農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜嫁接機(jī)技術(shù)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(jì) 2022 9 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜嫁接機(jī)技術(shù)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(dòng)強(qiáng)度大 生產(chǎn)效率低 由于個(gè)人的 主觀性和擁有不同的技術(shù)熟練度 將影響到嫁接的質(zhì)量和效率 進(jìn)而會(huì)影響嫁接成活率 隨著嫁接技術(shù)的廣泛應(yīng)用 嫁接機(jī) 器人的研究也在不斷發(fā)展 目前 半自動(dòng)化蔬菜嫁接機(jī)器人的研究已部分商業(yè)化 但是無法成功實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全部自動(dòng)化 進(jìn)而不利于全自動(dòng)嫁接機(jī)器人的研制與開發(fā) 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 嫁接機(jī) 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(dǎo)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(guān)鍵難點(diǎn) 截至現(xiàn)在一般應(yīng)用土 壤化學(xué)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(duì)于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的推進(jìn)和對(duì)于環(huán)境保護(hù)的提 升 于田地里施用一些化學(xué)合成物減少土壤病害的傳播和一 些致病微生物的化學(xué)處理手段 雖然能夠解決連作障礙但是 對(duì)土壤環(huán)境造成污染 所以國家頒布一些規(guī)定對(duì)這些手段進(jìn) 行了限制 邢宇等 2004 截至現(xiàn)在 應(yīng)用嫁接技術(shù)是一種能夠解決連作障礙和病 蟲害防治難題的關(guān)鍵手段 人工嫁接技術(shù)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(zhǎng)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(zhǎng)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(tái)木 嫁接后成活生長(zhǎng)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(shù)相比 應(yīng)用嫁接技術(shù)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(dòng)中有著廣泛地應(yīng)用 Jung Myung Lee 等 2010 嫁接方法所要求的技術(shù)性非常強(qiáng) 嫁接工作時(shí)要求操 作技術(shù)非常精準(zhǔn) 因?yàn)槔萌斯な艿焦ぷ骷寄芎褪炀毝鹊囊?素 可以對(duì)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(dòng)強(qiáng)度大 成 活率低等問題 不利于嫁接技術(shù)的應(yīng)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(dòng)的需要推出了一種 嫁接機(jī)器人技術(shù) 利用此技術(shù)能夠把園藝生產(chǎn) 機(jī)械作 業(yè)手段 自動(dòng)化控制綜合應(yīng)用于一體 采取此技術(shù)能夠在較 短的工作時(shí)間內(nèi) 利用機(jī)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(jī)械作業(yè)結(jié)合快速 莖稈內(nèi)營養(yǎng)成分流失少 短時(shí)間 切口不易氧化 進(jìn)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(jī)器人技術(shù)來取代傳統(tǒng)的手工嫁接 作業(yè)具有重要的實(shí)際意義 它不僅可以提升嫁接生產(chǎn)率 降 低作業(yè)的強(qiáng)度和難度 提升幼苗的成活率 并且利于嫁接技 術(shù)的推廣 提高嫁接技術(shù)的機(jī)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(jī) 器人的研究 截至目前日本的蔬菜嫁接機(jī)器人技術(shù)已在世界 處于領(lǐng)先水平 日本的井關(guān) 洋馬 三菱等公司是以茄科蔬 菜為主要的嫁接對(duì)象 采用貼接 平接嫁接方法研發(fā)了一系 列半自動(dòng)化蔬菜嫁接機(jī)器人 1986至1991年 農(nóng)林水產(chǎn)省 生物系特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究推進(jìn)機(jī)構(gòu)組織當(dāng)?shù)囟嗉移髽I(yè)共同參 與并研發(fā)出 1 2 3 號(hào)三代試驗(yàn)樣機(jī) 此三代樣機(jī)都是采取 貼接嫁接方法并且只能應(yīng)用于瓜科蔬菜 于1987年研發(fā)出 1 號(hào)樣機(jī)半自動(dòng)式 G871 此樣機(jī)除了接穗和砧木需要人工供 應(yīng)外 其他操作均由機(jī)械完成 其成功率為78 85 在1 號(hào)樣機(jī)研制的基礎(chǔ)上 在1989年研發(fā)了2號(hào)樣機(jī)G892 此 樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)3s種之內(nèi)成功完成一株嫁接苗工作 成功率 能夠達(dá)到 90 98 于 1991 年再次研發(fā) 3 號(hào)樣機(jī) G913 此 樣機(jī)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(shí)由輸送皮帶移動(dòng)8 6穴的專用穴盤來自動(dòng)上苗 在專 用穴盤中已放置好接穗和砧木 該試驗(yàn)樣機(jī)的嫁接成功率可 達(dá) 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(jì) 2022 9 的蔬菜嫁接機(jī)器人 其中有井關(guān)農(nóng)機(jī)公司于1994年研制的 半自動(dòng)式蔬菜嫁接機(jī)器人 分別為應(yīng)用瓜類蔬菜的GR800B 型和應(yīng)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(jìn)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(yīng)用縫隙托架上苗的方式 利用氣動(dòng)的 動(dòng)力支持作為運(yùn)動(dòng)部件 嫁接的生產(chǎn)能力為800株 h 嫁 接成功率可達(dá)到95 鈴木正肚等 1995 