西瓜甜瓜生产机械装备的发展现状
陈晓 龚艳 张晓 刘德江 王果
摘? ? 要：我国是西瓜甜瓜生产大国，但是西瓜甜瓜机械化生产起步晚，西瓜甜瓜生产仍以人工为主，机械化水平较低，专用机械的研发近年才开始。本文通过分析了解国内外西瓜甜瓜生产机械装备的现状，指出了国内西瓜甜瓜生产机械装备的发展方向，建议加强农机与农艺相融合的技术，以期为我国西瓜甜瓜生产机械装备的设计研究和推广提供参考。
关键词： 西瓜; 甜瓜; 生产; 机械化技术
我国是西瓜甜瓜生产大国，种植面积及产量均位列世界第一位，其中西瓜产量连续20多年居世界首位，2014年西瓜产量为0.75亿t，占世界总产量的67.61%[1-2]。近年来，随着我国农业供给侧结构性改革以及产业布局调整，西甜瓜种植面积不断增加，至2016年西瓜的播种面积达到189.08万hm2，甜瓜的播种面积达到48.19万hm2 [3]。但与主要粮食作物相比，我国西瓜甜瓜生产机械化水平非常低，目前我国西瓜甜瓜综合机械化水平较低，机械化作业主要应用在耕整地和田间管理环节，而稼接、种植、整枝、授粉、收获等环节仍主要依赖于人工。耕整地环节主要采用铧式犁、旋耕机、起垄机、开沟机、铺管铺膜机、微耕机等通用型耕整地机械;膜下滴灌及水肥一体化设备已在西北等干旱地区以及海南等设施西瓜甜瓜产区大面积推广应用;化学施药主要采用背负式手动（或电动）喷雾器、背负式喷雾喷粉机、担架式机动喷雾机等传统植保机械，喷杆喷雾机、植保无人机等高效植保机械在新疆、甘肃等地西瓜甜瓜病虫害的规模化防治中已开始应用;籽瓜捡拾脱籽联合收获机在新疆、内蒙等地已有少量应用，而鲜食西瓜甜瓜则完全依赖于人工收获。因此，调研掌握国内外西瓜甜瓜生产装备的发展现状与特点，对我国西瓜甜瓜生产机械化装备的设计研究和推广具有重要的意义。
1 国外西瓜甜瓜生产装备研究现状
在耕整地方面，国外耕整地机械具有功率大、作业效率高、技术先进和产品质量好等特点，不仅机电液一体化、信息化、智能化程度高，并且考虑到了作业的安全性与舒适度[4]。欧洲发达国家在蔬菜耕整地领域研究起步早，技术相对成熟，目前可以根据不同的土壤特性配备相应的耕整地装备，使土壤达到浅层碎、深层粗，表面平整的整地效果。
在嫁接技术方面，目前日本、韩国、荷兰、意大利等国的机械化嫁接技术发展较成熟，日本井关农机株式会社、荷兰ISO Group、意大利Atlantic Man.SRL、韩国Helper Robotech等企业生产的嫁接机对葫芦科、茄科作物的嫁接成活率可达到95%以上。
在移栽技术方面，以意大利Ferrari公司、英国Pearson等公司为代表的全自动移栽机，融合了多传感器、自动控制等先进技术，通过横向和纵向输送与定位系统控制苗盘位置，采用顶苗杆将穴盘苗成排顶出，或通过取苗爪将苗成排取出，实现精准取苗和投苗。欧美发达国家已基本实现膜上移栽机械化，但在机具作业效率、对移栽苗的适应性以及制造成本等方面仍存在一些问题。例如美国kennco公司、BuckeyeTractor公司和加拿大PlastiTech 公司研制了半自动膜上打穴移栽机，移栽速度较慢，低于20株 ·min-1;意大利MAS公司的全自动膜上移栽机速度较快，达25～30株 ·min-1，但其结构复杂，成本较高;久保田（苏州）公司、井关农机（常州）公司等日资企业研发的全自动鸭嘴式膜上移栽机具有自动化程度和作业效率高的优点，缺点是机具成本高，结构设计复杂，对蔬菜育苗质量要求高，仅适合部分叶菜的移栽作业，适用范围有一定局限性。
在田间管理方面，日本丸山MRS系列履带自走式喷杆喷雾机适用于设施农业棚室内的施药作业，机具外形尺寸较小，便于进出棚室，行进部位为履带结构，降低了对地面的压力，可使机具在复杂路面上平稳行驶。喷杆部件采用了升降式折叠设计，通过连杆滑块机构，可使喷杆角度在0°～90°之间任意调节，实现由垂直喷雾到水平喷雾的转换，喷杆离地高度最大可达到720 mm，以适应棚室内不同栽植模式作物的植保作业要求。
