农业生产中蔬菜嫁接机技术研究与发展现状分析.pdf

26 农业发展 农业经济 2022 9 农业生产中蔬菜嫁接机技术研究与发展现状分析 张 雷 摘 要 采用嫁接方法可以有效地解决蔬菜连作障碍 提高产量 但是嫁接作业劳动强度大 生产效率低 由于个人的 主观性和拥有不同的技术熟练度 将影响到嫁接的质量和效率 进而会影响嫁接成活率 随着嫁接技术的广泛应用 嫁接机 器人的研究也在不断发展 目前 半自动化蔬菜嫁接机器人的研究已部分商业化 但是无法成功实现生产过程的全部自动化 进而不利于全自动嫁接机器人的研制与开发 关键词 农业生产 嫁接机 嫁接质量 嫁接效率 成活率 一 引言 近些年来 随着蔬菜等作物的栽培面积不断增多 产生 的连作障碍等难题也随之逐年增多 常年栽种同一种蔬菜将 造成土壤的营养环境恶化 导致加重蔬菜的土壤传播病害 直接造成蔬菜的产量和品质下降 此连作障碍等问题目前已 成为农业生产中亟须解决的关键难点 截至现在一般应用土 壤化学处理手段和蔬菜嫁接手段解决在农业生产中此难题 随着对于农业经济可持续发展的推进和对于环境保护的提 升 于田地里施用一些化学合成物减少土壤病害的传播和一 些致病微生物的化学处理手段 虽然能够解决连作障碍但是 对土壤环境造成污染 所以国家颁布一些规定对这些手段进 行了限制 邢宇等 2004 截至现在 应用嫁接技术是一种能够解决连作障碍和病 虫害防治难题的关键手段 人工嫁接技术是人工营养繁殖植 物的一种办法 劳作者有目的性地把一种植株的枝或者芽截 取到另外一种植株的根部或者茎上 接合一起的两种植株生 长为另外一种完整植株的过程 接上去的芽或者枝被称为接 穗或者穗木 嫁接后成活生长成为为新植株的顶部或者上部 被接的茎或者根部被称为砧木或者台木 嫁接后成活生长成 为新植株的下部或者根系部分 邓向君与卓敏华 2010 与传统的栽培技术相比 应用嫁接技术能够对减少土壤传播 病害 解决连作障碍 提升水肥利用率 提高抗逆性 增加 产量和品质等方面起到十分有利的影响 因此在农业生产活 动中有着广泛地应用 Jung Myung Lee 等 2010 嫁接方法所要求的技术性非常强 嫁接工作时要求操 作技术非常精准 因为利用人工受到工作技能和熟练度的因 素 可以对嫁接幼苗的成活率造成影响 杨海君 2003 采取人工来完成嫁接育苗作业有着效率低 劳动强度大 成 活率低等问题 不利于嫁接技术的应用与推广 辜松等 2007 最近几年 为了迎合农业生产活动的需要推出了一种 嫁接机器人技术 利用此技术能够把园艺生产 机械作 业手段 自动化控制综合应用于一体 采取此技术能够在较 短的工作时间内 利用机械操作把只有几毫米的接穗和砧木 幼苗接合一起 工作速度相较于人工作业十分大的提高 而 且利用机械作业结合快速 茎秆内营养成分流失少 短时间 切口不易氧化 进而能够提高嫁接成活率 张铁中与徐丽明 2001 因此 采用嫁接机器人技术来取代传统的手工嫁接 作业具有重要的实际意义 它不仅可以提升嫁接生产率 降 低作业的强度和难度 提升幼苗的成活率 并且利于嫁接技 术的推广 提高嫁接技术的机械化程度以便于规模化生产 二 国外的研究现状 一 日本的研究现状 日本的科研人员于1986年起就着手致力于蔬菜嫁接机 器人的研究 截至目前日本的蔬菜嫁接机器人技术已在世界 处于领先水平 日本的井关 洋马 三菱等公司是以茄科蔬 菜为主要的嫁接对象 采用贴接 平接嫁接方法研发了一系 列半自动化蔬菜嫁接机器人 1986至1991年 农林水产省 生物系特定产业技术研究推进机构组织当地多家企业共同参 与并研发出 1 2 3 号三代试验样机 此三代样机都是采取 贴接嫁接方法并且只能应用于瓜科蔬菜 于1987年研发出 1 号样机半自动式 G871 此样机除了接穗和砧木需要人工供 应外 其他操作均由机械完成 其成功率为78 85 在1 号样机研制的基础上 在1989年研发了2号样机G892 此 