蔬菜自动嫁接机的研究现状及展望

任国强

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



蔬菜自动嫁接机的研究现状及展望

任国强

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：蔬菜嫁接可防治土传病害、增强幼苗长势、增加产量及提高蔬菜对肥水的利用率，具有广阔的发展空间。蔬菜自动嫁接机器是一种集机械、自动控制与视觉图像处理于一体的自动化设备。为此，介绍了不同种类自动嫁接机的特点，综述了蔬菜嫁接机的国内外研究现状，分析了存在的问题，并对蔬菜自动嫁接机今后的发展趋势进行了展望。

关键词：蔬菜自动嫁接；视觉；控制；展望

0引言

我国设施栽培面积自20世纪70年代起，一直长足稳定增长。目前，蔬菜现代化生产的发展，表现为不断扩大的温室蔬菜栽培面积；但温室蔬菜连作栽培会使土壤环境恶化，加重蔬菜病虫害，降低产量，造成品质下降。目前，解决连作障碍的方法主要有轮作、土壤消毒和采用嫁接育苗技术。采用轮作技术可以防病，但需要周期要长，又因保护地栽培的作物种类有限，很难实现。因此，土传病害的威胁已成为保护地蔬菜高产稳产的一大障碍。选用抗土传病害强的或高抗、免疫的野生种或同科异种作为砧木，与栽培品种进行嫁接，可有效地减免土传病害的发生，其防病效果尤为显著。由于手工嫁接效率低、劳动强度大、苗成活率低，不可取；而自动机械化嫁接技术是一种集机械、视觉图像处理、自动控制，以及园艺技术于一体的新的高产技术，可显著提高嫁接速度。为此，综述了蔬菜嫁接机的国内外研究现状，并就其发展进行了展望。

1嫁接的特点

蔬菜的嫁接方法有很多种，国内外目前主要采用的嫁接方法包括：贴接法、劈接法、靠接法、插接法、套管法、胶接法和Plug-In法等。

1) 贴接式嫁接。 贴接法嫁接速度快、成活率高、接口愈合好且接穗恢复生长快，适用于瓜菜类及茄果类等蔬菜。贴接法要求砧木尽量接近接穗的胚轴径，以利于切口愈合，故嫁接与砧木和接穗的育种时机非常关键。

2) 靠接式嫁接。 靠接法是将接穗与砧木的胚轴接合处对应切成舌形，把两切口相互嵌入，用嫁接夹或捆扎固定；并在嫁接苗成活后切除接穗的根，避免接穗在切口处产生自生根。采用靠接法，其接口容易愈合，成苗长势旺盛。由于接穗苗自己带有根，方便管理，因此成活率高；但此法嫁接操作复杂、工效低，不适合于大面积的生产与应用。

3) 插接式嫁接。 插接法是目前应用最为普遍的嫁接方法，此方法适用于大部分蔬菜的嫁接栽培。与靠接法相比，插接法工序少，不需要嫁接夹，可以有效地降低土传病害的侵害，加上精心的管理，其成活率非常高；但操作要求严格，不容易被掌握，且育苗的风险高。

4) 劈接式嫁接。 劈接法是先将待接穗的幼茎切成楔形，再保留2~3片接穗幼苗上部的真叶，切除其下部的根茎部分，其断面要削成楔形，采用嫁接夹或其他固定物固定接穗和砧木。劈接法的优点：伤口愈合好，成活率高，且后生育良好；缺点：砧木维管束一侧发育好，另一侧发育较差，容易裂开，采用此法嫁接工效低。劈接式嫁接机主要适用于茄子、西红柿等茄果类蔬菜。

2蔬菜嫁接机的发展现状

2.1　国外自动嫁接机的研究现状

目前，日本、韩国等一些农业发达国家蔬菜嫁接栽培技术已经被普遍应用。1986年，日本通过农林水产省生物系特定产业技术研究推进机构(生研机构)组织多家公司率先研制了嫁接机；随后洋马公司、泷井公司、三菱公司等陆续推出了一些适合于西瓜、黄瓜和番茄等的嫁接机。