在采收机械化方面，籽瓜联合收获作业机械仅有奥地利moty、agrostahl等公司的南瓜籽瓜收获机械的技术已趋于成熟，在生产中得到广泛应用，以色列的大型自走式籽瓜联合收获机构造复杂、整机体积巨大、价格昂贵，不适合我国籽瓜的种植及收获模式，目前鲜食瓜的采摘均为人工，使用大型运输平台进行转运。
2 国内西瓜甜瓜生产装备研究现状
在耕整地方面，标准化和高质量的整地是机械化生产的前提和基础[5]。由于西瓜甜瓜与粮食作物及其它园艺作物之间，西瓜甜瓜不同种植区域、不同品种之间的栽培模式、农艺要求均存在较大差异，从而对西瓜甜瓜耕整地机械化技术提出了不同的要求。为此，国内科研机构针对西瓜甜瓜不同区域特点、栽培模式及农艺要求，研发了多种适宜的西瓜甜瓜专用耕整地机械，并制定了机械化作业技术规程。农业农村部南京农业机械化研究所研制了一种西瓜甜瓜超宽幅旋耕起垄复式作业机与一种旱塘西瓜甜瓜开沟覆膜覆土打孔复式作业机。西甜瓜超宽幅旋耕起垄复式作业机实现了2.7～3.0 m宽、30 cm高、超宽幅弧形垄的旋耕、起垄机械化复式作业，适用于江、浙、赣等地爬地西瓜甜瓜的种植[6];旱塘西瓜甜瓜开沟覆膜覆土打孔复式作业机，突破了地膜无损条件下，在沟底覆膜、膜上覆土的技术难题，实现了旱塘瓜田的施肥、开沟、覆膜、覆土、打孔机械化复式作业[7]。
在播种机排种器技术方面，目前国内市场上常用的排种器主要有指夹式排种器、勺式排种器、手捏式排种器、气吸式排种器等。目前指夹式排种器适用于玉米等大粒扁平的种子，气吸式排种器可通过更换播种圆盘、剃种刀和清种轮来达到不同类型种子的播种要求，但由于西瓜、甜瓜种子的形状、重量差异较大，目前适用于其他作物的排种器并不适合西瓜甜瓜的播种，气吸式排种器可进行西瓜甜瓜的播种，但播种精度差强人意。
在嫁接技术方面，国内学者将幼苗无损抓取技术、输送技术、砧/穗木切削技术、嫁接苗结合固定技术和嫁接系统自动化控制技术作为研究重点，以提高葫芦科、茄科等作物机械化嫁接的成功率与作业效率。浙江大学针对瓜类蔬菜嫁接机在砧木子叶压持过程中容易导致子叶根部折断，或由于压持力过大导致砧木子叶损伤等问题，以葫芦苗为试验对象，设计了一种适用于瓜类蔬菜嫁接的砧木子叶压持机构[8];浙江理工大学为提高嫁接机的运行效率，通过优化嫁接机关键机构布局，方便人机配合嫁接作业，采用双棘轮旋转持苗防回转机构，提高嫁接效率，保证嫁接的成功率，其嫁接成功率为 89%，嫁接效率为 846.3株 ·h-1，是人工嫁接效率的3.3倍[9];华南农业大学针对目前茄果类贴接式嫁接机嫁接苗切口貼合不紧密、贴接夹持效果不理想及对苗径要求高等问题，基于贴接式嫁接机理，提出采用接穗下压工艺开发茄果类贴接式嫁接机，试验表明：增加接穗下压位移可以增大夹持力和切口贴合力，接穗下压位移产生局部形变区使夹持力和切口贴合力增大，随着接穗下压位移的增大，局部变形区夹持力和切口贴合力明显增大，接穗下压位移为 1 mm时产生的夹持力和切口贴合力最理想[10];青岛农业大学针对以育苗穴盘为单元进行每行6株秧苗自动嫁接作业中夹持定位精确率差、损伤率高等问题，设计了用于自动嫁接装备的秧苗夹持机构，该机构主要由整行秧苗纵向夹紧装置和单株秧苗横向夹持定位装置组成，可实现对穴盘内每行6株嫁接秧苗准确定位夹持，为精确秧苗切削和嫁接提供准备[11]。
在移栽技術方面，国内学者对钵苗移栽机的取苗机构、栽植机构及控制系统作为研究重点，以提高机械化移栽作业质量与作业效率。由于西瓜甜瓜等较大株距农作物在移栽过程中，传统被动冲压式栽植器（如偏心盘式鸭嘴栽植器）存在多边形滚动效应，导致穴形不稳定、穴孔深度不一致，新疆农业大学设计并制作了多杆式钻穴装置，通过对钻穴器运动轨迹和运动过程分析确定了装置各参数，并对地轮进行了改良，以保证装置运行稳定流畅，空间结构合理[12];新疆农业大学针对压缩基质培育的西瓜钵苗，模仿人工先打穴后放苗的方式，设计了一种半自动压缩基质型钵苗移栽机，包含有间歇式打穴装置、持苗栽植装置和钵苗输送装置，能够基本满足西瓜钵苗移栽的要求[13];河南科技大学针对目前移栽机的栽植机构易造成钵苗