西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

陳曉 龔艷 張曉 劉德江 王果

摘? ? 要：我國是西瓜甜瓜生產(chǎn)大國，但是西瓜甜瓜機(jī)械化生產(chǎn)起步晚，西瓜甜瓜生產(chǎn)仍以人工為主，機(jī)械化水平較低，專用機(jī)械的研發(fā)近年才開始。本文通過分析了解國內(nèi)外西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械裝備的現(xiàn)狀，指出了國內(nèi)西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械裝備的發(fā)展方向，建議加強(qiáng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相融合的技術(shù)，以期為我國西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)研究和推廣提供參考。

關(guān)鍵詞： 西瓜; 甜瓜; 生產(chǎn); 機(jī)械化技術(shù)

我國是西瓜甜瓜生產(chǎn)大國，種植面積及產(chǎn)量均位列世界第一位，其中西瓜產(chǎn)量連續(xù)20多年居世界首位，2014年西瓜產(chǎn)量為0.75億t，占世界總產(chǎn)量的67.61%[1-2]。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革以及產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整，西甜瓜種植面積不斷增加，至2016年西瓜的播種面積達(dá)到189.08萬hm2，甜瓜的播種面積達(dá)到48.19萬hm2 [3]。但與主要糧食作物相比，我國西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械化水平非常低，目前我國西瓜甜瓜綜合機(jī)械化水平較低，機(jī)械化作業(yè)主要應(yīng)用在耕整地和田間管理環(huán)節(jié)，而稼接、種植、整枝、授粉、收獲等環(huán)節(jié)仍主要依賴于人工。耕整地環(huán)節(jié)主要采用鏵式犁、旋耕機(jī)、起壟機(jī)、開溝機(jī)、鋪管鋪膜機(jī)、微耕機(jī)等通用型耕整地機(jī)械;膜下滴灌及水肥一體化設(shè)備已在西北等干旱地區(qū)以及海南等設(shè)施西瓜甜瓜產(chǎn)區(qū)大面積推廣應(yīng)用;化學(xué)施藥主要采用背負(fù)式手動(dòng)（或電動(dòng)）噴霧器、背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)、擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)等傳統(tǒng)植保機(jī)械，噴桿噴霧機(jī)、植保無人機(jī)等高效植保機(jī)械在新疆、甘肅等地西瓜甜瓜病蟲害的規(guī)模化防治中已開始應(yīng)用;籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)在新疆、內(nèi)蒙等地已有少量應(yīng)用，而鮮食西瓜甜瓜則完全依賴于人工收獲。因此，調(diào)研掌握國內(nèi)外西瓜甜瓜生產(chǎn)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)，對(duì)我國西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械化裝備的設(shè)計(jì)研究和推廣具有重要的意義。

1 國外西瓜甜瓜生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀

在耕整地方面，國外耕整地機(jī)械具有功率大、作業(yè)效率高、技術(shù)先進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn)，不僅機(jī)電液一體化、信息化、智能化程度高，并且考慮到了作業(yè)的安全性與舒適度[4]。歐洲發(fā)達(dá)國家在蔬菜耕整地領(lǐng)域研究起步早，技術(shù)相對(duì)成熟，目前可以根據(jù)不同的土壤特性配備相應(yīng)的耕整地裝備，使土壤達(dá)到淺層碎、深層粗，表面平整的整地效果。

在嫁接技術(shù)方面，目前日本、韓國、荷蘭、意大利等國的機(jī)械化嫁接技術(shù)發(fā)展較成熟，日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社、荷蘭ISO Group、意大利Atlantic Man.SRL、韓國Helper Robotech等企業(yè)生產(chǎn)的嫁接機(jī)對(duì)葫蘆科、茄科作物的嫁接成活率可達(dá)到95%以上。

在移栽技術(shù)方面，以意大利Ferrari公司、英國Pearson等公司為代表的全自動(dòng)移栽機(jī)，融合了多傳感器、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，通過橫向和縱向輸送與定位系統(tǒng)控制苗盤位置，采用頂苗桿將穴盤苗成排頂出，或通過取苗爪將苗成排取出，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取苗和投苗。歐美發(fā)達(dá)國家已基本實(shí)現(xiàn)膜上移栽機(jī)械化，但在機(jī)具作業(yè)效率、對(duì)移栽苗的適應(yīng)性以及制造成本等方面仍存在一些問題。例如美國kennco公司、BuckeyeTractor公司和加拿大PlastiTech 公司研制了半自動(dòng)膜上打穴移栽機(jī)，移栽速度較慢，低于20株 ·min-1;意大利MAS公司的全自動(dòng)膜上移栽機(jī)速度較快，達(dá)25～30株 ·min-1，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高;久保田（蘇州）公司、井關(guān)農(nóng)機(jī)（常州）公司等日資企業(yè)研發(fā)的全自動(dòng)鴨嘴式膜上移栽機(jī)具有自動(dòng)化程度和作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是機(jī)具成本高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)蔬菜育苗質(zhì)量要求高，僅適合部分葉菜的移栽作業(yè)，適用范圍有一定局限性。

