紫菜机械化采收装备技术研究进展

唐嘉鸿，李秀辰,2,3，张国琛,2,3，卢 薇，倪 尚，张寒冰,2,3，张 倩,2,3，翟祎琳，母 刚,2,3

(1 大连海洋大学机械与动力工程学院(中新合作学院)，辽宁 大连 116023；2 辽宁省海洋渔业装备专业技术创新中心，辽宁 大连 116023;3 设施渔业教育部重点实验室，辽宁 大连 116023)

紫菜(Porphyra)是海中互生藻类的统称，隶属于红藻纲(Rhodophyta)红毛菜科(Bangiophycidae)，富含丰富的藻胆蛋白、维生素与无机盐类，一般生长于沿海潮间带，南北半球从寒带到热带均有自然分布[1-2]。目前世界上已知的紫菜种类约有140种，其中条斑紫菜(Porphyrayezoensis)与坛紫菜(Porphyrahaitanensis)为主要栽培种类[3]。紫菜的食药用价值极大地推动了其栽培业的发展，据统计2019年中国紫菜栽培面积为7.4×108m2，总产量为2.12×105t，经济产值达175亿元，已成为中国藻类养殖产业的重要经济支柱[4]。

随着栽培规模的不断扩大，中国在紫菜采收环节已告别了全人工采收，根据不同的栽培生产方式采用半机械化采收，但是依然存在劳动强度大，生产效率低，采收装备技术落后等问题，采收装备技术作为紫菜生产链中的重要部分，直接关乎紫菜的质量、产量和产值[5-7]。日本、韩国等国在紫菜机械化采收领域研究较早，以日本为例，经过60年改革创新，从最初泵吸式采收发展到打采式采收，采收装备技术相对成熟，对采收装备刀具的运动轨迹、受力和紫菜的切断状态等均有理论分析，并有与采收装备相配套的输送装备、酸化集成设施等，可同时完成紫菜采收、输送与酸化一体化作业[8-12]。中国在紫菜机械化采收方面存在机械结构理论设计水平低、配套设施简陋和装备集成度差等问题，阻碍了紫菜产业的进一步发展[13-14]。

结合紫菜栽培方式及采收特点，本文重点综述国内外紫菜采收装备技术的研究进展，分析了中国紫菜采收机械亟须解决的问题并针对性给出对策，旨在为中国紫菜机械化采收技术及装备研发提供参考借鉴。

1 紫菜栽培方式与采收特点

紫菜的栽培区域多选择在营养盐量丰富、潮水流动通畅且风浪较强的海区[15-17,66]，栽培主要采用筏架网培技术，设施由网帘和浮动筏两部分构成，前者为紫菜附苗生长的基质，后者为张挂网帘的支架[1,9,18-19]。根据不同的栽培海域条件可分为全浮动筏式、支柱式以及半浮动筏式3种栽培方式(图1)。

图1 紫菜栽培方式Fig.1 Laver cultivation method

全浮动筏式栽培设施适用于落潮后不干露的海区，网帘一侧安装有泡沫浮筒使网帘始终漂浮于水面[1,23]。该栽培设施主要由浮绠、网帘、泡沫浮筒以及桩绠等组成，网帘张挂在浮绠上通过桩绠与桩相连，浮绠上安装有泡沫浮筒(图1a)；支柱式栽培设施适合港湾或者不能干出的海域，其方法是将网帘四角张挂在深插于海区的支柱(以玻璃钢杆或竹竿为主)上，使网帘随潮水的涨落而漂浮或干出[1,20]。支柱式栽培设施主要由支柱、浮绠和网帘等构成(图1b)；半浮动筏式是在潮差较大的潮间带海域进行栽培的一种方式，为中国独创且广泛使用[1,21-22]。半浮动筏式栽培的筏架兼具全浮动筏式和支柱式设施的特点，即在涨潮时网帘像全浮动筏式一样漂浮在海面，在落潮筏架露出海面时像支柱式一样用短支腿竖立在滩涂上。该栽培设施的结构除了增加有短支腿外，与全浮动筏式完全相同[9](图1c)。