倾斜，导致钵苗成活率降低的问题，设计了一种行星轮系滑道式栽植机构，该机构通过行星轮系和滑道的配合，以打穴放苗的方式完成钵苗栽植[14];此外，河南科技大学通过高速摄像对鸭嘴式移栽机的钵苗从导苗筒下落至栽植器底部的运动过程进行了试验研究，为鸭嘴式移栽机栽植器的优化设计提供参考[15];江苏大学为了减小自动移栽时取苗爪夹取苗坨的破损，利用X射线Micro-CT对处于夹取状态的黄瓜苗坨进行检测，探明新生孔隙的聚集和裂缝的形成是导致苗坨破损的主要原因，并对取苗参数进行了优化[16];新疆农业大学设计了一种基于 PLC 的全自动移栽机自动控制系统，通过 PLC 控制移栽机自动移动穴盘、自动取苗、投苗以及分苗器与栽植器的有效耦合等工作流程[17];石河子大学针对目前自动移栽机单个机械手取送苗工作效率低的问题，提出了一种整排取苗式穴盘苗移栽机取送苗方案，旨在提高穴盘苗移栽机的取送苗速度及整体工作效率[18];河北农业大学针对目前茄科类蔬菜移栽机存在的对蔬菜秧苗体态要求高、自动化程度及通用性低、准直度差等问题，提出了一种铺放式茄科类蔬菜移栽机结构，有效解决了目前市场上现有的鸭嘴式、钳夹式和挠性圆盘式移栽机结构复杂、准直度不高等问题[19];石河子大学针对钵苗栽植过程中存在漏苗、挂膜与栽植穴口过大等影响钵苗栽植质量的问题，研究了栽植鸭嘴开合控制机构运动特性与栽植鸭嘴的结构特性，通过对高副关节的运动位移与栽植鸭嘴的结构优化，获得鸭嘴开合控制机构的杆件参数最优值[20]。
在采收机械化方面，新疆等地的科研院所及生产企业研制的籽瓜收获机提高了收获效率，但仍需进一步优化改进机具作业过程中捡拾装置的缠藤、瓜籽划伤、联合收获机械的适应能力差等问题，其中新疆农垦科学院改进设计了籽瓜联合收获机的捡拾器，通过优化活动机架底板、捡拾弹齿，提高了捡拾作业性能与机器作业的可靠性。但是由于制造工艺的限制，长期作业弹齿会发生弹性变形甚至出现裂纹[21]。目前鲜食瓜的采摘均为人工。
3 存在的问题
3.1 标准化种植程度低
我国西瓜甜瓜种植基本都以个体农户为主，同时不同产区的地理气候条件、西瓜甜瓜品种及栽培模式差异大，农艺标准化、规范化程度低，给西瓜甜瓜生产机械的研制开发与成果转化带来困难。
3.2 专业化装备程度低
目前露地西瓜甜瓜耕种环节在用机具大多为铧式犁、旋耕机、开沟机等通用型大田机械，缺乏与西瓜甜瓜不同栽培农艺相适应的起垄、施肥、铺管、铺膜复式作业机以及与西瓜甜瓜种、苗等物料特性相适应的精量播种、高速移栽机械，采用人工作业或单项机械化作业，不仅费时费工，作业质量难以保证，并且不利于后续作业环节的衔接配套。
3.3 装备作业质量差
设施西瓜甜瓜的作业空间狭小、设施建设不标准，大型机械化装备无法进入其中作业，即使是“大棚王”等中小马力拖拉机也存在“路难走、门难进、边难耕、头难掉”的问题，机械化装备高效节本省工的优势难以发挥，而微型耕整地机械马力小，作业后的耕层深度、土壤疏松度、田块平整度等耕作质量不能满足西瓜甜瓜种植农艺要求，用于设施西瓜甜瓜的中小型深耕深翻机、精整地机、起垄铺管铺膜复式作业机等耕整地机械亟待研发。化学施药缺乏与西瓜甜瓜植株冠层特性及施药技术要求相适应的高效、低量施药技术装备，采用背负式喷雾器、担架式机动喷雾机等传统植保机械施药，存在施药量大、喷雾不均匀、农药利用率低等问题。
4 发展建议
4.1 加强复式系列化作业装备研发
通过西瓜甜瓜种植适度规模化、设施结构大型化，为西瓜甜瓜机械化生产提供必要条件，针对西瓜甜瓜机械化生产薄弱环节、薄弱地区的机械化难题，攻克农机农艺融合关键技术，研发集旋耕、开沟、施肥、覆膜于一体的耕整机械等。
4.2 加强农机农艺融合
建立基于西瓜甜瓜典型区域特点与品种特性的农机农艺融合标准化栽培模式，实现栽培模式标准化、农艺要求轻简化、田间作业机械化，由整地垄形规范化、系列化开始，为不同作业环节机械化装备的衔接配套提供保障。
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