在田間管理方面，日本丸山MRS系列履帶自走式噴桿噴霧機(jī)適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室內(nèi)的施藥作業(yè)，機(jī)具外形尺寸較小，便于進(jìn)出棚室，行進(jìn)部位為履帶結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)地面的壓力，可使機(jī)具在復(fù)雜路面上平穩(wěn)行駛。噴桿部件采用了升降式折疊設(shè)計(jì)，通過連桿滑塊機(jī)構(gòu)，可使噴桿角度在0°～90°之間任意調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)由垂直噴霧到水平噴霧的轉(zhuǎn)換，噴桿離地高度最大可達(dá)到720 mm，以適應(yīng)棚室內(nèi)不同栽植模式作物的植保作業(yè)要求。

在采收機(jī)械化方面，籽瓜聯(lián)合收獲作業(yè)機(jī)械僅有奧地利moty、agrostahl等公司的南瓜籽瓜收獲機(jī)械的技術(shù)已趨于成熟，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，以色列的大型自走式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)構(gòu)造復(fù)雜、整機(jī)體積巨大、價(jià)格昂貴，不適合我國籽瓜的種植及收獲模式，目前鮮食瓜的采摘均為人工，使用大型運(yùn)輸平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 國內(nèi)西瓜甜瓜生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀

在耕整地方面，標(biāo)準(zhǔn)化和高質(zhì)量的整地是機(jī)械化生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)[5]。由于西瓜甜瓜與糧食作物及其它園藝作物之間，西瓜甜瓜不同種植區(qū)域、不同品種之間的栽培模式、農(nóng)藝要求均存在較大差異，從而對(duì)西瓜甜瓜耕整地機(jī)械化技術(shù)提出了不同的要求。為此，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)針對(duì)西瓜甜瓜不同區(qū)域特點(diǎn)、栽培模式及農(nóng)藝要求，研發(fā)了多種適宜的西瓜甜瓜專用耕整地機(jī)械，并制定了機(jī)械化作業(yè)技術(shù)規(guī)程。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了一種西瓜甜瓜超寬幅旋耕起壟復(fù)式作業(yè)機(jī)與一種旱塘西瓜甜瓜開溝覆膜覆土打孔復(fù)式作業(yè)機(jī)。西甜瓜超寬幅旋耕起壟復(fù)式作業(yè)機(jī)實(shí)現(xiàn)了2.7～3.0 m寬、30 cm高、超寬幅弧形壟的旋耕、起壟機(jī)械化復(fù)式作業(yè)，適用于江、浙、贛等地爬地西瓜甜瓜的種植[6];旱塘西瓜甜瓜開溝覆膜覆土打孔復(fù)式作業(yè)機(jī)，突破了地膜無損條件下，在溝底覆膜、膜上覆土的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了旱塘瓜田的施肥、開溝、覆膜、覆土、打孔機(jī)械化復(fù)式作業(yè)[7]。

在播種機(jī)排種器技術(shù)方面，目前國內(nèi)市場上常用的排種器主要有指夾式排種器、勺式排種器、手捏式排種器、氣吸式排種器等。目前指夾式排種器適用于玉米等大粒扁平的種子，氣吸式排種器可通過更換播種圓盤、剃種刀和清種輪來達(dá)到不同類型種子的播種要求，但由于西瓜、甜瓜種子的形狀、重量差異較大，目前適用于其他作物的排種器并不適合西瓜甜瓜的播種，氣吸式排種器可進(jìn)行西瓜甜瓜的播種，但播種精度差強(qiáng)人意。