网帘上栽培的紫菜一般经约两个月生长至15～20 cm时即可采收[23-24]。实际采收时期结合当地气象和潮汐情况而定，采收一般从11～12月持续至翌年3～5月[1,3,25]，采收间隔需根据藻体留茬的长度以及栽培海区的自然情况而定，通常为20 d左右。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

2.1.1 泵吸式紫菜采收装备技术

紫菜机械化采收始于20世纪60年代的日韩等国[66]，最早应用的是泵吸式采收，通过泵吸力驱动带有刀具的转子切断紫菜，紫菜与海水一起被吸入网兜或水菜分离装置，分离后收集至箱或舱内[67]。采收装备主体由泵、输送管以及割刀等结构组成，需要以船为载体[16,27-28]。泵吸式采收装备一直处于改良阶段，日本的矢田贞美[16]对泵吸式装备的切断机构展开研究，证明了多刃切割效率优于单刃，当旋转刀形为圆弧形时，紫菜的切断力和所受冲击较小；增加刀片数可降低吸入切割区域的紫菜量，从而降低切断功率，确定出最优刀片数为3副；刀具转速与抽吸量成正比，但转速达到3 500 r/min后抽吸量不再增加。牧榷六等[27]设计了一种外挂泵吸式采收装置(图2a)，实现了水下采收并有效降低劳动强度，但水下外挂装置增加了船体行进阻力，发明人[28]后将外挂泵吸式采收装置改进为可升降泵吸式(图2b)，安装在船体中部，船底开设有与泵吸口相配合的孔，通过孔与水面网帘接触采收紫菜，对比改进前能效提升明显。然而，该装置作业时对泵的磨损大且效率低[9,16]。同时，旋转刀具会将紫菜切成若干段，细胞受伤率较高。

图2 泵吸式紫菜采收装置Fig.2 Pump suction type laver harvesting device

2.1.2 剪切式紫菜采收装备技术

2.2.3 打采式紫菜采收装备技术

2.1.3 打采式紫菜采收装备技术

目前，中药材加工过程缺乏相关的规范化管理，无论是药材的干燥方法、炮制方法还是药材的粉碎粒度，都没有相应的标准体系，致使市售的中药挥发油质量不均一。中药材加工过程规范化研究应从洗净规范化、切制规范化、干燥过程规范化、粉碎粒度规范化、炮制方法规范化入手。制定统一的中药材前处理标准，建立适合中药挥发油的质量标准管理体系，实现中药材前处理工序全过程的规范化，进而保证中药挥发油的质量稳定均一。

(1)面向机械化采收的紫菜物性研究匮乏。与工业产品的标准化特点不同，紫菜的生长具有随机性，受海域、温度、光照等的影响很大。同品种的紫菜长成之后形态不一，生长发育程度不齐，且紫菜的叶状体具有黏性和韧性，需要在装备研发前分析紫菜的生物力学特性[52]，为相关设备结构设计与运动参数优化提供理论依据。但这方面研究几乎未见，因此缺少紫菜生物力学特性研究制约着采收设备的自主研发。

图3 打采式采收装备Fig.3 Roll type harvester

图4 打采式紫菜自动喷淋采收装置Fig.4 Automatic laver harvesting device

2.2 国内研究现状

2.2.1 泵吸式紫菜采收装备技术

20世纪70年代中国在紫菜栽培业取得了一定的进步，对紫菜采收机的需求尤为明显，由于国内未有相关产品，浙江、福建等沿海省份迫切地从日本引进数十台泵吸式紫菜采收机投入生产试用，并且浙江省岱山县大巨机械厂参照日本泵吸式紫菜采收机形式仿制出21台ZS-1型紫菜采收机，该机属于水力涡轮式，刀具在水下20 cm左右作业，使用柴油机作为动力。作业时由3人操作，每小时可采收约200 kg紫菜，为人工作业的5～7倍[68-69]。后由于中国紫菜菜质偏硬及其刀具质量不过关，导致采收效果不稳定，并且不符合中国当时的紫菜栽培模式再加上泵吸式采收固有的缺点，并未得到推广及应用[69-70]。