2.1.1贴接式嫁接机

1994年，日本井关公司与日本生研机构合作推出了商品化GR800B型半自动瓜科嫁接机。该机采用的上苗形式为人工单株上苗，其砧木和接穗上苗方式均采用缝隙托架上苗，运动部件的动力采用气动方式。采用此类方式的嫁接机嫁接成功率可达90%以上，嫁接生产能力为800株/h。为了降低大型嫁接机的制造成本，洋马公司于2003年推出了T600型半自动瓜科嫁接机，如图1所示。该机体积较小、操作方便，采用V型平接法，只由一个人操作即可，操作人员分别以并株形式将去土砧木和接穗送到嫁接机的托苗架上。该嫁接机能自动完成砧木和接穗的切削、对接和安装固定套管等作业，生产率可达600株/h，嫁接成功率为98%。此外，日本烟草公司以热缩管为接合材料研制出一种新的蔬菜嫁接机，此法特点：塑料管收缩压榨嫁接苗使结合面处液汁增加，成活率高；加热后可给茎表面消毒、杀菌。三菱公司据此开发出了MGM600型全自动嫁接机，采用专用透明套管作为夹接物，其成活后套管自动脱落。该机自动化水平高，体积比较大，结构较复杂，价格较高。

图1　洋马T600型蔬菜自动嫁接机

2.1.2靠接式嫁接机

韩国于 20世纪90年代初，开始研究嫁接机，韩国裕丰开发出了小型半自动式嫁接机，如图2所示。其采用靠接法，生产率为310株/h，嫁接成功率为90%。该机具有外形尺寸小、质量轻、价格低等优点。在半自动化嫁接机基础上，韩国Ideal System公司又研究开发出针式全自动嫁接机，如图3所示。该全自动嫁接机采用陶瓷制5角行针，特点是嫁接部位不回转、固定性能好，主要用于嫁接茄科类蔬菜，生产率为1 200株/h。

图2　韩国靠接式蔬菜嫁接机

图3　韩国针式蔬菜全自动嫁接机

2.1.3“Plug-in”式嫁接机

20世纪90年代末，日本大阪府立大学开发研究了“Plug-in”嫁接装置，一面选用频率为20~40kHz,长为10mm的锥形；另一方面用4500r/min的锥形钻头在砧木上钻成锥形孔，然后将穗接到砧木上。此方法能保证砧木与穗木间良好结合，其结合力大，减少了固定的工序，适用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作业。

欧洲法国、荷兰、意大利等农业发达的一些国家，蔬菜的嫁接育苗相当普遍，每年由大规模的工厂化育苗中心向用户提供嫁接苗。最初，这些国家靠在日本购买嫁接机器人，直至2009年荷兰ISO Group Machiiqebouw公司研制出了Graft100型茄果类蔬菜全自动嫁接机。该机秉承了荷兰园艺设施自动化程度高及智能性高的特点，具有庞大的嫁接装置及完善的输送系统，生产率可达1 000株/h以上。该机采用平接法嫁接，嫁接成功率高。后期，销售中考虑到成本问题，该公司开发了半自动嫁接机，且改进安装了视觉传感器，使机械手在切削工程中可以有选择地避开有桔梗的部分，保证了嫁接成功率。2010年意大利Tea公司推出了HYPERGRAFT500型茄果类蔬菜半自动嫁接机。西班牙CONIC SYSTEM设计了一种有一名操作者作业的茄果类蔬菜嫁接用切削器，采用贴接法对接穗和砧木进行65°的切削，生产率为420~540株/h。

2.2　国内自动嫁接机的发展现状

我国嫁接机的研究主要局限在高校和研究院所，相关产品也均处于样机研发阶段，缺乏实际应用。

在国内首次进行蔬菜嫁接机械的研究的是中国农业大学张铁中教授。1998年，张铁中教授开发出了2JSZ-600型蔬菜嫁接机，如图4所示。该机采用贴接法，完成了砧木和穗木的取苗、切苗、接合、固定、排苗等多道工序；嫁接生产率为600株/h，成功率达95%。在此基础上，张铁中等人于2003年成功研制了营养钵苗自动嫁接机，利用劈接法嫁接作业方式，实现营养钵茄苗嫁接的自动化作业。该机操作简单易行、可靠性强，嫁接生产率为400株/h，成功率达93%。2009年，张铁中等人又成功研制了双向高速蔬菜自动嫁接机。该机采用双向嫁接机构，机器取苗方便、减少搬送等空行时间，显著提高了嫁接和单向供苗蔬菜自动嫁接的速度。

