農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜嫁接機技術研究與發(fā)展現(xiàn)狀分析.pdf

26 農(nóng)業(yè)發(fā)展 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟 2022 9 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜嫁接機技術研究與發(fā)展現(xiàn)狀分析 張 雷 摘 要 采用嫁接方法可以有效地解決蔬菜連作障礙 提高產(chǎn)量 但是嫁接作業(yè)勞動強度大 生產(chǎn)效率低 由于個人的 主觀性和擁有不同的技術熟練度 將影響到嫁接的質(zhì)量和效率 進而會影響嫁接成活率 隨著嫁接技術的廣泛應用 嫁接機 器人的研究也在不斷發(fā)展 目前 半自動化蔬菜嫁接機器人的研究已部分商業(yè)化 但是無法成功實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全部自動化 進而不利于全自動嫁接機器人的研制與開發(fā) 關鍵詞 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 嫁接機 嫁接質(zhì)量 嫁接效率 成活率 一 引言 近些年來 隨著蔬菜等作物的栽培面積不斷增多 產(chǎn)生 的連作障礙等難題也隨之逐年增多 常年栽種同一種蔬菜將 造成土壤的營養(yǎng)環(huán)境惡化 導致加重蔬菜的土壤傳播病害 直接造成蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)下降 此連作障礙等問題目前已 成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟須解決的關鍵難點 截至現(xiàn)在一般應用土 壤化學處理手段和蔬菜嫁接手段解決在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中此難題 隨著對于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的推進和對于環(huán)境保護的提 升 于田地里施用一些化學合成物減少土壤病害的傳播和一 些致病微生物的化學處理手段 雖然能夠解決連作障礙但是 對土壤環(huán)境造成污染 所以國家頒布一些規(guī)定對這些手段進 行了限制 邢宇等 2004 截至現(xiàn)在 應用嫁接技術是一種能夠解決連作障礙和病 蟲害防治難題的關鍵手段 人工嫁接技術是人工營養(yǎng)繁殖植 物的一種辦法 勞作者有目的性地把一種植株的枝或者芽截 取到另外一種植株的根部或者莖上 接合一起的兩種植株生 長為另外一種完整植株的過程 接上去的芽或者枝被稱為接 穗或者穗木 嫁接后成活生長成為為新植株的頂部或者上部 被接的莖或者根部被稱為砧木或者臺木 嫁接后成活生長成 為新植株的下部或者根系部分 鄧向君與卓敏華 2010 與傳統(tǒng)的栽培技術相比 應用嫁接技術能夠?qū)p少土壤傳播 病害 解決連作障礙 提升水肥利用率 提高抗逆性 增加 產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起到十分有利的影響 因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活 動中有著廣泛地應用 Jung Myung Lee 等 2010 嫁接方法所要求的技術性非常強 嫁接工作時要求操 作技術非常精準 因為利用人工受到工作技能和熟練度的因 素 可以對嫁接幼苗的成活率造成影響 楊海君 2003 采取人工來完成嫁接育苗作業(yè)有著效率低 勞動強度大 成 活率低等問題 不利于嫁接技術的應用與推廣 辜松等 2007 最近幾年 為了迎合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的需要推出了一種 嫁接機器人技術 利用此技術能夠把園藝生產(chǎn) 機械作 業(yè)手段 自動化控制綜合應用于一體 采取此技術能夠在較 短的工作時間內(nèi) 利用機械操作把只有幾毫米的接穗和砧木 幼苗接合一起 工作速度相較于人工作業(yè)十分大的提高 而 且利用機械作業(yè)結(jié)合快速 莖稈內(nèi)營養(yǎng)成分流失少 短時間 切口不易氧化 進而能夠提高嫁接成活率 張鐵中與徐麗明 2001 因此 采用嫁接機器人技術來取代傳統(tǒng)的手工嫁接 作業(yè)具有重要的實際意義 它不僅可以提升嫁接生產(chǎn)率 降 低作業(yè)的強度和難度 提升幼苗的成活率 并且利于嫁接技 