蔬菜自動嫁接機(jī)的研究現(xiàn)狀及展望

任國強(qiáng)

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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蔬菜自動嫁接機(jī)的研究現(xiàn)狀及展望

任國強(qiáng)

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：蔬菜嫁接可防治土傳病害、增強(qiáng)幼苗長勢、增加產(chǎn)量及提高蔬菜對肥水的利用率，具有廣闊的發(fā)展空間。蔬菜自動嫁接機(jī)器是一種集機(jī)械、自動控制與視覺圖像處理于一體的自動化設(shè)備。為此，介紹了不同種類自動嫁接機(jī)的特點，綜述了蔬菜嫁接機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了存在的問題，并對蔬菜自動嫁接機(jī)今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：蔬菜自動嫁接；視覺；控制；展望

0引言

我國設(shè)施栽培面積自20世紀(jì)70年代起，一直長足穩(wěn)定增長。目前，蔬菜現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，表現(xiàn)為不斷擴(kuò)大的溫室蔬菜栽培面積；但溫室蔬菜連作栽培會使土壤環(huán)境惡化，加重蔬菜病蟲害，降低產(chǎn)量，造成品質(zhì)下降。目前，解決連作障礙的方法主要有輪作、土壤消毒和采用嫁接育苗技術(shù)。采用輪作技術(shù)可以防病，但需要周期要長，又因保護(hù)地栽培的作物種類有限，很難實現(xiàn)。因此，土傳病害的威脅已成為保護(hù)地蔬菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的一大障礙。選用抗土傳病害強(qiáng)的或高抗、免疫的野生種或同科異種作為砧木，與栽培品種進(jìn)行嫁接，可有效地減免土傳病害的發(fā)生，其防病效果尤為顯著。由于手工嫁接效率低、勞動強(qiáng)度大、苗成活率低，不可取；而自動機(jī)械化嫁接技術(shù)是一種集機(jī)械、視覺圖像處理、自動控制，以及園藝技術(shù)于一體的新的高產(chǎn)技術(shù)，可顯著提高嫁接速度。為此，綜述了蔬菜嫁接機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并就其發(fā)展進(jìn)行了展望。

1嫁接的特點

蔬菜的嫁接方法有很多種，國內(nèi)外目前主要采用的嫁接方法包括：貼接法、劈接法、靠接法、插接法、套管法、膠接法和Plug-In法等。

1) 貼接式嫁接。 貼接法嫁接速度快、成活率高、接口愈合好且接穗恢復(fù)生長快，適用于瓜菜類及茄果類等蔬菜。貼接法要求砧木盡量接近接穗的胚軸徑，以利于切口愈合，故嫁接與砧木和接穗的育種時機(jī)非常關(guān)鍵。

2) 靠接式嫁接。 靠接法是將接穗與砧木的胚軸接合處對應(yīng)切成舌形，把兩切口相互嵌入，用嫁接夾或捆扎固定；并在嫁接苗成活后切除接穗的根，避免接穗在切口處產(chǎn)生自生根。采用靠接法，其接口容易愈合，成苗長勢旺盛。由于接穗苗自己帶有根，方便管理，因此成活率高；但此法嫁接操作復(fù)雜、工效低，不適合于大面積的生產(chǎn)與應(yīng)用。

3) 插接式嫁接。 插接法是目前應(yīng)用最為普遍的嫁接方法，此方法適用于大部分蔬菜的嫁接栽培。與靠接法相比，插接法工序少，不需要嫁接夾，可以有效地降低土傳病害的侵害，加上精心的管理，其成活率非常高；但操作要求嚴(yán)格，不容易被掌握，且育苗的風(fēng)險高。

4) 劈接式嫁接。 劈接法是先將待接穗的幼莖切成楔形，再保留2~3片接穗幼苗上部的真葉，切除其下部的根莖部分，其斷面要削成楔形，采用嫁接夾或其他固定物固定接穗和砧木。劈接法的優(yōu)點：傷口愈合好，成活率高，且后生育良好；缺點：砧木維管束一側(cè)發(fā)育好，另一側(cè)發(fā)育較差，容易裂開，采用此法嫁接工效低。劈接式嫁接機(jī)主要適用于茄子、西紅柿等茄果類蔬菜。