样机可以实现3s种之内成功完成一株嫁接苗工作 成功率 能够达到 90 98 于 1991 年再次研发 3 号样机 G913 此 样机嫁接所使用的接穗和砧木均采用营养钵育苗 在嫁接工 作时由输送皮带移动8 6穴的专用穴盘来自动上苗 在专 用穴盘中已放置好接穗和砧木 该试验样机的嫁接成功率可 达 90 以上 辜松与江林斌 2007 Jung Myung Lee et al 2010 在此之后 日本的其他公司也在先后开发出了多种类型 27 农业发展 农业经济 2022 9 的蔬菜嫁接机器人 其中有井关农机公司于1994年研制的 半自动式蔬菜嫁接机器人 分别为应用瓜类蔬菜的GR800B 型和应用茄果类蔬菜的 GR800T 型 都是采用单株操作利用 贴接法 的方式进行嫁接作业 2名工人分别用于提供接 穗苗和砧木苗 其都应用缝隙托架上苗的方式 利用气动的 动力支持作为运动部件 嫁接的生产能力为800株 h 嫁 接成功率可达到95 铃木正肚等 1995 洋马农机公司 协同生研机构于1994年研制了AG1000型全自动蔬菜嫁接 机 此机利用贴接嫁接方式 应用于茄科蔬菜的嫁接工作 利用穴盘为单位运送接穗苗和砧木苗 将切削后的接穗苗和 砧木苗采取普通嫁接夹固定 其嫁接成功率高达 97 嫁接 生产率为 1000 株 h 森川信也等 2004 为了减少大型 蔬菜嫁接机器人的成本造价 洋马公司在2003年研发出体 积较小 操作更加灵敏的T600型半自动式瓜科蔬菜嫁接机 此嫁接机采取V型平接方式 只需1人进行操作 其分别 把去掉土坨的接穗苗和砧木苗通过单株的形式运送到托苗架 上 嫁接机可以自动完成接穗苗和砧木苗的切削 对接及上 固定套管等工作 此嫁接机的嫁接生产率为600 株 h 成 功率可以达到 98 小林研与铃木正肚 1996 1990 年 日本TGR研究所为了实现大规模育苗生产模式进行研发全 自动蔬菜嫁接机 TGR研究所在1993年研发出应用于茄科 蔬菜的KGM0128整列式全自动蔬菜嫁接机 该蔬菜嫁接机 采用平接方法 固定接穗苗和砧木苗所用的嫁接夹以黏结剂 来替代 嫁接生产率为1000 株 h 嫁接成功率可达97 刘 凯等 2011 在1995年 应用于瓜科蔬菜的蔬菜嫁接机 成功研发 目前由小松公司进行销售 此嫁接机以穴盘为单 位运送接穗苗和砧木苗 作业时接穗和砧木夹板分别夹取1 列接穗苗和砧木苗通过整列切削和整列对接 然后采取在对 接处喷涂生物黏结剂和固化剂 1 s左右黏结剂就可以硬化 黏结剂可以起到嫁接夹的作用 目前日本所开发出的蔬菜嫁 接机器人 自动化的程度较高 性能较好 但是价格也比较高 一般在35 200万元人民币之间 不是一般的农户和中小型 育苗中心可以承受的 二 韩国的研究现状 韩国的科研人员于20世纪90年代起就着手致力于蔬 菜嫁接机的研制工作 截至现在为止已经成功研制出GR 600CS 型多功能半自动蔬菜嫁接机以及一些小型半自动蔬菜 嫁接机 韩国所开发的蔬菜嫁接机由于其结构简单 体积小 仅3000元人民币左右 小型半自动蔬菜嫁接机操作方便 价格低廉 采取靠接法嫁接 嫁接生产率最高可达310株 h 成功率可以达到90 此嫁接机在韩国 日本和我国都 有一定的销量 但是该蔬菜嫁接机的作业程序较为复杂 嫁 接后期还需进行处理断根 所以只应用于一些小规模的嫁 接育苗 目前还不能投用到大面积的推广 辜松 2005 Idealsystem公司的科研人员在成功研制半自动蔬菜嫁接机 的基础上着手致力于应用茄科蔬菜针式全自动蔬菜嫁接机的 研究工作 此嫁接机使用嫁接针是采用陶瓷制成的五角形针 具有防止嫁接部位回转的功用 固定性能良好 其应用于嫁 接茄科类蔬菜 包括西红柿 茄子 辣椒等 嫁接生产率为 1200 株 h 应用50孔穴盘培育幼苗 采用穴盘的形式直 接整盘上苗 一个嫁接作业过程能够同时完成 5 株幼苗的嫁 接工作 不仅具有较快的作业速度 而且便于操作 辜松与 