術的推廣 提高嫁接技術的機械化程度以便于規(guī)模化生產(chǎn) 二 國外的研究現(xiàn)狀 一 日本的研究現(xiàn)狀 日本的科研人員于1986年起就著手致力于蔬菜嫁接機 器人的研究 截至目前日本的蔬菜嫁接機器人技術已在世界 處于領先水平 日本的井關 洋馬 三菱等公司是以茄科蔬 菜為主要的嫁接對象 采用貼接 平接嫁接方法研發(fā)了一系 列半自動化蔬菜嫁接機器人 1986至1991年 農(nóng)林水產(chǎn)省 生物系特定產(chǎn)業(yè)技術研究推進機構(gòu)組織當?shù)囟嗉移髽I(yè)共同參 與并研發(fā)出 1 2 3 號三代試驗樣機 此三代樣機都是采取 貼接嫁接方法并且只能應用于瓜科蔬菜 于1987年研發(fā)出 1 號樣機半自動式 G871 此樣機除了接穗和砧木需要人工供 應外 其他操作均由機械完成 其成功率為78 85 在1 號樣機研制的基礎上 在1989年研發(fā)了2號樣機G892 此 樣機可以實現(xiàn)3s種之內(nèi)成功完成一株嫁接苗工作 成功率 能夠達到 90 98 于 1991 年再次研發(fā) 3 號樣機 G913 此 樣機嫁接所使用的接穗和砧木均采用營養(yǎng)缽育苗 在嫁接工 作時由輸送皮帶移動8 6穴的專用穴盤來自動上苗 在專 用穴盤中已放置好接穗和砧木 該試驗樣機的嫁接成功率可 達 90 以上 辜松與江林斌 2007 Jung Myung Lee et al 2010 在此之后 日本的其他公司也在先后開發(fā)出了多種類型 27 農(nóng)業(yè)發(fā)展 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟 2022 9 的蔬菜嫁接機器人 其中有井關農(nóng)機公司于1994年研制的 半自動式蔬菜嫁接機器人 分別為應用瓜類蔬菜的GR800B 型和應用茄果類蔬菜的 GR800T 型 都是采用單株操作利用 貼接法 的方式進行嫁接作業(yè) 2名工人分別用于提供接 穗苗和砧木苗 其都應用縫隙托架上苗的方式 利用氣動的 動力支持作為運動部件 嫁接的生產(chǎn)能力為800株 h 嫁 接成功率可達到95 鈴木正肚等 1995 洋馬農(nóng)機公司 協(xié)同生研機構(gòu)于1994年研制了AG1000型全自動蔬菜嫁接 機 此機利用貼接嫁接方式 應用于茄科蔬菜的嫁接工作 利用穴盤為單位運送接穗苗和砧木苗 將切削后的接穗苗和 砧木苗采取普通嫁接夾固定 其嫁接成功率高達 97 嫁接 生產(chǎn)率為 1000 株 h 森川信也等 2004 為了減少大型 蔬菜嫁接機器人的成本造價 洋馬公司在2003年研發(fā)出體 積較小 操作更加靈敏的T600型半自動式瓜科蔬菜嫁接機 此嫁接機采取V型平接方式 只需1人進行操作 其分別 把去掉土坨的接穗苗和砧木苗通過單株的形式運送到托苗架 上 嫁接機可以自動完成接穗苗和砧木苗的切削 對接及上 固定套管等工作 此嫁接機的嫁接生產(chǎn)率為600 株 h 成 功率可以達到 98 小林研與鈴木正肚 1996 1990 年 日本TGR研究所為了實現(xiàn)大規(guī)模育苗生產(chǎn)模式進行研發(fā)全 自動蔬菜嫁接機 TGR研究所在1993年研發(fā)出應用于茄科 蔬菜的KGM0128整列式全自動蔬菜嫁接機 該蔬菜嫁接機 采用平接方法 固定接穗苗和砧木苗所用的嫁接夾以黏結(jié)劑 來替代 嫁接生產(chǎn)率為1000 株 h 嫁接成功率可達97 劉 凱等 2011 在1995年 應用于瓜科蔬菜的蔬菜嫁接機 成功研發(fā) 目前由小松公司進行銷售 此嫁接機以穴盤為單 位運送接穗苗和砧木苗 作業(yè)時接穗和砧木夾板分別夾取1 列接穗苗和砧木苗通過整列切削和整列對接 然后采取在對 接處噴涂生物黏結(jié)劑和固化劑 1 s左右黏結(jié)劑就可以硬化 黏結(jié)劑可以起到嫁接夾的作用 目前日本所開發(fā)出的蔬菜嫁 接機器人 自動化的程度較高 性能較好 但是價格也比較高 一般在35 200萬元人民幣之間 不是一般的農(nóng)戶和中小型 育苗中心可以承受的 二 韓國的研究現(xiàn)狀 韓國的科研人員于20世紀90年代起就著手致力于蔬 菜嫁接機的研制工作 截至現(xiàn)在為止已經(jīng)成功研制出GR 600CS 型多功能半自動蔬菜嫁接機以及一些小型半自動蔬菜 嫁接機 韓國所開發(fā)的蔬菜嫁接機由于其結(jié)構(gòu)簡單 體積小 僅3000元人民幣左右 小型半自動蔬菜嫁接機操作方便 價格低廉 采取靠接法嫁接 嫁接生產(chǎn)率最高可達310株 h 成功率可以達到90 此嫁接機在韓國 日本和我國都 有一定的銷量 但是該蔬菜嫁接機的作業(yè)程序較為復雜 嫁 