国内虽然在打采式采收装备领域起步较晚，但也有部分仿照国外机型设计的设备投入生产，并获得了较好的经济效益。目前，中国部分地区以半浮动筏式栽培为主，根据此栽培方式的特点涨潮时可将打采式装备安置于采收船作业，也可将打采式装备安置于拖拉机等牵引载具上，在落潮后的干滩进行作业，极大地减轻了劳动强度[47]。张礼吉[44]研制出了ZS160-1.8型紫菜采收机，采收效率可达1 700～2 000 m2/h，最佳转速为1 000 r/min，具有操作简易、成本低和高效等优点。苍南县水产研究所针对网帘容易缠刀的问题改进了船载式打采机，调整切刃角度为30°时，网帘缠刀现象明显改善，并增设防护栏和调节杆对网帘起到保护作用[17]。黄学平[45]公开了一种方便拖拽网帘架的紫菜打采机，在机架后装有用于支撑紫菜网帘的后支撑架，克服了拖拽紫菜网帘时劳动强度大的缺点。蔡庆旺[46]研制了一种紫菜打采清根一体机(图7)，在滚刀上加设翻转罩，翻转罩置于刀架上时可进行紫菜收割，不设翻转罩时能在最后一茬采收后清除网帘上紫菜根，实现了紫菜采收清根两用，大幅降低了采收成本。上海海洋大学设计了一种滩涂半浮式紫菜打采机，将打采机以铰接方式与拖拉机相连，工作人员无需在网帘下作业，采收舒适度大幅提升，采收效率是人工采收的20倍[48]。南通光华水产品有限公司研发出一种适用于半浮动筏式栽培的紫菜采收机，该设备将打采技术与当地特有的滩涂紫菜栽培环境结合，以手扶拖拉机为动力，适用于干滩作业[49]。打采式采收装备具有结构简单、适应性强等优点，在紫菜采收领域应用较多。

1948年，捷豹XK120诞生，正式开启了捷豹跑车家族70载辉煌历程；这款在当时被称为“全球最快量产车”的传奇跑车，以近200公里/小时的最高车速傲视同侪。1951年，脱胎于XK120的捷豹C-type，首次亮相便一举摘得勒芒24小时耐力赛的桂冠，D-type更是在1955～1957年勇夺三连冠，绘就一段属于捷豹的勒芒传奇。继此之后，被恩佐·法拉利誉为“世界上最美汽车”的E-type，则以不同寻常的曲线之美惊艳世人。而捷豹新英伦至美跑车F-TYPE更不负“TYPE”之名，诞生至今已斩获170余项全球大奖，续写捷豹跑车传奇。

大学生在校期间要依据社会现状和自己的个人条件，树立切实可行的职业理想，设定自己的奋斗目标，职业理想会随着时间的推移而有所改变，人生就是在树立理想到实现理想的道路上奔波，最终绘制出自己的蓝图。

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图5 船用紫菜收割机Fig.5 Marine laver harvester

图6 紫菜刈割船Fig.6 Laver cutting device

剪切式紫菜采收装备主要利用曲柄滑块机构等实现刀具的往复运动，进而完成紫菜切割。切割机构由动、定刀片组成，切割时动刀片在滑块带动下作往复直线运动并与定刀片形成剪切作用。剪切式采收在农业采收领域应用范围广，具有工作稳定、 割茬低而齐、 割幅宽及结构简单等特点[29-30]。日本幹男山根[31]设计了一种剪切式的紫菜采收机，其主要采收生长在岩石上的紫菜，整机包括剪切机构、收集机构、分离机构以及牵引机构，剪切机构前设有导向滚筒及外钩爪，特点是工作时通过滚筒与钩爪同时转动将紫菜带入至剪切机构，剪切后由收集机构将菜水混合物收集，经网具分离后，完成紫菜采收一体化作业。目前，日韩等国的紫菜栽培方式主要以全浮动筏式和支柱式为主，考虑到海区作业时会遇到风浪等复杂的情况，难以保证作业平稳进行，故剪切式采收装备更适合搭载拖拉机等作业面起伏较小的载具，在落潮后的干滩或浅滩上作业。因其作业环境的局限性在日韩等国的实际生产中应用较少。

