西瓜甜瓜生產關鍵環節機械化現狀、存在問題及發展建議

王果 劉德江 陳曉 張曉 龔艷

摘? ? 要： 我國西瓜甜瓜生產機械化起步晚、機械化程度低，生產效率低下，“機器換人”已成為西瓜甜瓜生產節本、提質、增效的必然需求。分析比較了國內外西瓜甜瓜生產中移栽、播種、施肥及病蟲害防治等環節的機械化裝備發展現狀，指出目前國內西瓜甜瓜生產機械化存在的不足與短板，建議從改進規模化種植，強化產、學、研合作，加強農機農藝融合等方面提升我國西瓜甜瓜生產機械化水平，為西瓜甜瓜生產機械裝備研發和應用提供參考。

關鍵詞： 西瓜; 甜瓜; 機械化生產; 現狀; 問題; 建議

中圖分類號： S233.75+S651+S652 文獻標志碼： B 文章編號： 1673-2871（2021）12-118-07

Abstract： Due to the late beginning， low-level and poor efficiency of the mechanization of watermelon and melon production in China. “machine instead of manpower” has become an inevitable demand for cost saving， quality improvement， and efficiency increase in watermelon and melon production. In this paper， the development status of mechanization between domestic and abroad was analyzed and compared during the period of transplanting， sowing， fertilizing and pesticide application of watermelon and melon production. The shortage and disadvantage of mechanization in watermelon and melon production in China was indicated. Then， the advices of improving planting scale， strengthening Industry-University-Research Cooperation， reinforcing agricultural machinery and agronomy integration were proposed in order to promote the mechanization level of watermelon and melon production in China， and furthermore， to provide reference for the development and application of producing device of watermelon and melon.

Key words： Watermelon; Melon; Mechanized production; Current status; Problem; Suggestion

西瓜甜瓜產業作為勞動密集型產業，一直以來存在生產用工多、勞動強度大、機械化程度低等問題。國家統計數據顯示，截至2019年，我國西瓜甜瓜總種植面積達193萬hm2，占全年農作物總種植面積的1.1%，單位面積產量已達75.52 t·hm-2[1-2]。盡管我國農作物耕種收綜合機械化率已達69%，主要糧食作物更是達到80%，但是西瓜甜瓜的耕種收綜合機械化率仍然處于較低水平，僅為20%～30%[3-4]。目前已在西瓜甜瓜生產中大面積推廣應用的主要為耕整地、植保、水肥一體化等通用型機械，而起壟、播種、移栽等環節因缺乏與西瓜甜瓜種植農藝要求相配套的專用機械，仍主要依賴于人工。人工作業不僅難以保證作業質量，并且無法滿足規模化生產需求，尤其是隨著我國農業“用工難”“用工貴”問題日益突出，西瓜甜瓜生產的經濟效益不斷下降，限制了西瓜甜瓜產業發展，“機器換人”已成為西瓜甜瓜生產節本、提質、增效的必然需求。

目前，西瓜甜瓜生產機械化主要環節包括：耕整地環節、種植環節、植保環節。（1）耕整地環節：露地西瓜甜瓜耕整地環節在用機具大多為鏵式犁、旋耕機、開溝機等常規大田機械，缺乏與西瓜甜瓜不同栽培農藝相適應的起壟、施肥、鋪管、鋪膜復式作業機，機械化裝備高效節本省工的優勢難以發揮。（2）種植環節：在機械化播種方面，受西瓜甜瓜種子物料特性影響，采用已有的玉米、棉花、蔬菜等精量播種機進行西瓜甜瓜直播，存在空穴率、重播率（多粒率）及機械破碎率高等問題，無法滿足西瓜甜瓜精量播種的要求，因而機械化播種在我國西瓜甜瓜實際生產中的應用并不多。在機械化移栽方面，由于現有蔬菜移栽機存在對大株型瓜苗的適應性差、旱地移栽成活率低、膜上移栽不具備種植穴堆土功能等問題，無法滿足西瓜甜瓜機械化移栽要求，目前西瓜甜瓜移栽主要依賴于人工。（3）植保環節：西瓜甜瓜的病蟲害防治目前主要采用背負式手動（或電動）噴霧器、擔架式機動噴霧機等傳統植保機械，而缺乏與西瓜甜瓜植株冠層特性及施藥技術要求相適應的精準施藥技術裝備。背負式手動（電動）噴霧器、擔架式機動噴霧機等傳統植保機械不僅施藥量大、噴霧不均勻、農藥利用率低，并且藥液流失嚴重，造成農田環境污染。爬地西瓜甜瓜葉片緊貼地面，使用傳統植保機械，霧滴難以沉積于葉背，對白粉虱、霜霉病等病蟲害的防治效果不理想，而吊蔓西瓜甜瓜大多數在溫室大棚內，相對于大田，適用于設施農業的植保機械種類較少。盡管噴桿噴霧機、植保無人機等高效植保機械已開始應用于新疆、甘肅等地露地西瓜甜瓜病蟲害的規模化防治，但瓜田封行后，噴桿噴霧機下田作業極易造成瓜蔓的機械損傷;而植保無人機強大的下洗氣流易導致霧滴飄移，大大降低防治效果，從而影響西瓜甜瓜生長及產量。

