西瓜嫁接育苗與機械嫁接技術研究進展

丁明，黃丹楓

（上海交通大學農業與生物學院，200240）

專家論壇

西瓜嫁接育苗與機械嫁接技術研究進展

丁明，黃丹楓

（上海交通大學農業與生物學院，200240）

西瓜是我國園藝生產中的重要經濟作物，為了克服連作而引起的枯萎病、根結線蟲病和土壤鹽漬化等問題，嫁接技術被廣泛的應用于西瓜生產。人工嫁接勞動強度大，嫁接和管理用工量大、技術要求高，是嫁接西瓜苗推廣應用的主要限制因素。在回顧西瓜嫁接育苗技術發展的基礎上，闡述了機械嫁接機及其配套的斷根嫁接、大接穗嫁接、苗床四段式管理等關鍵技術在西瓜工廠化育苗中的應用。

西瓜；工廠化育苗；機械嫁接；嫁接機；斷根嫁接

1 蔬菜嫁接及應用

植物嫁接是一門古老的農業技術，對農業的發展起著巨大的推動作用。嫁接歷史悠久，目前多數農業史學家認為我國是最早記載嫁接技術的國家，距今近3 000 a的《尚書·禹貢篇》中就描述了柑橘類果樹的嫁接，到了公元前1世紀西漢時期，農學家汜勝之所著《汜勝之書》中提到了用嫁接生產瓠瓜的農作方式[1]。在古希臘，被譽為植物學之父的亞里士多德（Aristotle，384-322 B.C.）曾提及“相似的樹木可以相互嫁接”，亞里士多德的學生狄奧弗拉斯塔斯（Theophrastus，371-286 B.C.）在《植物的歷史 和 植 物 本 原 》 （De Historia et De Causis Plantarum）一書中專門討論了“木本植物的嫁接繁殖”，到了公元1世紀，羅馬學者加伊烏斯·普林尼·塞坤杜斯 （Gaius Phinius Secundus，A.D.23-79）詳細描述了劈接的過程[2]（圖1）。據考證，日本的嫁接技術是隨著佛教由我國傳去的，在《古今著聞集》中有嫁接櫻花（A.D.837）的記載，由此推測日本大約在1 100 a前已開始利用嫁接技術[3]。隨著生產的發展、科學技術的進步，嫁接技術已應用到多種作物上，嫁接的方式也越來越多，現在已成為園藝生產中必不可少的一項技術。

現代的蔬菜嫁接的應用始于20世紀20年代的日本及朝鮮地區，最初主要是利用葫蘆作為砧木解決西瓜保護地生產的連作障礙問題，后來逐漸擴展到甜瓜、茄子、黃瓜、番茄等果菜，50年代以后嫁接技術得到了大規模的推廣和應用。我國于20世紀70年代開始應用嫁接西瓜解決溫室連作問題[4]。到20世紀80年代，嫁接生產的方式已遍及日本、韓國和中國等東亞國家，西方國家也開始逐步應用，并對植物嫁接展開了系統的生物學研究。目前，日本和韓國的葫蘆科嫁接栽培面積已達到總面積的90%以上，在美國約有70%的番茄采用嫁接苗生產[7]（圖2）。在現代的生物學研究中，嫁接也被作為一個“植物-植物互作”的特殊共生現象，廣泛用于細胞識別機制、物質運輸、信息傳遞、病毒侵染和開花機理等重大理論問題的研究[8~10]。

圖1 植物嫁接的歷史和發展[1~6]