江林斌 2007 三 荷兰的研究现状 在2010年荷兰ISO公司的科研人员针对茄果类蔬菜研 发利用 平接法 嫁接的ISO Graft1000全自动化蔬菜嫁 接机 此机包括完整独立的运送装置 嫁接设备中还包含机 器视觉系统 整个设备较为庞大 操作工作时通过专用的输 送机构将带有土坨的接穗苗和砧木苗从运送装置中的穴盘取 出 运送入嫁接工作设备中 使用机器视觉系统将接穗苗和 砧木苗依据形态和长势等特征信息来将切削位置进行调整 之后操作专用橡胶夹进行夹持固定操作 最后将成功嫁接操 作的幼苗运送 此机含有较高程度的智能性和自动化 Kubota C 2008 三 国内研究现状 我国在1993年开展了自动化蔬菜嫁接技术的研究 由 张铁中教授在中国农业大学率先进行研究 台湾宜兰技术学 院生物机电工程学系邱奕志教授等协同合作针对番茄等茄科 蔬菜苗的嫁接研制出利用 套管法 嫁接的蔬菜苗嫁接机 此嫁接机工作时只需配置 1 名工人进行操作 嫁接生产效率 为 360 株 h 以及嫁接成功率可达 98 以上 Y C Chiu et al 2010 Chen S et al 2010 张铁中教授和科研团队的人员于1996年成功研制直插 式蔬菜机械嫁接设备 当时的嫁接成功率仅有 60 左右 但 可以完成接穗和砧木的自动运送 切削 插孔 结合等工作 过程 张铁中 1996 在1998年研发出应用于葫芦科秧 苗利用 贴接法 进行嫁接的2JSZ 600型蔬菜半自动嫁接机 此嫁接机以带土坨的砧木苗直接进行嫁接工作 成功完成自 动取苗 切苗 接合 夹持固定 排苗等全套工作进程 售 价大约在3万元左右 生产率是600株 h 成功率高达95 辜 松 2012 在2003年研发了应用于瓜科蔬菜的营养钵体 苗自动蔬菜嫁接机 此嫁接机嫁接效率为360 480株 h 嫁接成功率为 93 实现了在营养钵中直接进行嫁接作业 而且采取了机器视觉系统能够自动识别砧木苗的生长点高度 以及子叶的展开方向 以便于自动调整最佳的切削位置 提 高了蔬菜嫁接机器人的自动化程度 张铁中等 2003 在 2009 年又研发出双向式高速蔬菜嫁接机 此嫁接机采用双向 嫁接机构 节约取苗 切苗 贴合的操作时间 速率已经处 28 农业发展 农业经济 2022 9 于国际同类机型的领先水平 杨丽等 2009 辜松教授率领科研团队研发出一系列的蔬菜嫁接机 在 2005年于东北农业大学应用于瓜科蔬菜研发出利用 插接 法 的2JC 350型半自动化插接式蔬菜嫁接设备 接穗苗 和砧木苗的上苗和卸苗工作都由人工来操作 其嫁接生产率 为 350 株 h 嫁接成功率高于 90 辜松 2006 在国 外研发的蔬菜嫁接机大都是采取贴接法 靠接法进行嫁接工 作 对秧苗的质量要求比较高 目前还没有成功研发插接法 嫁接的瓜类蔬菜嫁接机 在此背景下 为了适应我国蔬菜嫁 接生产模式 在2008年由国家农业信息化工程技术研究中 心环境控制部门联合华南农业大学开发气力旋转自动蔬菜嫁 接机 2009 年以茄科蔬菜为研究对象 辜松教授率领其科研 团队在华南农业大学研制出了劈接式2JP 1000A型蔬菜嫁 接机 此嫁接机对接穗苗和砧木苗的植株高度与茎苗直径均 值利用数学统计方式进行测量 之后为人工操作作业 生产 率是 1000 株 h 成功率是 95 刘凯等 2011 2012 年 为了取代人工切削接穗苗和砧木苗 以此来降低劳动强度 研发出2JX M系列气力式蔬菜嫁接切削装置 此设备能够 针对茄果类和瓜科类蔬菜 瓜类生产率是1100株 h 茄 类生产率是640株 h 切削成功率都超过90 辜松等 2012 四 结论 目前为止国内外所研发的蔬菜嫁接机大多为半自动化 式 虽然基本的机型均能够成功完成自动取苗 切削 结合 夹持固定等作业过程 但依然由人工来负责供应接穗苗和砧 木苗 为了实现提升蔬菜嫁接机的嫁接成功率和成活率 进行增大接穗苗和砧木苗切削贴合面变成一种能够成为现 