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        西瓜甜瓜生產(chǎn)機械裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

        2019-09-19 19:26:04陳曉龔艷張曉劉德江王果
        中國瓜菜 2019年8期
        關鍵詞:甜瓜西瓜生產(chǎn)

        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,但是西瓜甜瓜機械化生產(chǎn)起步晚,西瓜甜瓜生產(chǎn)仍以人工為主,機械化水平較低,專用機械的研發(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)機械裝備的現(xiàn)狀,指出了國內(nèi)西瓜甜瓜生產(chǎn)機械裝備的發(fā)展方向,建議加強農(nóng)機與農(nóng)藝相融合的技術,以期為我國西瓜甜瓜生產(chǎn)機械裝備的設計研究和推廣提供參考。

        關鍵詞: 西瓜; 甜瓜; 生產(chǎn); 機械化技術

        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)供給側結構性改革以及產(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到189.08萬hm2,甜瓜的播種面積達到48.19萬hm2 [3]。但與主要糧食作物相比,我國西瓜甜瓜生產(chǎn)機械化水平非常低,目前我國西瓜甜瓜綜合機械化水平較低,機械化作業(yè)主要應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、起壟機、開溝機、鋪管鋪膜機、微耕機等通用型耕整地機械;膜下滴灌及水肥一體化設備已在西北等干旱地區(qū)以及海南等設施西瓜甜瓜產(chǎn)區(qū)大面積推廣應用;化學施藥主要采用背負式手動(或電動)噴霧器、背負式噴霧噴粉機、擔架式機動噴霧機等傳統(tǒng)植保機械,噴桿噴霧機、植保無人機等高效植保機械在新疆、甘肅等地西瓜甜瓜病蟲害的規(guī)模化防治中已開始應用;籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機在新疆、內(nèi)蒙等地已有少量應用,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,對我國西瓜甜瓜生產(chǎn)機械化裝備的設計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,國外耕整地機械具有功率大、作業(yè)效率高、技術先進和產(chǎn)品質量好等特點,不僅機電液一體化、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)達國家在蔬菜耕整地領域研究起步早,技術相對成熟,目前可以根據(jù)不同的土壤特性配備相應的耕整地裝備,使土壤達到淺層碎、深層粗,表面平整的整地效果。

        在嫁接技術方面,目前日本、韓國、荷蘭、意大利等國的機械化嫁接技術發(fā)展較成熟,日本井關農(nóng)機株式會社、荷蘭ISO Group、意大利Atlantic Man.SRL、韓國Helper Robotech等企業(yè)生產(chǎn)的嫁接機對葫蘆科、茄科作物的嫁接成活率可達到95%以上。

        在移栽技術方面,以意大利Ferrari公司、英國Pearson等公司為代表的全自動移栽機,融合了多傳感器、自動控制等先進技術,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,實現(xiàn)精準取苗和投苗。歐美發(fā)達國家已基本實現(xiàn)膜上移栽機械化,但在機具作業(yè)效率、對移栽苗的適應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 公司研制了半自動膜上打穴移栽機,移栽速度較慢,低于20株 ·min-1;意大利MAS公司的全自動膜上移栽機速度較快,達25~30株 ·min-1,但其結構復雜,成本較高;久保田(蘇州)公司、井關農(nóng)機(常州)公司等日資企業(yè)研發(fā)的全自動鴨嘴式膜上移栽機具有自動化程度和作業(yè)效率高的優(yōu)點,缺點是機具成本高,結構設計復雜,對蔬菜育苗質量要求高,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適用于設施農(nóng)業(yè)棚室內(nèi)的施藥作業(yè),機具外形尺寸較小,便于進出棚室,行進部位為履帶結構,降低了對地面的壓力,可使機具在復雜路面上平穩(wěn)行駛。噴桿部件采用了升降式折疊設計,通過連桿滑塊機構,可使噴桿角度在0°~90°之間任意調(diào)節(jié),實現(xiàn)由垂直噴霧到水平噴霧的轉換,噴桿離地高度最大可達到720 mm,以適應棚室內(nèi)不同栽植模式作物的植保作業(yè)要求。