2 西瓜嫁接育苗

2.1 我國西瓜生產現狀

西瓜 [Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum.and Nakai]原產非洲南部沙漠地區，5 000多a前古埃及人就開始引種用于生產。多數農史學家認為西瓜于16-17世紀經絲綢之路傳入我國后，逐漸在世界范圍內廣泛傳播[12]，現在西瓜已成為我國園藝生產的重要經濟作物。FAOSTAT[9]統計數據表明，2009年我國西瓜種植面積已達220萬hm2，占世界總面積的58.1%，總產量6 820萬t，占世界總產量的67.7%（圖3）。我國西瓜生產主要有兩大產區[13]，一是包括冀、魯、豫、晉、陜、京津在內的華北平原和西北高原地區，該區西瓜產量約占全國產量的45%；二是包括蘇、浙、皖、贛、鄂、湘、滬在內的長江中下游地區，該區產量約占全國產量的30%（圖4）。

近幾年由于我國西瓜栽培面積不斷擴大，西瓜輪作周期不斷縮短，導致西瓜枯萎病（Fusarium orysporum）、根結線蟲（Meloidogyne incognita）和土壤鹽漬化等脅迫和根系病蟲害大面積發生，特別是長江中下游產區。由于長江中下游地區農業耕地緊張，老瓜區和保護地重茬栽培十分嚴重，已嚴重影響西瓜產業發展[14]。這些根系病害及脅迫問題，目前仍缺少理想的農藥或高抗性品種來防治，因此，嫁接是目前最有效的防治措施[15，16]。

2.2 西瓜嫁接技術

圖3 我國及世界各洲西瓜栽培面積及產量[9]

圖2 2010年部分國家和地區嫁接應用狀況（嫁接應用率以深色表示）[7,11]

圖4 我國西瓜栽培分布

西瓜嫁接的方法主要有靠接法、插接法、單葉切接等，我國手工嫁接以劈接和插接為主。嫁接西瓜的砧木都是葫蘆科作物，主要有葫蘆 （Lagenaria siceraria）、南瓜 （Cucurbita moschata；C.maxima×C. moschata）、西葫蘆（Cucurbita pepo）、冬瓜 （Benincasahispida）、多刺黃瓜 （Sicyos angulatus）和野生西瓜（Citrullus lanatusvar.citroides）等[4，16，18]。根據西瓜和砧木品種及季節溫度的差異，通常西瓜接穗比砧木晚播3~10 d，西瓜播種5~15 d后進行嫁接，嫁接結合處以嫁接夾固定 （圖5），然后將嫁接苗移入拱棚內，并覆蓋薄膜和遮陽網以保持黑暗環境，棚內溫度（26~28）℃/（24~25）℃ （晝/夜），空氣相對濕度>90%。4~5 d后開始短時間通風換氣及適時光照，以后逐漸增加通風量、通風時間及延長光照時間，嫁接6~9 d后，嫁接成活，即可轉為正常苗床環境管理（圖6）。

3 機械嫁接

嫁接所需的勞動力和復雜的嫁接苗維護技術是西瓜嫁接育苗擴大利用的主要限制因素。一個熟練的工人每1 h僅能嫁接100株，嫁接愈傷成活需6~ 9 d，在這個過程中溫度、光照及濕度管理要求嚴格，這給勞動力價格高的發達國家與生產者素質相對較低及栽掊設施簡陋的發展中國家利用嫁接技術帶來了一定的難度[19，20]。因此20世紀80年代日本首先開始了自動嫁接機的研制，發展至今，很多國家都開發出了不同應用范圍、采用不同嫁接方法的嫁接設備，提高了嫁接效率。采用自動嫁接機進行嫁接，由于砧木和接穗接合迅速，避免了切口長時間氧化和植株傷流液的損失，從而也提高了嫁接成活率，因此，嫁接機的應用被稱為現代工廠化育苗的一場革命[20，21]。