实的手段 扩大接穗苗 砧木苗接合的切面面积可以使接 其维管束紧密接连 可以促进两者间细胞的分裂 分化和 最终的愈合 本文对国内外的蔬菜嫁接机以及机器视觉技术在农业生 产中的应用进行了对比分析 得出了目前大多数的蔬菜嫁接 机为半自动式 大多为 插接法 半自动式蔬菜嫁接机 仅 有少数的嫁接机采取 贴接法 研发 大部分的嫁接机嫁接 生产率达到 600 株 和 90 的成功率 已基本成功实现了自 动取苗 切苗 结合 夹持固定等自动作业 但是所有嫁接 过程都基本需要配备工作人员进行接穗苗和砧木苗的上苗操 作 不仅劳动强度大 而且嫁接生产率低 生产成本较高 参考文献 1 邓向君 卓敏华 2010 嫁接技术方法及其运用 J 中国园艺文摘 7 157 158 2 辜松 江林斌 2007 国内外蔬菜嫁接机的发展现状 J 东北农业大学学报 38 6 847 851 3 辜 松 李 恺 初 麒 杨 艳 丽 刘 凯 钟 绿 祥 2012 2JX M系列蔬菜嫁接切削器作业试验 J 农业工程学报 28 10 27 32 4 辜松 2005 蔬菜工厂化嫁接育苗系统的发展现状 J 农机化研究 27 6 52 54 5 辜松 2006 2JC 350型蔬菜插接式自动嫁接机的研 究 J 农业工程学报 22 12 103 106 6 辜松 2012 蔬菜嫁接机的发展现状 J 农业工程 技术 温室园艺 5 26 30 7 李兴 2013 针接式蔬菜嫁接机的研究 D 浙江大 学硕士学位论文 8 刘凯 初麒 辜松 李元强 牟艳秋 杨艳丽 2011 茄科蔬菜自动嫁接机的研究现状 J 农机化研究 33 2 230 233 9 罗军 高英武 何幸保 2010 自动嫁接机的研究现 状与展望 J 湖南农机 37 2 1 2 10 邢宇 李文娆 刘生祥 李建设 2004 我国甜瓜嫁 接栽培技术研究进展 J 宁夏农学院学报 25 1 81 84 11 杨丽 刘长青 张铁中 2009 双臂蔬菜嫁接机设计 与试验 J 农业机械学报 40 9 175 181 12 张铁中 1996 蔬菜自动嫁接技术研究 嫁接装 置的结构设计与试验 J 中国农业大学学报 1 6 30 33 13 Jung Myung Lee C Kubota S J Tsao Z Bie P HoyosEchevarria L Morra M Oda 2010 Current status of vegetable grafting Diffusion grafting techniques automation J Science Horticulture 127 93 105 14 Kubota C 2008 Use of grafted seedlings for vegetable productionin North America J Acta Horticulture 770 21 28 15 Ryu K H Kim G Han J S 2001 Automation and emerging technologies Development of a robotic transplanter for bedding plants J Journal of Agricultural Engineering Research 78 2 141 146 16 铃木正肚 小林研 猪之奥康治 1995 科野 菜 用 接 木 装 置 开 发 第 1 报 J 農業機 械学会 誌 57 2 67 76 17 森川信也 西浦芳史 藤浦建史 等 2004 果菜类 用简易接 木装置 关 研究 第 1 报 割 接 用台木切 断 器 具 试 作 J 農業機 械学会 誌 66 1 82 89 18 小林研 铃木正肚 1996 葫芦科蔬菜嫁接装置的开 发 J 农业机械学会志 58 2 83 93 作者单位 辽宁省农业机械化发展中心 辽宁 沈阳 110034