用的4个品种的沙棘果实平均质量较为相近，但果实形状尺寸有所差异。优胜沙棘果实外型尺寸最大且其外形尺寸较为不稳定，金色沙棘果实外形尺寸最小，HS-12外形尺寸最为稳定。

2)在收获期沙棘自然生长状态下，各品种沙棘果柄-果实分离力、果柄-树枝分离力存在显著性差异。沙棘果柄-果实分离力比果柄-树枝分离力稳定，且果柄-果实分离力显著小于果柄-树枝分离力，所以机械收获时的采摘位置最好选择在沙棘果柄-果实之间。

3)不同品种的沙棘果柄-果实分离力并不相同，楚伊沙棘果实的平均分离力最大，金色沙棘果实的平均分离力最小，但在成熟期分离力大小差异不大。实验中的4个品种果柄-果实分离力范围均集中在0.5～2.0N。

4)优胜和楚伊进入成熟期其果皮颜色整体分布呈橙色，HS-12呈锈红色，金色呈黄色。

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Physical and Mechanical Properties of Sea Buckthorn at Harvest Time

Feng Yali1, Peng Jun1, Sun Shipeng1, Wu Yuqi2, Fu Longsheng1

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Institute of Berries, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Suiling 152200, China)

Sea Buckthorn (SBT) is a multipurpose, hardy, and deciduous shrub, and an ideal plant for soil erosion control, land reclamation, and farmstead protection. Its fruit has high nutritional and medicinal values. However, its economic value is far from development because SBT fruit is very difficult to harvest. Therefore, it is very important to study mechanized harvesting technologies to improve the harvesting efficiency and promote the development of SBT industry. For the Superior, HS-12, Chuyi, Golden as test object from Suihua city of Heilongjiang province, the mechanical properties of SBT were analyzed by image analysis and mathematical statistics. The analysis results show that the separation force between the fruit and stalk was significantly smaller than that between the stalk and branch, and it is more concentrated. Therefore, the best choice with picking position of mechanical harvest was between the fruit and stalk. The separation force applied to the fruit and stalk was 0.5 between 2 N which could ensure the majority of SBT fruit to detach from the tree．This study will provide a scientific basis for the development of the SBT harvester.

sea buckthorn; mechanical properties; separating force; color feature

2016-08-05

国家自然科学基金项目(31301242)；陕西省自然科学基础研究计划-青年人才项目(2015JQ3065)

冯亚利(1991-)，女，山西大同人，硕士研究生，(E-mail)18792415467@163.com。

傅隆生(1984-)，男，江西吉安人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)fulsh@nwsuaf.edu.cn。

S183；S567.2

A

1003-188X(2017)10-0180-05