        在采收機械化方面,籽瓜聯(lián)合收獲作業(yè)機械僅有奧地利moty、agrostahl等公司的南瓜籽瓜收獲機械的技術已趨于成熟,在生產(chǎn)中得到廣泛應用,以色列的大型自走式籽瓜聯(lián)合收獲機構造復雜、整機體積巨大、價格昂貴,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,使用大型運輸平臺進行轉運。

        2 國內(nèi)西瓜甜瓜生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀

        在耕整地方面,標準化和高質量的整地是機械化生產(chǎn)的前提和基礎[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,從而對西瓜甜瓜耕整地機械化技術提出了不同的要求。為此,國內(nèi)科研機構針對西瓜甜瓜不同區(qū)域特點、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械,并制定了機械化作業(yè)技術規(guī)程。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制了一種西瓜甜瓜超寬幅旋耕起壟復式作業(yè)機與一種旱塘西瓜甜瓜開溝覆膜覆土打孔復式作業(yè)機。西甜瓜超寬幅旋耕起壟復式作業(yè)機實現(xiàn)了2.7~3.0 m寬、30 cm高、超寬幅弧形壟的旋耕、起壟機械化復式作業(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式作業(yè)機,突破了地膜無損條件下,在溝底覆膜、膜上覆土的技術難題,實現(xiàn)了旱塘瓜田的施肥、開溝、覆膜、覆土、打孔機械化復式作業(yè)[7]。

        在播種機排種器技術方面,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,氣吸式排種器可進行西瓜甜瓜的播種,但播種精度差強人意。

        在嫁接技術方面,國內(nèi)學者將幼苗無損抓取技術、輸送技術、砧/穗木切削技術、嫁接苗結合固定技術和嫁接系統(tǒng)自動化控制技術作為研究重點,以提高葫蘆科、茄科等作物機械化嫁接的成功率與作業(yè)效率。浙江大學針對瓜類蔬菜嫁接機在砧木子葉壓持過程中容易導致子葉根部折斷,或由于壓持力過大導致砧木子葉損傷等問題,以葫蘆苗為試驗對象,設計了一種適用于瓜類蔬菜嫁接的砧木子葉壓持機構[8];浙江理工大學為提高嫁接機的運行效率,通過優(yōu)化嫁接機關鍵機構布局,方便人機配合嫁接作業(yè),采用雙棘輪旋轉持苗防回轉機構,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)大學針對目前茄果類貼接式嫁接機嫁接苗切口貼合不緊密、貼接夾持效果不理想及對苗徑要求高等問題,基于貼接式嫁接機理,提出采用接穗下壓工藝開發(fā)茄果類貼接式嫁接機,試驗表明: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)大學針對以育苗穴盤為單元進行每行6株秧苗自動嫁接作業(yè)中夾持定位精確率差、損傷率高等問題,設計了用于自動嫁接裝備的秧苗夾持機構,該機構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,可實現(xiàn)對穴盤內(nèi)每行6株嫁接秧苗準確定位夾持,為精確秧苗切削和嫁接提供準備[11]。