2.2.2 剪切式紫菜采收装备技术

图7 紫菜采收清头一体机Fig.7 Laver harvesting and root removal integrated machine

2.3 紫菜采收装备技术对比及问题分析

目前紫菜采收装备主要有泵吸式、剪切式以及打采式3类，根据行进方式可分为船载和车载，船载适用于全浮动筏式和支柱式栽培；车载适用于半浮动筏式栽培[16,34,66]。如表1所示，国内外剪切式采收装备技术目前都未推广使用，而泵吸式和打采式采收装备技术在市场投入应用较多。尽管国外对泵吸式紫菜采收装备技术的理论研究成熟，具有一定的采收成效，但因其效率低、对泵的损耗和紫菜的损伤高，已逐步淘汰，在国内也未被推广应用。打采式紫菜采收装备技术较其余两种适应性好、可靠性高、市场占比大，且国外对该装备行进速度、刀具转速及刀刃运动轨迹等有一定理论研究，采收装备刀型也从最初的直刀发展到螺旋刀，又向多段直刀发展，从而降低制造成本、分散应力并提升刀具寿命，采收装备配套设施趋于一体化，可完成网帘自动起升、紫菜采收与输送、采后紫菜根部酸化消毒同时作业，装备集成性较高。另外，日韩等国多采用船载采收机作业，机型也从泵吸式转变为打采式采收，劳动生产率和经济性都有大幅提升[26,50]。

表1 紫菜采收装备技术对比分析Tab.1 Comparative analysis of laver harvesting equipment technology

我们参观了蒋介石座东朝西、面朝大陆的纪念堂——慈湖灵堂，铜棺至今没有入土为安，可见期盼落叶归根、两岸统一之情；我不禁联想起曾经参观浙江溪口蒋母陵墓时的情景，对台湾回归祖国充满期待。三月底从台湾归返，我有感写下一篇《从溪口到慈湖》的文章，发表在河北的《散文风》上。4月3日，我敲键盘、点鼠标，发往台湾《旺报》编辑部。我心想，试探而已！怎料到，4月8日，就发表在其“大陆人看台湾”专版。当我从网络上看到报样，为能在宝岛报章之一角留下自己几滴墨迹而欣慰。