2蔬菜嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1　國外自動嫁接機(jī)的研究現(xiàn)狀

目前，日本、韓國等一些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家蔬菜嫁接栽培技術(shù)已經(jīng)被普遍應(yīng)用。1986年，日本通過農(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)(生研機(jī)構(gòu))組織多家公司率先研制了嫁接機(jī)；隨后洋馬公司、瀧井公司、三菱公司等陸續(xù)推出了一些適合于西瓜、黃瓜和番茄等的嫁接機(jī)。

2.1.1貼接式嫁接機(jī)

1994年，日本井關(guān)公司與日本生研機(jī)構(gòu)合作推出了商品化GR800B型半自動瓜科嫁接機(jī)。該機(jī)采用的上苗形式為人工單株上苗，其砧木和接穗上苗方式均采用縫隙托架上苗，運動部件的動力采用氣動方式。采用此類方式的嫁接機(jī)嫁接成功率可達(dá)90%以上，嫁接生產(chǎn)能力為800株/h。為了降低大型嫁接機(jī)的制造成本，洋馬公司于2003年推出了T600型半自動瓜科嫁接機(jī)，如圖1所示。該機(jī)體積較小、操作方便，采用V型平接法，只由一個人操作即可，操作人員分別以并株形式將去土砧木和接穗送到嫁接機(jī)的托苗架上。該嫁接機(jī)能自動完成砧木和接穗的切削、對接和安裝固定套管等作業(yè)，生產(chǎn)率可達(dá)600株/h，嫁接成功率為98%。此外，日本煙草公司以熱縮管為接合材料研制出一種新的蔬菜嫁接機(jī)，此法特點：塑料管收縮壓榨嫁接苗使結(jié)合面處液汁增加，成活率高；加熱后可給莖表面消毒、殺菌。三菱公司據(jù)此開發(fā)出了MGM600型全自動嫁接機(jī)，采用專用透明套管作為夾接物，其成活后套管自動脫落。該機(jī)自動化水平高，體積比較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較高。

圖1　洋馬T600型蔬菜自動嫁接機(jī)

2.1.2靠接式嫁接機(jī)

韓國于 20世紀(jì)90年代初，開始研究嫁接機(jī)，韓國裕豐開發(fā)出了小型半自動式嫁接機(jī)，如圖2所示。其采用靠接法，生產(chǎn)率為310株/h，嫁接成功率為90%。該機(jī)具有外形尺寸小、質(zhì)量輕、價格低等優(yōu)點。在半自動化嫁接機(jī)基礎(chǔ)上，韓國Ideal System公司又研究開發(fā)出針式全自動嫁接機(jī)，如圖3所示。該全自動嫁接機(jī)采用陶瓷制5角行針，特點是嫁接部位不回轉(zhuǎn)、固定性能好，主要用于嫁接茄科類蔬菜，生產(chǎn)率為1 200株/h。

圖2　韓國靠接式蔬菜嫁接機(jī)

圖3　韓國針式蔬菜全自動嫁接機(jī)

2.1.3“Plug-in”式嫁接機(jī)

20世紀(jì)90年代末，日本大阪府立大學(xué)開發(fā)研究了“Plug-in”嫁接裝置，一面選用頻率為20~40kHz,長為10mm的錐形；另一方面用4500r/min的錐形鉆頭在砧木上鉆成錐形孔，然后將穗接到砧木上。此方法能保證砧木與穗木間良好結(jié)合，其結(jié)合力大，減少了固定的工序，適用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作業(yè)。