在嫁接技術(shù)方面，國內(nèi)學(xué)者將幼苗無損抓取技術(shù)、輸送技術(shù)、砧/穗木切削技術(shù)、嫁接苗結(jié)合固定技術(shù)和嫁接系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)作為研究重點(diǎn)，以提高葫蘆科、茄科等作物機(jī)械化嫁接的成功率與作業(yè)效率。浙江大學(xué)針對(duì)瓜類蔬菜嫁接機(jī)在砧木子葉壓持過程中容易導(dǎo)致子葉根部折斷，或由于壓持力過大導(dǎo)致砧木子葉損傷等問題，以葫蘆苗為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種適用于瓜類蔬菜嫁接的砧木子葉壓持機(jī)構(gòu)[8];浙江理工大學(xué)為提高嫁接機(jī)的運(yùn)行效率，通過優(yōu)化嫁接機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)布局，方便人機(jī)配合嫁接作業(yè)，采用雙棘輪旋轉(zhuǎn)持苗防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，提高嫁接效率，保證嫁接的成功率，其嫁接成功率為 89%，嫁接效率為 846.3株 ·h-1，是人工嫁接效率的3.3倍[9];華南農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)目前茄果類貼接式嫁接機(jī)嫁接苗切口貼合不緊密、貼接夾持效果不理想及對(duì)苗徑要求高等問題，基于貼接式嫁接機(jī)理，提出采用接穗下壓工藝開發(fā)茄果類貼接式嫁接機(jī)，試驗(yàn)表明：增加接穗下壓位移可以增大夾持力和切口貼合力，接穗下壓位移產(chǎn)生局部形變區(qū)使夾持力和切口貼合力增大，隨著接穗下壓位移的增大，局部變形區(qū)夾持力和切口貼合力明顯增大，接穗下壓位移為 1 mm時(shí)產(chǎn)生的夾持力和切口貼合力最理想[10];青島農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)以育苗穴盤為單元進(jìn)行每行6株秧苗自動(dòng)嫁接作業(yè)中夾持定位精確率差、損傷率高等問題，設(shè)計(jì)了用于自動(dòng)嫁接裝備的秧苗夾持機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由整行秧苗縱向夾緊裝置和單株秧苗橫向夾持定位裝置組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)穴盤內(nèi)每行6株嫁接秧苗準(zhǔn)確定位夾持，為精確秧苗切削和嫁接提供準(zhǔn)備[11]。

在移栽技術(shù)方面，國內(nèi)學(xué)者對(duì)缽苗移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)作為研究重點(diǎn)，以提高機(jī)械化移栽作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率。由于西瓜甜瓜等較大株距農(nóng)作物在移栽過程中，傳統(tǒng)被動(dòng)沖壓式栽植器（如偏心盤式鴨嘴栽植器）存在多邊形滾動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致穴形不穩(wěn)定、穴孔深度不一致，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)并制作了多桿式鉆穴裝置，通過對(duì)鉆穴器運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)過程分析確定了裝置各參數(shù)，并對(duì)地輪進(jìn)行了改良，以保證裝置運(yùn)行穩(wěn)定流暢，空間結(jié)構(gòu)合理[12];新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)壓縮基質(zhì)培育的西瓜缽苗，模仿人工先打穴后放苗的方式，設(shè)計(jì)了一種半自動(dòng)壓縮基質(zhì)型缽苗移栽機(jī)，包含有間歇式打穴裝置、持苗栽植裝置和缽苗輸送裝置，能夠基本滿足西瓜缽苗移栽的要求[13];河南科技大學(xué)針對(duì)目前移栽機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)易造成缽苗傾斜，導(dǎo)致缽苗成活率降低的問題，設(shè)計(jì)了一種行星輪系滑道式栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過行星輪系和滑道的配合，以打穴放苗的方式完成缽苗栽植[14];此外，河南科技大學(xué)通過高速攝像對(duì)鴨嘴式移栽機(jī)的缽苗從導(dǎo)苗筒下落至栽植器底部的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為鴨嘴式移栽機(jī)栽植器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考[15];江蘇大學(xué)為了減小自動(dòng)移栽時(shí)取苗爪夾取苗坨的破損，利用X射線Micro-CT對(duì)處于夾取狀態(tài)的黃瓜苗坨進(jìn)行檢測，探明新生孔隙的聚集和裂縫的形成是導(dǎo)致苗坨破損的主要原因，并對(duì)取苗參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[16];新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 的全自動(dòng)移栽機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過 PLC 控制移栽機(jī)自動(dòng)移動(dòng)穴盤、自動(dòng)取苗、投苗以及分苗器與栽植器的有效耦合等工作流程[17];石河子大學(xué)針對(duì)目前自動(dòng)移栽機(jī)單個(gè)機(jī)械手取送苗工作效率低的問題，提出了一種整排取苗式穴盤苗移栽機(jī)取送苗方案，旨在提高穴盤苗移栽機(jī)的取送苗速度及整體工作效率[18];河北農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)目前茄科類蔬菜移栽機(jī)存在的對(duì)蔬菜秧苗體態(tài)要求高、自動(dòng)化程度及通用性低、準(zhǔn)直度差等問題，提出了一種鋪放式茄科類蔬菜移栽機(jī)結(jié)構(gòu)，有效解決了目前市場上現(xiàn)有的鴨嘴式、鉗夾式和撓性圓盤式移栽機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、準(zhǔn)直度不高等問題[19];石河子大學(xué)針對(duì)缽苗栽植過程中存在漏苗、掛膜與栽植穴口過大等影響缽苗栽植質(zhì)量的問題，研究了栽植鴨嘴開合控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性與栽植鴨嘴的結(jié)構(gòu)特性，通過對(duì)高副關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位移與栽植鴨嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得鴨嘴開合控制機(jī)構(gòu)的桿件參數(shù)最優(yōu)值[20]。