1 國內西瓜甜瓜生產關鍵環節機械化現狀

在移栽技術方面，隨著現代農業機械的發展，農業生產對農機作業、穴盤育苗移栽農機作業對自動化和精準化的需求越來越高，已經成為育苗移栽領域的一個研究方向。新疆農業大學機電工程學院[5-7]針對目前使用壓縮基質的缽苗無法在現有移栽機上完成移栽作業的問題，研制了一種半自動壓縮基質型西瓜缽苗移栽機（圖1-a），該機具包含了間歇式打穴裝置、持苗栽植裝置和缽體苗輸送裝置。試驗結果表明在2.1～2.6 km·h-1作業速度時，移栽平均株距為98.6 cm，合格率達90.62%，倒伏率為21.9%，配套的鉆穴器的孔距、孔深合格率達95%以上，孔徑合格率達90%以上，三者變異系數分別為3.2%、5.1%、5.2%，打孔一致性較好，可基本滿足西瓜缽苗移栽要求。東北農業大學工程學院[8-9]針對西瓜缽體苗莖稈纖細、大株冠造成的取秧、輸送過程中秧苗脫落和子葉損傷等問題，設計了一種夾護式西瓜缽體苗自動移栽機構（圖1-b），通過探入式取缽移栽，實現了保護秧苗莖冠及形態，提高了移栽合格率。該機構為由非圓齒輪、取缽機構、護苗機構組成的末端執行器，通過動力源驅動取缽機構與夾護機構，實現兩者同步運行。對該樣機進行的移栽試驗表明，其取苗成功率較普通的探入式移栽機構提高5%，栽植成功率提高7.5%，栽植優良率提高15%，性能指標可滿足旱地移栽要求，護苗機構顯著提高了移栽質量，減少了秧苗脫落與子葉損傷。

在精量播種技術方面，國內高校、科研院所及企業研制了適宜西瓜甜瓜種子的專用的排種器，提高了西瓜甜瓜種子播種效率和質量，降低重播率與漏播率。吉林農業大學工程學院[10]設計開發了一種適用于甜瓜種子穴盤播種的氣吸式穴盤苗播種器（圖2-a），該裝置基于負壓吸種、整盤對穴的工作原理，通過風機產生的負壓將種子吸到吸種盤上，吸種盤擺動至穴盤上方，實現放氣投種，其吸種盤下表面的針孔吸嘴間隔與位置和穴盤匹配一致，可實現整盤對穴，精確落種。試驗表明，該設備吸嘴與種子間距為0.5～1.0 mm時，吸種率可達到97%，滿足穴盤育苗精量播種的要求。寧夏大學[11]針對目前壓砂西瓜主要依靠人力完成種植，勞動強度大、生產效率低的問題，設計開發了集播種、施肥、灌溉為一體的作業機械（圖2-b），該裝備主要由播種機構、分石器、行走輪、排肥灌溉機構組成，通過拖拉機牽引，行走輪在地面滾動時，通過鏈輪傳動，帶動排種器、排肥和灌溉機構轉動，可精準有效控制播種間距，行走輪轉動一周，完成一次播種、施肥、灌溉作業。田間播種試驗表明，當牽引速度為1.5～2.0 m·s-1時，播種效率為1.07～1.44 hm2·h-1，較當地人工播種效率提高10倍以上，且大大降低了勞動強度。

在西瓜甜瓜施肥技術方面，目前國內西瓜甜瓜種植合作社、農機制造企業及高校等機構的研究重點在于提高施肥作業效率、精確控制施肥量、灌溉施肥共同作用，達到了高效、精準、優質的效果。貴州大學[12-13]針對水肥一體化技術中的混肥系統（圖3-a）進行了流場仿真分析及系統性能試驗，運用Solid Works建立了三通旁路吸肥式施肥機的混肥系統模型，并基于FloEFD流體力學分析軟件模擬混肥系統的運行。田間測試試驗表明：在2.2 kW抽吸泵作用下，該混肥系統可實現對水及單元素液肥的穩定均勻吸取，左中右三通道吸肥量試驗值與仿真值誤差分別為1.82%、1.97%、2.06%，為水肥一體化設備定量定比施肥提供了設計參考依據。山東濱州市農業機械化科學研究所[14]針對自主研發的大容量有機肥施肥機（圖3-b）的下螺旋破碎機構、撒施圓盤，基于Solid Works的Simulation模塊，建立有限元分析模型，進行了靜應力分析和模態分析，通過分析這兩種關鍵部件固有頻率與外界激振頻率特點，研究其在路面運輸和工作狀態下產生共振的可能性。仿真分析表明：下螺旋破碎機構及撒施圓盤的固有頻率與外界激振頻率無重疊，共振可能性低;田間技術指標試驗表明：施肥機施肥幅寬4.5 m，橫向均勻度變異系數21.3%，縱向均勻度變異系數13.8%，施肥量變異系數3.6%，作業效率3.6 hm2?h-1。