洋馬農(nóng)機(jī)公司 協(xié)同生研機(jī)構(gòu)于1994年研制了AG1000型全自動(dòng)蔬菜嫁接 機(jī) 此機(jī)利用貼接嫁接方式 應(yīng)用于茄科蔬菜的嫁接工作 利用穴盤為單位運(yùn)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(dá) 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(jī)器人的成本造價(jià) 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(dòng)式瓜科蔬菜嫁接機(jī) 此嫁接機(jī)采取V型平接方式 只需1人進(jìn)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(yùn)送到托苗架 上 嫁接機(jī)可以自動(dòng)完成接穗苗和砧木苗的切削 對(duì)接及上 固定套管等工作 此嫁接機(jī)的嫁接生產(chǎn)率為600 株 h 成 功率可以達(dá)到 98 小林研與鈴木正肚 1996 1990 年 日本TGR研究所為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模育苗生產(chǎn)模式進(jìn)行研發(fā)全 自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī) TGR研究所在1993年研發(fā)出應(yīng)用于茄科 蔬菜的KGM0128整列式全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī) 該蔬菜嫁接機(jī) 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(dá)97 劉 凱等 2011 在1995年 應(yīng)用于瓜科蔬菜的蔬菜嫁接機(jī) 成功研發(fā) 目前由小松公司進(jìn)行銷售 此嫁接機(jī)以穴盤為單 位運(yùn)送接穗苗和砧木苗 作業(yè)時(shí)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(duì)接 然后采取在對(duì) 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(jī)器人 自動(dòng)化的程度較高 性能較好 但是價(jià)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(jì)90年代起就著手致力于蔬 菜嫁接機(jī)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(dòng)蔬菜嫁接機(jī)以及一些小型半自動(dòng)蔬菜 嫁接機(jī) 韓國所開發(fā)的蔬菜嫁接機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 僅3000元人民幣左右 小型半自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)操作方便 價(jià)格低廉 采取靠接法嫁接 嫁接生產(chǎn)率最高可達(dá)310株 h 成功率可以達(dá)到90 此嫁接機(jī)在韓國 日本和我國都 有一定的銷量 但是該蔬菜嫁接機(jī)的作業(yè)程序較為復(fù)雜 嫁 接后期還需進(jìn)行處理斷根 所以只應(yīng)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(dòng)蔬菜嫁接機(jī) 的基礎(chǔ)上著手致力于應(yīng)用茄科蔬菜針式全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)的 研究工作 此嫁接機(jī)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(yīng)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(yīng)用50孔穴盤培育幼苗 采用穴盤的形式直 接整盤上苗 一個(gè)嫁接作業(yè)過程能夠同時(shí)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(duì)茄果類蔬菜研 發(fā)利用 平接法 嫁接的ISO Graft1000全自動(dòng)化蔬菜嫁 接機(jī) 此機(jī)包括完整獨(dú)立的運(yùn)送裝置 嫁接設(shè)備中還包含機(jī) 器視覺系統(tǒng) 整個(gè)設(shè)備較為龐大 操作工作時(shí)通過專用的輸 送機(jī)構(gòu)將帶有土坨的接穗苗和砧木苗從運(yùn)送裝置中的穴盤取 出 運(yùn)送入嫁接工作設(shè)備中 使用機(jī)器視覺系統(tǒng)將接穗苗和 砧木苗依據(jù)形態(tài)和長(zhǎng)勢(shì)等特征信息來將切削位置進(jìn)行調(diào)整 之后操作專用橡膠夾進(jìn)行夾持固定操作 最后將成功嫁接操 作的幼苗運(yùn)送 此機(jī)含有較高程度的智能性和自動(dòng)化 Kubota C 2008 三 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在1993年開展了自動(dòng)化蔬菜嫁接技術(shù)的研究 由 張鐵中教授在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)率先進(jìn)行研究 臺(tái)灣宜蘭技術(shù)學(xué) 院生物機(jī)電工程學(xué)系邱奕志教授等協(xié)同合作針對(duì)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(jī) 此嫁接機(jī)工作時(shí)只需配置 1 名工人進(jìn)行操作 嫁接生產(chǎn)效率 為 360 株 h 以及嫁接成功率可達(dá) 98 以上 Y C Chiu et al 2010 Chen S et al 2010 張鐵中教授和科研團(tuán)隊(duì)的人員于1996年成功研制直插 式蔬菜機(jī)械嫁接設(shè)備 當(dāng)時(shí)的嫁接成功率僅有 60 左右 但 可以完成接穗和砧木的自動(dòng)運(yùn)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(yīng)用于葫蘆科秧 苗利用 貼接法 進(jìn)行嫁接的2JSZ 600型蔬菜半自動(dòng)嫁接機(jī) 此嫁接機(jī)以帶土坨的砧木苗直接進(jìn)行嫁接工作 成功完成自 動(dòng)取苗 切苗 接合 夾持固定 排苗等全套工作進(jìn)程 售 價(jià)大約在3萬元左右 生產(chǎn)率是600株 h 成功率高達(dá)95 辜 松 2012 在2003年研發(fā)了應(yīng)用于瓜科蔬菜的營養(yǎng)缽體 苗自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī) 此嫁接機(jī)嫁接效率為360 480株 h 嫁接成功率為 93 實(shí)現(xiàn)了在營養(yǎng)缽中直接進(jìn)行嫁接作業(yè) 而且采取了機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別砧木苗的生長(zhǎng)點(diǎn)高度 以及子葉的展開方向 以便于自動(dòng)調(diào)整最佳的切削位置 提 