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    研发自动嫁接技术 引领农机智能化发展

       

发布日期:2016年4月5日  来源:中国农机化导报  作者:孟海兵



自动嫁接机器人技术介绍

植物嫁接是一种植物营养繁殖的方法,将植物的一部分器官移接到另一株植物体上,使它们愈合后成长为一个新个体的技术。嫁接机器人技术,是近年在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术,它可在极短的时间内,把蔬菜苗、茎杆直径为几毫米的砧木、穗木的切口嫁接为一体,使嫁接速度大幅度提高;同时由于穗木接合迅速,避免了切口长时间氧化和苗内液体的流失,又可大大提高嫁接成活率。因此,嫁接机器人技术被称为嫁接育苗的一场革命。嫁接的优势是保持栽培品种的优良性状,增强作物对低温、干旱、水涝、盐碱等不良环境的适应性和对病虫害的抵抗力,使结果实时间提前,提高作物果实的品质和产量。在长期的蔬菜种植实践中,人们发现通过嫁接的方法,可以解决连茬种植所导致病害和低温障碍等严重影响蔬菜生产这些主要问题。对这些病害的防治,无论从选育抗病品种或施用药剂方面,防治效果都不够理想。嫁接是克服保护地蔬菜低温障碍和连茬病害最有效的途径,可以使作物增产幅度在30%以上。

日本西瓜的100%、黄瓜的90%、茄子的96%都靠嫁接栽培,每年大约嫁接十多亿棵。日本从1986年起开始了对嫁接机器人的研究,以日本生物系特定产业技术研究推进机构为主,一些大的农业机械制造商参与了研究开发,其成果应用在一些农协的育苗中心使用。我国也应该采用这种模式进行科研开发,由国家在技术、资金等方面进行重点支持。由于看到了蔬菜嫁接自动化及嫁接机器人技术在农业生产上的广阔前景,日本一些实力雄厚的厂家,如YANMAMITSUBISHI等企业也竞相研究开发自己的嫁接机器人。总体来讲,日本研制开发的嫁接机器人有较高的自动化水平,但是,机器体积庞大、结构复杂、价格昂贵。20世纪90年代初,韩国也开始了对自动化嫁接技术进行研究,但其研究开发的技术,只是完成部分嫁接作业的机械操作,自动化水平较低、速度慢,而且对穗木苗的粗细程度有较严格的要求。在蔬菜嫁接育苗配套技术方面,日本、韩国已生产出专门用于嫁接苗的育苗营养钵盘。在欧洲,农业发达国家如意大利、法国等,蔬菜的嫁接育苗相当普遍,大规模的工厂化育苗中心全年向用户提供嫁接苗。有些国家尚未有自己的嫁接机器人,所以嫁接作业一部分采用手工嫁接,一部分采用日本的嫁接机器人进行作业。

我国自动嫁接技术的发展现状

我国是世界上最大的设施栽培国家,农业对机械化嫁接有迫切需求,特别是以日光温室为代表的具有中国特色的保护地蔬菜栽培和塑料大棚的发展尤为迅速。它缓解了蔬菜淡季的供需矛盾,同时也成为我国农民致富的重要途径。但由于蔬菜的生物特性和生长环境特性,连茬病害和低温障碍一直是制约设施蔬菜生产的主要问题,对这些病害的防治,无论从选育抗病品种或是施用药剂,防治效果都不够理想。20世纪80年代初期,我国出现了把黄瓜、西瓜嫁接到云南黑籽南瓜的栽培方法,提高了抗病和耐低温能力。除了黄瓜、西瓜外,通过嫁接,茄子、青椒、西红柿均可明显地防止土传病害,如枯萎病、黄萎病、青枯病的发生。嫁接苗根系发达,具有抗逆、壮根、增强植株长势、延长生长期和减轻地表上部病害的优点,可大幅度增产。因此,大力推广嫁接栽培技术,对我国日光温室、连栋大棚等设施园艺蔬菜栽培具有十分重要的意义。

中国农业大学在我国开展自动化嫁接技术研究工作的时间较早,先后研制成功自动插接法、自动旋切贴合法,填补了我国自动化嫁接技术的空白,形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。例如,利用传感器和计算机图像处理技术,实现了嫁接苗子叶方向的自动识别、判断。嫁接机器人能完成砧木和穗木的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化作业,操作者只需把砧木和穗木放到相应的供苗台上,其余嫁接作业均可由机器自动完成,从而大大提高了作业效率,减轻了劳动强度。嫁接机器人可以进行黄瓜、西瓜、甜瓜苗的自动嫁接,为蔬菜、瓜果自动嫁接技术的产业化提供了可靠条件。