国外因船载机械打采技术的快速发展，淘汰了紫菜手工采收。打采式采收是通过旋转滚刀将紫菜从网帘切割并拽断的一项技术。其装备主要由滚刀、刀架、护栏、动力源等结构组成，转轴的外圆周向一般均布3～4副带有角度的刀片，称之为滚刀，通过柴油机或者液压马达驱动，当滚刀达到一定转速时便可将紫菜从网帘上采下[1,32-34]。在日韩等国，该装备适用于全浮动筏式和支柱式栽培方式。为解决紫菜采收费时费力且效率低等问题，日本石田昌次郎[32]发明了一种船载滚刀式紫菜刈割机，由船体、滚刀和网帘支架组成，滚刀打采后紫菜直落舱内，可实现网帘起升、打采与收集一体化作业，效率极高。中堪浩[33]利用液压驱动滚刀采收紫菜，作业时刀具运行平稳，船舱整洁度和操作员作业舒适度较高。矢田贞美[34]分析了打采式紫菜采收船(图3a)起帘装置的受力和切割装置(图3b)的运动轨迹，得出起帘装置入水角较小时，增大拉力，阻力会随之减小，易于采收作业的操控；当切割点越靠近紫菜根部时，紫菜所受剪切应力越大，采收效果更优；切割装置刀片数为3片时采收效率最高，且留茬平齐。韩国的崔敏浩[35]改进滚刀式紫菜采收机，增加了螺旋输送装置，可有效收集紫菜。韩国大同商社[36]开发了一种打采式紫菜采收机(图4a)，增加了一种自动喷淋装置(图4b)，可起到减小接触摩擦的作用，并且可使紫菜延竖直方向展开，防止与网帘粘连，避免漏割现象发生，与未安装此装置相比增加了10%的采收量。金玉山等[37]研究了打采式采收装备刀具寿命和生产效率的关系，发现当刀具行进速度0.53 m/s、转速为700～800 r/min时刀具的使用寿命最长，且采收效率可达1.15～1.26 kg/min。Hong等[38]为解决人工起帘费时费力问题，在采收船前部设计安装了网帘自动俯仰装置，控制系统由比例积分(PI)控制阀、液压缸和线性差动传感器(LVDT)等组成，通过控制流量实现自动起帘。田中健一[39]为解决采后紫菜输送问题，在采收船上增设了粗切与泵送设备，采后紫菜经粗切后由挠性泵输送至运输船或码头，输送效率极高。

目前，中国虽有仿制国外的紫菜打采机在生产中应用，但较国外仍存在设计水平低、配套设施简陋、装备集成度差等问题，装备技术的原创性、先进性以及适应性较日本、韩国等国还有明显差距，具体表现为：

中国在20世纪90年代末从日韩等国引进全浮动筏式和支柱式栽培模式，也是目前中国坛紫菜产区主要采用的栽培模式，而条斑紫菜主产区大多采用半浮动筏式栽培模式生产，该栽培模式落潮后露出的干滩与浅滩为剪切式紫菜采收装备提供了良好的作业环境，可推动剪切式紫菜采收装备在中国的进一步发展。中国早期的剪切式紫菜采收装备主要以自行设计为主，朱日超等[40]设计了一种适用于半浮动筏式退潮浅滩作业的船用紫菜收割机(图5)，主要由组合剪切收割器、传动机构、驱动设备、防护机构等组成，可任意调节剪后紫菜留茬长度，作业效率是人工的8～10倍，实现了紫菜的快速采收；为保证留茬长度一致，徐祥来等[41]设计出一种剪切式紫菜采收机，工作时通过曲柄连杆驱动动刀排与定刀排形成剪切效果，该机切割质量高，具有结构可靠和传动平稳等优点，可满足大面积高效紫菜采收需求。母刚等[42-43]发明了一种集自动起帘、剪切、收集与输送等功能于一体的紫菜刈割船(图6)，通过链式割刀剪切紫菜，具有不破坏网帘，紫菜留茬整齐且损伤小等优点。然而，上述采收装备技术均处于实验室开发阶段，未进行大规模应用，实践效果有待检验。

(2)紫菜采收装备技术及配套设施落后。紫菜采收作业通常在冬季进行，作业时偶伴有雨雪及大风等极端天气，中国的紫菜采收船多由泡沫浮桶和木板拼接制成，抵抗风浪能力差安全系数低，且泡沫长期在水中易脱落造成白色污染[42,53]；另外，中国的采收设备几乎都由柴油机皮带驱动，冬季冷启动困难、振动和噪声大、紫菜缠刀事故频发[54]。此外，采收设备作业时因缺少目标网帘自动对准和相邻网帘避让智能系统，导致采收效率低、自适性差及损坏栽培网帘等问题。

(3)采收模式与集约化水平有待提高。当前中国的紫菜采收作业方式多为船载，采后紫菜无收集与输送装备，直接落在甲板上需大量的人力和财力完成收集输送等工作，且人工作业时会踩踏紫菜影响其品质。此外，国外在紫菜采收同时对留茬进行酸化消毒，可减少患病并去除影响紫菜生长的杂藻[55-58]，虽然国内也有酸化处理环节，但未与采收过程集成[59]。