高了蔬菜嫁接機(jī)器人的自動(dòng)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(jī) 此嫁接機(jī)采用雙向 嫁接機(jī)構(gòu) 節(jié)約取苗 切苗 貼合的操作時(shí)間 速率已經(jīng)處 28 農(nóng)業(yè)發(fā)展 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì) 2022 9 于國際同類機(jī)型的領(lǐng)先水平 楊麗等 2009 辜松教授率領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一系列的蔬菜嫁接機(jī) 在 2005年于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用于瓜科蔬菜研發(fā)出利用 插接 法 的2JC 350型半自動(dòng)化插接式蔬菜嫁接設(shè)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(jī)大都是采取貼接法 靠接法進(jìn)行嫁接工 作 對(duì)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(jī) 在此背景下 為了適應(yīng)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(shù)研究中 心環(huán)境控制部門聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)氣力旋轉(zhuǎn)自動(dòng)蔬菜嫁 接機(jī) 2009 年以茄科蔬菜為研究對(duì)象 辜松教授率領(lǐng)其科研 團(tuán)隊(duì)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出了劈接式2JP 1000A型蔬菜嫁 接機(jī) 此嫁接機(jī)對(duì)接穗苗和砧木苗的植株高度與莖苗直徑均 值利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行測(cè)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(dòng)強(qiáng)度 研發(fā)出2JX M系列氣力式蔬菜嫁接切削裝置 此設(shè)備能夠 針對(duì)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(jī)大多為半自動(dòng)化 式 雖然基本的機(jī)型均能夠成功完成自動(dòng)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(fù)責(zé)供應(yīng)接穗苗和砧 木苗 為了實(shí)現(xiàn)提升蔬菜嫁接機(jī)的嫁接成功率和成活率 進(jìn)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(shí)的手段 擴(kuò)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(jìn)兩者間細(xì)胞的分裂 分化和 最終的愈合 本文對(duì)國內(nèi)外的蔬菜嫁接機(jī)以及機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析 得出了目前大多數(shù)的蔬菜嫁接 機(jī)為半自動(dòng)式 大多為 插接法 半自動(dòng)式蔬菜嫁接機(jī) 僅 有少數(shù)的嫁接機(jī)采取 貼接法 研發(fā) 大部分的嫁接機(jī)嫁接 生產(chǎn)率達(dá)到 600 株 和 90 的成功率 已基本成功實(shí)現(xiàn)了自 動(dòng)取苗 切苗 結(jié)合 夾持固定等自動(dòng)作業(yè) 但是所有嫁接 過程都基本需要配備工作人員進(jìn)行接穗苗和砧木苗的上苗操 作 不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大 而且嫁接生產(chǎn)率低 生產(chǎn)成本較高 參考文獻(xiàn) 1 鄧向君 卓敏華 2010 嫁接技術(shù)方法及其運(yùn)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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 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(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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(jī)化研究 27 6 52 54 5 辜松 2006 2JC 350型蔬菜插接式自動(dòng)嫁接機(jī)的研 究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 22 12 103 106 6 辜松 2012 蔬菜嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程 技術(shù) 溫室園藝 5 26 30 7 李興 2013 針接式蔬菜嫁接機(jī)的研究 D 浙江大 學(xué)碩士學(xué)位論文 8 劉凱 初麒 辜松 李元強(qiáng) 牟艷秋 楊艷麗 2011 茄科蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)的研究現(xiàn)狀 J 農(nóng)機(jī)化研究 33 2 230 233 9 羅軍 高英武 何幸保 2010 自動(dòng)嫁接機(jī)的研究現(xiàn) 狀與展望 J 湖南農(nóng)機(jī) 37 2 1 2 10 邢宇 李文嬈 劉生祥 李建設(shè) 2004 我國甜瓜嫁 接栽培技術(shù)研究進(jìn)展 J 寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào) 25 1 81 84 11 楊麗 劉長(zhǎng)青 張鐵中 2009 雙臂蔬菜嫁接機(jī)設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 40 9 175 181 12 張鐵中 1996 蔬菜自動(dòng)嫁接技術(shù)研究 嫁接裝 置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 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(bào) J 農(nóng)業(yè)機(jī) 械學(xué)會(huì) 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(jiǎn)易接 木裝置 關(guān) 研究 第 1 報(bào) 割 接 用臺(tái)木切 斷 器 具 試 作 J 農(nóng)業(yè)機(jī) 械學(xué)會(huì) 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(jī)械學(xué)會(huì)志 58 2 83 93 作者單位 遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中心 遼寧 沈陽 110034