3.1 機械嫁接機

20世紀80年代，以日本農機研究所 （Iam Brain）牽頭聯合數家農機制造商開始蔬菜嫁接機的研發[7]，并于1987年推出了第一臺樣機（G871）。在此帶動下，日本一些實力雄厚的廠家如井關（Iseki）、洋馬（Yanmar）、三菱（Mitsubishi）等也競相研究開發嫁接機，井關于1994年推出了商品化嫁接機（GR800B）。日本研制開發的嫁接機具有較高的自動化水平，但設備體積大、結構復雜、價格昂貴[21]。隨后，韓國也開始了對自動化嫁接技術的研究，并開發出一系列有特點的產品，如用于茄科作物的嫁接機Ideal system[21]（圖7D），采用針接法使嫁接速度達到了1 200株/h。在西方農業發達國家，如意大利、法國、荷蘭和美國等，嫁接雖然也逐步應用于蔬菜生產，但這些國家尚無自己的嫁接機和相配套的生產技術，僅有少數國家引進日本的嫁接機用于蔬菜生產。

在我國，中國農業大學張鐵中率先在國內開展嫁接機的研究[20]，攻克了砧木、接穗供給，砧木搬運、切削、接穗切削和嫁接夾供給等環節的設計問題[21]，于1998年研制出2JSZ-600型自動嫁接機（圖7F），該嫁接機采用單葉切接法，實現了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夾固定、排苗等一系列自動化作業。隨后東北農業大學（圖7G）、華南農業大學（圖7H）和上海交通大學等高校和科研單位也推出了各自的嫁接機。目前，一些主要嫁接機的性能指標見表1。

圖5嫁接夾及其應用[17]

圖6 西瓜嫁接苗生產管理時間表

圖7 日本、韓國和我國的嫁接機

與手工嫁接略有不同，機械嫁接根據嫁接機的設計原理和嫁接對象的特點主要有靠接法、插接法、貼接法（單葉切接法）、劈接法等[22]。機械嫁接后嫁接體的固定夾持物因嫁接方法的不同也有所差異。靠接法、貼接法、劈接法以嫁接夾固定植株；套管法是以專用塑料套管來支撐嫁接苗；針接法是用嫁接針將接穗和砧木連接起來，以便愈合；而平接法是噴涂一種生物膠使砧木和接穗粘接在一起，其優點是嫁接苗成活后無需去除嫁接夾或套管，作業速度快，但粘接劑成本高。此外，插接法因砧木和接穗結合緊密，生產上有時可不使用其他物體來固定植株。

雖然嫁接機的設計原理和嫁接對象不同，但嫁接的步驟一般如圖8所示。首先將砧木和接穗放置于嫁接機的機械臂上 （半自動嫁接機需要人工取苗后放置于機械臂，全自動嫁接機的機械臂自動從穴盤中取苗）（圖8A），嫁接機的切削機構按照嫁接方法的需要分別切斷砧木和接穗（圖8B），機械臂將切斷的砧木和接穗接合在一起（圖8C），最后以嫁接夾或其他夾持物固定嫁接部位（圖8D），嫁接即完成，整個過程僅需3~5 s。

3.2 西瓜機械嫁接育苗技術

嫁接機大幅提高了西瓜嫁接和育苗的效率，但是特殊的生產模式也帶來了新的栽培管理問題。科技工作者在生產實踐中針對機械嫁接的嫁接技術要求，從西瓜抗性砧木品種篩選、斷根嫁接、接穗嫁接、嫁接苗管理等方面著手研究，篩選出抗病性強、機械嫁接適用型砧木品種，創建了斷根嫁接、大接穗嫁接、機械嫁接育苗環境四段式管理等西瓜機械嫁接育苗方法，并加以信息化管理，推進了西瓜機械嫁接技術的發展。

為了便于嫁接機操作，西瓜機械嫁接常使用斷根嫁接，也就是將砧木沿基質表面去掉原有根系，并按要求將砧木莖切削，然后與接穗進行嫁接。斷根嫁接則是去除砧木原有的根系，在嫁接苗愈合期間，砧木莖段基部重新產生新根。斷根嫁接的砧木產生的根系無主根，增強了須根的活力，定植后緩苗快，吸肥能力與抗旱性明顯強于傳統嫁接苗；而且，斷根嫁接可提高嫁接苗的整齊度和商品性，有利于西瓜嫁接苗的工廠化生產和管理[24]。