在病蟲害防治技術方面，國內研究重點在于實現自動化，提升作業效率，降低人力勞動強度。針對設施蔬菜病蟲害防治常用的背負式噴霧器霧滴大、跑冒滴漏嚴重、農藥利用率低、防治效果差的問題，北京市植物保護站[15]開發了一種設施專用的新型常溫煙霧施藥機械JT 3YC1000D-Ⅲ背負式高效常溫煙霧施藥機（圖4-a）。該施藥裝備由移動線纜小拖車和背負式煙霧施藥機兩部分組成，通過霧化器高速氣流與特殊噴嘴結構形成高速渦流場，噴出的煙霧狀農藥噴幅達15 m以上，霧滴平均粒徑降低至50 μm左右，較常規背負式噴霧器農藥利用率提高30%以上;正常行走速度下，667 m2施藥量5～15 L，667 m2施藥時間5～10 min;農業農村部南京農業機械化研究所[16-17]針對設施吊蔓種植模式的甜瓜生長中后期植保作業難題，研制了一種電動履帶式立式噴桿噴霧機（圖4-b）。該機具主要有履帶式行走系統、噴桿高度調節系統、噴桿平衡系統、噴霧系統、電控系統和遙控器組成，通過遙控器控制機具行走、噴桿升降、噴霧作業。該機具的實驗室試驗與田間試驗結果表明：各噴頭流量變異系數低于10%，不同高度霧滴粒徑變異系數低于15%，葉片上霧滴密度大于25個·cm-2，沉積量大于0.3 μg·cm-2，噴霧效果可滿足設施吊蔓甜瓜的施藥作業。

2 國外西瓜甜瓜生產關鍵環節機械化現狀

國外在西瓜甜瓜生產機械化方面起步較早，機械裝備的應用比國內更成熟。在移栽技術方面，日本井關農機公司[18]（ISEKI AGRIC MACH MFG CO LTD）針對傳統移栽設備上苗盤輸送機構結構復雜，且苗盤在輸送裝置上左右水平方向輸送時，由于苗盤自重而導致移栽機左右配重不平衡，幼苗栽種位置出現偏移等不穩定的問題，研發了一種全自動幼苗移栽裝備（圖5），與傳統的全自動移栽機相比，該移栽裝備由一組托盤輸送機構、取苗機構及栽植機構組成，該移栽裝備將托盤卷成圓筒狀，通過托盤輸送機構將卷成圓筒狀的托盤螺旋傳輸，輸送過程中托盤的單元格依次對準取苗器，從而使苗盤單元格中的秧苗落入取苗器中。該移栽裝備簡化了苗盤輸送機構，提高了可操作性和維修的便利性，降低了苗盤輸送機構的生產成本，同時實現了平穩均勻的移栽，提高了移栽的位置精確度，還可用于不同間距單元格苗盤的移栽。

在精量播種技術方面，俄羅斯學者[19-20]研制了2種適用于蔬菜及瓜類種子的精量播種機構。一種為犁刀精量深播機（圖6-a），該機具通過橫梁與平行四邊形連桿機構相連，其前端為一空心法蘭圓柱形狀的圓盤刀，該圓盤刀通過一傾斜角度可調的支架與橫梁連接，圓盤刀后為楔形開溝裝置，開溝裝置前沿部分設計成拋物線形，開溝裝置后方為彈性材料制成的排種器，其由兩個反向聯接的截錐組成一個楔形滾筒結構，在楔形滾筒連接處形成一個排種槽，并與種箱排種管相連。另一種為可實現單粒播種的精量播種機（圖6-b），其排種裝置形狀為一個垂直安裝的帶有勺狀單元格的圓盤，每個勺狀單元格留有一個與播種種子形狀尺寸相匹配的開口，并通過排種導管與圓盤相連，排種導管管徑大于最大種子粒徑的2倍，排種管另一端與安裝于固定支架上的集種器相連，并通過導種器與鏵式犁連接以實現落種。作業時，通過地輪驅動圓盤，并通過導種器將種子落入土壤中。這兩種播種機構均可高效實現瓜類種子的精量播種。Abdolahzare和Zahra Mehdizadeh[21]等學者運用基因編程算法和圖像處理技術，在實驗室條件下進行氣動播種機的性能試驗，建立了用于種距均勻性評估的非線性數學模型。其針對玉米、蓖麻、高粱、甜菜、西瓜和黃瓜種子，在2.5～4.0 km?h-1及6.0～8.5 km?h-1 2種作業速度區間及不同氣壓條件下，通過檢測喂入質量指數、種距精度、重播和漏播指數，獲得最佳播種效果時的作業參數，其試驗結果見表1;另外，為探究影響氣動裝置性能的播種作業參數與種子物理性質間的關系，通過基因編程算法建立了可包含所有種子物理性質和作業參數的回歸數學模型，該數學模型通過相關系數R2、均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）等參數清晰表述了試驗因素對種距均勻度的影響，數據表明，該數學模型的關聯系數P值為2.985 1×10-17，具備統計學上的顯著性。通過基因編程算法得到的該回歸數學模型不僅能獲得更高相關系數，而且還可表達影響氣動裝置性能的上述兩項作業參數與種子物理性質之間的關系。