接后期還需進行處理斷根 所以只應用于一些小規(guī)模的嫁 接育苗 目前還不能投用到大面積的推廣 辜松 2005 Idealsystem公司的科研人員在成功研制半自動蔬菜嫁接機 的基礎上著手致力于應用茄科蔬菜針式全自動蔬菜嫁接機的 研究工作 此嫁接機使用嫁接針是采用陶瓷制成的五角形針 具有防止嫁接部位回轉(zhuǎn)的功用 固定性能良好 其應用于嫁 接茄科類蔬菜 包括西紅柿 茄子 辣椒等 嫁接生產(chǎn)率為 1200 株 h 應用50孔穴盤培育幼苗 采用穴盤的形式直 接整盤上苗 一個嫁接作業(yè)過程能夠同時完成 5 株幼苗的嫁 接工作 不僅具有較快的作業(yè)速度 而且便于操作 辜松與 江林斌 2007 三 荷蘭的研究現(xiàn)狀 在2010年荷蘭ISO公司的科研人員針對茄果類蔬菜研 發(fā)利用 平接法 嫁接的ISO Graft1000全自動化蔬菜嫁 接機 此機包括完整獨立的運送裝置 嫁接設備中還包含機 器視覺系統(tǒng) 整個設備較為龐大 操作工作時通過專用的輸 送機構(gòu)將帶有土坨的接穗苗和砧木苗從運送裝置中的穴盤取 出 運送入嫁接工作設備中 使用機器視覺系統(tǒng)將接穗苗和 砧木苗依據(jù)形態(tài)和長勢等特征信息來將切削位置進行調(diào)整 之后操作專用橡膠夾進行夾持固定操作 最后將成功嫁接操 作的幼苗運送 此機含有較高程度的智能性和自動化 Kubota C 2008 三 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在1993年開展了自動化蔬菜嫁接技術的研究 由 張鐵中教授在中國農(nóng)業(yè)大學率先進行研究 臺灣宜蘭技術學 院生物機電工程學系邱奕志教授等協(xié)同合作針對番茄等茄科 蔬菜苗的嫁接研制出利用 套管法 嫁接的蔬菜苗嫁接機 此嫁接機工作時只需配置 1 名工人進行操作 嫁接生產(chǎn)效率 為 360 株 h 以及嫁接成功率可達 98 以上 Y C Chiu et al 2010 Chen S et al 2010 張鐵中教授和科研團隊的人員于1996年成功研制直插 式蔬菜機械嫁接設備 當時的嫁接成功率僅有 60 左右 但 可以完成接穗和砧木的自動運送 切削 插孔 結(jié)合等工作 過程 張鐵中 1996 在1998年研發(fā)出應用于葫蘆科秧 苗利用 貼接法 進行嫁接的2JSZ 600型蔬菜半自動嫁接機 此嫁接機以帶土坨的砧木苗直接進行嫁接工作 成功完成自 動取苗 切苗 接合 夾持固定 排苗等全套工作進程 售 價大約在3萬元左右 生產(chǎn)率是600株 h 成功率高達95 辜 松 2012 在2003年研發(fā)了應用于瓜科蔬菜的營養(yǎng)缽體 苗自動蔬菜嫁接機 此嫁接機嫁接效率為360 480株 h 嫁接成功率為 93 實現(xiàn)了在營養(yǎng)缽中直接進行嫁接作業(yè) 而且采取了機器視覺系統(tǒng)能夠自動識別砧木苗的生長點高度 以及子葉的展開方向 以便于自動調(diào)整最佳的切削位置 提 高了蔬菜嫁接機器人的自動化程度 張鐵中等 2003 在 2009 年又研發(fā)出雙向式高速蔬菜嫁接機 此嫁接機采用雙向 嫁接機構(gòu) 節(jié)約取苗 切苗 貼合的操作時間 速率已經(jīng)處 28 農(nóng)業(yè)發(fā)展 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟 2022 9 于國際同類機型的領先水平 楊麗等 2009 辜松教授率領科研團隊研發(fā)出一系列的蔬菜嫁接機 在 2005年于東北農(nóng)業(yè)大學應用于瓜科蔬菜研發(fā)出利用 插接 法 的2JC 350型半自動化插接式蔬菜嫁接設備 接穗苗 和砧木苗的上苗和卸苗工作都由人工來操作 其嫁接生產(chǎn)率 為 350 株 h 嫁接成功率高于 90 辜松 2006 在國 外研發(fā)的蔬菜嫁接機大都是采取貼接法 靠接法進行嫁接工 作 對秧苗的質(zhì)量要求比較高 目前還沒有成功研發(fā)插接法 嫁接的瓜類蔬菜嫁接機 在此背景下 為了適應我國蔬菜嫁 接生產(chǎn)模式 在2008年由國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中 心環(huán)境控制部門聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學開發(fā)氣力旋轉(zhuǎn)自動蔬菜嫁 接機 2009 年以茄科蔬菜為研究對象 辜松教授率領其科研 團隊在華南農(nóng)業(yè)大學研制出了劈接式2JP 1000A型蔬菜嫁 接機 此嫁接機對接穗苗和砧木苗的植株高度與莖苗直徑均 值利用數(shù)學統(tǒng)計方式進行測量 