在采收機(jī)械化方面，新疆等地的科研院所及生產(chǎn)企業(yè)研制的籽瓜收獲機(jī)提高了收獲效率，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)機(jī)具作業(yè)過程中撿拾裝置的纏藤、瓜籽劃傷、聯(lián)合收獲機(jī)械的適應(yīng)能力差等問題，其中新疆農(nóng)墾科學(xué)院改進(jìn)設(shè)計(jì)了籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)的撿拾器，通過優(yōu)化活動(dòng)機(jī)架底板、撿拾彈齒，提高了撿拾作業(yè)性能與機(jī)器作業(yè)的可靠性。但是由于制造工藝的限制，長期作業(yè)彈齒會(huì)發(fā)生彈性變形甚至出現(xiàn)裂紋[21]。目前鮮食瓜的采摘均為人工。

3 存在的問題

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化種植程度低

我國西瓜甜瓜種植基本都以個(gè)體農(nóng)戶為主，同時(shí)不同產(chǎn)區(qū)的地理氣候條件、西瓜甜瓜品種及栽培模式差異大，農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化程度低，給西瓜甜瓜生產(chǎn)機(jī)械的研制開發(fā)與成果轉(zhuǎn)化帶來困難。

3.2 專業(yè)化裝備程度低

目前露地西瓜甜瓜耕種環(huán)節(jié)在用機(jī)具大多為鏵式犁、旋耕機(jī)、開溝機(jī)等通用型大田機(jī)械，缺乏與西瓜甜瓜不同栽培農(nóng)藝相適應(yīng)的起壟、施肥、鋪管、鋪膜復(fù)式作業(yè)機(jī)以及與西瓜甜瓜種、苗等物料特性相適應(yīng)的精量播種、高速移栽機(jī)械，采用人工作業(yè)或單項(xiàng)機(jī)械化作業(yè)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，作業(yè)質(zhì)量難以保證，并且不利于后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)的銜接配套。

3.3 裝備作業(yè)質(zhì)量差

設(shè)施西瓜甜瓜的作業(yè)空間狹小、設(shè)施建設(shè)不標(biāo)準(zhǔn)，大型機(jī)械化裝備無法進(jìn)入其中作業(yè)，即使是“大棚王”等中小馬力拖拉機(jī)也存在“路難走、門難進(jìn)、邊難耕、頭難掉”的問題，機(jī)械化裝備高效節(jié)本省工的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，而微型耕整地機(jī)械馬力小，作業(yè)后的耕層深度、土壤疏松度、田塊平整度等耕作質(zhì)量不能滿足西瓜甜瓜種植農(nóng)藝要求，用于設(shè)施西瓜甜瓜的中小型深耕深翻機(jī)、精整地機(jī)、起壟鋪管鋪膜復(fù)式作業(yè)機(jī)等耕整地機(jī)械亟待研發(fā)。化學(xué)施藥缺乏與西瓜甜瓜植株冠層特性及施藥技術(shù)要求相適應(yīng)的高效、低量施藥技術(shù)裝備，采用背負(fù)式噴霧器、擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)等傳統(tǒng)植保機(jī)械施藥，存在施藥量大、噴霧不均勻、農(nóng)藥利用率低等問題。

4 發(fā)展建議

4.1 加強(qiáng)復(fù)式系列化作業(yè)裝備研發(fā)

通過西瓜甜瓜種植適度規(guī)模化、設(shè)施結(jié)構(gòu)大型化，為西瓜甜瓜機(jī)械化生產(chǎn)提供必要條件，針對(duì)西瓜甜瓜機(jī)械化生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)、薄弱地區(qū)的機(jī)械化難題，攻克農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)集旋耕、開溝、施肥、覆膜于一體的耕整機(jī)械等。

4.2 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

建立基于西瓜甜瓜典型區(qū)域特點(diǎn)與品種特性的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合標(biāo)準(zhǔn)化栽培模式，實(shí)現(xiàn)栽培模式標(biāo)準(zhǔn)化、農(nóng)藝要求輕簡化、田間作業(yè)機(jī)械化，由整地壟形規(guī)范化、系列化開始，為不同作業(yè)環(huán)節(jié)機(jī)械化裝備的銜接配套提供保障。

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