歐洲法國、荷蘭、意大利等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的一些國家，蔬菜的嫁接育苗相當(dāng)普遍，每年由大規(guī)模的工廠化育苗中心向用戶提供嫁接苗。最初，這些國家靠在日本購買嫁接機(jī)器人，直至2009年荷蘭ISO Group Machiiqebouw公司研制出了Graft100型茄果類蔬菜全自動嫁接機(jī)。該機(jī)秉承了荷蘭園藝設(shè)施自動化程度高及智能性高的特點，具有龐大的嫁接裝置及完善的輸送系統(tǒng)，生產(chǎn)率可達(dá)1 000株/h以上。該機(jī)采用平接法嫁接，嫁接成功率高。后期，銷售中考慮到成本問題，該公司開發(fā)了半自動嫁接機(jī)，且改進(jìn)安裝了視覺傳感器，使機(jī)械手在切削工程中可以有選擇地避開有桔梗的部分，保證了嫁接成功率。2010年意大利Tea公司推出了HYPERGRAFT500型茄果類蔬菜半自動嫁接機(jī)。西班牙CONIC SYSTEM設(shè)計了一種有一名操作者作業(yè)的茄果類蔬菜嫁接用切削器，采用貼接法對接穗和砧木進(jìn)行65°的切削，生產(chǎn)率為420~540株/h。

2.2　國內(nèi)自動嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國嫁接機(jī)的研究主要局限在高校和研究院所，相關(guān)產(chǎn)品也均處于樣機(jī)研發(fā)階段，缺乏實際應(yīng)用。

在國內(nèi)首次進(jìn)行蔬菜嫁接機(jī)械的研究的是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授。1998年，張鐵中教授開發(fā)出了2JSZ-600型蔬菜嫁接機(jī)，如圖4所示。該機(jī)采用貼接法，完成了砧木和穗木的取苗、切苗、接合、固定、排苗等多道工序；嫁接生產(chǎn)率為600株/h，成功率達(dá)95%。在此基礎(chǔ)上，張鐵中等人于2003年成功研制了營養(yǎng)缽苗自動嫁接機(jī)，利用劈接法嫁接作業(yè)方式，實現(xiàn)營養(yǎng)缽茄苗嫁接的自動化作業(yè)。該機(jī)操作簡單易行、可靠性強(qiáng)，嫁接生產(chǎn)率為400株/h，成功率達(dá)93%。2009年，張鐵中等人又成功研制了雙向高速蔬菜自動嫁接機(jī)。該機(jī)采用雙向嫁接機(jī)構(gòu)，機(jī)器取苗方便、減少搬送等空行時間，顯著提高了嫁接和單向供苗蔬菜自動嫁接的速度。

圖4　2JSZ-600型蔬菜嫁接機(jī)

2005年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)辜松研制的2JC-350型半自動嫁接機(jī)，如圖5所示；2009年，完成了2JC-500型旋轉(zhuǎn)嫁接機(jī)的研發(fā)工作。此系列機(jī)型均采用插接法，操作簡單、成活率高。辜松研發(fā)的全自動瓜科果蔬插接式嫁接機(jī)，實現(xiàn)了砧木于穗木同時成批嫁接，通過穴盤上苗，穴盤由輸送帶帶動，實現(xiàn)砧木、穗木切削、夾持、打孔、插接及上苗及嫁接苗的種植等嫁接過程的全自動作業(yè)。

圖5　2JC-350型蔬菜嫁接機(jī)

2008年，國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心(NERCITA)開發(fā)了TJ-800型茄果類蔬菜嫁接機(jī)，該機(jī)采用貼接法進(jìn)行嫁接作業(yè)，適用于瓜類和茄果類蔬菜，生產(chǎn)率為800株/h，嫁接成功率為95%，目前處于銷售階段。

近年來，又衍生出許多新的嫁接方法：一是流水線式多工位機(jī)械嫁接作業(yè)方法，主要針對半自動嫁接機(jī)，通過減少單工位作業(yè)步驟、增加作業(yè)工位的方法提高作業(yè)生產(chǎn)率；二是應(yīng)用于斜插式蔬菜嫁接機(jī)并通過凸形與凹形夾持片交叉夾緊、夾持機(jī)構(gòu)厚度和夾持力大小可調(diào)的砧木夾持機(jī)構(gòu)等，這些方法已在實驗臺上進(jìn)行了實驗，效果很好。

3存在的問題

1) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的制約。盡管全自動嫁接機(jī)具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省人工成本及自動化程度高等諸多優(yōu)勢，但鑒于我國農(nóng)民知識及技術(shù)水平較低、育苗機(jī)械化及經(jīng)濟(jì)水平不高等現(xiàn)狀，全自動嫁接機(jī)推廣應(yīng)用存在較大的難度。因此，應(yīng)大力開發(fā)價格低廉、操作簡單、可靠性好的小型半自動嫁接機(jī)，以適應(yīng)我國當(dāng)前蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的要求。

2) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的制約。目前，我國蔬菜生產(chǎn)仍以農(nóng)民個體為主，規(guī)模較小，且種植種類繁雜，缺少規(guī)范化引導(dǎo)。而目前的蔬菜嫁接育苗模式眾多，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式。現(xiàn)存的各種模式，其育苗用基質(zhì)、育苗載體(缽式盤)、種植方式，以及催芽育秧、嫁接苗愈合等設(shè)施也各有不相同，導(dǎo)致嫁接機(jī)的適應(yīng)性較差。為滿足不同模式的要求，需要提高嫁接機(jī)的適應(yīng)性，從而使得其自動化程度不斷提高，導(dǎo)致成本激增，無法進(jìn)行大范圍推廣。

3) 自動控制算法及機(jī)器視覺技術(shù)的選用須進(jìn)行更深入的研究。實質(zhì)上，全自動蔬菜嫁接機(jī)就是農(nóng)業(yè)機(jī)器人，是一門正在不斷發(fā)展的技術(shù)，其各種細(xì)節(jié)也在不斷完善中。因此，全自動嫁接機(jī)在控制算法的選擇及機(jī)器視覺技術(shù)的采用上尚需進(jìn)一步研究及實驗。

4展望

1)在農(nóng)業(yè)全面實現(xiàn)現(xiàn)代化的強(qiáng)大需求下，迫切需提高農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的知識水平及技術(shù)素質(zhì)。為此，可通過如下途徑：一是由產(chǎn)品生產(chǎn)者進(jìn)行產(chǎn)品使用前的技術(shù)培訓(xùn)。不僅要講解其使用方法、注意事項，還要對其原理及構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的講解，以便使農(nóng)民可進(jìn)行簡單的維修及部件更換等。二是利用冬閑季節(jié)，調(diào)集各類農(nóng)機(jī)校、農(nóng)業(yè)推廣部門舉辦短期培訓(xùn)班，切實提高農(nóng)民的技術(shù)水平。三是依托農(nóng)機(jī)合作社，并動員大專院校畢業(yè)生去從事，從實質(zhì)上改善農(nóng)業(yè)基層人員的知識水平。

2)針對全國各地蔬菜生產(chǎn)體系缺乏標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)分散及模式不統(tǒng)一等問題，建議：①盡快制定蔬菜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一育苗基質(zhì)、鉢盤，播種方法，以及催芽、育秧、嫁接苗愈合等設(shè)施，以降低嫁接機(jī)的成本。②擴(kuò)大專業(yè)化嫁接苗生產(chǎn)基地，加快蔬菜生產(chǎn)工廠化進(jìn)程。

5結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的人工嫁接，采用自動嫁接機(jī)具有一系列優(yōu)勢(上文有所闡述)，在蔬菜嫁接苗需求量激增和農(nóng)業(yè)勞動力老齡化的雙重壓力下，為達(dá)到機(jī)械自動嫁接嫁接效率與速率雙指標(biāo)新高度、實現(xiàn)育苗流水線操作及基于設(shè)施農(nóng)業(yè)的植物工廠化管理，蔬菜自動嫁接機(jī)的推廣已成當(dāng)務(wù)之急。

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Research of Vegetables Automatic Graftin Machine

Ren Guoqiang

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

Abstract：Vegetable grafting can be the prevention and control of soil borne diseases, enhanced seedling growth, increase the yield, improve the utilization of fertilizer of vegetables, with broad space for development. Vegetable automatic grafting machine is a kind of automatic equipment which integrates machine, automatic control and visual image processing. This paper introduces the characteristics of different kinds of automatic grafting machine, summarizes the domestic and foreign research status of vegetable grafting machine, analyzes the existing problems, and prospects the future development trend of vegetable auto grafting machine.

Key words：automatic vegetable grafting; vision; control;prospect

中圖分類號：S233.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0260-04

作者簡介：任國強(qiáng)(1996-)，男，哈爾濱人，本科生，(E-mail)786136386@qq.com。

基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(2015-2016)

收稿日期：2015-11-11