        在移栽技術方面,國內(nèi)學者對缽苗移栽機的取苗機構、栽植機構及控制系統(tǒng)作為研究重點,以提高機械化移栽作業(yè)質量與作業(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)被動沖壓式栽植器(如偏心盤式鴨嘴栽植器)存在多邊形滾動效應,導致穴形不穩(wěn)定、穴孔深度不一致,新疆農(nóng)業(yè)大學設計并制作了多桿式鉆穴裝置,通過對鉆穴器運動軌跡和運動過程分析確定了裝置各參數(shù),并對地輪進行了改良,以保證裝置運行穩(wěn)定流暢,空間結構合理[12];新疆農(nóng)業(yè)大學針對壓縮基質培育的西瓜缽苗,模仿人工先打穴后放苗的方式,設計了一種半自動壓縮基質型缽苗移栽機,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];河南科技大學針對目前移栽機的栽植機構易造成缽苗傾斜,導致缽苗成活率降低的問題,設計了一種行星輪系滑道式栽植機構,該機構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,河南科技大學通過高速攝像對鴨嘴式移栽機的缽苗從導苗筒下落至栽植器底部的運動過程進行了試驗研究,為鴨嘴式移栽機栽植器的優(yōu)化設計提供參考[15];江蘇大學為了減小自動移栽時取苗爪夾取苗坨的破損,利用X射線Micro-CT對處于夾取狀態(tài)的黃瓜苗坨進行檢測,探明新生孔隙的聚集和裂縫的形成是導致苗坨破損的主要原因,并對取苗參數(shù)進行了優(yōu)化[16];新疆農(nóng)業(yè)大學設計了一種基于 PLC 的全自動移栽機自動控制系統(tǒng),通過 PLC 控制移栽機自動移動穴盤、自動取苗、投苗以及分苗器與栽植器的有效耦合等工作流程[17];石河子大學針對目前自動移栽機單個機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取送苗方案,旨在提高穴盤苗移栽機的取送苗速度及整體工作效率[18];河北農(nóng)業(yè)大學針對目前茄科類蔬菜移栽機存在的對蔬菜秧苗體態(tài)要求高、自動化程度及通用性低、準直度差等問題,提出了一種鋪放式茄科類蔬菜移栽機結構,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結構復雜、準直度不高等問題[19];石河子大學針對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量的問題,研究了栽植鴨嘴開合控制機構運動特性與栽植鴨嘴的結構特性,通過對高副關節(jié)的運動位移與栽植鴨嘴的結構優(yōu)化,獲得鴨嘴開合控制機構的桿件參數(shù)最優(yōu)值[20]。

        在采收機械化方面,新疆等地的科研院所及生產(chǎn)企業(yè)研制的籽瓜收獲機提高了收獲效率,但仍需進一步優(yōu)化改進機具作業(yè)過程中撿拾裝置的纏藤、瓜籽劃傷、聯(lián)合收獲機械的適應能力差等問題,其中新疆農(nóng)墾科學院改進設計了籽瓜聯(lián)合收獲機的撿拾器,通過優(yōu)化活動機架底板、撿拾彈齒,提高了撿拾作業(yè)性能與機器作業(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 標準化種植程度低

        我國西瓜甜瓜種植基本都以個體農(nóng)戶為主,同時不同產(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)藝標準化、規(guī)范化程度低,給西瓜甜瓜生產(chǎn)機械的研制開發(fā)與成果轉化帶來困難。

        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)在用機具大多為鏵式犁、旋耕機、開溝機等通用型大田機械,缺乏與西瓜甜瓜不同栽培農(nóng)藝相適應的起壟、施肥、鋪管、鋪膜復式作業(yè)機以及與西瓜甜瓜種、苗等物料特性相適應的精量播種、高速移栽機械,采用人工作業(yè)或單項機械化作業(yè),不僅費時費工,作業(yè)質量難以保證,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)質量差

        設施西瓜甜瓜的作業(yè)空間狹小、設施建設不標準,大型機械化裝備無法進入其中作業(yè),即使是“大棚王”等中小馬力拖拉機也存在“路難走、門難進、邊難耕、頭難掉”的問題,機械化裝備高效節(jié)本省工的優(yōu)勢難以發(fā)揮,而微型耕整地機械馬力小,作業(yè)后的耕層深度、土壤疏松度、田塊平整度等耕作質量不能滿足西瓜甜瓜種植農(nóng)藝要求,用于設施西瓜甜瓜的中小型深耕深翻機、精整地機、起壟鋪管鋪膜復式作業(yè)機等耕整地機械亟待研發(fā)。化學施藥缺乏與西瓜甜瓜植株冠層特性及施藥技術要求相適應的高效、低量施藥技術裝備,采用背負式噴霧器、擔架式機動噴霧機等傳統(tǒng)植保機械施藥,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 加強復式系列化作業(yè)裝備研發(fā)

        通過西瓜甜瓜種植適度規(guī)模化、設施結構大型化,為西瓜甜瓜機械化生產(chǎn)提供必要條件,針對西瓜甜瓜機械化生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)、薄弱地區(qū)的機械化難題,攻克農(nóng)機農(nóng)藝融合關鍵技術,研發(fā)集旋耕、開溝、施肥、覆膜于一體的耕整機械等。

        4.2 加強農(nóng)機農(nóng)藝融合

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

        參考文獻

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