之后為人工操作作業(yè) 生產(chǎn) 率是 1000 株 h 成功率是 95 劉凱等 2011 2012 年 為了取代人工切削接穗苗和砧木苗 以此來降低勞動強度 研發(fā)出2JX M系列氣力式蔬菜嫁接切削裝置 此設備能夠 針對茄果類和瓜科類蔬菜 瓜類生產(chǎn)率是1100株 h 茄 類生產(chǎn)率是640株 h 切削成功率都超過90 辜松等 2012 四 結(jié)論 目前為止國內(nèi)外所研發(fā)的蔬菜嫁接機大多為半自動化 式 雖然基本的機型均能夠成功完成自動取苗 切削 結(jié)合 夾持固定等作業(yè)過程 但依然由人工來負責供應接穗苗和砧 木苗 為了實現(xiàn)提升蔬菜嫁接機的嫁接成功率和成活率 進行增大接穗苗和砧木苗切削貼合面變成一種能夠成為現(xiàn) 實的手段 擴大接穗苗 砧木苗接合的切面面積可以使接 其維管束緊密接連 可以促進兩者間細胞的分裂 分化和 最終的愈合 本文對國內(nèi)外的蔬菜嫁接機以及機器視覺技術在農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中的應用進行了對比分析 得出了目前大多數(shù)的蔬菜嫁接 機為半自動式 大多為 插接法 半自動式蔬菜嫁接機 僅 有少數(shù)的嫁接機采取 貼接法 研發(fā) 大部分的嫁接機嫁接 生產(chǎn)率達到 600 株 和 90 的成功率 已基本成功實現(xiàn)了自 動取苗 切苗 結(jié)合 夾持固定等自動作業(yè) 但是所有嫁接 過程都基本需要配備工作人員進行接穗苗和砧木苗的上苗操 作 不僅勞動強度大 而且嫁接生產(chǎn)率低 生產(chǎn)成本較高 參考文獻 1 鄧向君 卓敏華 2010 嫁接技術方法及其運用 J 中國園藝文摘 7 157 158 2 辜松 江林斌 2007 國內(nèi)外蔬菜嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀 J 東北農(nóng)業(yè)大學學報 38 6 847 851 3 辜 松 李 愷 初 麒 楊 艷 麗 劉 凱 鐘 綠 祥 2012 2JX M系列蔬菜嫁接切削器作業(yè)試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 28 10 27 32 4 辜松 2005 蔬菜工廠化嫁接育苗系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)機化研究 27 6 52 54 5 辜松 2006 2JC 350型蔬菜插接式自動嫁接機的研 究 J 農(nóng)業(yè)工程學報 22 12 103 106 6 辜松 2012 蔬菜嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程 技術 溫室園藝 5 26 30 7 李興 2013 針接式蔬菜嫁接機的研究 D 浙江大 學碩士學位論文 8 劉凱 初麒 辜松 李元強 牟艷秋 楊艷麗 2011 茄科蔬菜自動嫁接機的研究現(xiàn)狀 J 農(nóng)機化研究 33 2 230 233 9 羅軍 高英武 何幸保 2010 自動嫁接機的研究現(xiàn) 狀與展望 J 湖南農(nóng)機 37 2 1 2 10 邢宇 李文嬈 劉生祥 李建設 2004 我國甜瓜嫁 接栽培技術研究進展 J 寧夏農(nóng)學院學報 25 1 81 84 11 楊麗 劉長青 張鐵中 2009 雙臂蔬菜嫁接機設計 與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學報 40 9 175 181 12 張鐵中 1996 蔬菜自動嫁接技術研究 嫁接裝 置的結(jié)構(gòu)設計與試驗 J 中國農(nóng)業(yè)大學學報 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 鈴木正肚 小林研 豬之奧康治 1995 科野 菜 用 接 木 裝 置 開 發(fā) 第 1 報 J 農(nóng)業(yè)機 械學會 誌 57 2 67 76 17 森川信也 西浦芳史 藤浦建史 等 2004 果菜類 用簡易接 木裝置 關 研究 第 1 報 割 接 用臺木切 斷 器 具 試 作 J 農(nóng)業(yè)機 械學會 誌 66 1 82 89 18 小林研 鈴木正肚 1996 葫蘆科蔬菜嫁接裝置的開 發(fā) J 農(nóng)業(yè)機械學會志 58 2 83 93 作者單位 遼寧省農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展中心 遼寧 沈陽 110034