图4　2JSZ-600型蔬菜嫁接机

2005年，东北农业大学辜松研制的2JC-350型半自动嫁接机，如图5所示；2009年，完成了2JC-500型旋转嫁接机的研发工作。此系列机型均采用插接法，操作简单、成活率高。辜松研发的全自动瓜科果蔬插接式嫁接机，实现了砧木于穗木同时成批嫁接，通过穴盘上苗，穴盘由输送带带动，实现砧木、穗木切削、夹持、打孔、插接及上苗及嫁接苗的种植等嫁接过程的全自动作业。

图5　2JC-350型蔬菜嫁接机

2008年，国家农业信息化工程技术研究中心(NERCITA)开发了TJ-800型茄果类蔬菜嫁接机，该机采用贴接法进行嫁接作业，适用于瓜类和茄果类蔬菜，生产率为800株/h，嫁接成功率为95%，目前处于销售阶段。

近年来，又衍生出许多新的嫁接方法：一是流水线式多工位机械嫁接作业方法，主要针对半自动嫁接机，通过减少单工位作业步骤、增加作业工位的方法提高作业生产率；二是应用于斜插式蔬菜嫁接机并通过凸形与凹形夹持片交叉夹紧、夹持机构厚度和夹持力大小可调的砧木夹持机构等，这些方法已在实验台上进行了实验，效果很好。

3存在的问题

1) 农业生产条件的制约。尽管全自动嫁接机具有生产效率高、节省人工成本及自动化程度高等诸多优势，但鉴于我国农民知识及技术水平较低、育苗机械化及经济水平不高等现状，全自动嫁接机推广应用存在较大的难度。因此，应大力开发价格低廉、操作简单、可靠性好的小型半自动嫁接机，以适应我国当前蔬菜生产机械化的要求。

2) 农业生产模式的制约。目前，我国蔬菜生产仍以农民个体为主，规模较小，且种植种类繁杂，缺少规范化引导。而目前的蔬菜嫁接育苗模式众多，缺乏统一的标准和模式。现存的各种模式，其育苗用基质、育苗载体(钵式盘)、种植方式，以及催芽育秧、嫁接苗愈合等设施也各有不相同，导致嫁接机的适应性较差。为满足不同模式的要求，需要提高嫁接机的适应性，从而使得其自动化程度不断提高，导致成本激增，无法进行大范围推广。

3) 自动控制算法及机器视觉技术的选用须进行更深入的研究。实质上，全自动蔬菜嫁接机就是农业机器人，是一门正在不断发展的技术，其各种细节也在不断完善中。因此，全自动嫁接机在控制算法的选择及机器视觉技术的采用上尚需进一步研究及实验。

4展望

1)在农业全面实现现代化的强大需求下，迫切需提高农业从业人员的知识水平及技术素质。为此，可通过如下途径：一是由产品生产者进行产品使用前的技术培训。不仅要讲解其使用方法、注意事项，还要对其原理及构造进行详细的讲解，以便使农民可进行简单的维修及部件更换等。二是利用冬闲季节，调集各类农机校、农业推广部门举办短期培训班，切实提高农民的技术水平。三是依托农机合作社，并动员大专院校毕业生去从事，从实质上改善农业基层人员的知识水平。

2)针对全国各地蔬菜生产体系缺乏标准、生产分散及模式不统一等问题，建议：①尽快制定蔬菜生产标准，统一育苗基质、鉢盘，播种方法，以及催芽、育秧、嫁接苗愈合等设施，以降低嫁接机的成本。②扩大专业化嫁接苗生产基地，加快蔬菜生产工厂化进程。

5结束语

相比于传统的人工嫁接，采用自动嫁接机具有一系列优势(上文有所阐述)，在蔬菜嫁接苗需求量激增和农业劳动力老龄化的双重压力下，为达到机械自动嫁接嫁接效率与速率双指标新高度、实现育苗流水线操作及基于设施农业的植物工厂化管理，蔬菜自动嫁接机的推广已成当务之急。

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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

中图分类号：S233.2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0260-04

作者简介：任国强(1996-)，男，哈尔滨人，本科生，(E-mail)786136386@qq.com。

基金项目：大学生创新训练项目(2015-2016)

收稿日期：2015-11-11