綜合分析機械嫁接操作的要求、嫁接苗的健壯度以及嫁接成活率，當西瓜接穗苗從第1片真葉顯露到1葉1心，即苗齡10~13 d時為機械嫁接的最適時期[25]。接穗過于幼嫩不利于嫁接機操作，且嫁接后莖稈柔弱，子葉不夠健壯，接穗也容易徒長；而當接穗生長到1葉1心后進行嫁接，嫁接成活率顯著下降。相比手工嫁接（接穗5~7 d苗齡）的西瓜種苗生產，這種“接穗嫁接技術”更適合西瓜機械嫁接苗生產[26]。

表1 嫁接機性能比較[22]

圖8 機械嫁接方法和步驟（以GR-800CS為例）[23]

針對斷根嫁接育苗的特點，生產上推薦應用苗床四段式環境管理[27]。具體管理：前5 d為第一階段，白天 28℃，夜間 25℃，濕度 95%以上，光照強度5 000 lx。嫁接穴盤苗置于珍珠巖上，電加溫苗床上加小拱棚，第一層覆蓋無紡布（吸濕），第二層加蓋農膜保溫保濕，薄膜外加蓋一層遮陽網。隨后6~8 d為第二階段，白天25℃，夜間22℃，濕度85%以上，光照強度8 000 lx，此階段遮陽網早晚揭除，中午覆蓋，早晚棚內濕度較高時可揭開農膜適當通底風，中午前后需覆蓋遮陽網遮蔭。第9~11天為第三階段，白天25℃，夜間18~20℃，濕度85%以上，光照強度8 000~ 10 000 lx，此階段遮陽網僅在中午光照強烈時覆蓋，其他時間揭開，早晚棚內濕度較高時可揭開農膜適當通底風，通風口與通風時間比第二階段增大和延長。第11天后為第四階段，白天20~25℃，夜晚16~ 18℃，光照10 000 lx以上，可逐步完全揭去覆蓋物，按常規苗管理。

復雜的育苗管理一直是嫁接在生產中推廣應用較慢的主要因子，特別是大規模的工廠化育苗生產，有必要采用信息技術來實現育苗標準化，以提高種苗質量、減少管理成本。在總結專家知識和生產者經驗的基礎上，綜合應用 ERP（Enterprise Recourse Planning）管理理論[27]，對嫁接西瓜嫁接育苗過程的QACCP（Quality Analysis and Critical Control Point）進行分析[28]，為生產決策提供可靠的量化數據，便于企業制定合理的生產計劃和管理方法。

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Research Progress of Grafting Technology and Automation for Watermelon Seedling Nursery

DING Ming,HUANG Danfeng
(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong University,200240)

Watermelon[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.and Nakai]is an important horticultural crop in China.In order to resist the Fusarium wilt,root-knot nematode and soil salinization caused by succession cropping,the grafting technology is universally used in watermelon seedling nursery.However,the intensive labor and complicated management are the limiting factors for the extension of watermelon grafting technology.On reviewing the development of graftingtechnology for watermelon,this paper summarizes the application of grafting technology in watermelon industrial seedling nursery, including the grafting robot and the matched nursery technology,such as root-cutting graft,older age scion graft and fourstage management of the grafted seedlings.

Watermelon[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.and Nakai];Industrial seedling nursery;Mechanical grafting; Grafting robot;Root-cutting graft

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.06.001

國家“863”計劃課題“設施農業數字化管理與精準化作業技術研究”（2012AA101303），上海市農委項目“上海市綠葉蔬菜產業技術體系建設”（育苗與機械化組），上海市科委科技攻關項目“新型育苗苗床體系及配套育苗技術研究”（11dz1960200）

丁明（1979-），男，博士，主要從事工廠化育苗、園藝作物生理生態等方面的研究，E-mail：dingmingsjtu@163.com

黃丹楓，女，通信作者，教授，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2012-02-29