3 中国紫菜机械化采收装备技术发展对策

(1)加强紫菜生物力学特性研究。通过研究紫菜的形态性状(叶状体长度、宽度、厚度、体积、质量等)并进行通径分析，获取紫菜采收结构设计与仿真分析所需参数；研究不同部位、品系以及生长周期等对紫菜叶状体抗拉强度、剪切力、粘附性等力学性能的影响[60]，为紫菜采收机械设计、关键技术研究等提供理论依据。

(2)加强采收装备理论设计研究。摒弃传统经验设计方法，基于现代机械设计理论，依托虚拟样机技术，借助有限元和离散元法，研究切割机构与紫菜互作规律，优化采收结构参数[61]。建立刀具与紫菜的刚柔耦合模型，分析切刃运动轨迹并进行仿真研究，突破紫菜精准低损采收技术，提高紫菜采收效率，降低细胞损伤和紫菜损失率，进一步推动紫菜采收机械化进程。

(2)从化学分析、光谱分析资料看Y的含量在磷灰石中最高，且磷灰石中Y的含量相对稳定，变化不大，而磷灰石又是矿石的主要矿物应为工业利用的主要对象。

(3)加快采收系统自动化、智能化发展。随着电控技术的迅速发展，将机械系统和液压控制或电气控制结合，提升紫菜采收自动化和智能化水平已成为主要发展趋势[62]。应借助国外先进采收装备的设计理念，结合传感、机器视觉与物联网等技术，开发网帘自动对准、采后留茬信息采集、品质智能辨识等系统，提高采收装备自主学习决策能力和自动化水平。

1.1.2 气候环境 秦安县属陇中南部温和半湿润季风气候区，其特点是气候温和，日照充足，降水较少，干旱频繁，夏无酷暑，冬无严寒，夏湿冬干。

(4)提高采收系统集约化水平。开发集紫菜网帘起升、采收、输送以及消毒于一体的集约化采收装备，研究低损固液混流输送技术与装备[39,63]，改进采后酸化消毒方式，研发环保酸化液，提高载具空间利用率[64]。提升采-收-消毒系统集成度、减少采收环节和用工成本、保障紫菜健康栽培、降低生态环境影响。

(5)构建紫菜全程机械化栽培模式。目前，中国紫菜栽培方式虽多但存在设施结构差异大、栽培工艺不统一等问题。通过制定符合紫菜机械化采收的栽培规范和标准，如统一网帘尺寸、挂苗间距和设施结构等，提高紫菜栽培设施在不同海域的通用性，研发与栽培工艺相融合的育苗、挂苗和采收设备，构建紫菜全程机械化栽培新模式，提升紫菜生产效益。

如何实现从事象到事件再到生活的双重还原？或许，日常生活中的个体或集体叙事可以成为一种路径。为此，本文提出叙事学作为研究策略，亦即叙事取向的回归，以此拓展民俗学现有的表征和解释空间，重新定位民俗学并回应民俗学学术传统的历史使命。在日常生活中讲述故事是叙事取向的恰当策略，人们在讲述过去场景时，倾向于将其按照时间序列表达出来。某种意义上说，民俗学、人类学的田野民族志也正是这样的历史叙事文本制作过程。在此过程中，藉由个体或集体叙事，民俗学研究路径和研究对象的双重还原得以完成，亦即还原到民俗学原本所应关注的日常生活实践本身。

4 结语

中国紫菜机械化采收装备技术与国外先进水平相比，仍存在紫菜物性研究空白、机械结构理论设计水平低、装备集成度和智能化程度低等问题。需要通过自主研发，加强采收装备理论设计研究，提高系统集成水平，开发适合中国紫菜栽培的采收装备技术，推进紫菜栽培全程机械化，提高紫菜采收轻简化率与生产效率，助力中国紫菜产业转型升级与乡村振兴。

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