中国农业大学研制的2JSZ-600型蔬菜自动嫁接机器人于1998年通过了北京市科委组织的技术鉴定,是当时国内先进的蔬菜嫁接机具。该机通过计算机控制,实现了取苗、切苗、接合、固定、排苗等工序的自动化嫁接操作,可以完成黄瓜、西瓜、甜瓜等葫芦科秧苗的自动嫁接。该机具设计合理、结构简单、操作方便、性能可靠,对砧木、穗木嫁接适应性强,在嫁接速度、嫁接成功率等方面已达到国际先进水平。国家农业信息化工程技术研究中心的自动嫁接机器人技术也比较成熟,可以科学推广。农业智能装备技术研究机构还有:江苏省常州智能农业装备研究院、湖南省现代农业装备工程技术研究中心、农业装备智能化工程技术研究中心(山东)、苏州博田自动化技术有限公司。这些研究机构是研究高科技农业装备的先行者,为引领我国智能化农机向前发展发挥了重要作用。

自动嫁接机器人的技术优势和工作原理

由于蔬菜的生物特性和成长环境特性,蔬菜嫁接适合时期一般只有35天,1亩黄瓜大约需要4000株苗,时间紧、作业量大。长期以来这项作业一直是靠人工来完成,每到蔬菜嫁接时节,菜农都要集中大批人手突击完成,手工作业平均每分钟只能嫁接12棵,很难满足时间要求,并且嫁接成活率低,这已经成了制约菜农发展蔬菜生产的问题之一。以种植温室蔬菜为代表的保护地反季节蔬菜生产模式的出现,带动了一系列农业工程技术的发展,使农业生产有了根本性的改观,一些过去难以使用机器来完成的精细作业,现在变得轻而易举。天津市农业机械研究所引进了蔬菜自动嫁接机器人,并进行了试验示范,通过对黄瓜苗的嫁接作业,使菜农看到了机械化嫁接的好处,使机械化替代人工完成嫁接作业成为了现实。

自动化嫁接的效果。嫁接机采用旋切贴合的方法对蔬菜苗进行机械化嫁接,嫁接速度为550—800/小时,嫁接成活率为92%左右,实现了可直接带根和土团嫁接,大大减轻了劳动强度,使嫁接作业变得更加简单。

自动嫁接机器人的结构与组成。以穗木、砧木嫁接为例,自动嫁接机器人由穗木、砧木自动供苗系统,穗木、砧木自动搬运系统,穗木、砧木切削系统,自动供夹系统,嫁接后排苗系统等部分组成。其中搬运系统、供夹系统排苗系统均可归类为输送系统。在实际嫁接操作过程中,砧木生长点的切削必须要准确、无误、干净,只有这样才能使砧木和穗木做到良好地贴合,这是实现高嫁接成活率的关键之一。为了满足这个要求,嫁接机器人在上述系统的基础上增加砧木生长点的自动识别系统,以确保砧木生长点的切削准确性。

自动嫁接机器人的工作过程。作业首先从砧木和穗木的供苗系统开始,当人工喂入砧木和穗木使自动供苗系统获苗并自动夹紧以后,砧木苗被送到砧木生长点识别系统进行识别操作;然后由砧木自动搬运系统取走,而穗木苗则直接由穗木自动搬运系统取走,二者均被送到切削系统同时进行切削;切削后,砧木苗和穗木苗的切口被贴合到一处,此时,嫁接用的夹子被自动供夹系统推出并夹住砧木苗和穗木苗的贴合处;最后,嫁接苗带着夹子被输送到自动排苗系统。至此,嫁接机器人完成了一个嫁接循环过程。

嫁接苗的砧木苗直径在3—4mm左右,穗木苗直径只有1—2mm,加之幼苗脆嫩细弱,所以人工嫁接起来很耗费精力,而且,每个人所掌握的嫁接技术、手法及熟练程度不同,难以保证高的嫁接质量和高的成活率。由于费工费时,在有些地区出现了放弃嫁接栽培的现象,取而代之的是施用大量农药、杀虫剂、杀菌剂。这样不但造成了资财浪费,更严重的是破坏环境,对人类健康构成威胁。蔬菜的手工嫁接,效率低、劳动强度大、嫁接苗成活率低,已远远不能适应我国农业生产的需要。自动嫁接机是面向设施农业育苗生产开发研制的智能嫁接设备,生产效率、嫁接成功率高。

我国各地农村正在积极调整种植结构,北京、上海、广东等地率先建立起工厂化农业高效示范园区,山东、安徽、浙江、江苏等地正在兴建嫁接育苗场。这些大规模的嫁接育苗场所,只有通过高速、优质、自动化的嫁接机器人技术才能在短时间内完成优质的商品化嫁接生产。可以说,我国蔬菜、瓜果的生产和设施农业技术的发展已经具备了大力发展自动嫁接机器人技术的基础和条件。因此,发展自动化嫁接技术,有利于高新技术迅速转化为生产力,有利于推动我国农业现代化的跨越式发展,有利于提高劳动生产率。

 

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