在病蟲害防治技術方面，日本學者Yamane，Miyazaki等[22-23]研制了一種低濃度、大容量的靜電感應噴霧系統，旨在通過降低化學農藥的用量、縮減田間病蟲害防治作業時間，來達到降低蔬菜生產成本的目的。該系統核心部件為靜電感應充電設備，形狀為環繞于大流量液力噴嘴的環形感應充電電極（圖7-a），該充電設備在4 kV充電電壓下，空心圓錐噴頭流量在1.0～2.6 L?min-1時，霧滴荷質比可達-0.30～-0.45 mC?kg-1。基于上述環形感應充電設備，研制了兩種靜電噴霧裝備（圖7-b、7-c），其中一種為適用于卷心菜施藥的噴桿噴霧機，田間試驗表明，可較傳統施藥方式節約30%的用藥量;另一種為溫室甜瓜施藥機器人，試驗表明，有效作業效率為0.038 hm2·h-1。

3 存在的問題

近年來，國內高校、研究機構等單位在提高西瓜甜瓜生產機械化水平、降低人工作業強度、增加作物產量、提升產品質量等方面開展了大量的創新性研究工作，研制了具有針對性的機械裝備，取得了豐碩成果，但與國外西瓜甜瓜生產機械化的發展現狀相比，我國的機械化生產設備目前仍主要存在如下問題：

（1）自動化、智能化程度較低。與西瓜甜瓜機械化發展成熟的國家相比，目前我國西瓜甜瓜生產過程機械裝備還是以手動、半自動為主，生產過程中還需輔以較大的勞動力，且智能化作業程度低導致作業精度較差，從而使得機具作業效果不理想，難以完全滿足西瓜甜瓜種植所需農藝要求，影響后續作業環節機具的銜接與配套。

（2）規模化、集成化程度較低。目前我國西瓜甜瓜種植模式以個體農戶為主，種植規模偏小，規模化的種植模式占比較低，且種植地域跨度大，從干旱少雨的西北內陸到高溫潮濕的海南均有西瓜甜瓜種植，不同種植地域間巨大的氣候差異，使種植模式存在較大差異性，難以形成一套普適性的標準化、規范化種植模式，而不同種植模式對機械裝備的需求各不相同，對于機械裝備生產制造企業而言難以實現批量化生產，利潤微薄，從而制約了西瓜甜瓜生產機械裝備向著標準化、規模化的方向發展。

4 發展建議

針對當前我國西瓜甜瓜生產機械化存在的上述問題，提出如下幾點發展建議：

（1）發展規模化種植。通過土地流轉、成立合作社等方式，將散戶種植轉變為集中種植，大力提升西瓜甜瓜種植的規模，以規模化、集成化的種植模式，為機械化生產作業提供條件與基礎，降低機械化作業成本，促進機械化生產的發展。

（2）強化產、學、研合作。針對目前西瓜甜瓜種植過程各環節中目前機械化程度低、人工作業量大、作業效率低、難以實現機械化的薄弱環節，采取產學研合作模式，加強高校-科研院所-生產企業間的合作，聯合攻克關鍵技術難題，突破瓶頸，創新機械化生產新技術，研制具有適用性、針對性的裝備，提高西瓜甜瓜種植生產效率、降低生產成本，改進各環節作業質量。

（3）提高農機農藝融合水平。廣泛調研不同地域的西瓜甜瓜種植模式，從農機農藝融合的角度出發，為不同種植模式的西瓜甜瓜機械化作業提供保障，通過創新西瓜甜瓜栽培種植模式，以適應不同環節機械化作業需求;同時，創新研制機械化作業裝備，以滿足不同種植模式下的機械化作業需求，促進作業機具和種植農藝間的匹配程度，提升機械化作業水平。

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